Aspekty ekonomiczno- techniczne studium zużycia układu tłokpierścienie-cylinder

Transkrypt

1 LEWICKI Wojciech 1 LEWICKI Jan Aspekty ekonomiczno- techniczne studium zużycia układu tłokpierścienie-cylinder w niskich temperaturach otoczenia WSTĘP Kłopoty związane z uruchomieniem silników z zapłonem samoczynnym, zwłaszcza w niskich temperaturach otoczenia powodują, że problem rozruchów jest wciąż aktualny. Mimo licznych publikacji związanych z rozruchami, zagadnienie dotyczące wielkości strat energii w cylindrze w procesie sprężania, w zależności od warunków rozruchu, nie zostało dotychczas dostatecznie zbadane. Rozszerzenie tego problemu jest istotne, gdyż od wielkości tych strat zależy temperatura i ciśnienie czynnika roboczego w końcu suwu sprężania. Rozruch silników o zapłonie samoczynnym, w niskich temperaturach otoczenia, charakteryzuje się niską prędkością obrotową wału korbowego. Powoduje to wydłużenie czasu sprężania, w wyniku czego, znaczna część zassanego ładunku wychodzi przez nieszczelności w uszczelnieniu pierścieniowym. Wydłuża się również czas przejmowania ciepła przez ścianki. Autorzy niniejszego artykułu podjęli próbę przeprowadzenia szerszej analizy termo-dynamicznej procesów w aspekcie zużycia układu tłok-pierścienie-cylinder, prezentując jak to zużycie wpływało na zmianę parametrów pracy w niskich temperaturach otoczenia. Celem niniejszego artykułu było zaprezentowanie przede wszystkim wyników obliczeń zużyć gładzi cylindrowych i zużyć szerokości pierścieni tłokowych dla silnika typu 359 przy rozruchu w zależności od warunków rozruchu w oparciu o badania doświadczalne. 1. PRZEDMIOT BADAŃ 1.1. Komora niskich temperatur Poddany badaniom silnik umieszczony był w komorze chłodniczej. Chłodnia wyposażona była w dwa agregaty chłodnicze. Czynnikiem chłodzącym był freon. Elektryczny układ sterowniczy zapewnił automatyczną regulację temperatury i utrzymanie w czasie prób stałej temperatury. Urządzenie rejestracyjne pozwalało rejestrować temperaturę płynu chłodniczego, oleju silnikowego, powietrza, prędkość obrotową itp. Poza tym istniała możliwość bezpośredniej obserwacji wizualnej i akustycznej silnika. Przy pomiarach przedmuchów i ciśnienia w cylindrze badany silnik napędzany był silnikiem elektrycznym Obiekt badań Badania przeprowadzono dwukrotnie na silniku z zapłonem samoczynnym typu 359. Silniki te były montowane w samochodach ciężarowych STAR (2, 244, 266) produkowanych w FSC Starachowice. Był to silnik o wtrysku bezpośrednim z komorą spalania w denku tłoka Dane techniczne silnika 359: układ cylindrów rzędowy, pionowy liczba cylindrów 6 średnica cylindrów 11 mm skok tłoka 12 mm pojemność skokowa 6,842 dm 3 stopień sprężania 17 1 Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecnie, Wydział Ekonomiczny; Szczecin; ul. Żołnierska 47. Tel: , Fax: , Wojciech.Lewicki@zut.edu.pl 2825

