Problemy eksploatacyjne układów wtryskowych typu commonrail

KARPIUK Wojciech 1 BOROWCZYK Tomasz BIELIŃSKI Maciej Problemy eksploatacyjne układów wtryskowych typu commonrail WSTĘP Konsekwencją dążenia do ciągłego zmniejszania zużycia paliwa i toksyczności spalin oraz cichszej pracy silników o zapłonie samoczynnym jest stały wzrost wymagań dotyczących przede wszystkim ich układów wtryskowych. Wymagania te mogą spełniać tylko układy wtryskowe zapewniające bardzo dobre rozpylenie paliwa, bardzo precyzyjne dawkowanie paliwa i odpowiednie kształtowanie przebiegu wtrysku oraz umożliwiające wtrysk wielokrotny (wstępny, główny i dotrysk) paliwa. Układem spełniającym podane wymagania jest zasobnikowy układ wtryskowy typu commonrail (CR), w którym w odróżnieniu od innych układów wtryskowych, paliwo znajduje się pod stale wysokim ciśnieniem w zasobniku. Systemy CR obecne są na rynku od kilkunastu lat. W tym czasie udało się dobrze poznać, i częściowo wyeliminować, problemy eksploatacyjne i konstrukcyjne dotykające tego typu układy. W pracy przedstawiono przykłady uszkodzeń pomp wtryskowych trzech producentów Bosch, Siemens VDO oraz Delphi. 1 BOSCH Czołowym producentem pomp wysokiego ciśnienia jest firma Bosch, która wprowadziła na rynek kilka generacji tego typu urządzeń. W przypadku pomp CP1 analiza sytuacji wymusza rozpatrzenie aspektu procesu zużywania związanego z samą konstrukcją pompy. Najprawdopodobniej błąd na etapie konstruowania doprowadza do zwiększonej awaryjności pompy. Na podstawie rysunku 1 zwrócić należy uwagę, jak podczas pracy pompy ustawiają się elementy popychacza (1) (potocznie zwane talerzykami). W wyniku obrotu wałka pompy, popychacz (1) ustawia się pod kątem do krzywki (2), w skutek czego występuje dodatkowa składowa siły prostopadła do osi tłoczka. Siła ta całkowicie przenoszona jest przez popychacz, a szczególnie jego elementy czyli płytkę (3) oraz koszyczek (4). Jeśli paliwo jest niewystarczającej jakości (pogorszone właściwości smarne), lub jeśli z jakiś względów (np. zatarty zawór dopływu paliwa) wewnątrz pompy jest go mniej, rośnie współczynnik tarcia (a w konsekwencji i siła) na powierzchni styku popychacza i krzywki. Taki stan doprowadza do sytuacji, w której popychacz prócz siły związanej z jego kątowym ustawieniem, 2 1 3 4 Rys. 1. Poprzeczny przekrój pompy w pozycji pracy [1] 1 Politechnika Poznańska, Instytut Silników Spalinowych i Transportu, ul. Piotrowo 3, 60-965 Poznań, www.cel.put.poznan.pl 5244

w kierunku prostopadłym do osi tłoczka jest obciążony dodatkowo także składową zwiększonej siły tarcia. Jeśli dodatkowo pompa pracuje w warunkach obrotów znamionowych może dojść do wzrostu naprężeń w obrębie popychacza, co w konsekwencji spowodować może wykruszenia. Może np. ulec zniszczeniu jeden z elementów koszyczka lub pęknąć płytka. Jeśli nawet uszkodzenie będzie niewielkie, może to spowodować, że do paliwa przedostaną się produkty zużycia, które trafią bezpośrednio do sekcji tłoczących i ich par precyzyjnych. W takiej sytuacji uszkodzenie jest nieuniknione. Defekty pompy CP1 zlokalizowane w obszarze współpracy krzywki z popychaczem przedstawiono na rysunku 2 (widoczne są koszyczki popychacza z odłamanymi fragmentami, popękane płytki, zużyte ściernie pary precyzyjne sekcji tłoczących). Rys. 2. Zniszczone elementy pompy CP1, takie jak