Analiza możliwości diagnozowania aparatury wtryskowej okrętowych silników tłokowych

Streszczenie

W referacie przedstawiono problematykĊ związaną z diagnostyką aparatury wtry-skowej silników okrĊtowych, które naleĪą do najbardziej zawodnych układów funkcjonalnych tych silników.

W referacie, na podstawie badaĔ własnych, przedstawiono przykład wykorzysta-nia w diagnostyce elementów układu wtryskowego analizy wykresów indykatorowych. MetodĊ tą krytycznie oceniono.

Wykazano przydatnoĞü diagnostyczną pogłĊbionej analizy wykresów indykatoro-wych otrzymywanych techniką indykowania elektronicznego, pozwalającą na wyznaczanie charakterystyk wydzielania ciepła. Charakterystyki wydzielania ciepła zawierają informacje o stanie technicznym układów wtryskowych, umoĪliwiające dia-gnozowanie ich uszkodzeĔ.

Słowa kluczowe: diagnostyka, tłokowy silnik okrĊtowy, układ wtryskowy, statystyka uszkodzeĔ 1. Wprowadzenie

Doskonalenie metod diagnozowania okrĊtowych silników o zapłonie samoczynnym (ZS) na-leĪy do bardzo waĪnych zadaĔ, mających na celu monitorowanie pracy silników, wykrywanie uszkodzeĔ na wczesnym etapie ich powstawania, co przyczynia siĊ do podniesienia ekonomiki i bez-pieczeĔstwa eksploatacji statku. OkrĊtowe tłokowe silniki spalinowe stanowią w zdecydowanej wiĊkszoĞci napĊd główny statków handlowych (ponad 80%), jak równieĪ napĊd prądnic w elek-trowniach okrĊtowych. Kiedy mówi siĊ o koniecznoĞci wyposaĪania siłowni okrĊtowych w nowoczesne systemy i urządzenia diagnostyczne, to odnosi siĊ to przede wszystkim do diagno-styki silników okrĊtowych.

Na statkach o wyposaĪeniu konwencjonalnym, tzn. bez specjalistycznego wyposaĪenia diagno-stycznego, bieĪąca kontrola stanu technicznego silnika odbywa siĊ w oparciu o mierzone wartoĞci parametrów kontrolowanych. Ocena diagnostyczna obejmuje głównie procesy: wtrysku, spalania, chłodzenia i smarowania silnika.

Wiele siłowni okrĊtowych jest wyposaĪonych w przenoĞne urządzenia diagnostyczno-pomia-rowe do okresowych badaĔ diagnostycznych silników. Wykonuje siĊ wówczas pomiary ciĞnieĔ maksymalnych w cylindrach, ciĞnieĔ sprĊĪania, Ğrednich ciĞnieĔ i mocy indykowanych.

Na nielicznych statkach, z siłowniami duĪych mocy są instalowane stacjonarne systemy moni-torująco-diagnostyczne, działające w trybie on-line. Niektóre systemy stacjonarne są wyposaĪane w układy do pomiaru ciĞnieĔ w instalacjach wtryskowych.

Ocena stanu technicznego i stanu obciąĪenia silnika jest wiĊc realizowana w sposób poĞredni, w oparciu o znane relacje pomiĊdzy parametrami procesów roboczych, a stanami struktury i obcią-Īenia badanych elementów.

WiarygodnoĞü diagnozy, jej jednoznacznoĞü, moĪliwoĞü lokalizacji uszkodzeĔ i okreĞlenie przyczyn ich powstania przy takim badaniu zaleĪą w głównej mierze od wiedzy i doĞwiadczenia oficera mechanika, mając bardzo subiektywny charakter. NaleĪy zaznaczyü, Īe konwencjonalny zbiór parametrów kontrolowanych obecnie dostĊpnych na statkach jest niewystarczający do stawia-nia wiarygodnych diagnoz, szczególnie w odniesieniu do lokalizacji uszkodzeĔ.

