Prognozowanie trwałości układu tłok-pierścienie-cylinder silnika o zapłonie samoczynnym z wykorzystaniem modelu uszczelnienia TPC



Podobne dokumenty
MODEL OF COMPRESSION RING TWIST IN THE PISTON GROOVE OF A DIESEL ENGINE

This copy is for personal use only - distribution prohibited.

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

BADANIA SYMULACYJNE SKRĘCEŃ PIERŚCIENI TŁOKOWYCH W ZESPOLE TŁOK-PIERŚCIENIE-CYLINDER

Model eksploatacyjnych zmian szczelności przestrzeni nadtłokowej silnika o zapłonie samoczynnym

A U T O R E F E R A T

Wielokryterialna ocena trwałości silnika spalinowego o ZS

Temat ćwiczenia. Pomiary otworów na przykładzie tulei cylindrowej

TEORETYCZNY MODEL PANEWKI POPRZECZNEGO ŁOśYSKA ŚLIZGOWEGO. CZĘŚĆ 3. WPŁYW ZUśYCIA PANEWKI NA ROZKŁAD CIŚNIENIA I GRUBOŚĆ FILMU OLEJOWEGO

This copy is for personal use only - distribution prohibited.

TRANSCOMP XIV INTERNATIONAL CONFERENCE COMPUTER SYSTEMS AIDED SCIENCE, INDUSTRY AND TRANSPORT

OCENA ZUśYCIA SILNIKA SPALINOWEGO O ZS Z WYKORZYSTANIEM PARAMETRÓW STANU OLEJU SILNIKOWEGO

ZESZYTY NAUKOWE NR 10(82) AKADEMII MORSKIEJ W SZCZECINIE

WPŁYW PRĘDKOŚCI OBROTOWEJ NA WŁAŚCIWOŚCI ROZRUCHOWE SILNIKÓW Z ZAPŁONEM SAMOCZYNNYM. Karol Franciszek Abramek

TEMAT: PARAMETRY PRACY I CHARAKTERYSTYKI SILNIKA TŁOKOWEGO

ZESZYTY NAUKOWE NR 1(73) AKADEMII MORSKIEJ W SZCZECINIE. Liczba pierścieni a zjawisko przedmuchów gazów do skrzyni korbowej

IDENTIFICATION OF NUMERICAL MODEL AND COMPUTER PROGRAM OF SI ENGINE WITH EGR

Kryterium olejowe w ocenie stanu granicznego silnika o ZS analiza moŝliwości wykorzystania

PRÓBA POPRAWY WSKAŹNIKÓW EKONOMICZNYCH SILNIKA TURBODOŁADOWANEGO

Applications of FEM for explanation of influence of the operating parameters upon failure wear of the piston in a diesel engine

Komputerowa analiza ruchu tłoka w jednocylindrowym silniku spalinowym

Temat ćwiczenia. Pomiary płaskości i prostoliniowości powierzchni

Straty mechaniczne tłokowych silników spalinowych

OPTYMALIZACJA MODELU PROCESU WYBIEGU TRZYCYLINDROWEGO SILNIKA WYSOKOPRĘśNEGO Z WTRYSKIEM BEZPOŚREDNIM

ELASTYCZNOŚĆ SILNIKA ANDORIA 4CTI90

ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW 1(92)/2013

ZSM URSUS Sp. z o. o. w Chełmnie

Ocena ekwiwalentnego zużycia rozruchowego tulei cylindrowych silnika o zapłonie samoczynnym

KONCEPCJA WERYFIKACJI DOŚWIADCZALNEJ ZAMODELOWANYCH OBCIĄŻEŃ CIEPLNYCH WYBRANYCH ELEMENTÓW KOMORY SPALANIA DOŁADOWANEGO SILNIKA Z ZAPŁONEM SAMOCZYNNYM

LABORATORIUM SILNIKÓW SPALINOWYCH

ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW 2(88)/2012

PRZEWODNIK PO PRZEDMIOCIE

WYDZIAŁ MECHANICZNY POLITECHNIKI GDAŃSKIEJ KATEDRA SILNIKÓW SPALINOWYCH I SPRĘśAREK

BADANIA OLEJU SILNIKOWEGO JAKO ŹRÓDŁA INFORMACJI O STANIE TECHNICZNYM SILNIKA SPALINOWEGO O ZS

LABORATORIUM SILNIKÓW SPALINOWYCH Materiały pomocnicze

WPŁYW OBRÓBKI TULEI CYLINDROWEJ TURBODOŁADOWANEGO SILNIKA O ZAPŁONIE SAMOCZYNNYM NA EMISJĘ ZWIĄZKÓW SZKODLIWYCH

Wpływ temperatury rozruchu na zużywanie gładzi tulei cylindrowych silników spalinowych o zapłonie samoczynnym

BADANIA ZUŻYCIA ELEMENTÓW UKŁADU WTRYSKOWEGO SILNIKA O ZAPŁONIE SAMOCZYNNYM ZASILANEGO PALIWAMI ROŚLINNYMI

POLITECHNIKA POZNAŃSKA Wydział Maszyn Roboczych i Transportu

Teoria termodynamiczna zmiennych prędkości cząsteczek gazu (uzupełniona).

