ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW 1(87)/2012

ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW 1(87)/2012 Paweł Mazuruk 1 DIAGNOSTYKA WTRYSKIWACZY COMMON RAIL Z WYKORZYSTA- NIEM EMISJI AKUSTYCZNEJ l. Wstęp Rosnące koszty eksploatacji silników przemysłowych, w szczególności wzrost cen paliwa, powodują, że użytkownicy coraz częściej sięgają do paliw nieznanego pochodzenia. Paliwa te najczęściej nie spełniają norm odnośnie ich jakości i są przyczyną licznych uszkodzeń w układach paliwowych. Często motywacją do tego typu działań jest przekonanie, że mając doświadczenia ze starszego typu silnikami, użytkownik uważa, że właściwie paliwo powinno jedynie zawierać wartości kaloryczne by wywołać proces spalania i nic więcej. Obecnie większość silników produkowanych jeszcze wg norm emisji spalin EURO Stage 3A posiada zasobnikowy układ wtryskowy zwany z języka angielskiego Common Rail. MAN AgcoSisu Lombardini Kubota Isuzu Yanmar Scania Caterpillar Perkins Deutz John Deere Cummins Iveco Volvo 0 100 200 300 400 500 600 700 800 Rys. 1. Zakres zastosowania systemu Common Rail w zależności od producenta i mocy silnika w [kw][1] Na podstawie wieloletnich obserwacji i analiz usterek badanych silników autor może stwierdzić, że około 70% wszystkich uszkodzeń silnika jest związanych z układem 1 mgr inż. Paweł Mazuruk BU Power Systems Polska, pawel_mazuruk@o2.pl 87

paliwowym, a w szczególności z częścią wysokociśnieniową. Główną przyczyną uszkodzeń nie są zazwyczaj zanieczyszczenia stałe, gdyż te są zatrzymywane w bardzo dokładnych filtrach, ale problemem są zanieczyszczenia płynne, które tworzą osady w postaci mazistej czy też korozję elementów metalowych całego układu paliwowego. Osady najczęściej powodują zakleszczanie się elementów par precyzyjnych pompy i wtryskiwaczy, zaś korozja dodatkowo doprowadza do wytwarzania się cząstek ciernych z elementów pompy. Rys. 2. Obraz zanieczyszczeń elementów wtryskiwacza [2] Na powyższych zdjęciach przedstawiono płytkę rozdzielaczową oraz podkładkę i sprężynę wtryskiwacza zdemontowane z uszkodzonego wtryskiwacza. Elementy te są zanurzone w paliwie podczas pracy i widać wyraźnie osady powstałe z zanieczyszczonego paliwa. 2. Diagnostyka wtryskiwaczy Z dokumentacji producentów silników oraz dostępnych danych literaturowych [3] wynika, że najbardziej precyzyjnym podzespołem w układzie wtryskowym jest wtryskiwacz, w którym luzy prowadzenia iglicy są rzędu kilku µm zaś przekroje niektórych kanałów wynoszą nie więcej niż 0,25 mm². Dlatego też ten element jest najbardziej narażony na uszkodzenia w przypadku stosowania paliw niezgodnych z normami. Na podstawie obserwacji autora można stwierdzić, że stan uszkodzenia wtryskiwaczy nie jest zależny od wieku silnika a od czasu pracy na zanieczyszczonym paliwie. 88

3500 godz. 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 silnik 1 silnik 2 silnik 3 silnik 4 silnik 5 silnik 6 silnik 7 Rys. 3. Liczba godzin pracy wtryskiwaczy do momentu uszkodzenia [2] Z praktycznego punktu widzenia bardzo ważnym elementem eksploatacji silnika jest także jego prawidłowa i szybka diagnoza, a w przypadku wystąpienia usterki także skuteczna i szybka naprawa. Wiąże się to z ogromnymi kosztami związanymi z przestojem maszyny, która to jest napędzana spalinowym silnikiem przemysłowym. Maszyny te są najczęściej jednym z ogniw procesu technologicznego i każdy niepożądany przestój przynosi straty w całym procesie technologicznym. Rys. 4. Przykłady zastosowania spalinowych silników przemysłowych [2] 89

