LEWICKI Wojciech 1 LEWICKI Jan

LEWICKI Wojciech 1 LEWICKI Jan Analiza wpływu zużycia układu tłok-pierścienie cylinder na bilans cieplny silnika typu 359 - studium przypadku rozruch w obniżonych 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. Celem niniejszego artykułu było zaprezentowanie wyników obliczeń bilansów cieplnych 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. 1.2 Obiekt badań Badania przeprowadzono dwukrotnie na silniku z zapłonem samoczynnym typu 359. Silniki te były montowane w samochodach ciężarowych STAR (200, 244, 266) produkowanych w FSC Starachowice. Był to silnik o wtrysku bezpośrednim z komorą spalania w denku tłoka. 1.2.1 Dane techniczne silnika 359: układ cylindrów rzędowy, pionowy liczba cylindrów 6 średnica cylindrów 110 mm skok tłoka 120 mm pojemność skokowa 6,842 dm 3 stopień sprężania 17 kolejność zapłonu 1 5 3 6 2 4, 1 Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecnie, Wydział Ekonomiczny; 71-210 Szczecin; ul. Żołnierska 47. Tel: + 48 91 449 69 00, Fax: + 48 91 449 69 50, Wojciech.Lewicki@zut.edu.pl 6704

moc znamionowa 110 kw przy 46,7 s -1 (150 KM przy 2800 min -1 ) moment obrotowy 440 Nm przy 30-36,87 s -1 (44 kgm przy 1800-2200 min -1 ) obroty biegu jałowego 8,3 s -1 (500 min -1 ) obroty maksymalne 52,5 s -1 (3160 min -1 ) minimalne jednostkowe zużycie paliwa 62 g/mj (165 g/kmh) ciśnienie wtrysku - 22-23 MPa (220-230 kg/cm 2 ) statyczny kąt wyprzedzania wtrysku 0,322 ± 0,017 rad (18,5 ± 1 ) kąt przyspieszenia wtrysku 0,192 rad (11 )1 luz zaworów ssących i wydechowych 0,3 mm Przed badaniem oraz po każdym u 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 0,001 mm. Średnicówkę skalowano za pomocą płytek wzorcowych. Ustalono osiem zakresów pomiarów odległych od górnej krawędzi cylindra: L 1 10 mm - odpowiadał połowie odległości pierwszego pierścienia uszczelniającego od górnej krawędzi w ZG, L 2 20 mm - odpowiadał położeniu pierwszego pierścienia uszczelniającego w ZG, L 3 35 mm - odpowiadał położeniu drugiego pierścienia uszczelniającego w ZG, L 4 40 mm - odpowiadał położeniu trzeciego pierścienia uszczelniającego w ZG, L 5 80 mm - odpowiadał połowie drogi pierwszego pierścienia uszczelniającego między punktami zwrotnymi, L 6 140 mm - odpowiadał położeniu pierwszego pierścienia uszczelniającego w ZK, L 7 235 mm - odpowiadał położeniu drugiego pierścienia uszczelniającego w ZK, L 8 245 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 0,002 mm w pięciu miejscach na obwodzie. Szerokość pierścieni mierzono przy pomocy czujnika z działką do 0,001 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. 6705

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 250 m/s, pionowy znacznik czasu na 0,02 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 ANALIZA PARAMETRÓW TERMODYNAMICZNYCH SILNIKA W NISKICH TEMPERATURACH Złożoność podjętych badań oraz specyfika wymagały podejścia alternatywnego. Dlatego też autorzy w swoich symulacjach, w celu ukazania istotnych zależności, posłużyli się z góry przyjętymi wzorcami zachowań. W celu obliczenia bilansów cieplnych dla silnika typu 359 przy rozruchu w zależności od warunków rozruchu posłużono się stosownym wzorem: L A 1 p dv d d A mechaniczny równoważnik ciepła, równy 10-3,, Nm (1) N p chwilowe absolutne ciśnienie czynnika, 2, m V chwilowa objętość czynnika roboczego w cylindrze, m 3. Δ u zmiana energii wewnętrznej czynnika roboczego w cylindrze: cv u R 1 p dv V d dp d d c v średnie izochoryczne ciepło właściwe powietrza,, kgk (2) R stała gazowa równa 287, kgk Nm, u ilość ciepła odprowadzanego z uciekającym ładunkiem: 6706