Praktycznej realizacji funkcji diagnostycznych przez załogi maszynowe (oficerów mechani-ków) nie sprzyja równieĪ czĊsta rotacja załóg miĊdzy statkami. EfektywnoĞü procesów diagnostycznych jest zwłaszcza niezadowalająca na statkach współczesnej budowy, o złoĪonej strukturze konstrukcyjnej oraz wysoce zautomatyzowanych, gdzie dodatkowo obowiązuje zasada ograniczania liczebnoĞci załóg maszynowych. DuĪa iloĞü obowiązków bieĪących wykonywanych przez oficerów mechaników z jednej strony, oraz brak odpowiednich Ğrodków diagnostycznych z drugiej, nie ułatwiają realizacji zadaĔ diagnostycznych. Silniki okrĊtowe naleĪą do obiektów tech-nicznych o duĪym stopniu złoĪonoĞci (kilkadziesiąt tysiĊcy elementów). KaĪdy z tych elementów charakteryzowaü moĪe pod wzglĊdem technicznym nawet kilka parametrów struktury. Kontrolowa-nie stanu technicznego w tej sytuacji jest bardzo trudne. W rezultacie tego funkcje załóg maszynowych statków czĊsto ograniczają siĊ do usuwania w czasie rejsu morskiego awarii, aby utrzymaü energetyczną autonomicznoĞü statku. Sytuacje te są czĊsto nastĊpstwem nie wykrytych w porĊ uszkodzeĔ. LiczbĊ awarii moĪna by istotnie ograniczyü dysponując odpowiednimi urządze-niami i metodami diagnostycznymi.

Układem funkcjonalnym silnika okrĊtowego, który ma podstawowy wpływ na jakoĞü przebiegu procesu roboczego, ekonomikĊ pracy silnika oraz jego niezawodnoĞü jest układ wtryskowy.

W eksploatacji silnika okrĊtowego dozór eksploatacyjny sprowadza siĊ do bieĪącej kontroli parametrów pracy instalacji zasilania silnika paliwem, a takĪe do okresowego czyszczenia filtrów paliwowych i wirówek oraz kontroli szczelnoĞci całej instalacji. Podstawowymi parametrami na podstawie których eksploatator nadzoruje pracĊ układu zasilania są: ciĞnienie i temperatura (lep-koĞü) paliwa.

W odniesieniu do układu wtryskowego, sprawdzany jest okresowo na stanowisku prób, stan techniczny wtryskiwaczy.

Do oceny pracy układu wtryskowego wykorzystuje siĊ przede wszystkim nastĊpujące parame-try:

a) eksploatacyjne (rutynowo mierzone): – temperatury gazów wylotowych, Tg,

b) odczytane z wykresów indykatorowych: – maksymalne ciĞnienie spalania, pmax,

– Ğrednie ciĞnienie indykowane, pi,

– kąt wystapienia pmax wzglĊdem GMP, Įpmax.

Na niektórych silnikach wolnoobrotowych o duĪej mocy z cylindra mierzone są ciĞnienia w układach wtryskowych. Główne parametry wyznaczane w oparciu o ten pomiar to:

– maksymalne ciĞnienie wtrysku paliwa, pmax wtr,,

– ciĞnienie otwarcia wtryskiwacza, potw.wtr.,

Parametry odczytywane na podstawie przebiegu ciĞnienia w układzie wtryskowym mają wprawdzie duĪe znaczenie diagnostyczne, ale ich pomiar jest utrudniony z uwagi na ograniczone moĪliwoĞci montaĪu czujników pomiarowych. Układ wtryskowy, ze wzglĊdów bezpieczeĔstwa, musi byü szczelny. Przewody wtryskowe powszechnie umieszcza siĊ w specjalnych osłonach („otu-linach”), które w przypadku uszkodzenia przewodu nie pozwalają na niekontrolowany wyciek paliwa do przedziału siłowni okrĊtowej. Dlatego teĪ celowym wydaje siĊ poszukiwanie takich sku-tecznych metod diagnozowania uszkodzeĔ układu wtryskowego, które nie wymagają ingerencji w układ wtryskowy. Warunkowi temu odpowiadają metody oparte o analizĊ informacji zawartych w wykresach indykatorowych. BĊdą to wówczas metody do poĞredniej oceny stanu technicznego aparatury wtryskowej, co umoĪliwia rezygnacjĊ z drogich i zawodnych instalacji pomiaru ciĞnieĔ w układach wtryskowych.

