OBCI ENIE I ZU YCIE TULEI CYLINDROWEJ W SILNIKU SPALINOWYM

Transkrypt

1 Journal of KONES Powertrain and Transport, Vol. 13, No. 4 OBCIENIE I ZUYCIE TULEI CYLINDROWEJ W SILNIKU SPALINOWYM Krzysztof Miksiewicz Instytut Konstrukcji i Eksploatacji Maszyn Politechnika Wrocawska ul. ukaszewicza 7/9, Wrocaw Abstract Sliding machine ties of the internal combustion engine, by reason of intensive wear are of basic importance during utilization. It is therefore important to understand processes occurring in the tribological couples, which play an important role in the wear mechanisms. In this paper factors have an effect cylinder liner with piston rings which play a basic sliding machine ties. Results obtained for mechanical load, a heat, a rotational speed, an effective pressure, kind of friction, lubricating factors as well as constructional and assembly agents are presented. The numerical analysis was done by boundary elements method and applies the BEASY software code. The modelling processes of the loads cylinder liners and wears gliding system with wear of the piston ring makes the serious competition for research on real objects, shortening the time and decreasing the cost of research. The key-part performs in this regard computer simulations. Performed work lets on statement that the greatest influence on load of the cylinder liner have temperatures carried out in combustion chamber during the engine work. Streszczenie Wzy lizgowe w silniku spalinowym z powodu intensywnego zuycia maj podstawowe znaczenia podczas eksploatacji. Dlatego wanym jest wyjanienie procesów wystpujcych w trybologicznych parach, które odgrywaj istotn rol w mechanizmie zuycia. W artykule tym opisano czynniki wpywajce na zuycie tulei cylindrowej, która wraz z piercieniem tokowym stanowi podstawowy wze lizgowy. Przeanalizowano wpyw obcienia mechanicznego, obcienia cieplnego, prdkoci obrotowej, cinienia uytecznego, rodzaju tarcia, czynniki smarowe, konstrukcyjne i montaowe. Przeprowadzono obliczenia dotyczce obcie mechanicznych i cieplnych, które pozwoliy na zaoenie rzeczywistych warunków brzegowych pracy tulei. Analiz obliczeniow wykonano za pomoc metody elementów brzegowych i z wykorzystaniem systemu komputerowego BEASY. Modelowanie procesów obcie tulei cylindrowych i zuycia ukadu lizgowego ze zuyciem piercienia tokowego stanowi powan konkurencj dla bada na rzeczywistych obiektach, skracajc czas i obniajc koszt bada. Kluczow rol odgrywaj w tym wzgldzie symulacje komputerowe. Wykona praca pozwala na stwierdzenie, e najwikszy wpyw na obcienie tulei cylindrowej maj temperatury wywizywane w komorze spalania podczas pracy silnika. 1. Wstp Silny rozwój przemysu samochodowego narzuca coraz wiksze wymagania, w celu zaspokojenia coraz bardziej rygorystycznych przepisów ustawodawczych odnonie ruchu drogowego, jak równie rosncej konkurencji na rynku samochodowym i zwikszonego oczekiwania uytkowników pojazdów. To z kolei wymaga od konstruktorów opracowywania coraz to nowszych, trwaych i niezawodnych rozwiza. Tak wic, due znaczenie ma odpowiednie zaprojektowanie ukadu napdowego, a w szczególnoci silnika spalinowego. Ze wzgldu na charakter pracy, obok innych podsystemów silnika, istotne znaczenie ma wze