Analizując procedury diagnostyczne różnych producentów silników można wytypować następujące metody diagnostyczne wtryskiwaczy Common Rail: 1) Metody elektryczne Polegają głównie na wykorzystaniu mierników elektrycznych, jak np. oscyloskop, do badania przebiegu napięć a w szczególności przebiegu natężeń prądu oraz ich charakterystyki w czasie. Tą metodą można zdiagnozować usterkę po stronie elektrycznej taką jak: przerwanie obwodu elektrycznego, nieprawidłowe wartości napięcia i natężenia prądu, uszkodzenia cewki w przypadku pomiaru indukcyjności czy też stosu piezoelektryków w przypadku pomiaru pojemności elektrycznej. 2) Metody komputerowe Polegają na analizie parametrów uzyskanych za pomocą komputera i programu diagnostycznego producenta silnika. Najczęściej diagnostyka silników przemysłowych nie jest tak bardzo zaawansowana jak to jest w silnikach pojazdów samochodowych, aczkolwiek w niektórych rozwiązaniach można znaleźć takie parametry diagnostyczne wtryskiwaczy jak współczynnik wypełnienia, stabilizacja biegu jałowego, adaptacja średniej wartości dawki, kalibracja dawki zerowej które to parametry świadczą pośrednio także o poprawności działania wtryskiwaczy [4]. 3) Metody pomiaru zadymienia Metoda opisana w pracach [5,6] jest stosowana wówczas, gdy istnieje możliwość zmierzenia wartości zadymienia spalin. Wówczas rozłączając przewody zasilające pracującego wtryskiwacza i podłączając go do nowego serwisowego wtryskiwacza można zauważyć i zmierzyć zmiany w zadymieniu, jeżeli faktycznie wyłączony wtryskiwacz działał niepoprawnie. 4) Metody pomiaru przelewu Najbardziej rozpowszechniona metoda badania poprawności pracy wtryskiwacza, głównie pod kątem usterki mechanicznej. Za pomocą przewodów przelewowych i menzurek wyznacza się wartość przelewu z każdego wtryskiwacza lub zbiorczo i porównuje zgromadzoną ilość paliwa z danymi ustalonymi przez producenta. Nadmierny przelew może wskazywać na niepoprawną pracę wtryskiwacza lub całego kompletu. 5) Badanie wtryskiwaczy na stanowisku probierczym w specjalistycznym zakładzie Jest to najbardziej precyzyjny sposób sprawdzenia działania wtryskiwacza, polegający na przeprowadzeniu szeregu precyzyjnych testów pracy wtryskiwacza takich jak: zdolność podziałowa wtryskiwaczy, ustalanie mikro dawki, pełne obciążenie wtryskiwacza itd. [7]. Analizując metody diagnostyczne wtryskiwaczy należy podkreślić, iż mogą one mieć swoje ograniczenia w zastosowaniu do diagnostyki silnika w terenie, w którym pracuje maszyna. W badanym silniku nie obserwowano uszkodzeń po stronie elektrycznej obwodu sterowania wtryskiwaczami, aczkolwiek jest to zależne od modelu silnika i jego producenta. Diagnostyka komputerowa silników przemysłowych nie zawsze jest aż tak rozbudowana jak w systemach silników samochodowych, stąd też może nie mieć pełnego zastosowania. Weryfikacja uszkodzenia wtryskiwaczy za pomocą badania zadymienia ogranicza się do posiadania bardzo drogiego urządzenia, którym jest analizator spalin i także nie ma praktycznego zastosowania w naprawach w terenie. Badanie wtryskiwaczy w specjalistycznym zakładzie mija się z celem, jeżeli mechanik musi szybko określić przyczynę awarii i podjąć decyzję o wymianie wtryskiwaczy w miejscu postoju maszyny. Pozostaje pomiar przelewu, który nie we wszystkich silnikach można precyzyjnie ustalić. W badanym silniku pomiaru dokonuje się zbiorczo ze wszystkich 90