c p V dμ u p d (3) R 1 μ d c p średnie izobaryczne ciepło właściwe powietrza,, kgk μ chwilowy współczynnik zachowania ładunku. ść ilość ciepła przejmowanego przez ścianki: 1 p V ść g sg Tść d 2n 1 RG1 μ g współczynnik przejmowania ciepła przez ścianki,, 2 m sk s chwilowa powierzchnia przejmowania ciepła, m 2, G l - masa czynnika roboczego w momencie zamknięcia zaworu ssącego, kg, T ść temperatura ścianki, K, n - prędkość obrotowa wału korbowego, s -1. (4) Całki (1) (4) rozwiązano stosując metody numerycznego całkowania przy wykorzystaniu programu komputerowego. Obliczenia przeprowadzono przy zastosowaniu następujących wzorów na współczynnik przejmowania ciepła: G.Woschni, B. Rau, W. Nusselta, W. Nusselta x 5. Podstawę do obliczeń stanowiły wykresy indykatorowe pomiaru ciśnień zestawione w tabelarycznej postaci, współczynniki zachowania ładunku obliczone z pomiarów przedmuchów, dane konstrukcyjne silnika typu 359 i dane termodynamiczne powietrza. Na rys.1. oraz rys.2 przedstawiono przebiegi poszczególnych całek dla przykładowo wybranej prędkości obrotowej wału korbowego n = 2,500 s -1 i temperatury otoczenia T o = 273 K. W górnej części rysunku umieszczono przebieg współczynnika zachowania ładunku μ. Jak widać z rysunków w zakresie 55 < < 150 OWK przebieg całki absolutnej praktycznie pokrywał się z przyrostem energii wewnętrznej czynnika roboczego w cylindrze. Wynikało to stąd, że w tym zakresie straty wskutek ucieczki ładunku i ciepła przejmowanego przez ścianki są małe. Przy dalszym wzroście kąta obrotu wału korbowego całka pracy absolutnej L była większa niż przyrost energii wewnętrznej czynnika roboczego. Świadczy to, że część dostarczanej energii była tracona wskutek ucieczki ładunku i przejmowania ciepła przez ścianki. Całka pracy absolutnej L osiągała maksymalną wartość w ZG, po czym wartość jej zmniejszała się. Wynika to z tego, że praca rozprężania jest ujemna. Przebieg całki ciepła przejmowanego przez ścianki zależała od przyjętego wzoru na współczynnik przejmowania ciepła. W celu porównania wielkości całek obliczonych według różnych wzorów na współczynnik przejmowania ciepła sporządzono tab.1. 6707

Tab. 1. Zestawienie ilości ciepła odprowadzanego z uciekającym ładunkiem i ciepła przejmowanego przez ścianki Zużycie n s -1 u W R N N x5 b 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 0,000 0,83-0,16-0,05-0,06-0,11-0,55-0,14 2,8 2,3 1,3 1,66-0,11-0,05-0,06-0,07-0,35-0,12 2,4 2,0 1,7 2,50-0,07-0,05-0,06-0,06-0,30-0,10 2,0 1,7 1,7 3,33-0,06-0,05-0,06-0,05-0,25-0,10 2,0 1,7 2,0 4,16-0,06-0,05-0,06-0,05-0,20-0,10 2,0 1,7 2,0 5,00-0,06-0,05-0,06-0,05-0,20-0,10 2,0 1,7 2,0 0,105 0,83-0,19-0,04-0,05-0.08-0,40-0,12 3,0 2,4 1,5 1,66-0,15-0,04-0,05-0,06-0,25-0,11 2,7 2,2 1,8 2,50-0,13-0,04-0,05-0,05-0,25-0,09 2,2 1,8 1,8 3,33-0,11-0,04-0,05-0,04-0,20-0,09 2,2 1,8 2,2 4,16-0,09-0,04-0,05-0,04-0,20-0,09 2,2 1,8 2,2 5,00-0,07-0,04-0,05-0,04-0,20-0,09 2,2 1,8 2,2 b W b R b N n- prędkość obrotowa wału korbowego, s -1, u ciepło odprowadzane z uciekającym ładunkiem,, W według wzoru Woschni,, R według wzoru Rau,, N według wzoru Nusselta,, N x5 według wzoru Nusselta x 5,, b obliczone z bilansu,. 6708

1 - μ chwilowy współczynnik zachowania ładunku. 2 L całka pracy absolutnej zmiany objętości, 3 Δu zmiana energii wewnętrznej czynnika roboczego w cylindrze, 4 u ciepło tracone z uciekającym ładunkiem, 5 - W ciepło przejmowane przez ścianki według wzoru Woschni, 6 - N x5 ciepło przejmowane przez ścianki według wzoru Nusselta x 5 7 - R według wzoru Rau Rys.1. Bilans cieplny dla nowego silnika typu 359 n = 2,50 s -1, T o =273 K 1 - μ współczynnik zachowania ładunku. 2 L całka pracy absolutnej zmiany objętości, 3 Δu zmiana energii wewnętrznej czynnika roboczego w cylindrze, 4 - u ciepło tracone z uciekającym ładunkiem, 5 - W ciepło przejmowane przez ścianki według wzoru Woschni, 6 - N x5 ciepło przejmowane przez ścianki według wzoru Nusselta x 5 7 - R według wzoru Rau Rys. 2. Bilans cieplny dla silnika typu 359 o zużyciu gładzi cylindrowej 0,105 mm, n = 2,50 s -1, T o =273 K WNIOSKI Z analizy danych przedstawionych w tab.1. wynika, że w miarę wzrostu prędkości obrotowej wału korbowego bez względu na zużycie, ilość ciepła przejmowanego przez ścianki obliczona według wzoru Woschni i Rau praktycznie nie zależała od prędkości obrotowej wału korbowego. W przypadku 6709

