Journal of KES Internal Combustion Engines 22 No. 3 4 ISSN 1231 45 DURABILITY ESTIMATI OF ELEMENTS OF PIST - CRANK-CI ENGINE SYSTEM SUPPLIED MOSTLY WITH LPG Sławomir Luft Politechnika Radomska, Al. Chrobrego 45, 26-6 Radom tel. 48 3617663, fax. 48 3617644 Stanisław Kozioł Instytut Technologii Eksploatacji, ul. Pułaskiego 6/1, 26-6 Radom Tel. 48 3644241 w. 29, e-mail: Stanislaw.Koziol@itee.radom.pl Abstract Researches were conducted on the experimental stand built on the basis of the 1HC12 one-cylinder- engine of the direct-injection. The fuel consumption, air consumption, the compression pressure, wear and the pressure of the engine motor oil, blow-through of combustion gases to the crank case and periodically the course of the pressure in combustion chamber have been measured during 8 hours of durability tests for every manner of the power supply. Estimation wear of cylinder liners, gas-rings and pistons were performed on the basis of measurement micrometric and balance. The considerably greater wear set the piston - rings - the cylinder liner in the power supply was twofuel observed. Besides during the test with LPG damage wears of pistons were appeared. OCENA TRWAŁOŚCI ELEMENTÓW UKŁADU TŁOKOWO KORBOWEGO SILNIKA O ZS ZASILANEGO GŁÓWNIE LPG Streszczenie W zakładzie Silników Spalinowych i Pojazdów Politechniki Radomskiej wykonano porównawczy test trwałościowy silnika o ZS zasilanego klasycznie olejem napędowym oraz dwupaliwowo gazem LPG jako paliwem głównym wykorzystując do zapłonu niewielką dawkę oleju napędowego. Badania przeprowadzono na eksperymentalnym stanowisku zbudowanym na bazie jednocylindrowego silnika o wtrysku bezpośrednim 1HC12. Podczas 8 godzinnych prób trwałościowych dla każdego sposobu zasilania mierzono zużycie paliwa, zużycie powietrza, ciśnienie sprężania, zużycie i ciśnienie oleju silnikowego, przedmuchy spalin do skrzyni korbowej i okresowo przebieg ciśnienia w komorze spalania. Na podstawie pomiarów mikrometrycznych i wagowych dokonano oceny zużycia tulei cylindrowych, pierścieni tłokowych i tłoków. W wyniku eksperymentu stwierdzono znacznie większe zużycie zespołu tłok pierścienie tuleja cylindrowa w przypadku zasilania dwupaliwowego. Ponadto podczas testu z LPG wystąpiły awaryjne zużycia tłoków wyłamanie półek pierścieni uszczelniających oraz ubytek materiału tłoka na krawędzi komory spalania. Podjęto dalsze prace badawcze zmierzające do identyfikacji zjawisk decydujących o zmniejszonej trwałości silnika zasilanego dwupaliwowo. 1. WPROWADZENIE W ciągu ostatnich kilkunastu lat obserwuje się znaczny wzrost zainteresowania użytkowników pojazdów mechanicznych zasilaniem paliwami gazowymi, a szczególnie mieszaniną propanu i butanu LPG. Paliwo to jest powszechnie używane w pojazdach z silnikami o ZI. Sprzyja temu polityka podatkowa wielu państw, między innymi i Polski poprzez utrzymywanie znacznej różnicy cen paliw na korzyść LPG. Zastosowanie paliw gazowych w silnikach spalinowych wiąże się nie tylko z efektami ekonomicznymi, ale przede wszystkim ze zmniejszeniem zadymienia spalin i obniżeniem emisji ich toksycznych składników. 153