W celu uzyskania metody skutecznej, pozwalającej na rozpoznawanie najwaĪniejszych uszko-dzeĔ elementów układu wtryskowego potrzebna jest pogłĊbiona analiza wykresów indykatorowych – wyznaczanie na podstawie wykresów indykatorowych, otrzymywanych w oparciu o pomiar ciĞnieĔ cylindrowych indykatorem typu elektronicznego z przetwornikami ciĞnieĔ montowanymi na zaworach indykatorowych, charakterystyk wydzielania ciepła.

2. Układy zasilania paliwem współczesnych silników okrĊtowych

Współczesne silniki okrĊtowe napĊdu głównego jak i zespołów prądotwórczych są zasilane w zasadzie paliwem stanowiącym wszelkie pozostałoĞci przerobu ropy naftowej lub mieszaniną po-zostałoĞci z lĪejszymi destylatami. Paliwa te nazywane są potocznie paliwami ciĊĪkimi (ang. Heavy Fuel Oil, Residual Fuels), a ich lepkoĞü wynosiü moĪe, w temperaturze 100ºC 1,4÷14 cSt dla Light Marine Fuel Oil i 10÷55 cSt dla Marine Fuel Oil. Paliwa o mniejszej lepkoĞci są stosowane do napĊdu silników czterosuwowych Ğrednioobrotowych, natomiast paliwa o wyĪszej lepkoĞci – do napĊdu silników dwusuwowych wolnoobrotowych.

Paliwa ciĊĪkie są zanieczyszczone miĊdzy innymi siarką, wodą, związkami zawartymi w wodzie morskiej, substancjami bitumicznymi (Īywice, twarde asfalty) oraz ciałami stałymi, jak muł, piasek, zendra itp. Tego rodzaju paliwa wymagają okreĞlonych czynnoĞci przygotowawczych przed wtry-skiem do silnika.

Wymienione wyĪej właĞciwoĞci paliwa ciĊĪkiego warunkują koniecznoĞü jego uprzedniego oczyszczenia, aby zapobiec uszkodzeniom i zmniejszeniu zuĪycia par trybologicznych układu wtry-skowego: tłok - tuleja pompy wtryskowej, iglica i jej prowadnica wtryskiwaczy, a takĪe zespołów: tłok - tuleja cylindrowa, pierĞcienie tłokowe - tuleja cylindrowa itp. DuĪa zawartoĞü wody moĪe spo-wodowaü przerwy zapłonu a nawet zatrzymanie silnika.

Paliwa ciĊĪkie wymagają podgrzania do temperatury umoĪliwiającej ich transport, a wiĊc prze-pompowywanie z i do zbiorników instalacji paliwowej, na przykład ze zbiornika zapasowego do osadowego, a takĪe w celu uzyskania optymalnej lepkoĞci podczas wirowania i wtrysku. Do paliw dodawane są dodatki pochodzenia organicznego lub mineralnego, słuĪące do polepszenia procesu spalania, zapobiegania korozji i powstawania emulsji wodno-paliwowej, a takĪe do poprawy skutecznoĞci oczyszczania.

Zadaniem instalacji zasilania silnika okrĊtowego paliwem jest dostarczenie do komory spalania, w okreĞlonym czasie, prawidłowo rozpylonego paliwa w iloĞci odpowiadającej chwilowemu zapo-trzebowaniu mocy, za co odpowiada układ wtryskowy silnika wchodzący w skład systemu zasilania.

IloĞü i rodzaj elementów stanowiących system zasilania zaleĪą od rodzaju i mocy silnika oraz ro-dzaju stosowanego paliwa. Konstrukcja systemu zasilania zaleĪy od roro-dzaju i mocy silnika okrĊtowego i rodzaju stosowanego paliwa.

We współczesnych silnikach okrĊtowych dominują nadal klasyczne układy wtryskowe, w któ-rych wystĊpują nastĊpujące elementy:

• pompy wtryskowe napĊdzane od wału rozrządu, • przewody paliwowe wysokiego ciĞnienia, • wtryskiwacze.