Przekładnie ślimakowe / Henryk Grzegorz Sabiniak. Warszawa, cop Spis treści

PORÓWNANIE WYKRESU INDYKATOROWEGO I TEORETYCZNEGO - PRZYKŁADOWY TOK OBLICZEŃ

Zapewnienie ciągłości procesu logistycznego w aspekcie eksploatacyjnych zmian zadymienia spalin silnika o ZS

Journal of KONES Internal Combustion Engines 2002 No. 3 4 ISSN

Tomasz P. Olejnik, Michał Głogowski Politechnika Łódzka

Źródła danych: Wyniki pomiarów. Dane technologiczne

Potwierdzenie skuteczności

WPŁYW KĄTA WYPRZEDZENIA WTRYSKU NA JEDNOSTKOWE ZUŻYCIE PALIWA ORAZ NA EMISJĘ SUBSTANCJI TOKSYCZNYCH W SILNIKU ZS ZASILANYM OLEJEM RZEPAKOWYM

PORÓWNANIE WYBRANYCH METOD OCENY STANU TECHNICZNEGO WĘZŁA TŁOK-PIERŚCIENIE-CYLINDER. Karol Franciszek Abramek

ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW 1(87)/2012

Mechanika i Budowa Maszyn Studia pierwszego stopnia

METODA OCENY ZUŻYCIA TRIBOLOGICZNEGO SEKCJI TŁOCZĄCYCH POMP WTRYSKOWYCH SILNIKÓW O ZAPŁONIE SAMOCZYNNYM ZASILANYCH BIOPALIWAMI

Numeryczna symulacja rozpływu płynu w węźle

Technika Samochodowa

SYMULACJA OBLICZENIOWA OPŁYWU I OBCIĄŻEŃ BEZPRZEGUBOWEGO WIRNIKA OGONOWEGO WRAZ Z OCENĄ ICH ODDZIAŁYWANIA NA PRACĘ WIRNIKA

Ćw. 5 BADANIE I OCENA DZIAŁANIA PIERŚCIENI TYPU SIMMERING STOSOWANYCH DO USZCZELNIEŃ WAŁÓW W OBUDOWIE

Temat: Wpływ właściwości paliwa na trwałość wtryskiwaczy silników jachtów motorowych

Laboratorium. Hydrostatyczne Układy Napędowe

CHŁODNICZE AGREGATY SPRĘŻARKOWE typu W92MARS

SILNIKI SPALINOWE RODZAJE, BUDOWA I ZASADA DZIAŁANIA

Wymagania edukacyjne Technologia napraw zespołów i podzespołów mechanicznych pojazdów samochodowych

Doświadczenia w eksploatacji gazomierzy ultradźwiękowych

DIAGNOSTYKA INTENSYWNOŚCI ZUŻYCIA OLEJU SILNIKOWEGO W CZASIE EKSPLOATACJI

ISBN

OCENA PORÓWNAWCZA ZUśYCIA PALIWA SILNIKA CIĄGNIKOWEGO ZASILANEGO BIOPALIWEM RZEPAKOWYM I OLEJEM NAPĘDOWYM

Wykaz ważniejszych oznaczeń i skrótów Wprowadzenie... 13

OBLICZENIA SILNIKA TURBINOWEGO ODRZUTOWEGO (rzeczywistego) PRACA W WARUNKACH STATYCZNYCH. Opracował. Dr inż. Robert Jakubowski

Moment obrotowy i moc silnika a jego obciążenie (4)

This copy is for personal use only - distribution prohibited.

Wpływ temperatury cieczy chłodzącej i oleju na straty tarcia w tłokowym silniku spalinowym

STANOWISKO DO POMIARU ODKSZTAŁCEŃ CIEPLNYCH TŁOKA A STAND FOR MEASURING PISTON THERMAL DEFORMATION

Rok akademicki: 2014/2015 Kod: STC TP-s Punkty ECTS: 3. Kierunek: Technologia Chemiczna Specjalność: Technologia paliw

BADANIE SPRĘŻARKI TŁOKOWEJ.

Obiegi gazowe w maszynach cieplnych

Rok akademicki: 2014/2015 Kod: SEN EW-s Punkty ECTS: 5. Kierunek: Energetyka Specjalność: Energetyka wodorowa

Materiały do laboratorium Przygotowanie Nowego Wyrobu dotyczące metody elementów skończonych (MES) Opracowała: dr inŝ.