W ostatnich latach podjęto szereg badań nad wykorzystaniem ubogich, homogenicznych mieszanek paliw gazowych z powietrzem do zasilania silników o ZS. Mieszanka taka charakteryzuje się małą liczbę cetanową i po sprężeniu podczas ruchu tłoka w kierunku GMP, do wywołania samozapłonu wymaga dodatkowej dawki oleju napędowego, wtryskiwanego do komory spalania. W przypadku silników o ZS mieszanie paliwa gazowego z powietrzem odbywa się w układzie dolotowym. Jednym z rozwiązań jest wtryskiwanie ciekłego gazu do kanału dolotowego w odpowiedniej odległości od zaworu dolotowego [1]. W Zakładzie Silników Spalinowych i Pojazdów prowadzone są prace nad zastosowaniem do tego celu układu zasilania płynnym gazem stosowanego powszechnie do zasilania silników o ZI [2, 3]. Największymi zaletami takiego rozwiązania są jego dostępność, prosta budowa i obsługa oraz przystępna cena. Rys. 1. Schemat układu dwupaliwowego zasilania silnika o ZS przystosowanego do spalania paliwa gazowego LPG. Na rys. 1 przedstawiono schemat instalacji dwupaliwowego zasilania silnika o ZS zastosowanej w eksperymentalnym stanowisku autorów, a w tabeli 1 parametry badanego silnika. Skroplona mieszanina gazów propan-butan znajduje się pod naturalnym ciśnieniem ok. 1 MPa w zbiorniku oznaczonym LPG. Poprzez zawór odcinający dopływa do reduktora - odparowywacza ogrzewanego cieczą chłodzącą silnik, w którym następuje jej odparowanie i obniżenie ciśnienia. Tak przygotowane paliwo gazowe dopływa do mieszalnika umieszczonego w kanale dolotowym. Zawór dławiący umieszczony przed mieszalnikiem służy do regulacji wydatku gazu. W mieszalniku tworzy się uboga mieszanka paliwowo powietrzna zasysana przez silnik. Olej napędowy dostarczany jest do komory spalania przez klasyczny układ wtryskowy. Jego dawka jest Producent Parametry silnika 1HC12 Tabela 1. WSW ANDORIA Andrychów Liczba cylindrów 1 Pojemność skokowa 98 cm 3 Średnica cylindra Skok tłoka 12 mm 12 mm Stopień sprężania 17 System tworzenia mieszanki Maksymalny moment obrotowy Wtrysk bezpośredni do komory spalania 55 Nm przy 15 obr/min Moc znamionowa 11 kw przy 22 obr/min 154
zmniejszona do wartości wystarczającej do wywołania samozapłonu sprężonej mieszanki gazowo powietrznej. Na tak wyposażonym silniku wykonano szereg badań [2, 3, 4] mających na celu: dobór wartości dawki oleju napędowego inicjującej zapłon mieszanki gazowo powietrznej, dobór kąta początku wtrysku dawki, określenie wpływu sposobu zasilania i regulacji silnika na jego sprawność ogólną i osiągi, określenie wpływu sposobu zasilania i regulacji na wartości i położenie w stosunku do GMP maksymalnych ciśnień w komorze spalania, szybkości narastania ciśnienia (Δp/Δα) śr, (dp/dα) max i zwłokę samozapłonu. W wyniku przeprowadzonych badań stwierdzono że: proces spalania w silniku zasilanym dwupaliwowo charakteryzuje się większymi wartościami średnich i maksymalnych szybkości narastania ciśnienia oraz ciśnień maksymalnych w komorze spalania (rysunek 2) [?], przy zasilaniu dwupaliwowym zwiększa się opóźnienie samozapłonu, silnik zasilany dwupaliwowo charakteryzuje się większymi wartościami sprawności ogólnej oraz obniżoną emisją CO i mniejszym zadymieniem spalin, a zwiększoną emisją NO x w zakresie wysokich obciążeń. 