2 Obcienie i Zuycie Tulei Cylindrowej w Silniku Spalinowym lizgowy: piercie tokowy - tuleja cylindrowa. Powanym, cigle otwartym, problemem konstrukcyjnym jest trwao i niezawodno pracy tego wza, które malej z czasem eksploatacji. Dlatego te, wanym jest dokona wnikliwej analizy czynników wpywajcych na zuycie tego wza lizgowego silnika spalinowego. Mechanizmy wpywajce na zuycie elementów mona sklasyfikowa w dwóch kategoriach: mechanizmów fizycznych, które obejmuj adhezj, zacieranie, zuycie cierne, wygadzenie otworu tulei i kawitacj; korozj chemiczn. Oba mechanizmy mog dziaa niezalenie lub razem w zalenoci od zmian parametrów wystpujcych w czasie pracy silnika. Podczas pracy silnika elementy otaczajce komor spalania stykaj si bezporednio z czynnikiem roboczym, którego temperatura jak i cinienie zmieniaj si okresowo w bardzo szerokim zakresie. Maksymalne temperatury w silniku o zaponie samoczynnym mog osiga 2300 do K w okrelonym obszarze cyklu roboczego, natomiast rednie temperatury mog przekracza nawet K. Powoduje to, e warunki pracy elementów otaczajcych komor spalania s niezwykle trudne, co sprawia, e zastosowane w nich materiay musz charakteryzowa si wysok wytrzymaoci w podwyszonych temperaturach, a jednoczenie zapewnia skuteczne odprowadzanie ciepa do ukadu chodzenia, tak aby temperatury maksymalne nie przekroczyy wartoci dopuszczalnych dla danego materiau. Na obecnym etapie rozwoju technik obliczeniowych, w przewaajcej mierze dominuje modelowe badanie procesów zachodzcych w trakcie eksploatacji maszyny. Badania takie mog by przeprowadzane na modelach fizycznych, w których badane s procesy tego samego rodzaju, jak w obiekcie naturalnym, lub te na modelach matematycznych, które charakteryzuj si tym, e maj identyczny zapis matematyczny, jak badany proces. Dynamiczny rozwój techniki obliczeniowej spowodowa szerokie zainteresowanie metodami numerycznymi, których wczeniejsze wykorzystanie stawao si problematyczne ze wzgldu na mudne obliczenia i spor ilo czasu na nie powicon. Pomimo tego, e w porównaniu z metodami analitycznymi uzyskujemy wyniki dla jednego konkretnego przypadku, nie za rozwizanie ogólne, metody te umoliwiaj analiz problemu przy zastosowaniu mniejszej iloci zaoe upraszczajcych, co w efekcie zblia nas do okrelenia faktycznego stanu wystpujcego w badanym zjawisku. Wydaje si, e metody numeryczne stanowi szybsz i tasz drog rozwizywania skomplikowanych problemów wspóczesnej nauki. 2. Warunki obcienia tulei cylindrowej i piercienia tokowego 2.1. Obcienia mechaniczne Istotnym czynnikiem, wpywajcym na zuycie ukadu piercie tokowy - tuleja cylindrowa, s obcienia wynikajce z oddziaywania si na piercie tokowy podczas pracy. Wystpuje zmienno rozkadu nacisków wynikajca z geometrii piercienia jak i przemieszczania si piercienia Naley podkreli, e chwilowe rozkady si dziaajcych na piercie tokowy s róne, przy rónych pooeniach piercienia tokowego wzgldem tulei cylindrowej. Siy bezwadnoci, w drugiej poowie suwu sprania i wydechu oraz pierwszej poowie suwu rozprania i ssania, d do oderwania piercienia od dolnej powierzchni rowka piercieniowego i przeniesienia go na górna powierzchni. W pozostaych cyklach pracy piercie jest dociskany do dolnych powierzchni rowka piercieniowego Obcienia jakim poddawana jest podczas pracy tuleja cylindrowa pochodz od : cinienia czynnika roboczego; si bocznych i poprzecznych oraz wahliwych ruchów, a take wynikaj z montau Obcienia si bocznych i poprzecznych oraz wahliwych ruchów toka maj charakter dynamiczny i s przyczyn znacznych koncentracji napre w tulei cylindrowej. Obcienia montaowe zale przede wszystkim od konstrukcji