Aspekty ekonomiczno- techniczne studium zużycia układu tłokpierścienie-cylinder

OCENA NIEZAWODNOŚCI EKSPLOATACYJNEJ AUTOBUSÓW KOMUNIKACJI MIEJSKIEJ

PL B1. Głowica pomiarowa do badania charakterystyk tribologicznych i szczelności ślizgowych uszczelnień czołowych

Analiza trwałości eksploatacyjnej oleju silnikowego

Laboratorium metrologii

Dla poprawnej oceny stanu technicznego maszyny konieczny jest wybór odpowiednich parametrów jej stanu (symptomów stanu)

LABORATORIUM SILNIKÓW SPALINOWYCH Materiały pomocnicze

ANALIZA ZMIAN SIŁ WYMUSZAJĄCYCH I ICH WPŁYW NA DRGANIA KADŁUBA SILNIKA SPALINOWEGO

ANALIZA ROZKŁADU NAPRĘŻEŃ/ODKSZTAŁCEŃ ZA POMOCĄ MES W SKOJARZENIU ŻELIWO KOMPOZYT W WARUNKACH SMAROWANIA OLEJEM

odolejacz z układem samoczynnego powrotu oleju do sprężarki,

SIMSON S51 JAK NOWY ROK 1984 ZAREJESTROWANY

Mgr inż. Marta DROSIŃSKA Politechnika Gdańska, Wydział Oceanotechniki i Okrętownictwa

POLSKI ZWIĄZEK MOTOROWY Główna Komisja Sportu Kartingowego

OBLICZENIA NUMERYCZNE TRWAŁOŚCI UKŁADU KORBOWO-TŁOKOWEGO SILNIKA SPALINOWEGO

DIAGNOZOWANIE STANU OLEJU NA PODSTAWIE POMIARU CIŚNIENIA W UKŁADZIE SMAROWANIA SILNIKA

PROBLEMY NIEKONWENCJONALNYCH UKŁADÓW ŁOŻYSKOWYCH Łódź, maja 1997 r.

Analiza zużycia paliwa przez silnik śmieciarki w warunkach cyklu pracy mechanizmu prasującego

Dalsze informacje na temat przyporządkowania i obowiązywnania planu konserwacji: patrz Okólnik techniczny (TR) 2167

ANALIZA NUMERYCZNA OBIEGU CIEPLNEGO WIELOŚWIECOWEGO SILNIKA ZI

PTNSS-2009-SS3-C069. Heat transfer between gas and the surrounding walls in the model of gas flow from the combustion chamber to the crankcase

Klasyfikacja systemów rozrządu silników spalinowych. Opracował: Robert Urbanik Zespół Szkół Mechanicznych w Opolu

WPŁYW OLEJU SMARUJĄCEGO I BIOPALIWA NA STAN TECHNICZNY SILNIKA O ZAPŁONIE SAMOCZYNNYM

Wydział Mechaniczny. INSTYTUT EKSPLOATACJI POJAZDÓW I MASZYN tel.

OKREŚLENIE WPŁYWU WYŁĄCZANIA CYLINDRÓW SILNIKA ZI NA ZMIANY SYGNAŁU WIBROAKUSTYCZNEGO SILNIKA

Transkrypt:

Dr inŝ. Grzegorz Koszałka Katedra Silników Spalinowych i Transportu Politechnika Lubelska ul. Nadbystrzycka 36, 20-618 Lublin, Polska e-mail: g.koszalka@pollub.pl Prognozowanie trwałości układu tłok-pierścienie-cylinder silnika o zapłonie samoczynnym z wykorzystaniem modelu uszczelnienia TPC Słowa kluczowe: silnik spalinowy, prognozowanie trwałości, zuŝycie, przedmuchy spalin, tuleja cylindrowa, pierścień tłokowy Streszczenie. W artykule przedstawiono nową metodę prognozowania trwałości tłokowego silnika spalinowego, wykorzystującą wyniki pomiarów zuŝycia elementów układu tłok-pierścieniecylinder oraz komputerową symulację uszczelnienia TPC silnika. W przeciwieństwie do tradycyjnych metod, proponowana metoda nie wymaga wyprzedzającej znajomości zuŝycia granicznego, kluczowego dla dokładności prognozy, a którego wiarygodne określenie dla nowych konstrukcji jest trudne. W prezentowanej metodzie zuŝycie graniczne wyznaczane jest na podstawie analitycznego modelu uszczelnienia TPC. W artykule przedstawiono przykład wykorzystania metody do prognozowania trwałości samochodowego silnika o zapłonie samoczynnym. 1. Wprowadzenie Układ TPC (tłok-pierścienie-cylinder) jest podstawowym układem funkcjonalnym silnika, a jego najwaŝniejszą funkcją jest szczelne, ruchome zamknięcie komory spalania. Ze względu na warunki pracy, elementy układu TPC nie mogą być zbyt dokładnie pasowane i występują między nimi luzy. W związku z tym uszczelnienie to nie jest w pełni szczelne, gdyŝ przez szczeliny pomiędzy cylindrem, tłokiem i pierścieniami moŝe przepływać gaz z komory spalania do skrzyni korbowej oraz olej silnikowy do komory spalania. Na skutek zuŝycia elementów luzy powiększają się, co prowadzi do spadku szczelności. Dobrymi miarami spadku szczelności układu TPC są wzrost przedmuchów spalin do skrzyni korbowej i wzrost zuŝycia oleju silnikowego. Wzrost przedmuchów spalin i zuŝycia oleju jest niekorzystny dla silnika poniewaŝ powoduje: spadek mocy silnika, wzrost zuŝycia paliwa i oleju i w konsekwencji wzrost emisji składników toksycznych ze spalinami, przyspieszone zuŝycie jakościowe oleju silnikowego i zuŝycie elementów, a takŝe obniŝenie zdolności rozruchowych silników z zapłonem samoczynnym [1, 9, 10]. Naprawa zuŝytego zespołu TPC jest czaso- i kosztochłonna i jeśli jest wykonywana to zwykle w ramach remontu kapitalnego. W wielu silnikach, zwłaszcza mniejszych, naprawa taka jest ekonomicznie nieuzasadniona. W związku z tym nadmierne zuŝycie układu TPC zwykle decyduje o trwałości całego silnika lub, w uzasadnionych przypadkach, o konieczności przeprowadzenia remontu kapitalnego. Metody wyprzedzającego określania trwałości układu TPC pozwalają na skrócenie czasu i zmniejszenie kosztów badań. Klasyczne metody prognozowania trwałości polegają na ocenie przebiegu zuŝycia wybranych elementów układu TPC na podstawie skróconych badań, a następnie ekstrapolowaniu tego przebiegu i wyznaczeniu czasu po jakim zuŝycie osiągnie wartość graniczną (rys. 1).

