Analiza skutków i przyczyn uszkodzenia awaryjnego silnika Z19DT

SÓJKA Michał 1 Analiza skutków i przyczyn uszkodzenia awaryjnego silnika Z19DT WPROWADZENIE Do napędu współczesnych samochodów dostawczych i osobowych eksploatowanych z dużą intensywnością powszechnie stosowane są nowoczesne turbodoładowane silniki wysokoprężne. Producenci tego typu silników jako układ zasilania w przeważającej większości konstrukcji stosują wtrysk bezpośredni typu Common Rail. Obecnie obowiązujące oraz przyszłe ograniczenia norm emisji spalin wymuszają na producentach stosowanie coraz bardziej rozbudowanych systemów ograniczania emisji substancji szkodliwych zawartych w spalinach, a w przypadku silników wysokoprężnych także emisji cząstek stałych. Ograniczenia te pociągają za sobą konieczność zmiany systemów sterowania pracą silnika, instalowanie układów ograniczających emisję szkodliwych substancji, takich jak systemy recyrkulacji spalin, katalizatory, filtry cząstek stałych czy system start-stop. Jednocześnie użytkownicy oczekują od tego typu silników zwiększenia trwałości i niezawodności, poprawy osiągów, lepszej obsługiwalności, zmniejszenia zużycia paliwa a także obniżenia poziomu hałasu i wibracji. Wraz z zaostrzeniem norm emisji spalin, zarówno w Europie jak i w USA widoczna jest wyraźna tendencja zmierzająca do znacznego zmniejszenia zawartości w olejach napędowych wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych i związków siarki, przy jednoczesnym podniesieniu liczby cetanowej i obniżeniu temperatury wrzenia. Proponowane zmiany własności fizykochemicznych i składu olejów napędowych przyczyniają się do zmniejszenia emisji szkodliwych substancji zawartych w spalinach, obniżają także temperaturę blokady zimnego filtra co jest pozytywnym aspektem zmian. Z uwagi jednak na obniżenie zawartości związków siarki i węglowodorów aromatycznych w tych paliwach odnotowuje się wyraźny spadek smarności i własności przeciwzużyciowych [1, s. 59]. Współczesne układy wtrysku paliwa typu Common Rail są układami wysokociśnieniowymi ciśnienie wtrysku w układach III generacji może dochodzić do 2000 bar. Pogorszenie własności przeciwzużyciowych i paramentów smarności olejów napędowych powodują przyspieszone zużycie a nawet zużycie awaryjne elementów układu wtryskowego Common Rail, w szczególności pompy rotacyjnej i par precyzyjnych wtryskiwaczy rozpylaczy. Zużycie to ma charakter zużycia tribologicznego [2, s.252]. 1 CHARAKTERYSTYKA OBIEKTU BADAŃ Silnik wysokoprężny Z19DT stosowany jest do napędu małych samochodów dostawczych oraz samochodów osobowych różnych marek: Alfa Romeo. Fiat, SAAB, Opel. Silniki tego typu z małymi modyfikacjami produkowane są nieprzerwanie od roku 2005 [3]. Silnik omawiany w pracy eksploatowany był w samochodzie dostawczym Opel Zafira B FLEXIVAN 1,9CDTI, rok produkcji 2008, przebieg 233.400km. Układ wydechowy był wyposażony w filtr cząstek stałych. W tabeli 1. przedstawiono charakterystykę techniczną omawianego silnika. 1 WST Włocławek, Łęgska 20 Włocławek, Wydział Mechaniczny w Grudziądzu, ul. Hallera 32, +48564649604; michal.wojciech.sojka@gmail.com 14766