popychacze i sekcje tłoczące, na skutek nieprzewidzianych naprężeń stykowych krzywki i popychacza Uszkodzenia elementów pompy mogą prowadzić do jej całkowitego zniszczenia. Taki stan rzeczy może doprowadzić nie tylko do generowania niebezpiecznych, twardych produktów zużycia, ale także do dostania się fragmentów detali w obszar pracy np. wałka pompy (rys. 3 b i c). Dochodzić może wtedy do niebezpiecznych zjawisk, i to nie tylko dla układu zasilania i pracy silnika, ale także dla użytkownika pojazdu. Udokumentowane, awaryjne stany zniszczenia pompy przedstawiono na rysunku 3. Rys. 3. Patologiczne objawy zużycia występujące w elementach pompy CP1: a zniszczone powierzchnie krzywki, b starte powierzchnie wałka, c płetwowy czop wałka pompy z widocznym zniekształceniem plastycznym powierzchni, d uszkodzenie wewnętrzne korpusu 5245

Poznanie bezpośredniej przyczyny uszkodzenia elementów jest trudne przyjmuje się, że proceder ma charakter lawinowy, a wywołany może zostać wspomnianym pęknięciem jednego z elementów popychacza. Do uszkodzeń pomp produkcji Bosch dochodzi również w obszarze pracy zaworka doprowadzania paliwa. Mimo, że stanowi on niewielki element konstrukcyjny służy on do rozdzielenia strugi paliwa na te, które dostarczane jest do sekcji tłoczących, oraz te które dociera do komory wału krzywkowego i smaruje węzły ruchowe (łożyska oraz krzywkę napędową). W założeniu zawór ten spełnia rolę tłumika pulsacji ciśnienia zasilania pompy oraz zapewnia niewielki, lecz ciągły przepływ oleju napędowego przez wspomnianą komorę wału krzywkowego. Bardzo istotnym jest by podczas eksploatacji zawór ten miał możliwość swobodnego przesuwu w gnieździe. Uszkodzenie zaworka polegać może na zatarciu i zakleszczeniu jego części prowadzącej w gnieździe oraz na zmniejszeniu przekroju przepływowego otworu dławika (rys. 4). Zmniejszenie przekroju przepływowego dławika zanieczyszczeniem stałym skutkuje tym, że paliwo nie dociera do komory krzywkowej w odpowiedniej ilości chłodzenie sekcji tłoczących jest wtedy mniej intensywne i dochodzi do przegrzania elementów. Rys. 4. Widok na powierzchnię czołową dławika zaworu z wyszczególnionym otworem (po stronie prawej widok w powiększeniu) Kolejnym miejscem w pompach Bosch, w których obserwowane są objawy przedwczesnego zużycia jest obszar doprowadzenia i odprowadzenia paliwa z sekcji tłoczących (szczególnie zawory dopływowy i odpływowy z sekcji). Jeśli paliwo zawiera zanieczyszczenia stałe może dochodzić do erozyjnego zniekształcenia kulki i gniazda zaworu tłoczącego oraz utraty szczelności skojarzenia. Zdarzają się także defekty (zniszczenia, wykruszenia) koszyka mocującego płytkę zaworu zasilającego sekcję tłoczącą oderwany kawałek metalu dostaje się do przestrzeni roboczej tłoczka, doprowadzając w szybki sposób do zniszczenia powierzchni par precyzyjnych. Taki stan rzeczy objawia się hałaśliwą pracą pompy, spadkiem jej wydatku, a w skrajnych przypadkach zaprzestaniem jej pracy. Jeśli tak się nie stanie, to nawet drobne wykruszenie fragmentu zaworu doprowadzi do wygenerowania porcji materiału ściernego, który trafi do zaworu wylotowego z pompy. Cechą charakterystyczną pompy CP3 jest zawór regulacji ciśnienia zasilania (zawór dozowania). Pompa ta po stronie niskiego ciśnienia, zasilana jest przy pomocy pompy zębatej. Jak zauważono, problemem w