Rys. 1. Zasada prognozowania trwałości Warunkiem uzyskania wiarygodnych wyników w prognozowaniu trwałości jest poprawne wyznaczenie przebiegu zuŝycia oraz znajomość wartości zuŝycia granicznego. Zwykle pierwszy warunek jest spełniony, jeśli warunki pracy silnika w czasie badań nie prowadzą do zuŝycia jakościowo innego, niŝ to występujące w rzeczywistej eksploatacji oraz gdy przebieg zuŝycia wyznacza się na podstawie pomiarów przeprowadzonych na dotartym silniku. Doświadczenia wskazują, Ŝe przebieg zuŝycia po zakończeniu docierania jest liniowy (intensywność zuŝywania w jest stała), zwłaszcza w przypadku tulei cylindrowej [7, 11], a silniki wycofywane są z eksploatacji zanim rozpocznie się okres przyspieszonego zuŝycia elementów. Więcej trudności przysparza ustalenie wartości zuŝycia granicznego, poniewaŝ nie ma liniowej zaleŝności pomiędzy wartością zuŝycia elementów, a spadkiem szczelności układu TPC. W związku z tym graniczne wartości zuŝycia elementów silnika wyznacza się najczęściej metodami statystycznymi, na podstawie pomiarów wykonanych na podobnych obiektach wycofanych z eksploatacji. Opieranie się na takich empirycznych modelach stanu granicznego obarczone moŝe być znacznym błędem, związanym z róŝnym wpływem zuŝycia elementów na działanie uszczelnienia, nawet w podobnych konstrukcjach. Spowodowane jest to złoŝonymi mechanizmami uszczelniającego działania zespołu TPC, w którym nawet niewielkie zmiany konstrukcyjne mogą powodować znaczne zmiany w efektywności jego działania. Ponadto naleŝy pamiętać, Ŝe zwykle stan graniczny ustalany jest w ten sposób na silnikach starszych o co najmniej jedną generację od konstrukcji, dla których prognozuje się trwałość. W prezentowanej pracy przedstawiono nową metodę prognozowania trwałości układu TPC silnika ZS, w której do wyznaczania granicznych wartości zuŝycia elementów tego układu wykorzystuje się analityczny model uszczelnienia pierścieniowego, opisujący związki przyczynowo-skutkowe pomiędzy wielkością poszczególnych luzów, a natęŝeniem przedmuchów spalin. NaleŜy podkreślić, Ŝe modele analityczne uszczelnienia TPC wykorzystywane są juŝ od pewnego czasu przy konstruowaniu zespołu TPC [2, 12, 13, 14, 15] oraz, Ŝe wcześniej potwierdzono przydatność wykorzystanego w niniejszej pracy modelu do oceny eksploatacyjnych zmian szczelności układu TPC [5, 8]. 2. Model uszczelnienia układu TPC W badaniach wykorzystano zintegrowany model przepływu gazu przez szczeliny układu TPC oraz przemieszczeń pierścieni tłokowych w rowkach tłoka. W modelu przepływu gazu, uszczelnienie TPC potraktowano jako uszczelnienie labiryntowe, składające się z szeregu stopni połączonych szczelinami dławiącymi. Stopnie labiryntu utworzone są przez przestrzenie między- i zapierścieniowe, natomiast szczeliny dławiące utworzone są przez luzy w zamkach pierścieni tłokowych oraz szczeliny pomiędzy bocznymi powierzchniami pierścieni i rowków pierścieniowych (rys. 2). Przy wyznaczaniu chwilowych wartości