wtryskiwaczy, stąd też jeżeli zgromadzona ilość paliwa przekroczy ustaloną normę przez producenta, wówczas koniecznym jest wymiana całego kompletu wtryskiwaczy np. 6 sztuk a co za tym idzie wszystkich przewód wysokiego ciśnienia itd. Dodatkowym kosztem jest czas pracy potrzebny do wymiany wszystkich wtryskiwaczy co wiąże się z zwiększeniem kosztów naprawy i dodatkowym przestojem maszyny. Z obserwacji procesu naprawy takiej usterki, żądań użytkowników w takich przypadkach oraz kalkulacji kosztów można stwierdzić, iż istnieje potrzeba opracowania znacznie szybszej, precyzyjniejszej i tańszej metody diagnozy pracy poszczególnych wtryskiwaczy Common Rail [8]. Poniżej przedstawiono zestawienie kosztów usunięcia awarii powstałej w silniku maszyny drogowej do rozkładania asfaltu przy założeniu, że diagnostyka usterki układu wtryskowego została wykonana metodą tradycyjną czyli poprzez pomiar nadmiernego zbiorczego przelewu z wtryskiwaczy oraz że wymianie podlega cały komplet wtryskiwaczy. Porównano te koszty z proponowaną metodą badania poszczególnych wtryskiwaczy z pomocą EA. PLN netto 18000 16000 14000 12000 10000 8000 6000 4000 2000 0 Tradycyjna metoda Diagnostyka EA Koszt przestoju Koszt robocizny Koszt części Koszt wtryskiwaczy Rys. 5. Koszty w PLN netto usunięcia usterki wtryskiwaczy w maszynie drogowej [2] W ostatnich latach rozwija sie dosyć dynamicznie metoda zastosowania Emisji Akustycznej w badaniach i diagnostyce elementów i podzespołów silnika spalinowego. Emisja Akustyczna jest to zjawisko występowania chwilowych fal sprężystych wywołanych przez wyzwolenie energii w materiale lub przez proces [9]. W silnikach spalinowych sygnał Emisji Akustycznej (EA) znalazł zastosowanie m.in. w detekcji luzów zaworowych [10], badaniu szczelności uszczelki pod głowicą [11], pracy pompy wtryskowej i wtryskiwaczy sterowanych mechanicznie [12,13,14], badaniu stanu pierścieni tłokowych [15], pomiarów wartości ciśnienia spalania w komorze cylindrowej [16] i inne. Pojawiły się już pierwsze artykuły wykorzystujące EA w diagnozie pracy wtryskiwaczy Common Rail [17,18], jednak skupiają się one na specyficznym zakresie badań jak np. zastosowanie paliw alternatywnych i wpływ tych paliw na wtryskiwacz czy też opis usterek wtryskiwaczy, takich jak uszkodzenie końcówki rozpylacza, które nie występowały w badanym silniku. 91

3. Badania eksperymentalne Badania przeprowadzono na fabrycznie nowym, nowoczesnym, przemysłowym silniku z zapłonem samoczynnym z układem wtryskowym Common Rail stosowanym do napędu maszyn drogowych, rolniczych czy też budowlanych. Tabela 1. Zestawienie podstawowych danych technicznych badanego silnika Silnik rzędowy, czterosuwowy, certyfikowany wg norm EU 97/68/EC Stage 3A Liczba cylindrów 4 Średnica cylindra 105 mm Skok tłoka 127 mm Pojemność silnika 4400 cm 3 Maksymalna moc przy 2200 obr/min 102 kw Maksymalny moment obrotowy przy 1400 obr/min 536 Nm Stopień sprężania 16,2:1 Maksymalne ciśnienie wtrysku 160 MPa Typ wtryskiwacza elektromagnetyczny Na bazie niniejszego silnika zbudowano stanowisko badawcze przedstawione na zdjęciu poniżej. Ze względu na to, iż ogromna większość zakładów naprawczych nie posiada i nie stosuje hamulców do obciążania silnika zaś wszystkie testy przed i po naprawie dokonuje się bez obciążenia, zdecydowano się na badanie wtryskiwaczy pod obciążeniem około 5-10% czyli takim, które pochodzi od napędu osprzętu silnika. Podczas diagnostyki silnika zamontowanego w maszynie również nie bada się wtryskiwaczy np. metodą przelewową pod obciążeniem silnika. Dlatego też założono, iż badanie wtryskiwaczy EA powinno dać możliwość wykrycia nieprawidłowości pracy wtryskiwacza właśnie pod niskim obciążeniem. Rys. 6. Stanowisko badawcze [2] 92

