ANALIZA NIEZAWODNOŚCI WTRYSKIWACZY RELIABILITY ANALYSIS OF INJECTORS

Transkrypt

1 GRZEGORZ ZAJĄC, GRZEGORZ KACZOR * ANALIZA NIEZAWODNOŚCI WTRYSKIWACZY RELIABILITY ANALYSIS OF INJECTORS Streszczenie Abstract Wzrost wymagań w zakresie spełniania coraz ostrzejszych norm dotyczących emisji toksycznych substancji oraz zmniejszania zużycia paliwa przez nowoczesne silniki wysokoprężne powoduje, że elementy układów wtryskowych pracują w warunkach zwiększonych obciążeń, temperatur i ciśnień. Ma to istotny wpływ na ich niezawodność i trwałość. W artykule przedstawiono analizę niezawodności wtryskiwaczy metodą największej wiarygodności. Słowa kluczowe: układy wtryskowe, analiza niezawodności, metoda największej wiarygodności The increase in meeting the requirements of increasingly stringent emission standards for toxic substances and reduce fuel consumption of diesel engines, makes the elements of the injection systems operate under higher loads, temperatures and pressures. It impacts significantly on their reliability and durability. This article contains an analysis of reliability of the injectors based on the maximum likelihood method. Keywords: injection systems, reliability analysis, maximum likelihood method * Dr inż. Grzegorz Zając, mgr inż. Grzegorz Kaczor, Instytut Pojazdów Szynowych, Wydział Mechaniczny, Politechnika Krakowska.

2 Wstęp Silniki wysokoprężne od dawna zyskały uznanie wśród ich eksploatatorów ze względu na wysoką sprawność w porównaniu z innymi rozwiązaniami konstrukcyjnymi. Są one powszechnie wykorzystywane w przemyśle, począwszy od niewielkich agregatów prądotwórczych, a skończywszy na środkach transportu, w przypadku których ich zastosowanie nabiera szczególnego znaczenia. Wzrost wymagań dotyczących ograniczania zużycia paliwa i emisji toksycznych substancji przez silniki wysokoprężne generuje potrzebę poszukiwania nowatorskich rozwiązań w zakresie konstrukcji układów wtryskowych. Największe znaczenie wydaje się mieć obecnie układ bezpośredniego wtrysku paliwa typu Common Rail, wykorzystujący sterowane elektronicznie wtryskiwacze z zaworami elektromagnetycznymi (rys. 1a) bądź piezoelektrycznymi (rys. 1b). Rys. 1a) Wtryskiwacz z zaworem piezoelektrycznym: 1 złącze przelewu paliwa, 2 złącze wysokiego ciśnienia, 3 siłownik piezoelektryczny, 4 przetwornik hydrauliczny, 5 zawór sterujący, 6 rozpylacz z igłą, 7 kanalik wtryskowy Fig. 1a) Injector with piezoelectric valve: 1 fuel overflow connector, 2 High pressure connector, 3 piezoelectric actuator, 4 hydraulic converter, 5 control valve, 6 atomizer with needle, 7 ejaculatory channel

3 329 Rys. 1b) Wtryskiwacz z zaworem elektromagnetycznym: 1 złącze przelewu paliwa, 2 złącze elektryczne, 3 cewka elektromagnesu, 4 złącze dopływu paliwa, 5 kulka kotwicy zaworu, 6 dławik odpływu, 7 dławik dopływu, 8 komora sterująca zaworu, 9 tłoczek sterujący zaworu, 10 kanalik wtryskowy, 11 rozpylacz z igłą Fig. 1b) Injector with electromagnetic valve: 1 fuel overflow connector, 2 electric connector, 3 electromagnetic coil, 4 fuel supply connector, 5 anchor ball valve, 6 outflow choke, 7 flow choke, 8 control cell of valve, 9 control piston of valve, 10 ejaculatory channel, 11 atomizer with needle Wtryskiwacze są elementami, których konstrukcja ma najistotniejszy wpływ na tworzenie jednorodnej mieszaniny paliwowo-powietrznej oraz proces kształtowania przebiegu spalania, co z kolei przekłada się na stężenie toksycznych składników w spalinach oraz zużycie paliwa. Z tego powodu, przy opracowywaniu kolejnych generacji układów wtryskowych wysiłek jest kładziony głównie na udoskonalenie działania wtryskiwaczy. Wymagana jest możliwość realizowania wtrysku wielofazowego, a więc rozdzielenie tego procesu na poszczególne fazy. W początkowej fazie podawana jest dawka wstępna, zwiększająca temperaturę powierzchni cylindrów oraz ścianek tłoków, przygotowująca komorę spalania na