wzoru Nusselta wraz ze wzrostem prędkości obrotowej ilość ciepła przejmowanego przez ścianki malała. Ilość ciepła przejmowanego przez ścianki przy silniku o zużyciu gładzi 0,105 mm była mniejsza niż przy silniku nowym, bez względu na zastosowany wzór na współczynnik przejmowania ciepła. Wynika to stąd, że niższa była temperatura czynnika roboczego w cylindrze. Wraz ze wzrostem prędkości obrotowej ilość ciepła odprowadzana z uciekającym ładunkiem malała. Wynikało to stąd, że im wyższa prędkość obrotowa, tym mniejsza ucieczka czynnika roboczego. Zwiększenie prędkości obrotowej z 0,833 s -1 do 5,000 s -1 powodowało około trzykrotny spadek ilości odprowadzanego ciepła z uciekającym ładunkiem. W rubryce 8 tab.1. zestawiono ilość ciepła przejmowanego przez ścianki obliczoną z bilansu cieplnego b a w rubrykach 9, 10, 11 stosunek ilości ciepła b / W, b / R, b / N. Z analizy danych wynikało, że ilość ciepła tracona wskutek przejmowania przez ścianki b obliczona z bilansu cieplnego była większa przy niskich prędkościach obrotowych wału korbowego. Przebieg taki wynika z faktu, że im niższa prędkość obrotowa tym dłuższy czas trwania procesu sprężania. W miarę wzrostu prędkości obrotowej ilość ciepła przejmowanego przez ścianki obliczona z bilansu cieplnego b stabilizowała się. Wynika to stąd, że wraz ze wzrostem prędkości obrotowej stabilizowała się temperatura czynnika roboczego w cylindrze. W przypadku silnika o zużyciu 0,105 mm ilość ciepła przejmowanego przez ścianki obliczona z bilansu b była mniejsza niż dla nowego silnika. Wiąże się to z tym, ze wraz ze wzrostem zużycia malała maksymalna temperatura czynnika roboczego w cylindrze. Z analizy rubryk 9, 10, 11 tab. 1. wynika, że dla nowego silnika w zależności od prędkości obrotowej dla wzoru Nusselta przelicznik wahał się w granicach 1,3 do 2,0, dla wzoru Woschni 2,8 do 2,0 dla wzoru Rau 2,3 do 1,7. Zbliżone wartości otrzymano dla silnika o zużyciu gładzi cylindrowej 0,105 mm. Tak wiec proponowany w literaturze przedmiotu przelicznik 5 dla wzoru Nusselta był za wysoki. Obliczenia bilansów cieplnych wykazały, że wpływ temperatury otoczenia w zakresie temperatur 253-293 K jest doświadczalnie nieuchwytny. 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 bilansów cieplnych dla silnika typu 359 przy rozruchu w zależności od warunków rozruchu w oparciu o badania doświadczalne. Analysis of the impact of fuel piston rings--cylinder the balance of heat engine type 359 - case study starting in reduced ambient temperatures Abstract At low temperatures, the essential role played by start-up characteristics of compression ignition engines. So far there is no thermodynamic models that would include starting the process of a diesel engine, especially at reduced temperatures on the thermodynamic parameters of the compression process. This paper is a piece of research in that topic. Its primary purpose is to present the results of research on heat balance for the engine type 359 at start-up, depending on the starting conditions based on experimental studies. BIBLIOGRAFIA 1. Koliński K., Przebieg rozruchu silników o zapłonie samoczynnym w niskiej temperaturze. Auto Technika Motoryzacja nr 4/1991. 6710

2. Koliński K., Pszczółkowski J., Stanowisko do badań właściwości rozruchowych silników o zapłonie samoczynnym. Rozruch silników spalinowych. Materiały Sympozjum KEPS, Politechnika Szczecińska, Szczecin 2000, 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 1988. 4. 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 2000 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 1989. 6. Lewicki J., Zużycie cylindrów silnika o zapłonie samoczynnym typu 359 podczas rozruchu i rozgrzewania w niskich temperaturach otoczenia. Eksploatacja silników spalinowych. Zeszyt nr 10. KEPS, Politechnika Szczecińska, Szczecin 2004. 7. Mysłowski J., Rozruch silników samochodowych z zapłonem samoczynnym. WNT, Warszawa 1996. 8. Tłuszczyński L., Bohuszewicz W., Eksploatacja samochodu w niskich temperaturach. WPT nr 4/1990. 9. Ullrich K., Der Einflus der Ölviskosität auf das Durchdereh moment beim Kaltstarteines Dieselmotors. Kraftfarzegtechnik nr 5/1973. 10. Velickin L. N., Chomienko J. M., Issledovanie vlijanija iznosov detale] dizelja D-50 na ego puskovye kačiestva. Traktory i sielchomašiny nr 8/1966. 6711