Do badań wytypowano sześć fabrycznie nowych wtryskiwaczy oznaczonych jako NN1, NN2...NN6 oraz sześć uszkodzonych opisanych jako UU1, UU1...UU6. Wartość przelewu z wtryskiwaczy została zmierzona na silniku oraz potwierdzona na stole probierczym w specjalistycznym zakładzie aparatury wtryskowej. Zgodnie z Instrukcją Serwisową producenta prędkością badawczą przy pomiarze wartości przelewów z wtryskiwacza jest 1000 obr/min zaś czas pomiaru przelewu wynosił 1 minutę. Wartości przelewu wytypowanych wtryskiwaczy podano poniżej i kolorem czerwonym oznaczono wartość przelewu, wskazująca na uszkodzenie wtryskiwacza. [ml] 170 160 150 140 130 120 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 NN1 NN2 NN3 NN4 NN5 NN6 UU1 UU2 UU3 UU4 UU5 UU6 Rys. 7. Zestawienie graficzne średniej wartości przelewu zbiorczego z wtryskiwaczy zgromadzonego w ciągu 1 minuty przy prędkości badawczej [2] Do pomiaru sygnału Emisji Akustycznej wykorzystano akcelerometr o oznaczeniu 4371V firmy Bruel&Kjaer. Układ pomiarowy składa się z przetwornika Emisji Akustycznej oraz oprogramowania wykonanego w Zakładzie Badań Nieniszczących Instytutu Podstawowych Problemów Technicznych Polskiej Akademii Nauk [18]. Akcelerometr mocowany w uchwycie Wzmacniacz środkowoprzepustowy 20 db Analogowocyfrowa karta dźwiękowa PCI 9118 Miejsce pomiarowe Komputer PC Rys. 8. Uproszczony schemat układu pomiarowego Emisji Akustycznej 93

W celu zapewnienia jednakowych warunków pomiaru EA wtryskiwaczy badano je w jednym cylindrze. Montowano kolejno w głowicy, a następnie dokonywano pomiaru sygnału EA z akcelerometru zamontowanego na króćcu przewodu wysokiego ciśnienia do wtryskiwacza. Akcelerometr montowano w specjalnie wykonanym do tego celu uchwycie, który był pozycjonowany na króćcu przy wtryskiwaczu i dokręcany jednakowym momentem 2,5 Nm za pomocą klucza dynamometrycznego. Każdorazowo wprowadzano pomiędzy akcelerometr i powierzchnię króćca żel przewodzący. Przed każdym pomiarem silnik pracował do momentu ustabilizowania się temperatury wody chłodzącej (wynosiła ona w zadanych warunkach 79 C) oraz prędkości obrotowej 1000 obr/min. Dokonywano 10 kolejnych pomiarów dla każdego wtryskiwacza zdejmując każdorazowo akcelerator. 4. Wyniki badań W omówieniu wyników wykorzystano fragment prowadzonych aktualnie przez autora badań. Porównano wartości sygnałów fabrycznie nowego wtryskiwacza oraz uszkodzonego, którego wartość przelewu przekracza dopuszczalne normy określone przez producenta i jest wyższa o 92% od wartości przelewu nowego wtryskiwacza. Poniżej podano przebieg sygnału EA wybranych wtryskiwaczy jako wartość napięcia w [mv] w czasie w [ms]. [mv] Rys. 9. Sygnał Emisji Akustycznej pochodzący z wtryskiwacza nowego Porównując sygnały źródłowe Emisji Akustycznej widoczna jest liczba przekroczeń sygnału zarówno dla progu 800 mv jak i 1000 mv. Dla uszkodzonego wtryskiwacza wartości kolejnych przekroczeń sygnału są znacznie niższe. 94