2 kolejność zapłonu , moc znamionowa 11 kw przy 46,7 s -1 (15 KM przy 28 min -1 ) moment obrotowy 44 Nm przy 3-36,87 s -1 (44 kgm przy min -1 ) obroty biegu jałowego 8,3 s -1 (5 min -1 ) obroty maksymalne 52,5 s -1 (316 min -1 ) minimalne jednostkowe zużycie paliwa 62 g/mj (165 g/kmh) ciśnienie wtrysku MPa (22-23 kg/cm 2 ) statyczny kąt wyprzedzania wtrysku,322 ±,17 rad (18,5 ± 1 ) kąt przyspieszenia wtrysku,192 rad (11 )1 luz zaworów ssących i wydechowych,3 mm Przed badaniem oraz po każdym cyklu rozruchu sprawdzano luzy zaworowe, kąt wyprzedzenia wtrysku, działanie wtryskiwaczy i przeprowadzano wymaganą obsługę. W czasie badań silnik był wyposażony w alternator i sprężarkę, ale pozbawiony był tłumika wydechu oraz filtra powietrza. 2. METODYKA PRZEPROWADZONYCH BADAŃ Badania mikrometryczne obejmowały swoim zakresem następujące pomiary: gładzi cylindrowych, tłoków, pierścieni tłokowych. Poza tym przeprowadzono ważenie pierścieni tłokowych celem sprawdzenia ubytku ich masy w wyniku zużycia. Pomiary gładzi cylindrowych wykonano średnicówką czujnikową z działką,1 mm. Średnicówkę skalowano za pomocą płytek wzorcowych. Ustalono osiem zakresów pomiarów odległych od górnej krawędzi cylindra: L 1 1 mm - odpowiadał połowie odległości pierwszego pierścienia uszczelniającego od górnej krawędzi w ZG, L 2 2 mm - odpowiadał położeniu pierwszego pierścienia uszczelniającego w ZG, L 3 35 mm - odpowiadał położeniu drugiego pierścienia uszczelniającego w ZG, L 4 4 mm - odpowiadał położeniu trzeciego pierścienia uszczelniającego w ZG, L 5 8 mm - odpowiadał połowie drogi pierwszego pierścienia uszczelniającego między punktami zwrotnymi, L 6 14 mm - odpowiadał położeniu pierwszego pierścienia uszczelniającego w ZK, L mm - odpowiadał położeniu drugiego pierścienia uszczelniającego w ZK, L mm - przekrój oddalony od dolnej krawędzi tulei cylindrowej o 5 mm. Przeprowadzono pomiary średnic części prowadzących tłoków w płaszczyźnie prostopadłej do osi sworznia tłokowego i płaszczyźnie osi sworznia. Pomiary wykonano przy pomocy mikrometru. W pierścieniach tłokowych zmierzono następujące wielkości: wysokość pierścieni, szerokość pierścieni, luz zamków po włożeniu pierścieni do cylindrów, sprężystość, luz zamków w stanie swobodnym. Wysokość pierścieni mierzono passametrem z działką do,2 mm w pięciu miejscach na obwodzie. Szerokość pierścieni mierzono przy pomocy czujnika z działką do,1 mm w pięciu miejscach na obwodzie. Luz zamka w stanie naprężenia mierzono szczelinomierzem, wkładając pierścień do odpowiednich cylindrów w miejscu ich górnego zwrotu. Pomiar sprężystości przeprowadzono przy zastosowaniu przyrządu działającego na zasadzie opasania pierścienia taśmą. Wielkość sił stycznych określano przez ściskanie pierścieni, aż do chwili, gdy luzy na zamkach osiągnęły wartości równe prześwitom pierścieni włożonych do cylindrów. Luzy zamków w stanie swobodnym mierzono suwmiarką. 2826