objętości stopni i przekrojów szczelin (wartości te są wyznaczane w funkcji kąta obrotu wału korbowego) uwzględniono odkształcenia cieplne i zuŝycie elementów. Pola przekroju szczelin pomiędzy bocznymi powierzchniami pierścienia i rowka w największym stopniu zaleŝą od chwilowego połoŝenia pierścienia w rowku. Osiowe połoŝenia pierścieni w rowkach wyznaczane są z uwzględnieniem działających na nie sił: ciśnienia gazu, bezwładności oraz tarcia o cylinder. Ciśnienie i temperatura gazu w poszczególnych stopniach labiryntu wyznaczane są z wykorzystaniem zasad zachowania energii i masy oraz równania stanu gazu. NatęŜenia przepływu gazu przez poszczególne kanały dławiące obliczane są przy załoŝeniu, Ŝe przepływ jest izentropowy, z uwzględnieniem przypadku przepływu podkrytycznego i krytycznego oraz empirycznego współczynnika przepływu. Szczegółowy opis modelu zaprezentowano wcześniej w pracach [3, 5]. Rys. 2. Schemat uszczelnienia pierścieniowego i odpowiadający mu model uszczelnienia labiryntowego (p i, T i ciśnienia i temperatury gazu w i-tym stopniu uszczelnienia, m i,j strumień masy przepływającej z przestrzeni i do przestrzeni j, x I, x II, x III połoŝenia osiowe pierścieni, odpowiednio pierwszego, drugiego i trzeciego) [5] W wyniku przeprowadzonych obliczeń z wykorzystaniem aplikacji numerycznej modelu otrzymuje się m.in. przebiegi ciśnień w poszczególnych stopniach labiryntu, przemieszczenia pierścieni w rowkach i chwilowe natęŝenia przepływu gazu przez poszczególne szczeliny w funkcji kąta obrotu wału korbowego (rys. 3). Po scałkowaniu chwilowych natęŝeń przepływu przez szczelinę zamka pierścienia olejowego oraz szczelinę pomiędzy tym pierścieniem a półką rowka (m 5-7 i m 5-6 na rys. 2 i 3) otrzymuje się natęŝenie przedmuchów spalin do skrzyni korbowej.

Pressure [MPa] 2 1.6 1.2 0.8 0.4 p 1 p 2 p 3 p 4 p 5 Flow rate [g/s] Ring position [mm] 0 0.08 0.06 0.04 0.02 0 2 1.6 1.2 0.8 0.4 0-0.4 m 1-3 m 3-5 m 5-7 m 5-6 x I x II x III 0 180 360 540 720 Crank angle Rys. 3. Ciśnienia w przestrzeniach między- i zapierścienowych, osiowe przemieszczenia pierścieni w rowkach tłoka oraz natęŝenia przepływu gazu przez zamki pierścieni i szczelinę pomiędzy boczną powierzchnią pierścienia olejowego i rowka w funkcji kąta obrotu wału korbowego wyznaczone z wykorzystaniem modelu uszczelnienia TPC Dane wejściowe niezbędne do wykonania obliczeń z wykorzystaniem numerycznej aplikacji modelu obejmują m.in.: wymiary elementów silnika oraz przebieg ciśnienia w komorze roboczej silnika w funkcji kąta obrotu wału korbowego. Wymiary elementów ustala się na podstawie dokumentacji technicznej lub bezpośrednich pomiarów. W przypadku wymiarów kluczowych dla wyników obliczeń, tj. tych, które decydują o przekrojach szczelin i objętościach stopni labiryntu, wartości wprowadzane do programu obliczeniowego powinny uwzględniać odkształcenia cieplne elementów. Odkształcenia cieplne oblicza się, dla danych warunków pracy silnika, metodą MES. Wyznaczone w ten sposób odkształcenia dodaje się do wymiarów wynikających z dokumentacji lub wyznaczonych na podstawie pomiaru zimnych elementów [4]. Najkorzystniej jest, jeśli wykorzystany w obliczeniach przebieg ciśnienia w komorze spalania wyznaczono na podstawie pomiarów wykonanych na rzeczywistym silniku. We wprowadzanych do obliczeń wymiarach geometrycznych moŝna uwzględnić zuŝycie poszczególnych elementów układu TPC, w sposób analogiczny jak uwzględnia się odkształcenia cieplne. Dzięki temu moŝna oceniać jak przyrost zuŝycia wpływa na szczelność układu TPC. MoŜliwość wykorzystania prezentowanego modelu do oceny wpływu zuŝycia na przedmuchy została wcześniej potwierdzona poprzez porównanie wyników uzyskanych w obliczeniach numerycznych z przedmuchami zmierzonymi na rzeczywistych silnikach [5, 6, 8].