[mv] Rys. 10. Sygnał Emisji Akustycznej pochodzący z wtryskiwacza uszkodzonego Na rysunkach powyżej czerwonym kółkiem zaznaczono moment przekroczenia progu napięcia 1000 mv dla nowego wtryskiwacza nastąpiło to po 0,78 ms od początku wtrysku zaś dla uszkodzonego dopiero po 1,88 ms od początku wtrysku. Przerywanym kółkiem żółtym zaznaczono też impulsy sygnału, które można wyodrębnić we wtryskiwaczu uszkodzonym. [ms] Wtryskiwacz nowy Wtryskiwacz uszkodzony 10 20 30 10 20 30 [ms] Rys. 11. Wycinek spektrogramu EA z programu Z.Ranachowski IFTR-spectrum analyser wraz z legendą (powyżej) oraz widok szczegółowy analizy czasowoczęstotliwościowej wtryskiwaczy 95

We wtryskiwaczu z nadmiernym przelewem proces wtrysku paliwa do cylindra silnika jest zakłócony poprzez zmianę wartości ciśnienia w komorze sterującej wtryskiwacza. Konsekwencją tego jest to, że iglica nie jest unoszona w odpowiednim czasie co powoduje niekontrolowane opadanie i unoszenie się iglicy, a tym samym zmienia się wartość i moment wtrysku dawki paliwa. Generuje to jednocześnie różne częstotliwości sygnału i tak jak to jest widoczne na rysunku powyżej, wykonanym w programie do analizy EA [18]. W przypadku nowego wtryskiwacza widoczne są sygnały w okolicach 15 khz na poziomie powyżej 54 db. Dla uszkodzonego wtryskiwacza pasmo maksymalnego natężenia hałasu wynosi tylko 48 khz i przesunęło się w zakres 12-13 khz. Dosyć wyraźna jest różnica także na wykresie gęstości widmowej, czyli wartości napięcia w stosunku do częstotliwości w funkcji czasu. Dla omawianego przypadku wykreślono ją w częstotliwości 15200 Hz. Rys. 12. Gęstość widmowa sygnału EA w częstotliwości 15200 Hz dla nowego wtryskiwacza t [ms] Rys. 13. Gęstość widmowa sygnału EA w częstotliwości 15200 Hz dla uszkodzonego wtryskiwacza t [ms] 96

Wartości gęstości widmowej sygnału EA przedstawiono w tej samej skali. W nowym wtryskiwaczu wartości napięcia osiągają 400-500 mv w kolejnych procesach wtrysku zaś w uszkodzonym połowę mniej, czyli wartości z zakresu 150-250 mv. 5. Wnioski Na obecnym etapie autor wciąż prowadzi badania wtryskiwaczy nowych i uszkodzonych przy pomocy EA pod kątem metody mocowania czujnika, miejsca mocowania wtryskiwacza, stopnia przelewu z wtyskiwacza, warunków pracy silnika itd. Niemniej analizując powyższe wybrane przykłady widać obiecujące rezultaty. Obecnie testowany jest również analizator Emisji Akustycznej dedykowany do silników z wtryskiwaczami Common Rail, który został opracowany w Zakładzie Badań Nieniszczących IPPT PAN i Akademii Morskiej w Szczecinie. Analizator ten jest przenośnym urządzeniem, które ma posłużyć do badań wtryskiwaczy w terenie przez mechaników, celem zastosowania i dopracowania uniwersalnej metody diagnostycznej wtryskiwaczy Common Rail. Literatura: [1] Opracowanie własne na podstawie informacji zamieszczonych na stronach internetowych producentów [2] Materiały fotograficzne oraz dane techniczne zgromadzone przez autora [3] Informator techniczny firmy Bosch: Zasobnikowe układy wtryskowe Common Rail, Wydawnictwa Komunikacji i Łączności, Wydanie 2 rozszerzone, Warszawa 2009 [4] Gładysek J.: Common Rail Bosch III Generacja, Diagnostyka systemów CR, Materiały szkoleniowe z kursu Kraków 2009 [5] Gűnter H.: Układy wtryskowe Common Rail w praktyce warsztatowej, Budowa, sprawdzanie, diagnostyka, Wydawnictwo Komunikacji i Łączności, Wydanie 1, Warszawa 2010 [6] Gűnter H.: Diagnozowanie silników wysokoprężnych, Wydawnictwo Komunikacji i Łączności, Wydanie 3, Warszawa, 2009 [7] Centrum Szkolenia Motoryzacji Autoelektronika Kędzia. Budowa, funkcjonowanie i remonty systemów sterowania elektronicznego silników Diesla, Materiały Szkoleniowe z kursu Poznań 2010 [8] Bejger A., Mazuruk P.: Praktyczne sposoby wykrywania niesprawności układów wtryskowych silników Common-Rail, Nadieżnost i Efiektiwnost Tiechniczieskich Sistiem, Mieżdunarodnyj Sbornik Trudow, Kaliningrad 2009, ISBN 978-5-94826-245-1 [9] Norma PN-EN 1330-9-2002 [10] Elamin F., Fan Y., Gu F., Ball A.: Detection of diesel engine valve clearance by acoustic emission, In: Proceedings of Computing and Engineering Annual, Researchers' Conference 2009: CEARC 09. University of Huddersfield, Huddersfield, pp. 7-13 [11] El-Ghamry M., Reuben. R. L., Steel, J. A.: The development of automated pattern recognition and statistical feature isolation techniques for the diagnosis of reciprocating machinery faults using acoustic emission, Mechanical Systems and Signal Processing, 2003 [12] Bejger A.: Możliwości aplikacyjne emisji akustycznej do badania układów wtryskowych silników okrętowych, Explo-Ship 2004, Zeszyty Naukowe Nr 1(73) Akademii Morskiej w Szczecinie 97