4 330 podanie dawki zasadniczej, której objętość w danej chwili czasu jest zależna od parametrów pracy silnika (m.in. wartości obciążenia, położenia pedału gazu, wartości prędkości obrotowej, temperatury cieczy chłodzącej). W końcowej fazie procesu spalania wtryskiwacze aplikują do cylindrów dawki dopalające, które ograniczają spadek wartości sił działających na powierzchnie tłoków, spowodowane częściowym spaleniem mieszanki. Ilość poszczególnych dawek oraz czas realizacji wtrysku zależy od konstrukcji wtryskiwacza [3]. Rozwijana obecnie trzecia generacja układu wtryskowego typu Common Rail wykorzystuje wtryskiwacze z zaworami piezoelektrycznymi, charakteryzujące się dziesięciokrotnie krótszym czasem realizacji wtrysku niż w przypadku wtryskiwaczy z zaworem elektromagnetycznym [4]. 2. Metoda maksymalnej wiarygodności Metoda największej wiarygodności jest jednym z podstawowych i chętnie stosowanych narzędzi statystycznych, służących do estymacji parametrów modeli matematycznych. Wynika to z jej wszechstronności, która związana jest z prowadzeniem analizy zarówno dla małych, jak i dużych próbek, możliwością zastosowania dla zmiennych losowych opisanych dowolnym modelem matematycznym. Metoda ta ma szczególne znaczenie w analizie niezawodności, a zwłaszcza w przypadku prób losowych, w trakcie których nie wszystkie badane obiekty przeszły w stan niezdatności (right censored data) [2]. Główną ideą przyświecającą opracowaniu metody największej wiarygodności było jak najdokładniejsze uzyskanie parametrów modeli matematycznych. Dlatego też opiera się ona na wyborze tych parametrów, które prowadzą do maksymalizacji funkcji wiarygodności. Niech x oznacza losową typu ciągłego, dla której funkcja gęstości prawdopodobieństwa f(t) jest wyrażona równaniem: f = ( x; θ1, θ2,..., θk ) (1) gdzie: x zmienna losowa, θ= [ θ1, θ2,..., θk ] zbiór poszukiwanych parametrów. Funkcja największej wiarygodności dana jest wyrażeniem: R L = ( θ1, θ2,..., θk x1, x2,..., xr) = f( xi; θ1, θ2,..., θk) (2) Logarytmiczna funkcja największej wiarygodności jest opisana równaniem: R i= 1 Λ= ln L = f( x ; θ, θ,..., θ ) (3) i= 1 Poprzez maksymalizację wyrażenia (3) otrzymuje się ostatecznie równanie, którego rozwiązaniem są poszukiwane wartości parametrów θ, θ,..., θ : i k k Λ = 0, j = 1, 2,..., k (4) θ j

5 3. Analiza niezawodności wtryskiwaczy 331 Dzięki uprzejmości jednego z autoryzowanych serwisów pojazdów samochodowych zgromadzono dane dotyczące uszkodzeń wtryskiwaczy układu zasilania paliwa typu Common Rail. Badania prowadzone przez serwis obejmowały populację 90 pojazdów zawierających łącznie 360 wtryskiwaczy. Rozpoczęły się one w chwili wprowadzenia pojazdów do eksploatacji i trwały do momentu osiągnięcia wartości przebiegu km przez każdy z nich. Dane w postaci histogramu zostały przedstawione na rys. 1. Rys. 2. Dane dotyczące uszkodzeń wtryskiwaczy Fig. 2. Injectors life data Do analizy niezawodności przyjęto dwuparametryczny rozkład Weibulla. Wykorzystując metodę największej wiarygodności oraz aplikację Weibull++7, wyznaczono parametry przyjętego rozkładu i otrzymano charakterystyki niezawodności, intensywności uszkodzeń oraz gęstości prawdopodobieństwa w funkcji przebiegu pojazdów.