11 P max [MPa] 1 9 8 α i = 3 o OWK przed GMP + LPG α i = 3 o OWK przed GMP + LPG α i = 2 o OWK przed GMP 2 1 (dp/dα) max [MPa/ OWK].8.6 α i = 3 o OWK przed GMP + LPG α i = 3 o OWK przed GMP + LPG α i = 2 o OWK przed GMP 2 1 1 7 6 3.4 3.2 5 4 1 2 3 4 5 6 M o [Nm] 1 2 3 4 5 6 M o [Nm] Rys. 2. Zależność maksymalnego ciśnienia w cylindrze p max i maksymalnej szybkości narastania ciśnienia (dp/dα) max od obciążenia silnika: 1 silnik zasilany standardowo, 2 silnik zasilany dwupaliwowo z fabryczną regulacją kąta wtrysku, 3 silnik zasilany dwupaliwowo z opóźnionym wtryskiem dawki pilotującej oleju napędowego. 2. BADANIA TRWAŁOŚCIOWE Przyjęto założenie, że modernizacja silnika w celu uzyskania zasilania dwupaliwowego z wykorzystaniem LPG polega jedynie na zabudowaniu dodatkowego układu zasilania, bez zmian konstrukcyjnych podstawowych zespołów silnika. W celu zbadania wpływu sposobu zasilania silnika o ZS na jego trwałość przeprowadzono dwa testy badawcze po 8 godzin pracy przy zasilaniu klasycznym i dwupaliwowym. Ich przebieg ilustruje rysunek 3. 155
POMIARY SILNIKA MIKROMETRAŻ, MASA o N=18 obr/min M=4 Nm N=7,54 kw α i =3 OWK przed GMP LPG+ TŁOK 1 POMIAR TŁOK 3 N=18 obr/min M=4 Nm N=7,54 kw o α i =3 OWK przed GMP TŁOK 2 POMIAR o α i =2 OWK przed GMP POMIARY SILNIKA MIKROMETRAŻ, MASA 1 2 3 4 44 5 6 7 8 Rys. 3. Przebieg porównawczego testu trwałościowego silnika zasilanego standardowo i dwupaliwowo. Podczas obu prób trwałościowych silnik pracował ze stałym obciążeniem 4 Nm przy stałej prędkości obrotowej wału korbowego równej 18 obr/min. Przed przystąpieniem do prób dokonano pomiarów mikrometrycznych tulei cylindrowej, tłoka i pierścieni tłokowych, sworznia tłokowego, panewek korbowodu, czopów wału korbowego i panewek głównych. Pomiary te powtórzono po wykonaniu testów trwałościowych silnika, obliczono zużycie i dokonano porównania jego wartości. Większość pomiarów wykonano na współrzędnościowej maszynie pomiarowej z dokładnością 2µm. Podczas testu silnika dwupaliwowego po 2 i po 44 godzinach pracy uległy uszkodzeniu tłoki. Uszkodzenie polegało na wyłamaniu półek pierścieni uszczelniających co zostało ocenione jako objaw spalania stukowego i w celu zabezpieczenia silnika przed podobnymi awariami opóźniono wtrysk dawki oleju napędowego do 2 przed GMP. W trakcie prób trwałościowych co 1 godzin pobierano próbkę około 1 ml oleju silnikowego do prowadzenia bieżącej analizy koncentracji produktów zużycia. Co 1 godzin mierzono jednostkowe zużycie paliwa, zużycie powietrza, ciśnienie i zużycie oleju silnikowego, przedmuchy spalin do skrzyni korbowej, temperaturę kolektora wylotowego, przebiegi ciśnienia sprężania i przebiegi ciśnienia spalania w cylindrze. 3. WYNIKI BADAŃ Rysunek 4 przedstawia wyniki pomiarów mikrometrycznych wewnętrznej średnicy tulei cylindrowej na pięciu wyższych (z ośmiu) poziomów pomiarowych. Widoczna jest na nich wyraźna różnica w zużyciu między silnikiem zasilaniem klasycznie i dwupaliwowo. Poziom najwyższy D1 położony w odległości 2 mm od górnej krawędzi tulei odpowiada najwyższemu położeniu (GMP) pierwszego pierścienia uszczelniającego, poziom D5 położony w odległości 12 mm od górnej krawędzi odpowiada najniższemu położeniu górnej krawędzi tłoka (DMP). Na każdym poziomie dokonano pomiarów w czterech płaszczyznach obróconych względem siebie o 45, przy czym płaszczyzna A-A jest prostopadła do osi obrotu wału korbowego. 156
