ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW 1(97)/2014 Paweł Mazuruk 1, Paweł Kruczyński 2, Hubert Adamczyk 3 WPŁYW CZYNNIKÓW EKSPLOATACYJNYCH NA USZKODZENIA NOWOCZESNYCH UKŁADÓW PALIWOWYCH PRZEMYSŁOWYCH SILNIKÓW O ZAPŁONIE SAMOCZYNNYM l. Wstęp Współczesne silniki o zapłonie samoczynnym są coraz bardziej niezawodne pod względem konstrukcyjnym. Na złożoność przemysłowych silników spalinowych wpływają nie tylko wyrafinowane rozwiązania konstrukcyjne i nowoczesne materiały, ale również bardzo duży i stale powiększający się udział elektroniki. Od silników wymaga się, by pracowały w bardzo surowych warunkach - przy dużych zapyleniach, niewielkiej wentylacji i często przy maksymalnych lub bardzo zmiennych obciążeniach. Powyższe czynniki mają istotny wpływ na trwałość i prawdopodobieństwo awarii. Awaria w technice nie ma jednej właściwej definicji. Najprostszą definicją jest ta, iż awaria to utrata zdolności funkcjonalnych lub pożądanych właściwości. Awaria jest wynikiem procesu - procesu uszkodzenia [3]. Przyczyn powstania takiego procesu może być wiele - wadliwe wykonanie danego komponentu, niewłaściwe spasowanie poszczególnych części lub wpływ niewłaściwej eksploatacji np. uszkodzenia mechaniczne lub stosowanie niewłaściwych lub niezgodnych ze specyfikacjami producenta środków eksploatacyjnych. Jak wykazują wyniki badań prowadzonych przez autorów, główną przyczyną uszkodzeń współczesnych silników jest niewłaściwa eksploatacja silnika poprzez stosowanie zanieczyszczonych paliw napędowych. Obserwuje się wzmożone awarie układów paliwowych wraz ze wzrostem cen paliw. Zdaniem autorów, powodem tego zjawiska jest możliwość zanieczyszczania sprzedawanych paliw z dodatkiem substancji płynnych, zwiększających objętość sprzedawanego paliwa a co za tym idzie osiągnięcie większych zysków finansowych przez nieuczciwych sprzedawców. W niniejszym artykule przedstawiono rodzaje uszkodzeń układów paliwowych spowodowane przez zanieczyszczone paliwo. Wytypowano główne rodzaje zanieczyszczeń oraz zaproponowano dalszy kierunek nad opracowaniem technologii zabezpieczających układy paliwowe najnowszych silników przemysłowych przed uszkodzeniem. 2. Niesprawności silników przemysłowych o zapłonie samoczynnym Badania autorów pracy, przeprowadzone w trakcie pracy zawodowej wykonywanej w serwisie silników przemysłowych, a także studia literaturowe [1,2,4,7] dowodzą, że następstwem awarii silników w około 70% przypadków było uszkodzenie układu paliwowego (rys. 1). 1 dr inż. Paweł Mazuruk, BU Power Systems Polska, pawel.mazuruk@bu-perkins.pl 2 mgr inż. Paweł Kruczyński, BU Power Systems Polska, pawel.kruczynski@bu-perkins.pl 3 inż. Huber Adamczyk, BU Power Systems Polska, hubert.adamczuk@bu-perkins.pl 163
Rys. 1. Procentowy udział uszkodzeń układów funkcjonalnych wybranych silników przemysłowych o zapłonie samoczynnym Obecnie, w najnowszych silnikach przemysłowych, nie obserwuje się uszkodzeń elementów silnika w postaci nieszczelności uszczelki pomiędzy głowicą a blokiem cylindrowym, uszkodzeń w układzie rozrządu (większość rozwiązań wykorzystuje koła zębate), uszkodzeń układu tłokowo-korbowego przy założeniu stosowania prawidłowego oleju smarującego itd. Jedynie czynniki eksploatacyjne mają istotny wpływ na sprawność i żywotność silnika. Najbardziej narażonym układem jest układ paliwowy, który pomimo coraz nowszych rozwiązań np. układ Common Rail, wciąż jest zaprojektowany do podawania czynnika jakim jest olej napędowy wyprodukowany wg normy PN-EN 590:2002P. 3. Wpływ zanieczyszczeń paliwa na uszkodzenia układu wtryskowego W przypadku wykrycia uszkodzenia układu paliwowego weryfikowano stan techniczny poszczególnych podzespołów układu. Zgromadzone obserwacje zaprezentowano w formie zdjęć (rysunki 2 4). a b c Rys. 2. Stan elementów układu paliwowego w wyniku działania zanieczyszczonego paliwa: a) osady w filtrze paliwa, b) korozja przewodów wtryskowych, c) korozja złączki paliwowej 164