3. Metoda prognozowania trwałości Według proponowanej metody, aby ocenić trwałość układu TPC naleŝy najpierw dotrzeć silnik. Czas pracy silnika w tym okresie (t 0 na rys. 4) powinien być taki, aby mieć pewność, Ŝe nieustabilizowane procesy tribologiczne związane z docieraniem zostały zakończone. Zasadniczą część badań eksperymentalnych rozpoczyna się od oceny szczelności początkowej układu TPC, poprzez pomiar natęŝenia przedmuchów spalin B 1, oraz wyznaczenia zuŝycia początkowego silnika W 1. Oceny zuŝycia dokonuje się poprzez pomiary elementów układu TPC, po wcześniejszym demontaŝu silnika. W następnej kolejności silnik powinien pracować przez okres t umoŝliwiający ocenę intensywności zuŝywania jego elementów, przy czym im czas ten jest dłuŝszy tym dokładniejsze moŝna uzyskać wyniki. Silnik w tym okresie moŝe pracować zarówno w samochodzie jak i na stanowisku badawczym. Warunki pracy nie powinny szczególnie mocno odbiegać od przewidywanych w jego normalnej eksploatacji. Po zakończeniu tego etapu badań naleŝy powtórnie dokonać pomiarów natęŝenia przedmuchów spalin B 2 oraz pomiarów zuŝycia silnika W 2, w analogiczny sposób jak przy ustalaniu natęŝenia przedmuchów i zuŝycia początkowego B 1 i W 1. W oparciu o wyniki pomiarów zuŝycia początkowego W 1 i po zakończeniu badań W 2 naleŝy wyznaczyć intensywności zuŝywania elementów w według następującej zaleŝności: W2 W = (1) t w 1 Drugi obszar prac przy ocenie trwałości proponowaną metodą związany jest z badaniami modelu uszczelnienia TPC. W tym obszarze najpierw naleŝy ustalić wszystkie dane wejściowe niezbędne do prowadzenia obliczeń, w tym wykorzystując wyniki wykonanych wcześniej pomiarów zuŝycia elementów układu TPC. Następnie naleŝy przeprowadzić obliczenia szczelności dla danych wejściowych odpowiadających początkowemu zuŝyciu silnika W 1 oraz dla danych wejściowych odpowiadających zuŝyciu końcowemu po wykonaniu badań trwałościowych silnika W 2. Porównanie obliczonego i rzeczywistego wzrostu natęŝenia przedmuchów spowodowanego zuŝyciem pozwala ocenić poprawność modelu. W przypadku zgodności wyników obliczeń symulacyjnych z wynikami pomiarów naleŝy kontynuować obliczenia symulacyjne dla większych wartości zuŝycia układu TPC, przy czym naleŝy przyjąć, Ŝe intensywności zuŝywania poszczególnych elementów są takie, jak wyznaczone w badaniach eksperymentalnych. Celem tych obliczeń jest znalezienie takiej wartości zuŝycia W lim dla której wzrost natęŝenia przedmuchów osiągnie załoŝoną wartość graniczną B lim. Wyznaczona w ten sposób wartość zuŝycia W lim jest zuŝyciem granicznym. Graniczny wzrost natęŝenia przedmuchów spalin wyznacza się biorąc pod uwagę negatywne skutki przedmuchów dla pracy silnika oraz wcześniejsze doświadczenia z badań trwałościowych silnika. Prognozowana trwałość silnika t lim, przy znanej intensywności zuŝywania w oraz granicznej wartości zuŝycia W lim wynosi: Wlim W1 t lim = + t0 (2) w Schemat prognozowania trwałości silnika na podstawie pomiarów natęŝenia przedmuchów spalin i zuŝycia elementów układu TPC przedstawiono na rys. 4.