LPG+ PRZED PRÓBĄ PO PRÓBIE PRZED PRÓBĄ PO 44 GODZINACH PO PRÓBIE Rys. 4. Wyniki pomiarów zużycia wewnętrznej powierzchni tulei cylindrowej. Na wykresach dotyczących testu dwupaliwowego widoczne są dwa etapy zużycia: kolorem jaśniejszym od początku testu do 44 godzin, a ciemniejszym od 44 do 8 godzin. Z dokonanych pomiarów wynika, że średnica wewnętrzna tulei cylindrowej wzrosła wskutek zużycia o 5 do 2 µm w silniku zasilanym standardowo i o 37 do 17 µm w silniku zasilanym dwupaliwowo. Na niższych poziomach pomiarowych wartości zużycia i różnice między nimi są znacznie mniejsze. Zużycie tłoków zmierzone za pomocą maszyny pomiarowej było niewielkie nie przekraczało 2 μm na żadnej ze średnic, ponadto w teście silnika zasilanego klasycznie wykorzystano jeden tłok, a zasilanego dwupaliwowo trzy. Tak wiec wyników tych pomiarów nie da się porównać. Na rysunku 5 przedstawiono uszkodzenia tłoków pracujących w silniku dwupaliwowym wyłamanie półek pierścieni uszczelniających i ubytek materiału na krawędzi komory spalania. Rys. 4. Uszkodzenia tłoków silnika zasilanego dwupaliwowo. Znaczne różnice trwałości występują również w przypadku pierścieni tłokowych. Wyniki pomiarów zużycia pierścieni przedstawia rysunek 5. 157
1 zużycie [g] 1,6 1,4 1,2 1,8,6,4,2 Ubytek masy pierś cieni tłokowych LPG+ 1 2 3 4 5 numer pierś cienia zużycie [mm],25 Średni ubytek s zerokoś ci pierś cieni tłokowych 2 3,2 LPG+,15,1,5 1 2 3 4 5 numer pierś cienia zużycie [mm],7,6,5,4,3,2,1 Średni ubytek wys okoś ci pierś cieni tłokowych LPG+ 1 2 3 4 5 numer pie rś cienia Rys. 5. Zużycie pierścieni tłokowych silnika zasilanego klasycznie i dwupaliwowo LPG+: 1 - ubytek masy pierścieni, 2 - ubytek szerokości, 3 - ubytek wysokości. Na wykresach zaznaczono dwa etapy zużywania się pierścieni w silniku dwupaliwowym: do 44 godzin i od 44 do 8. Największemu zużyciu uległy pierścienie uszczelniające nr 2 i 3 na powierzchni zewnętrznej współpracującej ślizgowo z gładzią cylindra w silniku dwupaliwowym. Pierścień nr 1 jest na tej powierzchni pokryty warstwą chromu dzięki czemu jest bardziej odporny na ścieranie. Znaczna jest natomiast różnica ubytku wysokości tego pierścienia w przypadku różnych sposobów zasilania, świadczy to o występowaniu zwiększonych obciążeń od sił gazowych w silniku dwupaliwowym. Zmierzono również zużycie panewki główki korbowodu. Wystąpiło ono głownie na kierunku działania nacisków pochodzących od sił gazowych wzdłuż osi korbowodu. W silniku zasilanym standardowo wyniosło ono 4 µm, a w silniku dwupaliwowym 18 µm. Na rysunku 6 przedstawiono zestawienie zarejestrowanego podczas testów jednostkowego zużycia energii paliwa. Jak wynika z analizy wykresów zużycie energii paliwa było w obu silnikach ustabilizowane i bardzo zbliżone. Nieznaczny wzrost zużycia paliwa w końcowej fazie testu z zasilaniem klasycznym związany jest z rosnąca lepkością oleju silnikowego. Z zestawionych na rysunku 7 przebiegów wydatku powietrza zużywanego przez silnik wynika, że po zmianie kąta wtrysku pilotującej dawki oleju napędowego w silniku dwupaliwowym nieco spadło jego zużycie. Oznacza to, że przy mniejszym kącie wyprzedzenia wtrysku silnik ten pracuje z mniejszym nadmiarem powietrza. 5. [kj/s/kw] 7 [kg/h] 4. 6 3. 2. Wykres porównawczy obrazujacy jednostkowe zuzycie energii paliwa przez silnik zasilany oraz +LPG +LPG 1. czas[h] 5 1 15 2 25 3 35 4 45 5 55 6 65 7 75 8 Rys. 6. Jednostkowe zużycie energii paliwa 5 4 Wykres porównawczy obrazujacy zuzycie powietrza przez silnik zasilany oraz +LPG +LPG czas [h] 5 1 15 2 25 3 35 4 45 5 55 6 65 7 75 8 Rys. 7. Wydatek powietrza zużywanego przez silnik 158