a b c Rys. 3. Osady wykryte w pompach wtryskowych: a) na elementach pompki przetłaczającej, b) na głowicy hydraulicznej pompy wtryskowej, c) na mechanizmie sterowania a b c Rys. 4. Uszkodzenia elementów wtryskiwaczy: a) wżery na płytce rozdzielacza, b) osady na podkładce sprężyny, c) osady na rozpylaczu Widoczne na powyższych zdjęciach uszkodzenia elementów układu wtryskowego są najczęściej spotykanym w praktyce efektem zastosowania paliw o niewłaściwych parametrach. Jednocześnie wykluczają one wady produkcyjne, nieprawidłowy montaż fabryczny oraz regulację i jednoznacznie kwalifikują uszkodzenie do wad nabytych w trakcie eksploatacji, stąd dalszym etapem jest badanie paliw w akredytowanych laboratoriach. Należy podkreślić, iż często pobrane próbki ze zbiornika paliwa w trakcie diagnozowania silnika mogą nie zawierać zanieczyszczeń w paliwie, gdyż uszkodzenie mogło nastąpić kilka tankowań wcześniej i pogłębiać się aż do momentu zatrzymania silnika. Dlatego też w razie konieczności analizuje się paliwo zebrane z elementów pomp wtryskowych czy też osady zgromadzone na elementach układu paliwowego. 4. Analiza próbek paliwa pobranych z uszkodzonych układów paliwowych W przypadku wykrycia niesprawności układu paliwowego silnika analizowano stan systemu paliwowego całej maszyny. W trakcie oględzin układu każdorazowo pobierana była próbka paliwa zgodnie z normą PN-81/C-04002 przy zastosowaniu profesjonalnych próbników do poboru paliwa ze zbiorników. Jednocześnie pobrane próbki paliwa były badane w akredytowanych laboratoriach m.in. WearCheck GMbH w Niemczech a także w Zakładzie Materiałów Pędnych i Smarów Instytutu Technicznego Wojsk Lotniczych w Warszawie lub Instytucie Nafty i Gazu w Krakowie. Badania próbek paliwa wykazały, że w 73% wszystkich analizowanych przypadków wykryto nadmierną ilość siarki (rys. 5). W przypadku przeprowadzania badań w polskim laboratorium zawartość siarki wykrywano metodą akredytowaną przez PCA (AB098) według normy PN-EN ISO 20846-2012. 165
Rys. 5. Zawartość siarki w analizowanych próbkach Zawartość siarki mogła pochodzić z paliw cięższych frakcji lub też, jak podał jeden z użytkowników silnika, w którym nastąpiło uszkodzenie w powodu zanieczyszczonego paliwa, z procesów odbarwiania paliwa. Kolejnym parametrem, który najczęściej odbiegał od normy była nadmierna zawartość wody w badanym paliwie i wykryto ją w 23% analizowanych przypadkach (rys. 6). Zawartość wody wykrywano metodą akredytowaną przez PCA (AB098) według normy PN-EN ISO 12937-2005 Próbki paliwa Rys. 6. Zawartość wody w analizowanych próbkach W próbkach paliwa wyznaczano także zawartość biokomponentów, zanieczyszczeń stałych oraz liczbę cetanową. Poziom tych parametrów w większości przypadków nie odbiegał od normy. 166
5. Wpływ obecności powietrza w systemie paliwowym na uszkodzenia elementów układu Innym specyficznym składnikiem wprowadzonym wraz z paliwem do układu wtryskowego była nadmierna ilość powietrza (rys 7a). Przyczyną zawartości powietrza w paliwie były uszkodzenia układu niskiego ciśnienia i pochodziły głównie z nieszczelności przewodów, złączek, zaworów (rys. 7b). Stan pompy w wyniku uszkodzenia z powodu nadmiernej ilości powietrza (brak smarowania elementów paliwem, uderzenia elementów o siebie z powodu braku płynu) w paliwie pokazano na rys. 7c. a b c Rys. 7. Obecność powietrza w układzie: a) pęcherze powietrza w separatorze paliwa, b) popękane przewody układu paliwowego maszyny, c) obraz uszkodzenia pompy wtryskowej w wyniku obecności powietrza uszkodzony tłok przestawiacza kąta wtrysku Obecność powietrza w paliwie jest dopuszczalna jednak w niewielkiej ilości. Obserwując w przeźroczystej rurce przepływ paliwa z pompy podającej do filtra dokładnego oczyszczania dopuszczalnym jest pojedyncza strużka pęcherzy powietrza o średnicy nie większej niż Ø 1,6 mm lub przepływ większego pęcherza powietrza do średnicy ok. Ø 6 mm, ale z częstotliwością nie większą niż co 2 3 sekundy. 6. Wnioski Dokonując analiz statystycznych oraz korzystając z wyników badań [6] wynika, że stopień uszkodzenia elementów układu paliwowego nie jest zależny od czasu pracy silnika od początku jego eksploatacji w okresie do pierwszego resursu, lecz od momentu wprowadzenia zanieczyszczonego paliwa do systemu (rys. 8). 167