3 K. Miksiewicz tulei cylindrowej i powstaj w wyniku ciskania przez gowic poprzez napicie gowicowych oraz w wyniku odksztace bloku silnika. rub 2.2. Obcienia cieplne Wymiana ciepa w warstwie wierzchniej cylindra i piercienia tokowego zaley od smarowania, natury styków i od rozoenia temperatury pomidzy powierzchniami lizgowymi. Obcienia cieplne elementów ukadu tok - piercie tokowy - cylinder uzalenione s silnie od parametrów pracy silnika. Wzrost redniego cinienia efektywnego jest równoznaczny z wydzieleniem wikszej iloci ciepa, co ma wpyw na poziom temperatur piercienia i cylindra. Na rysunku 1 przedstawiono wpyw obcienia silnika na wartoci maksymalnych temperatur tulei cylindrowej (silnik doadowany ZS). Wzrost temperatury elementów lizgowych obnia lepko oleju powodujc zwikszenie ich intensywnoci zuycia. Tym niemniej, zbyt niskie temperatury i zbytnie przechodzenie silnika, w wyniku duej lepkoci oleju, równie przyczyniaj si do zwikszonej intensywnoci zuycia; co mona zaobserwowa w okresie rozruchu. Zrónicowany rozkad temperatury moe mie znaczny wpyw na zwikszenie nacisków jednostkowych, wywieranych przez piercie tokowy na tulej cylindrow. Przy czym, istotny jest fakt, e najwysze temperatury piercienia tokowego wystpuj w okolicy zamka. Przekroczenie granicznej wartoci obcienia cieplnego, prowadzi do przekroczenia nonoci filmu olejowego, tworzcego si pomidzy wspópracujcymi powierzchniami, wskutek czego moe nastpi metaliczny kontakt wspópracujcych elementów. Rys. 1. Temperatury na tulei w funkcji redniego cinienia uytecznego Fig. 1. Temperatures on liner in the function of the average useful pressure Naley zaznaczy, e w praktyce obcienia nigdy nie s rozoone równomiernie na obwodzie cylindra, z wyjtkiem obcie od cinienia czynnika roboczego. Obcienia osiowe cylindra, pochodzce od napicia wstpnego rub mocujcych gowic cylindra, rozoone s nierównomiernie na obwodzie ze wzgldu na skoczon sztywno gowicy, a przede wszystkim ze wzgldu na rónic, jakie mog wystpi na skutek nierównomiernego napicia rub podczas dokrcania. Poza tym nacisk ten moe by rozoony nierównomiernie na skutek rónej sztywnoci uszczelki pod gowic.

4 3. Modelowanie obcie tulei cylindrowej Obcienie i Zuycie Tulei Cylindrowej w Silniku Spalinowym 3.1. Zaoenia wstpne W pracy zostaa przeprowadzona analiza obcie mechanicznych i cieplnych tulei cylindrowej wysokoprnego silnika typu MD 111E. Z uwagi na charakter badanego elementu i posta warunków brzegowych, zaoono budow modelu umoliwiajcego zaawansowan analiz obcie osiowo niesymetrycznych pochodzcych od parametrów procesu spalania (cinienie i temperatura) i obcie konstrukcyjnych wywoanych montaem tulei w silniku. Przeprowadzone obliczenia miay na celu porównanie wyników otrzymanych w przypadku obcienia symetrycznego i niesymetrycznego. Parametry techniczne wyej wspomnianej jednostki napdowej s nastpujce: Ilo cylindrów, ukad 6, rzdowy, pionowy, czterosuwowy, doadowany rednica cylindra / Skok toka 127,196 mm / 146,05 mm Pojemno skokowa 11,1 dm 3 Stopie sprania 16,5 Moc 235/275 kw przy 2100 obr./min Moment 1250/1400 Nm przy 1400 obr./min Wybór jednej z szeciu tulei cylindrowych do przeprowadzenia analizy, oparty zosta na warunkach pracy jakie maj miejsce w omawianym silniku. Zaoono, e analizie zostanie poddana tuleja, której warunki pracy s ekstremalne (obcienia mechaniczne i cieplne) i maj najwikszy wpyw na konstrukcj tulei. Kryterium obcienia konierza tulei, pochodzce od si napicia wstpnego rub mocujcych gowic, okazao si niedostateczne poniewa rozkad momentów dziaajcych na tulej jest w jednakowy dla wszystkich rozpatrywanych przypadków [6]. Ostatecznie przyjto, jako gówne kryterium wyboru obcienie cieplne. Obliczenia obcie tulei zostay przeprowadzone dla trzech rónych stanów: 1. stan uwzgldniajcy tylko obcienia zwizane z montaem tulei w silniku, 2. stan uwzgldniajcy monta tulei i obcienia zwizane z procesem spalania zadane w sposób symetryczny, 3. stan uwzgldniajcy monta tulei i obcienia zwizane z procesem spalania zadane w sposób niesymetryczny. Kt OWK dla którego zostay przeprowadzone analizy wynosi 200 0, i zosta wytypowany na podstawie wykresów przebiegu zmian cinienia i temperatury w komorze spalania [6]. Analiza termiczna sporzdzona dla ustalonego stanu przewodzenia ciepa miaa na celu okrelenie rednich temperatur i ich rozkadu wystpujcych w tulei podczas pracy silnika. Uzyskane wyniki pozwoliy oceni wielko i wpyw poszczególnych rodzajów obcie na wytrzymao tulei Modele geometryczne Definiowanie geometrii obiektu w systemie BEASY odbywa si za pomoc ukadu punktów, linii i powierzchni opisujcych reprezentacj geometryczn badanego obiektu. Geometria modelu 2D i AX reprezentowana jest przez linie, uki i krzywe, natomiast modele 3D przez trójkty, czworokty i powierzchnie zdefiniowane prostymi i ukami. Ze wzgldu na charakter systemu majcego wpyw na dokadno przeprowadzonej analizy dugoci odcinków opisujcych brzeg obiektu musiay by wymiarowo zblione do siebie. Do budowy geometrii omawianego modelu uyto systemu CAD eksportujcego pliki w formacie IGES. Dugoci odcinków na wewntrznej powierzchni tulei cylindrowej równe s odlegoci