Pompy wtryskowe są pompami wyporowymi typu tłokowego i zazwyczaj kaĪdy cylinder ma osobną pompĊ wtryskową lub osobny zespół roboczy składający siĊ z cylindra, tłoka, zaworu zwrot-nego i napĊdu tłoka. Zmienne ciĞnienia w przewodach wtryskowych osiągają wartoĞci 40÷100 MPa.

Energetyczne i ekonomiczne wskaĨniki pracy silnika, a takĪe niezawodnoĞü jego działania w głównej mierze zaleĪą od pracy układu wtryskowego. Z jednej strony istotnym czynnikiem bĊdzie doskonałoĞü konstrukcyjna, technologiczna i wykonawcza poszczególnych elementów układu, szczególnie pomp wtryskowych i wtryskiwaczy, a z drugiej zaĞ strony poprawne przeprowadzenie regulacji statycznej i właĞciwa eksploatacja.

UwaĪa siĊ, Īe najwaĪniejsze parametry jakoĞciowej regulacji konwencjonalnego układu wtry-skowego to początek, koniec i czas trwania podawania paliwa przez pompĊ i wtryskiwacz wyraĪone w stopniach obrotu wału korbowego jako, Īe od tych właĞnie wielkoĞci, dla stałych warunków pracy silnika, zaleĪy przebieg procesu spalania do oceny którego wykorzystuje siĊ wartoĞci dynamicznych i ekonomicznych wskaĨników cyklu roboczego.

W praktyce eksploatacyjnej poszukuje siĊ optymalnej wartoĞci kąta wyprzedzenia wtrysku (αww), aby uzyskaü wysoką ekonomicznoĞü pracy silnika dla wybranego obciąĪenia.

3. Typowe uszkodzenia układów wtryskowych i ich wpływ na pracĊ silnika

Dane statystyczne wskazują [1], Īe blisko 50% wszystkich uszkodzeĔ silników okrĊtowych sta-nowią usterki układu zasilania paliwem, a w nim najczĊĞciej wystĊpują uszkodzenia w odniesieniu do wtryskiwaczy (41%) i pomp wtryskowych (38%). Szczegółowe dane statystyczne pokazano na rysunku 1.

Przebieg i jakoĞü spalania są zaleĪne od poprawnego działania układu paliwowego i układu wy-miany czynnika roboczego. Analizując przyczyny nieprawidłowego spalania, celowe zatem jest wyodrĊbnienie zasadniczych czynników wpływających na proces roboczy – przede wszystkim tych powodowanych nieprawidłowoĞciami w działaniu układu paliwowego.

Rys. 1. Statystyka uszkodzeĔ elementów układu wtryskowego ħródło: opracowanie własne.

Samoistna zmiana ciĞnienia otwarcia wtryskiwacza (Zcow) nastĊpuje na skutek pogorszenia siĊ

własnoĞci roboczych sprĊĪyn. Tracą one swoją sztywnoĞü. MoĪe takĪe dojĞü do osiadania sprĊĪyn, zuĪycia stoĪka gniazda i iglicy rozpylacza, co w konsekwencji prowadzi równieĪ do spadku ciĞnie-nia otwarcia wtryskiwacza. Na skutek tego zmianie ulegają parametry wtrysku i spalaciĞnie-nia i w konsekwencji zachodzi:

ZcowŸ (Tg↑; pmax↓; pmax wtr.↓) Ÿ (ge↑; τs↑) (1)

Zmiany istotnie widoczne są, gdy ciĞnienie otwarcia wtryskiwacza spada, w stosunku do warto-Ğci znamionowej o kilkanawarto-Ğcie procent. W praktyce eksploatacyjnej takie zmiany są moĪliwe. Siła napiĊcia sprĊĪyny moĪe zmniejszyü siĊ nawet od 15 do 25% w stosunku do wartoĞci znamionowej, juĪ po 100 do 500 godzinach pracy silnika [2].