Tab. 1 Dane techniczne silnika Z19DT [dane producenta] Silnik Liczba cylindrów / układ Z19DT 4 / w rzędzie Pojemność skokowa cm 3 1910 Średnica cylindra mm 82,0 Skok tłoka mm 90,4 Moc kw/ obr./min. 88 / 3500 4000 Moment obrotowy Nm/ obr./min. 280 / 2000 2750 Stopień sprężania 18,4 : 1 Klasa czystości spalin EURO 4 Turbosprężarka Układ sterowania pracą silnika VTG Bosch EDC16 C9 Układ zasilania w paliwo to Common Rail II generacji z pompą wtryskową CP1H wytwarzającą ciśnienie do 1600 barów i współpracującymi z nią wtryskiwaczami elektromagnetycznymi. Sterownik EDC16C9 umożliwia podział wtrysku na 5 faz. Komora spalania jest ukształtowana w denku tłoka. W wersji bez filtra cząstek stałych do korekcji długoterminowej dawki paliwa jest używana szerokopasmowa sonda lambda. W wersji z filtrem cząstek stałych instalowane są dwa czujniki temp. spalin i różnicowy czujnik ciśnienia mierzący stopień zapełnienia filtra sadzą. System recyrkulacji spalin składa się z elektromagnetycznie sterowanego zaworu i wymiennika ciepła w którym spaliny zanim trafią do silnika są schładzane. Poprawia to napełnianie cylindrów. Zastosowano nowy przepływomierz zintegrowany z czujnikiem temperatury. Podaje on informację o przepływie i temperaturze powietrza, nie jak dotychczas w postaci napięcia, lecz przebiegu prostokątnego o zmiennej częstotliwości. Turbosprężarkę o zmiennej geometrii kierownic spalin zintegrowano z kolektorem wydechowym. Powietrze po sprężeniu jest ochładzane w intercoolerze. Silnik jest połączony ze skrzynią biegów sprzęgłem współpracującym z dwumasowym kołem zamachowym. 2 MATERIAŁY EKSPLOATACYJNE I SPOSÓB EKSPLOATACJI POJAZDU Samochód eksploatowany był przez jednego kierowcę, głównie w ruchu pozamiejskim, w tym po drogach szybkiego ruchu i autostradach w około 40% ilości przejechanych kilometrów. W przypadku wymian oleju silnikowego stosowano strategię według resursu olej wymieniany był co około 20.000km. Przez cały okres eksploatacji stosowany był syntetyczny olej silnikowy Genuine GM 5W30 Dexos2 o niskiej zawartości popiołów, siarki i fosforu stanowiący zaawansowane zestawienie wysokiej jakości oleju bazowego i najnowocześniejszych komponentów jakościowych, które są w pełni kompatybilne z filtrami cząstek stałych oraz katalizatorami trójdrożnymi. Olej ten został opracowany z myślą o podniesieniu sprawności i ochronie silnika przy jednoczesnym zmniejszeniu zużycia paliwa. Olej GM 5W-30 Dexos2 spełnia zalecenia norm producentów: GM-LL-A-025 i GM-LL-B-025, BMW Longlife 04, Mercedes-Benz MB229.31 i MB229.51, 14767

Volkswagen 502.00 / 505.00 / 505.01, oraz poniższe specyfikacje: ACEA A3/B3, A3/B4, ACEA C3, API SM/SL / CF. Jako paliwo stosowano standardowy olej napędowy lekki Ekodiesel oraz incydentalnie tankowany był olej napędowy miejski Standard 25. Oba rodzaje olejów napędowych produkowane są przez PKN Orlen SA. W tab.2. przedstawiono zestawienie głównych własności fizykochemicznych oleju napędowego lekkiego i oleju napędowego miejskiego Standard 25 [4, s.331]. Liczba cetanowa Gęstość temp. 15 C w nie niższa niż 51 49,0 51,0 nie niższa niż 51 Tab. 2 Własności parametrów fizykochemicznych oleju napędowego Ekodiesel i oleju napędowego miejskiego Standard 25 [4] Właściwości Jednostki ON ON miejski ON wg Metody Ekodiesel ONM normy PN- badań Odmiana B,D,F Standard 25 EN590 według PN-93/C- 04030 kg/m 3 820-845 0,800-0,830 0,820-0,845 PN ISO3675: 1997 PN EN ISO Zawartość siarki mg/kg nie więcej niż 10 Zawartość wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych Temperatura zablokowania zimnego filtru (CFPP) Zawartość estrów metylowych kwasów tłuszczowych FAME Temperatura zapłonu w tyglu otwartym % (m/m) nie więcej niż 11 C od 0 do -30 (w zależności od odmiany) % (V/V) nie więcej niż 7 C nie niższa niż 55 25 nie więcej niż 10 10 nie więcej niż 11-30 od 0 do -20 (w zależności od odmiany) 5 nie więcej niż 7 nie niższa niż 55 nie niższa niż 55 PN-EN 12916 12185 PN-88/C- 04005 EN