Rys. 8. Czas do momentu uszkodzenia układu wtryskowego w zależności od liczby godzin pracy silnika Postępujące uszkodzenie układu wtryskowego silnika o zapłonie samoczynnym jest także przyczyną zwiększonej emisji szkodliwych składników spalin do atmosfery [5]. W silnikach z układami oczyszczania spalin niesprawność potęguję się także poprzez nadmierne zanieczyszczenie filtra cząstek spalin i całkowite unieruchomienie silnika. Na podstawie przeprowadzonych analiz, informacji i oczekiwań otrzymanych od producentów maszyn, wykorzystujących silniki spalinowe oraz od użytkowników można sformułować następujące wnioski: 1. Główną przyczyną uszkodzeń silnika przemysłowego są uszkodzenia układu paliwowego spowodowane wprowadzeniem do eksploatacji zanieczyszczonego paliwa. 2. Najczęściej wykrywane zanieczyszczenia powodujące uszkodzenie układu paliwowego są w postaci płynnej lub rozpuszczonej w paliwie. 3. Wykryta zawartość siarki w badanym paliwie pochodzącym z uszkodzonego układu paliwowego jest średnio o 100% wyższa niż podają normy (PN-EN 590+A1:2011 i Dz.U. nr 26 poz.136). 4. Wykryta zawartość wody badanym paliwie pochodzącym z uszkodzonego układu paliwowego jest średnio o 90% wyższa niż podają normy (PN-EN 590+A1:2011 i Dz.U. nr 26 poz.136). 5. Największa ilość przypadków (około 81%) zastosowania nieprawidłowego paliwa wykryto w silnikach pracujących w maszynach rolniczych. 6. Wskazanym jest, aby Sprzedawcy maszyn, w których podstawowym napędem są silniki spalinowe, przed przekazaniem urządzenia do Klienta końcowego przeprowadzali intensywne szkolenia pod kątem prawidłowej eksploatacji silnika głównie przed konsekwencjami po zastosowaniu paliwa z nieznanego 168
źródła pochodzenia. Dotyczy to szczególnie maszyn, które nie mają możliwości tankowania paliwa na stacjach paliwowych. 7. Istnieje potrzeba opracowania i zastosowania technik pomiaru zawartości siarki i wody w paliwie w sposób łatwy i bezpośredni. Pomiar taki mógłby być realizowany bezpośrednio w filtrze paliwa np. poprzez zastosowanie markerów, uproszczone badanie próbki paliwa odczynnikami chemicznymi, czujniki elektroniczne itp. Wczesne wykrycie obecności wody (w tym przypadku zemulgowanej z paliwem) czy siarki w paliwie mogłoby generować alarm i skutkować natychmiastową reakcją użytkownika poprzez wymianę zatankowanego paliwa. 8. Producenci maszyn są zainteresowani instalowaniem dodatkowych układów zabezpieczających przed zastosowaniem paliwa napędowego o nieprawidłowych parametrach. Literatura: [1] Bejger A., Gawdzińska K., Berczyński S.: Application of the Pareto analysis for the description of faults and failures of marine medium power engines. Archives of Mechanical Technology and Automation, Vol. 32 Nr 3/2012. [2] 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. [3] Eichler, C.: Instandhaltungstechnik, 5th ed., Verlag Technik, Berlin, p.27 [4] Greuter E., Zima S.: Engine Failure Analysis. Internal Combustion Engine Failures and Their Causes. SAE International ISBN 978-7680-0885-2. 2012. [5] Hy-pro Filtration: Improving Diesel Engine Life: Fuel Filtration to Clean Up the Diesel Industry. [6] Mazuruk P.: Diagnostyka zasobnikowych układów paliwowych na podstawie fazowości procesu wtrysku. Rozprawa Doktorska. 2013. [7] Wielligh AJ., Burger NDL, Vaal PL.: Diesel injector failures and the consequences caused by fuel quality case studies. International Conference of the South African Institute of Tribology. 2004. Streszczenie W niniejszym artykule przedstawiono rodzaje uszkodzeń układów paliwowych spowodowane poprzez zanieczyszczone paliwo, wytypowano główne rodzaje zanieczyszczeń oraz zaproponowano dalszy kierunek nad opracowaniem technologii zabezpieczających układy paliwowe najnowszych silników przemysłowych przed uszkodzeniem. Słowa kluczowe: układ paliwowy, silnik spalinowy, silnik przemysłowy, uszkodzenia THE INFLUENCE OPERATING FACTORS ON DAMAGES OF MODERN FUEL SYSTEMS OF INDUSTRIAL DIESEL ENGINES Abstract The paper presents the types of fuel systems failures caused by contaminated fuel, the main types of fuel pollution were identified and proposed future direction of the 169
development of prevent technologies from damage in the modern fuel systems for industrial engines. Keywords: fuel system, combustion engine, industrial engine, failure 170