3 Oprócz pomiarów mikrometrycznych, przeprowadzono ważenie pierścieni tłokowych. Pierścienie przed ważeniem oczyszczono z osadów. Do pomiaru temperatury oleju, cieczy chłodzącej silnika i powietrza zastosowano termopary platynorod-platyna i dwunastostopniowy rejestrator temperatury. W skład aparatury do pomiaru i rejestracji ciśnień szybkozmiennych wchodził: zestaw indykatora piezoelektrycznego typu RFR PM-11 składający się z: czujnika piezoelektrycznego, wzmacniacza sygnału ze stopniem elektromagnetycznym, oscyloskopu dwustrumieniowego, oscylografu pętlicowego, zasilacza. Rejestracji przebiegu ciśnień szybkozmiennych dokonano oscylografem pętlicowym na taśmie światłoczułej firmy Agfa. Prędkość przesuwu taśmy ustalono na 25 m/s, pionowy znacznik czasu na,2 s. Blokowy schemat układu pomiarowo-rejestrującego PM-1 przedstawiono na rys.1. Wzorcowania przetwornika dokonano przy pomocy przyrządu PDW-1. Urządzenie to umożliwiło wzorcowanie zbliżone do dynamicznego. Pomiary ciśnień szybkozmiennych przeprowadzono na szóstym cylindrze, wykorzystując do tego celu specjalnie wykonany kanał, który umożliwił umieszczenie piezoelektrycznego przetwornika ciśnienia w komorze spalania. Silnik smarowany był olejem Selektol Special Super Plus, a chłodzony płynem Borygo. Przy pomiarach naładowanie akumulatorów rozruchowych wynosiło zawsze 75% pojemności znamionowej. 3. BADANIE ZUŻYCIA UKŁADU TŁOK-PIERŚCIENIE CYLINDER W NISKICH TEMPERAURACH OTOCZENIA Złożoność podjętych badań oraz ich specyfika wymagały od autorów podejścia alternatywnego. W celu zachowania poprawności metodologicznej dodatkowo przyjęto z góry zaprezentowane wzorce zachowań założono zatem, że: badania polegały na wykonaniu pięciu serii rozruchów silnika 359 w temperaturze 268 K, po 15 rozruchów w każdej serii, silnik po rozgrzaniu pracował do osiągnięcia maksymalnej prędkości obrotowej, od prędkości obrotowej biegu jałowego do prędkości maksymalnej, czas trwania próby wynosił 3-5 minut, stan cieplny silnika określano na podstawie temperatury oleju silnikowego (mierzonej w misce olejowej), temperatury cieczy chłodzącej (mierzonej w kolektorze wodnym) oraz temperatury otoczenia (powietrza w komorze niskich temperatur), kolejne rozruchy przeprowadzono po uzyskaniu jednakowej temperatury oleju silnikowego, płynu chłodzącego i powietrza, ponadto badania przeprowadzono stosując olej napędowy IZ-35 oraz olej silnikowy Selektol Super Plus, układ chłodzenia napełniony był płynem niezamarzającym Borygo, po każdej serii rozruchów silnik demontowano, a poszczególne części podlegały szczegółowym oględzinom i pomiarom mikrometrycznym, przed każdą serią rozruchów sprawdzeniu podlegały wtryskiwacze, których ciśnienie wtrysku ustawiano zgodnie z normą. Wyniki badań zaprezentowano w stosownych tabelach i rysunkach. W pierwszej kolejności na poniższym rysunku przedstawiono luzy charakterystyczne dla skojarzenia tłok-pierścienie-cylinder. Luz charakterystyczny jest określony jako różnicę między wymiarem cylindra, a wymiarem tłoka mierzonym w miejscu odległym o 12,5 mm od dolnej krawędzi tłoka w płaszczyźnie prostopadłej do osi wału korbowego. 2827

4 Zużycie, mm Zużycie, mm Luzy skojarzenia T-C, mm,18,16,14,12,1,8,6,2,165,17,15,15,135, Cylinder Rys.1. Luzy charakterystyczne skojarzenia tłok-cylinder po 75 rozruchach,7,6,58,5 8, ,3,2, Cylinder Rys.2. Średnie zużycie gładzi cylindrowych po 75 rozruchach Analiza danych wskazała, że luz graniczny dla silnika 359 wynosił,3 mm. Jak można dostrzec na powyższym rysunku luzy po 75 rozruchach wahają się w granicach,115 mm dla drugiego cylindra do,17 mm dla szóstego cylindra, czyli nie osiągnęły wartości granicznej. Na rysunku 2 przedstawiono średnie zużycie gładzi cylindrowych po 75 rozruchach. Natomiast na rysunku 3 zaprezentowano średnie zużycie tłoków które jak zaobserwowano waha się w granicach od,38 mm dla drugiego cylindra do,58 mm dla szóstego cylindra. Średnie zużycie tłoków po 75 rozruchach. Wynosiło ono od,3 mm dla 4 i 6 tłoka do,12 dla drugiego tłoka.,14,12,12,1,8,6,6,3,3, Nr tłoka Rys. 3. Średnie zużycie tłoków po 75 rozruchach 2828

