ZESZYTY NAUKOWE NR 5(77) AKADEMII MORSKIEJ W SZCZECINIE. Wyznaczanie granicznej intensywności przedmuchów w czasie rozruchu

Transkrypt

1 ISSN ZESZYTY NAUKOWE NR 5(77) AKADEMII MORSKIEJ W SZCZECINIE OBSŁUGIWANIE MASZYN I URZĄDZEŃ OKRĘTOWYCH OMiUO 2005 Karol Franciszek Abramek Wyznaczanie granicznej intensywności przedmuchów w czasie rozruchu Słowa kluczowe: przedmuchy gazów, skrzynia korbowa, tłokowy silnik spalinowy W referacie przedstawiono wyniki badań granicznej wartości natężenia przedmuchów gazów do skrzyni korbowej tłokowego silnika spalinowego SB-3.1 z zapłonem samoczynnym w fazie rozruchu. Zwrócono uwagę, że wyznaczenie wartości przedmuchów w czasie rozruchu może stanowić cenną informację o stanie układu tłok pierścienie cylinder (TPC). Determination of Limit Intensity of Blows-by During a Start-up Key words: blow-by, crankcase, combustion engine In the abstract the results of studies are presented for limit values of intensity of gas blows-by through the crankcase of a piston combustion engine with spontaneous ignition in the starting phase. Attention is drawn to the fact that determining the blow magnitude during start-up is of a particular value concerning the state of the piston ring cylinder system. 11

2 Karol Franciszek Abramek Wstęp Uruchomienie tłokowego silnika spalinowego często staje się niemożliwe z powodu nieszczelności w grupie tłok pierścienie tłokowe gładź cylindrowa (TPC). Nadmierne straty czynnika roboczego mogą spowodować nieuzyskanie rozruchu lub zbyt długi okres kręcenia rozrusznikiem i intensywniejsze zużycie elementów TPC, co w konsekwencji prowadzi do tego samego. Nadmierna strata ładunku wynikająca ze wzrostu natężenia przedmuchów gazów związanego z nieszczelnością grupy TPC powoduje zmiany w przebiegu procesu spalania, szczególnie w momencie rozruchu. To z kolei wpływa na spadek maksymalnego ciśnienia nad tłokiem i obniżenie temperatury sprężonego ładunku. W konsekwencji nieszczelność grupy TPC może wpłynąć na niemożliwość uzyskania rozruchu. W niniejszej pracy starano się określić maksymalną graniczną intensywność przedmuchów w warunkach letnich (temperatura K), po przekroczeniu której rozruch silnika był niemożliwy. Pomiary przeprowadzono na badawczym jednocylindrowym tłokowym silniku spalinowym SB-3.1 z zapłonem samoczynnym. 1. Obiekt badań i urządzenia pomiarowe Silnik SB-3.1 jest konstrukcją prototypową. To jednocylindrowy, czterosuwowy silnik o zapłonie samoczynnym z bezpośrednim wtryskiem paliwa do otwartej komory spalania w tłoku. Do budowy tego silnika wykorzystano części sześciocylindrowego silnika SW-680 między innymi: tłok z pierścieniami (skok tłoka 146 mm), tuleję cylindrową (średnica cylindra 127 mm), korbowód z panewką, zawory, wtryskiwacz i inne. Głowica silnika SB-3.1 stanowi wycinek jednego cylindra silnika SW-680. W Politechnice Szczecińskiej w Katedrze Eksploatacji Pojazdów Samochodowych znajduje się stanowisko do badań natężenia przedmuchów przedstawione na rysunku 1. Pomiar natężenia przedmuchów polegał na tym, że pod wpływem ciśnienia wytworzonego w skrzyni korbowej podczas pracy silnika gazy przepływały do zbiornika wyrównawczego (8), wypełnionego wiórami stalowymi w celu likwidacji pulsacji i wstępnego oczyszczenia spalin z mgły olejowej, a następnie przechodziły przez filtr (7), gdzie następowało ich dokładne oczyszczenie i trafiały do gazomierza laboratoryjnego (6). Dodatkowe urządzenie, tj. miernik ciśnienia spiętrzenia gazów w skrzyni korbowej (2), służyło do kontroli oporów przepływu gazów, pokazując wartość spiętrzenia ciśnienia w skrzyni korbowej [1]. Mierzono także temperaturę wody w chłodnicy (9), temperaturę (3) i ciśnienie oleju smarującego (4). 12