[13] Elamin F., Gu F., Ball A.: Diesel Engine Injector Faults Detection Using Acoustic Emissions Technique, Modern Applied Science Vol. 4, No. 9; September 2010 [14] Ranachowski Z., Bejger A.: Fault diagnostic of the fuel injection system of a medium power maritime diesel engine with application of acoustic signal, Archives of Acoustic, Vol. 30, 4, Warszawa 2005 [15] Douglas R., Steel J., Reuben R.: A study of tribological behaviour of piston ring/cylinder liner interaction in diesel engines using acoustic emission, Tribology International,39 (2006) [16] El-Ghamry, M., Steel, J. A., Reuben, R. L., Fog, T. L.: Indirect measurement of indicated power from diesel engines using acoustic emission, Mechanical Systems and Signal Processing, 2005, 19(4) [17] Bialkowski M.T.: Theoretical and experimental investigation of a CDI injection system operating on neat rapeseed oil feasibility and operational studies, Rozprawa doktorska School of Engineering and Physical Sciences, Chemical Engineering, Heriot-Watt University. September 2009 [18] Olszowski S., Marczak M.: Diagnostics of new generation diesel engines, Diagnostyka 4(48)/2008 [19] Ranachowski Z.: Instrukcja Obsługi Analizatora Emisji Akustycznej oraz oprogramowania do obróbki sygnału, 2010 Streszczenie W niniejszym artykule zaprezentowano praktyczne sposoby diagnozowania wtryskiwaczy oraz potrzeby wynikające z niedokładności werfikacji i znacznych kosztów usunięcia usterki związanej z wtryskiwaczami Common Rail. Zaprezentowano fragment prowadzonych prac związanych z zastosowaniem Emisji Akustycznej do diagnostyki wtryskiwaczy Common Rail oraz wyniki badań, wskazujące na możliwości zastosowania tej metody w polowych naprawach wysokoprężnych silników spalinowych z zasobnikowym układem wtryskowym paliwa. Słowa kluczowe: Common Rail, silnik spalinowy, silnik przemysłowy, Emisja Akustyczna COMMON RAIL INJECTORS DIAGNOSIS USING ACOUSTIC EMISSION Abstract The paper presents practical methods of injectors faults detection and requirements as a resulting of inaccuracies and significant cost associated with repairing Common Rail injection systems. The article presented fragment of the research associated with using Acoustic Emission for diagnostic and some results of the work which are giving possibilities of applying this method in the field repair diesel engines with Common Rail injection systems. Keywords: Common Rail, combustion engine, industrial engine, Acoustic Emission 98