5 Szczelina, mm Zużycie, mm Na kolejnym rysunku przedstawiono średnie zużycie szerokości pierścieni po takiej samej liczbie rozruchów. Natomiast średni wzrost szczeliny zamków w stanie rozprężenia po 75 rozruchach przedstawiono na rysunku 5. Wzrost ten jest znacznie wyższy dla pierścieni zgarniających niż uszczelniających. Waha się on od,12 mm dla pierwszego pierścienia uszczelniającego do 1,1 mm dla drugiego pierścienia zgarniającego.,25,2,21,15,1,84,82,79,5,25 1 uszcz. 2 uszcz. 3 uszcz. 1 zgarn. 2 zgarn. Rys.4. Średnie zużycie szerokości pierścieni tłokowych po 75 rozruchach 1,2 1,92 1,1,8,6,4,33,29,2,12 1 uszcz. 2 uszcz. 3 uszcz. 1 zgarn. 2 zgarn. Rys. 5. Średni wzrost szczeliny zamków w stanie naprężenia po 75 rozruchach W tabeli 1 przedstawiono wartości maksymalnych zużyć gładzi cylindrowych dla kolejnych serii rozruchów. Największe zużycie gładzi cylindrowej występuje po piątym cyklu rozruchów i wynosi,52 mm. Tab.1. Prezentacja wwartości maksymalnych zużyć gładzi cylindrowych Nr cylindra Maksymalne zużycie gładzi cylindrowych, mm Ilość rozruchów Średnia Przed badaniem,,,,,,, 15,5,35,55 3 3,2,15,1,15,15,25,17 45,13,8,28,9,14,19,15 6,16,12,19,15,13,14,15 75,66 9,25 5,57,68,

6 W celu zachowania poprawności metodologicznej badań przeprowadzono też pięć symulacji serii rozruchów silnika 359 w temperaturach 273,268, 263 i 258 K po 15 rozruchów w każdej serii. Badania przeprowadzono tak jak podano poprzednio dla temperatury 268 K. Wyniki przedstawiono na poniższych rysunkach. Rys. 6. Średnia z maksymalnych zużyć gładzi cylindrowych Rys.7. Średnia ze średnich zużyć szerokości pierwszych pierścieni uszczelniających Rys.8. Średnia ze wzrostu szczeliny zamków w stanie naprężenia pierwotnego pierścienia uszczelniającego w ZG 283

7 Rys. 9. Średni spadek sprężystości pierwszego pierścienia uszczelniającego (przy wielkości zamka w ZG) WNIOSKI Analiza zaprezentowanych danych wskazuje, że pod względem ilościowym średnia serii maksymalnych zużyć jest największa w przypadku serii 75 rozruchów. Wynosi ona odpowiednio dla poszczególnych temperatur:,78 mm dla temperatury 258 K,,62 mm dla temperatury 268 K, 6 mm dla temperatury 273 K. Najmniejsze zużycie notuje się dla pierwszej serii 15 rozruchów:,37 mm dla temperatury 258 K,,29 mm dla temperatury 268 K,,15 mm dla temperatury 273 K. Porównując te wartości ze średnimi średnich zużyć gładzi cylindrowej (z tym zastrzeżeniem, że badań tych nie zaprezentowano w tym artykule) zauważono, że prawidłowość pozostawała zachowana. Wzrost liczby rozruchów powodował wzrost wielkości zużycia, spadek temperatury rozruchu powoduje, że wielkość zużycia wzrastała. Zmieniały się jedynie wartości zużyć. Średnie z maksymalnych wielkości zużyć gładzi cylindrowych wynosiły od 18,9% w przypadku pierwszej serii 15 rozruchów w temperaturze 258 K, do 36,8% w przypadku 75 rozruchów w temperaturze 273 K. Również w pozostałych przypadkach wnioski sformułowane na podstawie analizy wartości zużycia dla średnich ze średnich zużyć gładzi cylindrowej potwierdzała analiza średnich maksymalnych zużyć gładzi cylindrowej. Ogólne zależności nie zmieniały się pomimo zmiany poszczególnych wartości liczbowych. Natomiast obserwacja wykresu przestrzennego średniego zużycia szerokości pierścieni tłokowych pozwalała na stwierdzenie, że wielkość zużycia szerokości pierścieni tłokowych wzrastała ze wzrostem liczby rozruchów i spadkiem temperatury rozruchu. Obniżenie temperatury rozruchu oraz zwiększenie liczby rozruchów powodowało wzrost średniej ze średniego wzrostu szczeliny zamków pierścieni. Wzrost ten był najmniejszy dla pierścienia pierwszego i wynosił od,1 mm dla 15 rozruchów w temperaturze 273 K do,2 mm dla 75 rozruchów w temperaturze 258 K. Największy wzrost szczeliny notowano w przypadku pierścienia nr 5, wynosił on od,32 mm dla 15 rozruchów w temperaturze 273 K do 1,28 mm dla 75 rozruchów w temperaturze 258 K. Ze względu na wielkość średniej ze średniego wzrostu szczeliny zamków pierścieni w stanie naprężonym można było dokonać podziału pierścieni na dwie grupy. Pierwsza grupa obejmowała pierścienie nr 1, 2, 3 tj. uszczelniające, a w ich przypadku wzrost szczeliny zamka był niewielki (największa wartość dla pierścienia nr 2 po 75 rozruchach w temperaturze 258 K wynosiła,56 mm). 2831