3 Wyznaczanie granicznej intensywności przedmuchów w czasie rozruchu Rys. 1. Schemat stanowiska badawczego [1]: 1 badany silnik, 2 miernik ciśnienia spiętrzania gazów w skrzyni korbowej, 3 miernik temperatury oleju, 4 miernik ciśnienia oleju, 5 obrotomierz, 6 gazomierz laboratoryjny, 7 filtr, 8 zbiornik wyrównawczy, 9 miernik temperatury wody w chłodnicy Fig. 1. Diagram of the test bed 2. Warunki przeprowadzenia pomiarów Pomiary badań natężenia przedmuchów wykonane były w zakresie temperatur od 283 do 293 K (od 10 do 20ºC). Wyniki pomiarów wykazały niewielki wpływ temperatury otoczenia w tym zakresie na wielkość natężenia przedmuchów gazów do skrzyni korbowej silnika. W zasadzie badania były wykonane dla temperatury 288 K (15 C), niemniej wyniki pomiarów można z powodzeniem (w zakresie błędu pomiaru) stosować w zakresie temperatur od 283 do 293 K. Badany silnik nie był rozgrzewany do normalnej temperatury pracy, ale pomiary wykonywane były na silniku zimnym (temperatura oleju smarującego 288 K). Silnik eksploatowany był na hamowni silnikowej i co pięćdziesiąt godzin pracy wykonywane były pomiary natężenia przedmuchów gazów do skrzyni korbowej. Przedstawiony wynik dla określonego przebiegu jest średnią arytmetyczną z pięciu pomiarów. 13

4 Karol Franciszek Abramek 3. Wyniki badań Wyniki pomiarów natężenia przedmuchów spalin w funkcji liczby godzin przepracowanych na hamowni silnikowej przedstawiono na rysunku 2. Q * 10 5 [m 3 /s] y = 6E 05x 2 + 0,0013x + 7,8571 R 2 = 0, h [godz] Rys. 2. Wykres natężenia przedmuchów w zależności od liczby godzin dla silnika SB-3.1 Fig. 2. Intensity of blows-by versus time for SB-3.1 engine Zauważyć można, że wraz ze wzrostem liczby godzin przepracowanych na hamowni silnikowej (większe zużycie układu TPC, które nie było mierzone) rośnie wartość natężenia przedmuchów gazów do skrzyni korbowej. Wyznaczenie granicznej intensywności przedmuchów wiązało się z określeniem wartości natężenia gazów przenikających do skrzyni korbowej przez nieszczelności układu TPC, przy której silnik nie dawał się już uruchomić. Graniczna intensywność przedmuchów, oznaczona jako Q gr, jest uzależniona od wielu parametrów, tak konstrukcyjnych, jak i eksploatacyjnych. Dla określonej i stałej temperatury (T = const) Q gr jest funkcją w głównej mierze zależną od: gdzie: n prędkość obrotowa podczas rozruchu, ε stopień sprężania, D średnica cylindra, z zużycie w grupie TPC, i liczba cylindrów. Q gr = f (n, ε, D, z, i) (1) 14