pompie CP1 jest zacieranie zaworu dopływowego, na skutek zbyt małego luzu jego prowadzenia. W pompie odmiany CP3 dzięki zastosowaniu elektrozaworu dławiącego możliwe było odstąpienie od tego kontrowersyjnego rozwiązania. Z zaworu dopływowego zrezygnowano, ale problem zacierania zbyt ściśle pasowanych elementów pozostał. Zjawisko to dotyczy właśnie elektrozaworu dozowania paliwa, który na skutek inwazyjnego działania złej jakości oleju napędowego wykazuje skłonności do tworzenia warstewek korozyjnych. Gromadzące się na jego powierzchni produkty korozji oraz inne osady doprowadzają do utrudnionego ruchu elektrozaworu w jego prowadzeniu, a częstokroć także do zacierania (rys. 5). 5246

Rys. 5. Widok defektu powierzchni elektrozaworu dozującego pompy CP3 Niesprawnie działający zawór dozowania doprowadza do nieprawidłowego funkcjonowania pompy. Jeśli zawór zatrze się w pozycji maksymalnego wydatku objawi się to znacznymi stratami przelewowymi, podwyższeniem temperatury paliwa, a w konsekwencji zwiększonym jego zużyciem przez silnik. Jeśli natomiast zawór zatnie się pozycji pośredniej silnik nie będzie w stanie utrzymać odpowiednio wysokiego ciśnienia w zasobniku podczas pracy silnika z większym obciążeniem i prędkością obrotową, na co na pewno w szybki sposób zareaguje automatyczny układ diagnostyczny silnika odpowiednio sygnalizując użytkownika pojazdu o niesprawności w układzie zasilania lub przełączając go w tryb pracy awaryjnej. Zauważyć należy, że część produktów zużycia warstwy wierzchniej omawianego zaworu będzie dalej, wraz z olejem napędowym meandrować w układzie wtryskowym. Stanowić to będzie zagrożenie zarówno dla par precyzyjnych wewnątrz pompy tłoczka i cylinderka, gniazda i elementów wykonawczych (kulki) zaworów kulkowych oraz kanalików doprowadzających paliwo. Rys. 6. Schemat pompy Siemens VDO 1 łopatkowa pompa zasilająca, 2 elektromag. zawór dozujący, 3 sekcje tłoczące, 4 elektromag. zawór regulacji ciśnienia, 5 zawór ograniczający, 6 zawór upustowy bezpieczeństwa, 7, 8 filtr, a dopływ paliwa, b przelew paliwa, c paliwo pod wysokim ciśnieniem [2] 2 SIEMENS VDO Pompy firmy Siemens VDO zbliżone są budową do pomp firmy Bosch odmiany CP1 i CP3 i tutaj zdecydowano się na zastosowanie umieszczonych promieniowo 3 par tłoczków i cylinderków spiętrzających paliwo. Schemat budowy tej pompy wraz z zaznaczonymi elementami składowymi został przedstawiony na rysunku 6. Warto zwrócić uwagę na prawidłowo skonstruowany popychacz tłoczka współpracujący z krzywką. Poprzeczne naprężenia spowodowane współpracą tych elementów, dzięki zastosowaniu pomocniczej tulei ( szklanki ), są przenoszone na ścianki korpusu. To rozwiązanie pomaga uniknąć uszkodzeń, podobnych do tych, jakie występowały w pompach marki Bosch typu CP1. Po drugie obserwowana jest pewna niedoskonałość dotycząca sposobu zasilania pompy wysokociśnieniowej, pompą niskociśnieniową (1) o budowie łopatkowej. Łopatki te pod wpływem siły odśrodkowej, powstałej w wyniku ruchu obrotowego, wysuwają się promieniowo z tarczy wirnika pompy uszczelniając tym samym skojarzenie korpus-łopatka, dzięki czemu możliwe 5247