8 Streszczenie W warunkach niskich temperatur zasadniczą rolę odgrywają właściwości rozruchowe silników o zapłonie samoczynnym. Jak dotychczas brak jest modeli termodynamicznych, które ujmowałyby proces rozruchu silnika o zapłonie samoczynnym, zwłaszcza w obniżonych temperaturach otoczenia na parametry termodynamiczne procesu sprężania. Niniejszy referat stanowi fragment badań we wspomnianej tematyce. Jego zasadniczym celem jest zaprezentowanie wyników badań dotyczących zużycia układu tłok-pierścienie-cylinder dla silnika typu 359 przy rozruchu w niskich temperaturach otoczenia w oparciu o badania doświadczalne. Słowa kluczowe: motoryzacja, eksploatacja silnika, parametry techniczne-ekonomiczne Economic and technical aspects of the study of the wear of piston-rings and cylinder at low ambient temperatures Abstract At low temperatures, the essential role of start-up characteristics of compression ignition engines. So far there is no thermodynamic models that would include starting the process of diesel engine, especially in reduced ambient temperatures thermodynamic parameters of the compression process. This paper is a part of the research in that topic. Its primary aim is to present a study on the wear of piston rings and cylinder-type engine 359 for start-up at low ambient temperatures based on experimental studies. Keywords: automotive, motor exploitation, technical and economic parameters BIBLIOGRAFIA 1. Koliński K., Przebieg rozruchu silników o zapłonie samoczynnym w niskiej temperaturze. Auto Technika Motoryzacja nr 4/ Koliński K., Pszczółkowski J., Stanowisko do badań właściwości rozruchowych silników o zapłonie samoczynnym. Rozruch silników spalinowych. Materiały Sympozjum KEPS, Politechnika Szczecińska, Szczecin 2, 3. Lewicki J., Wpływ niskich temperatur na zużycie układu tłok-pierścienie-cylinder przy rozruchu silnika typu 359. Eksploatacja, Prace Naukowe Politechniki Szczecińskiej nr 363, Szczecin Lewicki J., Wpływ zużycia układu tłok-pierścienie-cylinder na bilans cieplny silnika typu 359 przy, rozruchu w obniżonych temperaturach otoczenia. Rozruch Silników Spalinowych. Materiały Sympozjum. ZTiES, Politechnika Szczecińska, Szczecin 2 5. Lewicki J., Zużycie cylindrów silnika typu 359 przy zimnym rozruchu. Badania samochodów silników i zespołów produkcji FSC Starachowice. Prace Naukowe Politechniki Szczecińskiej nr 395, Szczecin Lewicki J., Zużycie cylindrów silnika o zapłonie samoczynnym typu 359 podczas rozruchu i rozgrzewania w niskich temperaturach otoczenia. Eksploatacja silników spalinowych. Zeszyt nr 1. KEPS, Politechnika Szczecińska, Szczecin Mysłowski J., Rozruch silników samochodowych z zapłonem samoczynnym. WNT, Warszawa Tłuszczyński L., Bohuszewicz W., Eksploatacja samochodu w niskich temperaturach. WPT nr 4/ Ullrich K., Der Einflus der Ölviskosität auf das Durchdereh moment beim Kaltstarteines Dieselmotors. Kraftfarzegtechnik nr 5/ Velickin L. N., Chomienko J. M., Issledovanie vlijanija iznosov detale] dizelja D-5 na ego puskovye kačiestva. Traktory i sielchomašiny nr 8/