Podczas eksploatacji, głównie w wyniku znacznych prĊdkoĞci przepływu paliwa przez otwory rozpylacza oraz zawartoĞü w paliwie twardych zanieczyszczeĔ, otwory rozpylacza ulegają zuĪyciu i zmieniają swój kształt kołowo-cylindryczny, oraz tracą gładkoĞü powierzchni. Prowadzi to do zmiany kształtu strug wtryskiwanego paliwa. ZuĪycie powierzchni otworów rozpylacza oraz zwiĊk-szenie ich Ğrednicy powoduje zmiany natĊĪenia wypływu paliwa przez rozpylacz zgodnie z zaleĪnoĞcią 2 [3]:

dv = μc⋅ fc⋅ uc⋅ dt (2)

gdzie:

μc – współczynnik wypływu,

fc – sumaryczny przekrój otworów rozpylacza,

uc – prĊdkoĞü wypływu,

na co istotny wpływ ma nie tylko zmiana sumarycznego przekroju fc otworów rozpylacza, ale

takĪe prĊdkoĞü uc wypływu paliwa:

pal c wtr c

ȡ

)

p

2(p

ȝ

u

₌

_⋅

−

ȡpal – gĊstoĞü paliwa,

która przy wzroĞcie Ğrednicy otworów rozpylacza bĊdzie maleü. W wyniku zuĪycia otworów rozpylacza (Zor) dochodzi do zmiany parametrów wtrysku i spalania i w konsekwencji:

ZorŸ (Tg ↓; pmax↑; pmax wtr.↓; uc↓) Ÿ (ge↑) (4)

W wyniku Ğcierania, twardymi cząsteczkami zanieczyszczeĔ znajdujących siĊ w paliwie, po-wierzchni elementów pary precyzyjnej (tłok-tuleja) pompy wtryskowej, dochodzi do ich zuĪycia. PostĊpujące zuĪycie, wzrost luzu miĊdzy tłokiem i tuleją pompy, powoduje spadek sprawnoĞci hy-draulicznej (ηh) pompy. Spada maksymalne ciĞnienie wtrysku, a wzrasta Ğrednia Ğrednica kropli

rozpylanego paliwa. CzĊĞü pobranej przez pompĊ dawki paliwa nie osiąga cylindra, poniewaĪ po-przez nieszczelnoĞci, wycieka. ZuĪycie pary precyzyjnej pompy wtryskowej (Zpp) prowadzi wiĊc

do zmiany parametrów wtrysku i spalania, i w konsekwencji:

ZppŸ (ηh↓; Tg ↓; pmax↓; pmax wtr.↓; pi↓) Ÿ (ge↑; Ni↓ ) (5)

W eksploatacji silników okrĊtowych zasilanych paliwami ciĊĪkimi pojawia siĊ równieĪ czĊsto uszkodzenie – zaczopowanie (zakoksowanie) otworów rozpylacza (Zotw.r). Konsekwencje

wystĊpo-wania tego uszkodzenia są róĪne, zaleĪne miĊdzy innymi od liczby zakoksowanych otworów, w stosunku do droĪnych, a wiĊc od zmiany łącznego przekroju czynnego otworów. Typowym na-stĊpstwem tego uszkodzenia jest przede wszystkim zmiana parametrów wtryskiwanego paliwa, w tym wzrost pmax wtr., ale takĪe i parametrów procesu spalania:

Jak z powyĪszych rozwaĪaĔ wynika, skutkiem wystąpienia wymienionych uszkodzeĔ w układzie wtryskowym, jest szczególnie wyraĨna zmiana takich parametrów jak: maksymalne ciĞnienie w cy-lindrze (pmax), maksymalne ciĞnienie wtryskiwanego paliwa (pmax.wtr) i temperatura gazów za

cylindrem (Tg). Powodują one równieĪ zmiany Ğredniego ciĞnienia indykowanego (pi),

jednostko-wego zuĪycia paliwa (ge) i czasu spalania (τs).

4. Przykład diagnozowania uszkodzenia układu wtryskowego silnika okretowego

W odniesieniu do silników okrĊtowych, na których moĪliwe jest indykowanie cylindrów, czy-nione są próby diagnozowania układów wtryskowych poprzez bezpoĞrednie porównywanie wykresów indykatorowych. Prawidłowe wnioskowanie diagnostyczne w oparciu o powyĪszą pro-cedurĊ jest trudne i niepewne. Na rysunku 2 pokazano wykresy indykatorowe pomierzone na dziewiĊciu cylindrach silnika okrĊtowego SULZER 9RTA90. MoĪna wprawdzie zauwaĪyü róĪnicĊ w przebiegu ciĞnienia rozprĊĪania w cylindrze 2, ale bardzo trudno stwierdziü jaka jest tego przy-czyna.