ISO 14596 ASTM D 5453 PN-92/C- 04114 PN-EN 14078: 2011 PN-EN ISO 2719 PN- EN590: 2011 Należy nadmienić, iż norma EN 590 dotycząca paliw do silników wysokoprężnych do 2004 roku dopuszczała zawartość siarki do poziomu 350mg/kg, w latach 2005 2008 poziom ten mógł wynosić do 50mg/kg a od roku 2009 maksymalny poziom siarki w oleju napędowym nie może przekraczać 10mg/kg [6]. Wyjątek stanowią oleje napędowe specjalnego przeznaczenia. Obniżanie zawartości wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych i siarki nie pozostaje bez wpływu na spadek własności smarnych olejów napędowych. 14768

3 USZKODZENIE AWARYJNE SILNIKA Podczas realizacji procesu transportowego na drodze szybkiego ruchu przy jednostajnej prędkości pojazdu 120km/h i prędkości obrotowej wału korbowego 2200 obr./min. doszło do przegrzania i pęknięcia tłoka czwartego cylindra. Zaistniałe uszkodzenie zostało zauważone przez kierowcę dopiero przy zjeździe z drogi szybkiego ruchu na węźle autostradowym. W przypadku szybszego zauważenia przez kierującego stanu awaryjnego silnika skutki jego uszkodzenia mogły pozostać na niewielkim poziomie. Wcześniejsze zdiagnozowanie stanu częściowej niesprawności silnika było ograniczone przez uruchomiony system utrzymywania stałej prędkości jazdy (tempomat), który automatycznie rekompensował straty mocy na jednym cylindrze zwiększając dawki paliwa do sprawnych, pozostających w stanie zdatności cylindrów. Inne z syndromów uszkodzenia silnika także nie mogły być dostrzeżone przez kierowcę: nadmierne zadymienie spalin wychwytywane było przez filtr cząstek stałych, a nagły wzrost temperatury płynu chłodzącego pozostawał sygnałem utajonym - wskaźnik temperatury płynu chłodzącego został wyeliminowany z deski rozdzielczej przez producenta samochodu. Sterownik kontrolujący pracę silnika, w tym układu wtryskowego nie zdiagnozował żadnego uszkodzenia czy stanu awaryjnego. Po zjeździe z trasy szybkiego ruchu, nierównomierna praca silnika na biegu jałowym oraz nieznaczne ograniczenie mocy zostały błędnie zdiagnozowane przez kierującego jako mechaniczne uszkodzenie koła dwumasowego silnika. Zdecydowano o kontynuowaniu podróży z ograniczeniem prędkości przejazdu, co przyczyniło się do nieodwracalnych uszkodzeń gładzi czwartego cylindra w wyniku pęknięcia tłoka i pierścienia tłokowego. Rys. 1 Widok uszkodzonego tłoka, miejsce powstania zjawiska zrastania tarciowego. 4 PRZYCZYNY AWARYJNEGO USZKODZENIA SILNIKA Przyczyną uszkodzenia tribologicznej pary ciernej cylinder tłok / pierścienie było chwilowe przekroczenie dopuszczalnych wartości temperatury korony tłoka. Przekroczenie granicznej wartości temperatury korony tłoka zapoczątkowało pękanie krawędzi komory spalania w denku tłoka. Wystąpienie wysokich obciążeń cieplnych połączone z obciążeniami mechanicznymi przenoszonymi przez tłok spowodowało pęknięcie tłoka wzdłuż linii jednego z pęknięć pierwotnych w miejscu najmniejszego przekroju wzdłużnego tłoka w osi gniazda sworznia tłokowego. W konsekwencji 14769

pęknięcia tłoka pękł w wielu miejscach jeden z pierścieni zgarniających powodując uszkodzenie gładzi cylindra. Pierwotną przyczyną awaryjnego uszkodzenia silnika było zatarcie się i chwilowe zablokowanie rozpylacza końcówki wtryskiwacza czwartego cylindra. Iglica rozpylacza wtryskiwacza pozostawała przez dłuższy czas w pozycji otwartej niezależnie od sygnałów sterujących położeniem iglicy. Zablokowana para precyzyjna rozpylacza pozostając w pozycji otwartej powodowała przeciekanie i rozpylanie oleju napędowego w sposób ciągły. Rys. 