5 Wyznaczanie granicznej intensywności przedmuchów w czasie rozruchu Graniczna intensywność przedmuchów w czasie rozruchu dla silnika SB-3.1 w temperaturze otoczenia T = 288 K i prędkości obrotowej wału korbowego równej n = 198 min 1 wynosi: Q gr = 53, [m 3 /s] Określenie granicznej intensywności przedmuchów jest pomocne i niezbędne w ocenie stanu technicznego układu TPC i jego wpływu na możliwość unieruchomienia silnika. Nadmierne luzy w grupie TPC powodują znaczną stratę ładunku w postaci przedmuchów gazów do skrzyni korbowej, a tym samym uniemożliwiają osiągnięcie wymaganej temperatury i otrzymanie odpowiedniego składu mieszanki palnej. To z kolei uniemożliwia uruchomienie silnika. Często eksploatator, pragnąc dowiedzieć się, co jest przyczyną tego stanu rzeczy, musi wykonać szereg czynności diagnostycznych. Natomiast, gdyby posiadał informację o natężeniu przedmuchów spalin do skrzyni korbowej w czasie rozruchu i porównał ją z wartością graniczną, dostałby natychmiastowy wynik i ewentualne wykluczenie niesprawności układu TPC i jego wpływu na taki stan rzeczy. Podsumowanie Wyznaczenie ogólnej empirycznej zależności granicznej intensywności przedmuchów dla różnych typów silników na obecnym etapie badań jest niemożliwe. Przebadano tylko jeden typ silnika z zapłonem samoczynnym w niewielkim zakresie temperatur otoczenia, które nie miały zasadniczego wpływu na wyniki pomiarów. Sama zmiana temperatury otoczenia w szerokim zakresie (od 253 do 293 K) może spowodować znaczne różnice w wyznaczaniu granicznych wartości natężenia przedmuchów. W niskich (ujemnych) temperaturach otoczenia (poniżej 273 K) prędkość obrotowa wału korbowego przy rozruchu jest znacznie niższa niż dla dodatnich wartości temperatury. Zmiana tej prędkości ma także duży wpływ na graniczną wartość przedmuchów. Wyniki badań przedmuchów sporządzono dla silnika zimnego, by móc porównywać i określać stan układu TPC np. dla silnika, który nie daje się uruchomić. W takim przypadku jesteśmy w stanie zmierzyć przedmuchy tylko dla silnika zimnego. Znając graniczną wartość natężenia przedmuchów do skrzyni korbowej możemy jednoznacznie stwierdzić, czy badany stan techniczny (zużycie) grupy TPC jest tak duże, iż silnik z tego powodu nie daje się uruchomić. Wyznaczając graniczną wartość przedmuchów trzeba być świadomym, iż zależy ona także (oprócz określonych czynników konstrukcyjnych) od wielu czynników eksploatacyjnych. Największy wpływ na otrzymywany wynik ma temperatura otoczenia i silnika, prędkość obrotowa wału korbowego i stopień 15

6 Karol Franciszek Abramek zużycia silnika, a przede wszystkim zużycie w grupie TPC. To zużycie w pewnym maksymalnym stopniu daje maksymalną i graniczną wartość przedmuchów w czasie rozruchu, po przekroczeniu której uruchomienie silnika staje się niemożliwe. Niemniej, dla tego maksymalnego zużycia (dla granicznej wartości przedmuchów) zwiększenie temperatury otoczenia lub zwiększenie prędkości obrotowej może spowodować, iż silnik daje się uruchomić. Dlatego graniczną intensywność przedmuchów należy wyznaczać dla różnych temperatur, w których może pracować silnik oraz dla różnych prędkości obrotowych rozruchu (dopuszczalnych zmian przewidzianych przez konstruktora w wyniku zmiany temperatury otoczenia i zmniejszenia pojemności akumulatorów). Literatura 1. Abramek K. F., Liczba pierścieni a zjawisko przedmuchów gazów do skrzyni korbowej, Zeszyty Naukowe Akademii Morskiej w Szczecinie, nr 1(73), 2004, s Abramek K. F., Wykorzystanie pomiarów natężenia przedmuchów gazów podczas rozruchu silnika do oceny stanu technicznego węzła tłok pierścienie cylinder, Materiały Sympozjum: Rozruch Silników Spalinowych, Wydawnictwo Uczelniane Politechniki Szczecińskiej, Szczecin 2000, s Abramek K. F., Mysłowski J., Ocena stanu zużycia układu TPC na podstawie pomiarów przedmuchów dla prędkości rozruchu, Zeszyt Naukowy nr 6: Eksploatacja Silników Spalinowych, Wydawnictwo Katedry Eksploatacji Pojazdów Samochodowych Politechniki Szczecińskiej. Szczecin 2002, s Recenzenci dr hab. inż. Zbigniew Matuszak, prof. AM dr hab. inż. Piotr Bielawski, prof. AM Adres Autora dr inż. Karol Franciszek Abramek Politechnika Szczecińska, Wydział Mechaniczny Katedra Eksploatacji Pojazdów Samochodowych al. Piastów 19, Szczecin karol.abramek@ps.pl Wpłynęło do redakcji w styczniu 2005 r. 16