5 K. Miksiewicz korony toka od górnej krawdzi tulei cylindrowej w funkcji obrotu wau korbowego, w celu dokadnego zadania warunków brzegowych pochodzcych od zmian cinienia i temperatury w komorze spalania Warunki materiaowe Kady zastosowany w budowie modelu element musi mie przyporzdkowane pewne charakterystyczne wielkoci materiaowe. W przypadku tulei jest to eliwo stopowe. Zakada si, e materia jest izotropowy i jego parametry s jednakowe we wszystkich kierunkach ( x = y = z = ). Z uwagi na zakres temperatur wystpujcych w komorze spalania przyjto nastpujce dane materiaowe modelu tulei: C 3,0 3,5 % eliwo stopowe (skad chemiczny): Si 2,5 3,0 % Mn 0,6 1,0 % P 0,4 0,6 % Gsto [kg/m 3 ] 7,3 * 10 3 Modu Younga [Pa] 1 * wspóczynnik Pooisona 0,27 Liniowy wspóczynnik rozszerzalnoci cieplnej 1,2 * 10-5 wspóczynnik przewodzenia ciepa [W/mK] Modele obliczeniowe Po zdefiniowaniu geometrii tulei cylindrowej, nastpi podzia badanego obiektu na elementy brzegowe typu liniowego. Zosta on przeprowadzony rcznie w celu zachowania cigoci podziau i kontrolowania liczby elementów, co ma znaczcy wpyw na dokadno przeprowadzonych analiz. Wzdu tworzcej tulei i w jej konierzu zdeklarowano wewntrzne punkty, wzgldem których okrelano wpyw obcie na konstrukcj tulei. W rezultacie zbudowane modele charakteryzuj si nastpujcymi wielkociami: 902 punkty, 1154 linii, 776 paszczyzn, 3694 elementów, 96 stref, 64 wewntrzne punkty Warunki pocztkowe Warunki pocztkowe sprowadzaj si do okrelenia temperatury elementów modelu w chwili t 0. Zosta przyjty równomierny rozkad temperatur wewntrz modelu w kadym jego punkcie. Zaoona warto temperatury T 0 = 20 0 C Warunki brzegowe Dla poprawnoci i dokadnoci otrzymanych wyników niezwykle wane znaczenie ma okrelenie warunków brzegowych tzn. takich, przy których odbywa si kontakt zewntrznych punktów modelu z otoczeniem. W przypadku obcienia cieplnego tulei przyjto warunki brzegowe trzeciego rodzaju. W zbudowanych modelach, warunki brzegowe zwizane z montaem tulei i procesem spalania, zostay zadane na podstawie wczeniej przeprowadzonych oblicze. Szczegóowe wartoci przyjtych warunków brzegowych przedstawiono w [6].