Rys. 4. Metoda prognozowania trwałości 4. Przykład obliczeniowy 4.1. Wyznaczenie przebiegu zuŝycia Obiektem badań był sześciocylindrowy silnik o zapłonie samoczynnym o objętości skokowej 6,8 dm 3 i mocy znamionowej 110 kw uzyskiwanej przy prędkości obrotowej 2800 obr/min. Silnik posiadał mokre tuleje cylindrowe wykonane z Ŝeliwa o nominalnej średnicy wewnętrznej 110 mm. Skok tłoka wynosił 120 mm. W celu uniknięcia błędów związanych z odchyleniami pojedynczego egzemplarza od średniej w populacji, badania przeprowadzono na 5 silnikach zamontowanych w średniej wielkości samochodach cięŝarowych o dopuszczalnej masie całkowitej 12 Mg. Wszystkie samochody naleŝały do jednej firmy transportowej i eksploatowane były w podobnych warunkach, ze średnim przebiegiem 10000 km na miesiąc. Wszystkie silniki smarowane były tym samym olejem silnikowym klasy CE/SF SAE 15W-40. Pomiarów szczelności i zuŝycia układu TPC dokonano, gdy samochody uzyskały przebiegi 50000 km. Przebieg ten gwarantował, Ŝe silniki były w pełni dotarte. NatęŜenie przedmuchów spalin zmierzono podczas pracy silnika na biegu jałowym. Następnie silnik częściowo zdemontowano w celu wykonania pomiarów zuŝycia jego elementów. Pomiary średnic cylindrów wykonywano metodą mikrometryczną po zdjęciu głowic cylindrowych za pomocą dwupunktowej średnicówki Carl Zeiss o najmniejszej działce 0,002 mm. Średnice cylindrów mierzono w dwóch kierunkach: równoległym (A-A) i prostopadłym (B-B) do osi głównej silnika, na czterech wysokościach: 20 mm (górne zwrotne połoŝenie GMP pierwszego pierścienia uszczelniającego), 35 (GMP drugiego pierścienia uszczelniającego), 50 i 95 mm od płaszczyzny głowicy. Następnie silniki, po montaŝu, były uŝytkowania, w warunkach jak przed demontaŝem. Po uzyskaniu przez samochody przebiegów eksploatacyjnych 150000 km ponownie dokonano pomiarów natęŝenia przedmuchów spalin i zuŝycia silnika, w taki sam sposób jak przy przebiegu 50000 km. Na podstawie wyników pomiarów wyznaczono wartości średnie zuŝycia elementów układu TPC dla wszystkich 5 badanych pojazdów. PoniewaŜ model uszczelnienia nie pozwala uwzględnić odchyłek okrągłości elementów układu TPC, uśredniono wyniki pomiarów wykonanych w kierunkach: równoległym AA i prostopadłym BB do osi silnika. Wyniki przedstawiono na rys. 5a. Następnie ekstrapolowano przebiegi zuŝycia zakładając, Ŝe są one liniowe (stałe intensywności zuŝycia, rys. 5b).

a) b) Distance from head [mm] 0 20 40 60 80 100 50000 km 150000 km 620000 km measured predicted 0 20 40 60 80 100 120 140 Diameter of liner (deviation in micrometers over nominal 110 mm) Diameter of liner over 110 mm [µm] 140 120 100 80 60 40 20 Distance from head 20 mm 35 mm 50 mm 95 mm 0 200000 400000 600000 Kilometrage [km] Rys. 5. Średnice tulei cylindrowych na róŝnych wysokościach wyznaczone doświadczalnie (a), zakładane przebiegi zuŝycia tulei cylindrowych na róŝnych wysokościach (b) oraz przewidywany stan graniczny tulei cylindrowej średnice tulei przy przebiegu 620 tys. km wyznaczony w sposób opisany w p. 4.2 (a) 4.2. Wyznaczenie stanu granicznego i trwałości silnika Ustalono dane wejściowe do obliczeń z wykorzystaniem modelu szczelności TPC. Dane geometryczne ustalono na podstawie dokumentacji technicznej oraz przeprowadzonych pomiarów. Odkształcenia cieplne wyznaczono metodami MES i dodano je do wymiarów ustalonych dla zimnego silnika. Pomiary ciśnienia indykowanego przeprowadzono na hamowni silnikowej. Przeprowadzono obliczenia dla wymiarów elementów odpowiadających przebiegowi 50000 km, a następnie przebiegowi 150000 km. Dane wejściowe do obliczeń przy róŝnych przebiegach róŝniły się tylko wymiarami elementów, które uległy zmianie na skutek zuŝycia. Uwzględniono zuŝycie tulei cylindrowej (rys. 5a), czołowej powierzchni pierścieni oraz bocznych powierzchni pierścieni i rowków tłoka. Wyznaczona w obliczeniach numerycznych wartość przedmuchów przy 150000 km była o 22% większa niŝ przy 50000 km. PoniewaŜ symulowana zmiana przedmuchów odpowiadała rzeczywistej, kontynuowano obliczenia numeryczne dla większych przebiegów. Wartości zuŝycia (wymiary elementów) poszczególnych elementów dla większych przebiegów ustalano z wyznaczonych wcześniej przebiegów zuŝycia (przykład dla tulei na rys. 5). Obliczenia takie prowadzono poszukując przebiegu, przy którym przedmuchy osiągną wartość graniczną. PoniewaŜ badany silnik nie był jednostką nową i istniały juŝ egzemplarze wycofane z eksploatacji, ustalono wartości przedmuchów w wycofanych silnikach. Były one ok. 2,5 razy większe niŝ wartości uzyskane w badanych silnikach przy przebiegu 50000 km. Stąd taki wzrost przedmuchów uznano za graniczny. W symulacjach numerycznych 2,5 krotny wzrost natęŝenia przedmuchów uzyskano dla zuŝycia przewidywanego po 620000 km. Przebieg ten jest prognozowaną trwałością wg proponowanej metody. Przewidywany profil zuŝycia tulei dla tego przebiegu, będący jednocześnie przewidywanym zuŝyciem granicznym, przedstawiono na rys. 5a. Rzeczywiste przebiegi uzyskiwane przez silniki badanego typu wynosiły od 500 do 800 tys. km. 5. Podsumowanie Zaproponowana metoda oceny trwałości opiera się na wyznaczonych eksperymentalnie intensywnościach zuŝycia elementów układu TPC oraz na wynikach numerycznych badań analitycznego modelu uszczelnienia TPC. Intensywności zuŝywania wyznaczone mogą być na podstawie wyników pomiarów zuŝycia elementów silnika uzyskanych zarówno w badaniach stanowiskowych jak i drogowych. Zaletą proponowanej