6 332 Rys. 3. Charakterystyka niezawodności wtryskiwaczy z obustronnymi przedziałami ufności Fig. 3. Injectors reliability function with two sided confidence bounds Rys. 4. Charakterystyka intensywności uszkodzeń wtryskiwaczy Fig. 4. Injectors failure rate function

7 333 Rys. 5. Charakterystyka gęstości prawdopodobieństwa wtryskiwaczy Fig. 5. Injectors probability density function Parametry przyjętego rozkładu Weibulla mają następujące wartości: β = 0,8319 (parametr kształtu); η = (parametr skali). Z wykorzystaniem algorytmu Standard Probability Calculations wyznaczono dokładną wartość funkcji niezawodności badanej populacji wtryskiwaczy dla wartości przebiegu pojazdów odpowiadającej zakończeniu badania. Wynosi ona 0,4205 i może być jednocześnie traktowana jako wartość, dla której okres gwarancji wtryskiwaczy jest równy km. Gęstość prawdopodobieństwa jest funkcją zmiennej losowej, która charakteryzuje wartość najczęściej występującą modę. W przypadku badanych elementów układu wtryskowego występuje ona w początkowej fazie eksploatacji związanej z okresem docierania. Podobnie można odnieść się do funkcji intensywności uszkodzeń, której przebieg jest typowy dla obiektów technicznych podlegających procesom zużycia. Opierając się na zależności (5), wyznaczono średni okres poprawnej pracy wtryskiwaczy. Jest on równy ok km i uwzględnia również obiekty, które w trakcie prowadzenia badania nie uległy uszkodzeniu. W chwili zakończenia badania odnotowana liczba niezdatnych pojazdów z powodu występowania uszkodzeń wtryskiwaczy była równa 53. Oznacza to, że nieuszkodzone wtryskiwacze posiadały jeszcze pewien zasób możliwej do wykonania pracy [1]. T = t f() t dt 0 (5)

8 334 Wtryskiwacze są elementami układu wtryskowego szczególnie wrażliwymi na jakość paliwa, które kształtuje ich niezawodność w procesie eksploatacji. Obecność wszelkiego rodzaju zanieczyszczeń, w tym również wody, prowadzi do przyspieszonego zużycia tych elementów i tym samym do zwiększenia prawdopodobieństwa wystąpienia uszkodzenia. Analizując wyniki przeprowadzonej symulacji badanych wtryskiwaczy, można dojść do wniosku, iż w świetle warunków, w jakich pracują te obiekty, ich niezawodność powinna spełnić oczekiwania eksploatatorów. 3. Wnioski W niniejszym artykule dokonano analizy niezawodności wtryskiwaczy układu zasilania paliwem typu Common Rail. Są to elementy, których poprawne funkcjonowanie ma bardzo istotny wpływ na zdatność całego układu. Świadomość zasady działania układu wtryskowego oraz wpływu wielu czynników na jego właściwą pracę w trakcie eksploatacji gwarantuje wysoką niezawodność. Literatura [1] K a c z o r G., Analiza niezawodności układu wtryskowego typu Common Rail, praca magisterska, Kraków [2] System Analysis Reference. Reliability, Availability & Optimization, BlockSim 7. Reliasoft Corporation. Tucson AZ USA, [3] Wajand A., Wajand T.,Tłokowe silniki spalinowe średnio i szybkoobrotowe, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa 1993, [4] Zasobnikowe układy wtryskowe Common Rail, Informator techniczny, Wydawnictwa Komunikacji i Łączności, Warszawa 2009.