2 Widok denka tłoka, miejsca inicjacji pęknięć krawędzi komory spalania. Rys. 3 Widok denka tłoka, ślady rozpylania paliwa na koronie tłoka. Po demontażu rozpylacza zaobserwowano przebarwienie końcówki iglicy, a obserwacja pod mikroskopem wskazywała na zużycie ścierne. Tego typu forma zużycia tribologicznego może świadczyć o niedostatecznych własnościach smarnych oleju napędowego. Przebarwienia iglicy mogły być spowodowane niepełnym jej domykaniem w początkowej fazie zacierania. Umożliwiało to przedostawanie się gorących spalin poprzez dysze rozpylacza, a w konsekwencji unieruchomienie iglicy. 14770

PODSUMOWANIE Od około 50% do 75% uszkodzeń nowoczesnych silników wysokoprężnych jest bezpośrednio spowodowane awariami układu wtryskowego [2, s. 252]. Niewłaściwe rozpylenie paliwa lub nieszczelność rozpylacza powodująca ciągłe podawanie paliwa do cylindra są przyczynami zaburzeń procesów spalania, co może powodować uszkodzenia korony tłoka, pękanie, perforacje denka tłoka, a także uszkodzenia pierścieni i gładzi cylindrowej. Za główne przyczyny uszkodzeń rozpylaczy w systemach Common Rail odpowiadają zanieczyszczenia paliwa cząstkami stałymi oraz zbyt niski poziom własności smarnych paliw. W celu podniesienia niedostatecznego poziomu własności smarnych olejów napędowych, podczas produkcji w rafineriach, stosowane są dodatki zawierające cząstki polarne. Do paliw Diesla dodawane są coraz większe ilości estrów metylowych kwasów tłuszczowych (FAME) oddziałujących korzystnie na podniesienie własności smarnych. Jednak jak wynika z przedstawionego, nie odosobnionego, studium przypadku, parametr smarności w niskosiarkowych olejach napędowych pozostaje krytycznym parametrem olejów napędowych. Diagnozowanie współczesnych silników wysokoprężnych na stanowiskach obsługi technicznej, oraz ciągłe monitorowanie ich stanu za pomocą czujników pokładowych nie daje wystarczającej pewności wychwycenia stanów przedawaryjnych układów wtryskowych typu Common Rail. Skokowe przejście pojedynczego elementu układu wtryskowego ze stanu zdatności w stan niezdatności może powodować poważne uszkodzenia pozostałych elementów silnika, w tym do uszkodzeń całego bloku silnika. Przedstawiony w pracy przebieg uszkodzenia wtryskiwacza silnika Z19DT nie był poprzedzony wcześniejszymi symptomami, mogącymi stanowić sygnały diagnostyczne o konieczności regulacji, czy wymianie podzespołów układu wtryskowego. Na około 12.000km przed zaistniałą awarią cały silnik, ze szczególnym uwzględnieniem systemu zasilania, był testowany za pomocą oprogramowania zewnętrznego. W badaniu tym nie znaleziono żadnych uchybień, dawki korekcyjne poszczególnych wtryskiwaczy mieściły się w założonych przez producenta normach. Silnik rozwijał pełną moc, na biegu jałowym pracował równomiernie. Nie stwierdzono również żadnych kodów usterek wychwytywanych i zapamiętywanych przez integralny system sterowania silnikiem i monitorowania jego stanu. Powyższe rozważania dowodzą, że wraz z rozwojem nowoczesnych konstrukcji silnikowych i coraz bardziej zaawansowanymi systemami wtrysku paliwa, pracującymi z coraz większymi ciśnieniami, podążać muszą krytyczne parametry fizykochemiczne paliw, oraz nowoczesne systemy monitorowania stanu silnika. W przeciwnym razie przedwczesne uszkodzenia głównych podzespołów układów wtryskowych typu Common Rail będą rzutowały na trwałość i niezawodność jednostek napędowych pojazdów. Ponadto należy zauważyć występowanie wśród niektórych producentów samochodów negatywnych tendencji ograniczania możliwość