jest przetłaczanie medium (zassanie i tłoczenie paliwa odbywa się poprzez zmienną objętość roboczą podczas obrotu wirnika). W tej pompie łopatki z wypustami w tarczy wirnika są nieodpowiednio skojarzone (niewielka masa łopatki, zbyt ciasne pasowanie z występem tarczy). Dochodzi do tego, że po jakimś czasie eksploatacji, osady (pochodzące z przepływającego paliwa) gromadzą się na krawędziach łopatek i wewnątrz rowków tarczy wirnika. Co więcej, łopatka w każdym obrocie pompy jest wciskana w rowek dużą siła pochodzącą od jej współpracy z bieżnią korpusu. Jednak za jej wysuwanie odpowiada tylko siła odśrodkowa, która zależy od kwadratu prędkości kątowej wirnika. Okazuje się, że siła ta częstokroć nie jest wystarczająca do wysunięcia łopatek z rowków, co objawia się utratą możliwości pompownia paliwa. Brak odpowiedniego ciśnienia paliwa (a tym samym jego ilości) doprowadza do pogorszonych warunków smarowania wszystkich elementów pompy wysokiego ciśnienia, a w pierwszej kolejności dotyczy to bardzo czułych na przegrzanie i zatarcie par precyzyjnych tłoczka i cylinderka. Przy braku paliwa w sekcjach tłoczących następuje, zatrzymanie całego silnika, ale inercja z jaką to następuje doprowadzić może do zatarcia par precyzyjnych. Sytuacja ta oczywiście jest sytuacją skrajną, gdy wszystkie łopatki nie wysuną się z korpusu. W sytuacjach pośrednich (np. jedna łopatka nie wysuwa się), defekt może być nieodczuwalny przy jeździe pojazdem na obciążeniach częściowych. Dać może znać o sobie dopiero podczas pracy silnika np. w warunkach charakterystyki zewnętrznej, gdy potrzebny jest maksymalny, jednostkowy wydatek pompy, a w takiej sytuacji chwilowy brak paliwa, może w szybki sposób doprowadzić do niewystarczającego smarowania sekcji tłoczących, ze zjawiskiem zatarcia włącznie. Inne typy zużycia pompy wysokiego ciśnienia związane są także z niewłaściwą jakością oleju napędowego zawierającego twarde cząstki, których wpływ na układ został już nadmieniony (mikroskrawnie i bruzdowanie par precyzyjnych, erozyjne oddziaływanie na elementy wykonawcze zaworów sterujących). Rys. 7. Schemat układu wtryskowego firmy Delphi: 1 zbiornik paliwa, 2 filtr dokładnego oczyszczania, 3 zwężka, 4 zawór pustowy, 5 elektromag. zawór dozujący, 6 zawór bezpieczeństwa, 7 zawór wylotowy, 8 zawór dolotowy, 9 zasobnik, 10 czujnik ciśnienia, 11 wtryskiwacze 3 DELPHI Budowa pomp firmy Delphi odbiega od przedstawionych dotychczas pomp wysokiego ciśnienia, przypomina jednak swą konstrukcją, a raczej zasadą spiętrzania czynnika, promieniowe pompy rozdzielaczowe marki Bosch. Hydrauliczny schemat układu wtryskowego Delphi, z wyszczególnieniem budowy wewnętrznej pompy został przedstawiony na rysunku 7. Jak widać po stronie niskociśnieniowej znajduje się łopatkowa pompa przetłaczająca, działająca na takiej samej zasadzie co analogiczna pompa w rozwiązaniu Siemensa. Warto jednak zauważyć, że jak wskazuje doświadczenie praktyczne, pompa ta w rozwiązaniu Delphi wykazuje o wiele mniejsze skłonności do zakleszczania łopatek wewnątrz tarczy wirnika, aniżeli pompa w rozwiązaniu Siemensa. Wytworzenie wysokiego ciśnienia paliwa odbywa się w sekcjach tłoczących (rys. 8.), za pośrednictwem osiowo rozmieszczonych tłoczków (1), które 5248