Rys. 2. Wykresy indykatorowe silnika SULZER 9RTA90: c1 ÷c9 – ciĞnienia w poszczególnych cylindrach

Natomiast wyznaczone dla cylindra 2 przebiegi charakterystyk wydzielania ciepła Q (rys. 3) i intensywnoĞci wydzielania ciepła q (rys. 4) wskazują na wadliwą pracĊ układu wtryskowego. Szczególnie charakterystyczna jest zmiana intensywnoĞci wydzielania ciepła q – chwilowy wyraĨny przyrost dla kąta około 210 o_{OWK, oraz istotny wzrost wartoĞci maksymalnej wydzielania ciepła Q}

dla tego cylindra od kąta około 210 o_{OWK, czego prawdopodobną przyczyną jest dotrysk paliwa}

Rys. 3. Charakterystyki wydzielania ciepła Q wyznaczone na podstawie wykresów indykatorowych pokazanych na rysunku 2: c1–c9 – Q dla poszczególnych cylindrów

Rys. 4. Charakterystyki intensywnoĞci wydzielania ciepła q wyznaczone na podstawie wykresów indykatorowych pokazanych na rysunku 2: c1–c9 – q dla poszczególnych cylindrów

5. Podsumowanie

Diagnozowanie uszkodzeĔ układów wtryskowych w warunkach eksploatacji statku jest trudne, ale ma istotne znaczenie poniewaĪ układy te są zawodne. Potwierdzają to badania statystyczne, z których wynika, Īe blisko 50% wszystkich uszkodzeĔ silników okrĊtowych stanowią usterki układu zasilania paliwem.

Rozpoznawanie uszkodzeĔ układów wtryskowych w oparciu analizĊ wykresów indykatoro-wych jest trudne i niepewne.

Istotną jakoĞciową zmianĊ stanu diagnostyki układów wtryskowych moĪna uzyskaü w oparciu o wyznaczane na podstawie wykresów indykatorowych przebiegi charakterystyk wydzielania cie-pła. Charakterystyki wydzielania ciepła zawierają bowiem informacje o stanie technicznym układów wtryskowych, umoĪliwiające diagnozowanie ich uszkodzeĔ.

Bibliografia

1. Piaseczny L.: Ocena niezawodnoĞci okretowych silników spalinowych w aspekcie tworzenia ich systemów diagnostycznych i obsługowych. Materiały Konferencji Naukowo-Technicz-nej, ITEO AMW, Gdynia 1992.

2. Witkowski K., Piotrowski I.: Eksploatacja okrĊtowych silników spalinowych. Balic Surveyors grup Ltd. Sp z o.o. Gdynia 2012 r., ISBN 978-83-60650-13-4

3. Witkowski K., Piotrowski I.: OkrĊtowe silniki spalinowe. TRADEMAR, Gdynia 2003 r., ISBN 83-900731-1-9.

ANALISIS OF THE POSSIBILITY OF DIAGNOSING THE INJECTION EQUIPMENT PISTON MARINE DIESEL ENGINE

Summary

The paper presents the issues related to the diagnosis of injection system marine diesel engines, which are characterized by high unreliability.

In this paper, based on the results of research, it has been shown an example of use the components of the injection system analysis indicator diagrams in the diagno-sis. This method has been assessed critically.

It has been shown the usefulness of the diagnostic indicator diagrams in-depth analysis obtained electronically, which allows the determination of the heat release characteristics. The characteristics of heat release contain information about the con-dition of the injection systems, which enable to diagnose their failures.

Keywords: diagnosis, piston marine diesel engine, injection system, ststistics damage Kazimierz Witkowski

Katedra Siłowni OkrĊtowych Wydział Mechaniczny Akademia Morska w Gdyni ul. Morska 83, 81-222 Gdynia e-mail: wika@am.gdynia.pl