monitorowania ważnych parametrów pracy silnika przez kierującego. W rozpatrywanym w niniejszej pracy pojeździe wyeliminowano z zestawu wskaźników deski rozdzielczej wskaźnik temperatury płynu chłodzącego silnika. Streszczenie Przedmiotem niniejszej pracy jest analiza skutków i przyczyn awaryjnego uszkodzenia silnika wysokoprężnego wyposażonego w system zasilania Common Rail II generacji. W pracy przedstawiono problematykę zaostrzania norm emisji spalin silników spalinowych. Problem ten rozwiązywany jest dwutorowo: poprzez instalowania systemów ograniczających emisję szkodliwych substancji a także poprzez stosowanie paliw o niskiej zawartości siarki i wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych. Modyfikacje składu chemicznego paliw powodują zmiany parametrów fizykochemicznych w tym smarności paliw. Smarność olejów napędowych jest krytycznym parametrem mogącym ograniczać trwałość kluczowych podzespołów wysokociśnieniowych układów wtryskowych. Przedwczesne zużycie elementów rozpylających wtryskiwaczy może powodować gwałtowne uszkodzenia awaryjne o nieustalonym przebiegu, prowadzące do poważnych uszkodzeń całego silnika. 14771

Consequences and causes analysis for the emergency damage of engine Z19DT Abstract The subject of this paper presents the effects and causes analyze for the emergency damage of the diesel motor equipped with admission system for Common Rail of second-generation. The paper presents the problem of tightening emission standards for combustion engines. This problem is solved in two ways: by installing systems that limit the emission of harmful substances as well as through the use of low-sulfur and polycyclic aromatic hydrocarbons. Modifications to the chemical composition of the fuel causes a change in the physicochemical parameters of fuel lubricity. Lubricity diesel fuels is critical parameter which may limit the durability of the key components of high-pressure injection systems. Premature wear of the injectors spray elements implies to the suddenly emergency damage with transient course leading to the serious devastation of the entire engine. BIBLIOGRAFIA 1. Oleksiak S. Łukasik, Z.: Nowoczesne układy wtrysku paliwa w silnikach Diesla i ich wpływ na jakość paliw i dodatków detergentowo-dyspergujących, Nafta-GAZ 65 nr 1, Kraków 2009, s. 58-64 2. Olesiak S., Stępień Z.: Zagadnienia smarności ciekłych paliw silnikowych Czasopismo techniczne M, wydawnictwo Politechniki Krakowskiej, z.-7m/2008, s. 251-263 3. Herner A., Riehl H.: Elektrotechnika i elektronika w pojazdach samochodowych, WKŁ, Warszawa 2013 4. Lotko W., Longwic R., Górski K.: Analiza wybranych parametrów procesu spalania oleju napędowego w stanach nieustalonych pracy silnika spalinowego Jurnal of KONES, Vol. 7, 1-2 2000r, s. 330-341 5. Sadowski J.: Nowe miary zużycia, zużywania i odporności na zużywanie, Tribologia 2005 nr 1, s.7-24 6. Longwic R., Lotko W., Górski K.: Analiza przebiegu parametrów procesu wtrysku w silniku o zapłonie samoczynnym zasilanym wybranymi paliwami węglowodorowymi o różnych własnościach fizykochemicznych Logistyka nr 3, 2012 s. 1363-1372 7. Niewczas A., Droździel P.: Zagadnienia prognozowania trwałości samochodowego silnika spalinowego, Problemy Eksploatacji 2005, 3, s. 203-211 8. Niewczas A., Kwiatkowski K., Nikoniuk J.: Badania symulacyjne wybranych uszkodzeń układu wtrysku paliwa silnika spalinowego, Metody badań przyczyn i skutki uszkodzeń : XXXIII Zimowa Szkoła Niezawodności, Szczyrk, Radom Instytut Technologii Eksploatacji, 2005 s. 394-402 14772