połączone są za pomocą obracających się rolek (2) z wirującym zewnętrznym pierścieniem (3), który stanowi integralną część wałka pompy. Do roboczego ruchu tłoczków dochodzi z racji zastosowania na zewnętrznym pierścieniu garbów, spełniających rolę krzywek. Przepływ paliwa w sekcjach tłoczących zapewniony jest przez zawory dopływowy (5) i wypływowy (4) z sekcji. Rys. 8. Schemat sekcji tłoczącej w pompie Delphi (a zassanie paliwa, b tłoczenie paliwa) [1] Także i ten typ pompy dotyka jednak spora liczba uszkodzeń i patologicznych zniszczeń. Kwestia ta związana jest szczególnie z konstrukcją wałka pompy, a dokładniej z jego krzywkowym pierścieniem. W związku z tym, że pompa spręża paliwo do bardzo wysokich ciśnień, na tłoczki, rolki i tym samym na występy krzywkowego pierścienia działa znaczna siła. Spotęgowanie tej siły związane jest także z kształtem garbów, które gdy rolki zaczynają wspinać na ich wierzchołek, generują znaczne przyspieszenia (dążące chwilowo do nieskończoności). Charakter napędu tłoczków jest szybkozmienny, w wyniku czego pierścień krzywkowy dodatkowo obciążony jest naprężeniami udarowymi. Nie przeprowadzono co prawda szczegółowych badań na przebiegiem zużywania w obrębie napędu sekcji tłoczących, natomiast po obserwacji zużytych elementów można sformułować pewne wnioski. Najprawdopodobniej znów czynnikiem inicjującym zużycie może być niewłaściwej jakości paliwo, które tracąc swoje właściwości smarne doprowadza do pogorszenia współpracy rolki z występem krzywkowym, nadmiernego wzrostu temperatury styku i defektu warstwy wierzchniej elementów. Z kolei defekt w obrębie warstwy wierzchniej może doprowadzić do wykruszenia lub wyłamania fragmentu materiału, który będzie wtedy działał już jako obca cząstka ścierna a ubytek fragmentu powierzchni jako mikrokarb. W połączeniu z wspomnianymi, znacznymi siłami działającymi w tym obrębie, bardzo szybko dojdzie do lawinowego rozwoju tego niekorzystnego zjawiska. Także warstwy wierzchnie rolek ulegać będą uszkodzeniu, może dojść do zakleszczenia ziarna ściernego w tych warstwach, co znacznie przyspiesza rozwój zużywania ściernego. Obraz obszaru uszkodzeń pierścienia krzywkowego i rolek został udokumentowany fotografiami widocznymi na rysunku 9. Defekt spotęgowany może być tym, że nie wszystkie twarde cząstki ścierne podążają dalej wraz z przepływającym olejem napędowym, a pozostając w przestrzeni współpracy rolek z pierścieniem krzywkowym, doprowadzają do niszczenia powierzchni elementów. Objawami uszkodzenia tych elementów jest spadek zdolności tłoczących pompy (niemożliwość wytworzenia wysokiego ciśnienia ze względu na zmniejszenie skoku czynnego tłoczka). Symptomy zużycia pompy, mogą być w określonych granicach niwelowane poprzez sterownik silnika. Dzięki czujnikom, sterownik układu badając spadające ciśnienie panujące w zasobniku może zmienić procedurę sterowania ilością wtryskiwanego paliwa. Stan uszkodzenia w takiej sytuacji pogłębia się, krzywki i rolki ścierają się jeszcze bardziej, emitując coraz większą ilość drobnych cząstek stanowiących bezpośrednie zagrożenie dla współpracy par precyzyjnych pompy i wtryskiwaczy. 5249