6 3.7. Przykadowe wyniki Obcienie i Zuycie Tulei Cylindrowej w Silniku Spalinowym Rys. 2. Rozkad temperatury wzdu tulei Fig. 2. Distribution of the temperature along liner Rys. 3. Rozkad temperatury wzdu konierza tulei Fig. 3. Distribution of the temperature along flange liner

7 K. Miksiewicz Rys. 4. Rozkad temperatury w górnej czci tulei Fig. 4. Distribution of the temperature in the head liner 4. Model zuycia pary lizgowej tuleja cylindrowa piercie tokowy Przebieg zjawisk na styku piercie tokowy - tuleja cylindrowa, w wikszoci przypadków ma charakter stochastyczny. Aby uproci model, nie wpywajc znacznie na zmniejszenie dokadnoci otrzymanych wyników, mona przyj warto oczekiwan za zdeterminowan. Poniewa celem budowanego modelu jest stworzenie narzdzia sucego do okrelania zuycia, wystpujcego na styku piercienia tokowego i tulei cylindrowej budowany model musi stanowi model dynamiczny, co podyktowane jest akumulacyjnym charakterem zuycia, w odniesieniu do czasu jego trwania. Model matematyczny systemu dynamicznego, charakteryzujcy si wasnociami akumulacyjnymi, stanowi równanie stanu, w postaci ukadu równa róniczkowych rzdu pierwszego: dx() t f[ x( t), m( t)]. dt Dokonujc wnikliwej analizy relacji wystpujcych pomidzy poszczególnymi czynnikami, wpywajcymi na zuycie, mona przedstawi równanie stanu w nastpujcej postaci: dh( x) I( x- x'). dt Powysze równanie okrela chwilowy stopie wzrostu gbokoci zuycia, wzgldem drogi któr pokonuje, w czasie jej trwania. Opisuje zwizek midzy stanem gbokoci zuycia h(x), a wielkoci wejciow, któr stanowi intensywno zuycia I(x - x ) w funkcji przemieszczenia. Cakujc powysze równanie mona otrzyma skumulowan gboko zuycia wywoan przejciem piercienia wzgldem tulei:

8 Obcienie i Zuycie Tulei Cylindrowej w Silniku Spalinowym h( x) Ix ( - x') dt. Natomiast gboko zuycia po okrelonym czasie T mona wyrazi równaniem w nastpujcej postaci: H h( x) i, gdzie: i oznacza ilo suwów uzyskanych w czasie T. Na podstawie bada trwaociowych silnika spalinowego o zaponie samoczynnym opracowano dwa matematyczne modele zuycia piercienia tokowego i tulei cylindrowej Model 1 Okrelenie trwaoci badanego wza, przy wybranych parametrach, mona dokona przy pomocy równa funkcji regresji, rozwizywanych metod linearyzacji. Liniowy ukad opisuje wzór postaci: gdzie: Fx x H F x x F x Fx 0 f 1 x1 f j x1 0, h 1 H, h j 0 0 f1 x1 x i, 0 0 f jx1 xi x1... xi ;... x1... xi 0 0 j 0 0 x1... xi ;... x1... xi f x i, f x i a h 1, h j stanowi warto przyblie oraz x 1, x i to zmienne parametry pracy silnika. Poniewa metoda ta jest iteracyjn, to znajc x r okrelamy x r+1 wg równania: W kadej iteracji naley obliczy x r1 x r H. F i rozwiza ukad liniowy definiujcy H. x 4.2. Model 2 Drugi przykad wywodzi si z matematycznego zapisu systemu dynamicznego o wasnociach dynamicznych, tzn. oparty jest na równaniu róniczkowym rzdu pierwszego w postaci przedstawionej powyej. W tym przypadku, okrelenie zuycia na styku wspópracujcych ze sob elementów, oparte jest na nastpujcym równaniu:

9 H K. Miksiewicz 1 c S n T, 60 gdzie H wyraa gboko zuycia po okrelonym czasie T; S to skok toka; n stanowi prdko obrotow; a c reprezentuje wspóczynnik parametrów wpywajcych na zuycie, wybranych elementów ukadu. Wspóczynnik c obejmuje parametry elementu podlegajcemu pomiarowi p 1n, parametry elementu przeciwpary p 2n i parametry ogólne p n, doprowadzajc równanie do nastpujcej postaci: 1 H p1n p2 60 n p S n T. W celu otrzymania poprawnych rezultatów, przewidywanej gbokoci zuycia, przy wykorzystaniu tego równania, pomidzy parametry ogólne, wprowadzono parametr uwzgldniajcy rodzaj mierzonego elementu rozróniajcy czy pomiarowi podlega piercie tokowy czy te tuleja cylindrowa. 5. Uwagi i wnioski kocowe Modelowanie procesów obcie tulei cylindrowych i zuycia ukadu lizgowego ze zuyciem piercienia tokowego stanowi powan konkurencj dla bada na rzeczywistych obiektach, skracajc czas i obniajc koszt bada. Kluczow rol odgrywaj w tym wzgldzie symulacje komputerowe. Modelowanie zuycia pary piercienia tokowego i tulei cylindrowej, w silniku spalinowym, pociga za sob nastpujce stwierdzenia: 1. Prawidowo zbudowany model stanowi kompromis pomidzy maksymalnie ma liczb zmiennych i parametrów wejciowych, a stosunkowo jak najwiksz dokadnoci. 2. Przebieg zjawisk na styku piercie tokowy tuleja cylindrowa, w wikszoci wypadków, ma charakter stochastyczny. Tym niemniej, nie wpywajc istotnie na dokadno otrzymanych wyników, mona przyj warto oczekiwan za zdeterminowan. 3. Najwikszy wpyw na obcienie tulei cylindrowej maj temperatury wywizywane w komorze spalania podczas pracy silnika. 4. Sposób zadania warunków brzegowych (symetryczny, asymetryczny) ma znaczcy wpyw na poprawno uzyskanych wyników. 5. Model zuycia pary piercie tokowy tuleja cylindrowa, ze wzgldu na dynamiczny i akumulacyjny charakter procesu, powinien by zapisany w postaci ukadu równa róniczkowych rzdu pierwszego (model 2). Tym niemniej, równania funkcji regresji (model 1) daj wyniki bardziej zblione do rzeczywistych. 6. Opracowanie odpowiedniego pakietu oprogramowania wymaga stworzenia odpowiednio duej bazy danych, co z kolei wymaga przeprowadzenia wielu dugotrwaych i kosztownych bada, oraz weryfikacji ich rezultatów, z wynikami otrzymanymi po przeprowadzeniu symulacji komputerowej, co moe znacznie ograniczy ilo niezbdnych bada. Literatura [1] Miksiewicz, K., Algorytm rozwizywania funkcji zuycia pary tuleja cylindrowa piercie tokowy, Instytut Konstrukcji i Eksploatacji Maszyn Politechnika Wrocawska, Wrocaw [2] Miksiewicz, K., Abied, T., Model zuycia ukadu piercie tokowy tuleja cylindrowa w silniku spalinowym IV Midzynarodowa Konferencja Naukowa Computer Aided Engineering, n

10 Obcienie i Zuycie Tulei Cylindrowej w Silniku Spalinowym [3] Miksiewicz, K., Analiza wpywu parametrów pracy silnika spalinowego na zuycie wzów ciernych, Instytut Konstrukcji i Eksploatacji Maszyn Politechnika Wrocawska, Wrocaw [4] Cipollone, R., Unsteady heat transfer in reciprocating I.C.E; Some considerations on thermal fields modelling. Int. Journal of Vehicle Design, Vol. 15, Nos. ½ pp , [5] Eyre, T. S., Dutta K., Davis F., Characterization and simulation of wear occuring in the cylinder bore of the internal combustion engine. Tribol. Intern. 23, 1, 1-17, 1999.