metody jest brak konieczności znajomości wartości zuŝycia granicznego. W tradycyjnych metodach prognozowania trwałości, przyjęta wartość zuŝycia granicznego decyduje o poprawności uzyskanych wyników. Niestety jej wiarygodne określenie dla nowokonstruowanych silników jest trudne. Natomiast opisana w niniejszym artykule nowa metoda nie wymaga wcześniejszej znajomości zuŝycia granicznego, poniewaŝ wartość tego zuŝycia wyznaczona zostaje na podstawie badań analitycznego modelu uszczelnienia. Wymaga to jednak znajomości dopuszczalnego spadku szczelności układu TPC. Dopuszczalny spadek szczelności przyjęty moŝe być na podstawie załoŝonego dopuszczalnego spadku efektywności działania i ekologiczności silnika. Prognoza trwałości wykonana z wykorzystaniem zaproponowanej metody dla samochodowego silnika o zapłonie samoczynnym została zweryfikowana. Dodatkową zaletą modelu analitycznego jest moŝliwość bezpośredniego wykorzystania go w pracach nad doskonaleniem konstrukcji układu TPC. Literatura 1. Andersson P, Tamminen J, Sandstrom C-E. Piston ring tribology. A literature survey. VTT Tiedotteita - Research Notes 2178, Espoo (Finland), 2002. 2. Keribar R, Dursunkaya Z, Flemming M F. An Integrated Model of Ring Pack Performance. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power 1991; 113: 382-389. 3. Koszałka G. Modelling the blowby in internal combustion engine, Part 1: A mathematical model. The Archive of Mechanical Engineering 2004; 2(LI): 245-257. 4. Koszałka G. Modelling the blowby in internal combustion engine, Part 2: Primary calculations and verification of the model. The Archive of Mechanical Engineering 2004; 4(LI): 595-607. 5. Koszałka G. Application of the piston-rings-cylinder kit model in the evaluation of operational changes in blowby flow rate. Eksploatacja i Niezawodnosc Maintenance and Reliability 2010, 4(48): 72-81. 6. Koszałka G, Niewczas A. The Influence of Compression Ring Clearances on the Blowby in a Diesel Engine. SAE Paper 2006-01-3356, 2006. 7. Koszałka G, Niewczas A. Wear profile of the cylinder liner in a motor truck diesel engine. Journal of KONES Powertrain and Transport 2007; 4(14); 183-190. 8. Koszałka G, Niewczas A, Guzik M. Predicted and Actual Effect of Cylinder Liner Wear on the Blowby in a Truck Diesel Engine. SAE Paper 2008-01-1717, 2008. 9. Merkisz J, Tomaszewski F, Ignatow O. Trwałość i diagnostyka węzła tłokowego silników spalinowych wybrane zagadnienia. Poznań: Wyd. Politechniki Poznańskiej, 1995. 10. Niewczas A. Trwałość zespołu tłok-pierścienie tłokowe-cylinder silnika spalinowego. Warszawa: WNT, 1998. 11. Niewczas A, Koszałka G, Droździe P. Stochastic model of truck engine wear with regard to discontinuity of operation. Eksploatacja i Niezawodnosc Maintenance and Reliability 2006; 2(30): 52-55. 12. Tian T. Dynamic behaviours of piston rings and their practical impact. Part 1: ring flutter and ring collapse and their effects on gas flow and oil transport. Journal of Engineering Tribology 2005; 4(216): 209-227. 13. Tian T, Noordzij L B, Wong V W, Heywood J B. Modeling Piston-Ring Dynamics, Blowby and Ring-Twist Effects. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power 1998; 120: 843-854.

14. Wolff A. Numerical analysis of piston ring pack operation. Combustion Engines Silniki Spalinowe 2009; 2(137): 128-141. 15. Wolff A. Experimental verification of the model of piston ring pack operation of an internal combustion engine. The Archive of Mechanical Engineering 2009; 1(LVI): 73-90.