a b Rys. 9. Zużyte elementy obszaru napędu sekcji tłoczących w pompie firmy Delphi: powierzchnie pierścienia krzywkowego (a) oraz powierzchnie rolek (b) PODSUMOWANIE Pompa wysokiego ciśnienia, której problemy eksploatacyjne stanowią przedmiot niniejszego artykułu, jest najważniejszym podzespołem układu wtryskowego typu CR. Konstrukcja pompy i jej charakterystyka pracy jest tak zaprojektowana by tłoczenie paliwa odbywało się w sposób równomierny, co w konsekwencji zmniejsza pobór mocy (w porównaniu z pompami wtryskowymi konwencjonalnych układów) z silnika. Zadaniem pompy jest wytworzenie odpowiednio wysokiego ciśnienia paliwa w zasobniku, w każdym z punktów pracy silnika w możliwie bezawaryjny sposób w całym okresie eksploatacji pojazdu. Zadanie to realizowane jest w różny sposób tym samym pojawiają się różnego typu problemy użytkowe. W pompach Bosch, zwłaszcza starszej generacji, związane są one z niewłaściwym rozkładem sił w układzie tłoczka i wałka pompy. Problemy pojawiają się również w obszarze zaworka doprowadzania paliwa.w pompach Siemens VDO obserwowana jest pewna niedoskonałość dotycząca rozwiązania zasilania pompy wysokociśnieniowej, pompą niskociśnieniową stwierdzono problemy z wysuwaniem się łopatek z tarczy wirnika. Skutkuje to pogorszeniem warunków smarowania. Z kolei w pompach Delphi zaobserwowano pewne problemy w obrębie wałka pompy i jego krzywkowego pierścienia. Niezależnie od producenta pompy, stwierdzić można, że najistotniejszym warunkiem eksploatacyjnym jest zachowanie reżimu czystości paliwa, które poza zadaniem dotyczącym smarowania, pozwala na odpowiednie chłodzenie elementów pompy. Pogorszenie współpracy tych elementów jest zazwyczaj początkiem lawinowo postępującego zużycia prowadzącego niejednokrotnie do uszkodzenia całego zespołu. Streszczenie Poza wieloma niezaprzeczalnymi zaletami jakimi charakteryzują się układy wtryskowe typu commonrail, stwierdzić należy, że nie są one pozbawione również wielu wad. Istnieje szereg problemów konstrukcyjnych i eksploatacyjnych, z którymi mamy do czynienia w systemach commonrail. Zagadnienie podejmowane w artykule odniesione zostały do pomp wtryskowych. Charakterystyka problemu została przedstawiona na podstawie sytuacji występujących rzeczywiście w tego typu urządzeniach. Przedstawione przykłady dotyczą uszkodzeń pomp różnych producentów, prezentując najsłabsze ich ogniwa doprowadzające do przyspieszonego zużycia, uszkodzenia lub zniszczenia pompy. W pracy wzięto pod uwagę pompy produkcji Bosch, Siemens VDO oraz Delphi. Operational problems of common rail injection systems Abstract Despite numerous undeniable advantages which characterize common rail injection systems, one should state that they are not devoid of many disadvantages. There are a number of structural and operational problems we deal with in common rail systems. The problem undertaken in the article refers to the injection 5250

pumps, and therefore, the characteristics of the problem was presented on the basis of the situations that actually occur in this type of devices. The presented examples concern the damage to the pumps from a variety of manufacturers and show their weakest links leading to accelerated wear, damage, or destruction of the pump. Pump from Bosch, Siemens VDO and Delphi was taken into account in paper. BIBLIOGRAFIA 1. Kędzia R., Systemy CommonRail - parametry systemów i ich diagnostyka. Materiały szkoleniowe, Poznań, Centrum Szkolenia Motoryzacji Autoelektronika Kędzia 2009 2. Kneba Z., Makowski S., Zasilanie i sterowanie silników, Warszawa, WKŁ 2004 Publikacja powstała w ramach realizacji projektu "Inżynier Przyszłości. Wzmocnienie potencjału dydaktycznego Politechniki Poznańskiej.", nr POKL.04.03.00-00-259/12, współfinansowanego ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego 5251