Na rysunkach 8 i 9 widoczny jest wyraźny wpływ awarii tłoków w silniku dwupaliwowym na zużycie oleju silnikowego i przedmuchy spalin do skrzyni korbowej. Pojawienie się uszkodzeń tłoka spowodowało utratę szczelności komory spalania, która utrzymała się do końca testu. Zwiększone zużycie oleju silnikowego również sygnalizowało pojawiające się awarie. Wynika z tego, że zużycie oleju i przedmuchy spalin są miarodajnym symptomem świadczącym o tego typu uszkodzeniach. 1 [cm3/h] 8 6 Wykres porównawczy obrazujacy zuzycie oleju silnikowego przez silnik zasilany oraz +LPG +LPG 24 [dm3/h] 2 16 Wykres porównawczy obrazujacy przedmuchy spalin przez silnik zasilany oraz +LPG +LPG 12 4 8 2 4 czas [h] czas [h] 5 1 15 2 25 3 35 4 45 5 55 6 65 7 75 8 5 1 15 2 25 3 35 4 45 5 55 6 65 7 75 8 Rys. 8. Zużycie oleju silnikowego Rys. 9. Przedmuchy spalin do skrzyni korbowej Wykorzystując próbki oleju silnikowego pobierane podczas badań co 1 godzin zmierzono w nich koncentrację produktów zużycia żelaza i miedzi. Żelazo pochodzi głównie ze ścierających się powierzchni żeliwnych pierścieni tłokowych i gładzi tulei cylindrowej, natomiast miedź ze zużywających się panewek łożysk ślizgowych. Koncentracja metalicznych produktów zużycia w oleju nie jest wynikiem ich kumulowania się podczas całego testu. Część z nich osiada w postaci szlamów w misce olejowej lub jest zatrzymywana na filtrze. Koncentracja ta jest miarą intensywności zużywania się elementów silnika. Na rysunku 1 przedstawiono przebieg zmian koncentracji Fe i Cu podczas testów trwałościowych. koncentracja Cu [mg/kg] 45 4 35 3 25 2 15 1 5 LPG+ 2 4 6 8 1 czas testu [h] koncentracja Fe [mg/kg] 16 14 12 1 8 6 4 2 LPG+ 2 4 6 8 1 czas testu [h] Rys. 1. Przebieg zmian koncentracji miedzi i żelaza w oleju silnikowym podczas testów trwałościowych. Jak wynika z analizy wykresów, przebieg zmian koncentracji Fe i Cu w oleju silnikowym potwierdza szybsze zużywanie się elementów silnika zasilanego dwupaliwowo. 159
4. PODSUMOWANIE I WNIOSKI Przeprowadzone badania trwałości silnika o ZS na przykładzie silnika!hc12, zasilanego głównie LPG wykazały, że taki sposób zasilania silnika o niezmienionej konstrukcji powoduje jego przyspieszone zużycie. Elementy układu tłokowo korbowego (tuleja cylindrowa, pierścienie tłokowe i panewka główki korbowodu) silnika dwupaliwowego uległy znacznie większemu zużyciu w porównaniu z silnikiem zasilanym klasycznie. Pierścienie tłokowe uszczelniające i gładź cylindrowa powyżej dna tłoka w DMP uległy zużyciu głównie podczas pracy silnika z fabryczną regulacją kąta wtrysku dawki pilotującej oleju napędowego. Tłoki w tym silniku uległy uszkodzeniu awaryjnemu. W pozostałych elementach układu tłokowo korbowego (czopy i panewki łożysk ślizgowych) nie stwierdzono mierzalnego zużycia. Na podstawie opisanych wyników badań trwałościowych można stwierdzić, że silnik o ZS o niezmienionej konstrukcji zasilany dwupaliwowo głównie LPG, ma znacznie obniżoną trwałość. Przyspieszonemu zużyciu ulega głównie zespół tłok pierścienie cylinder. Wprowadzenie tego rodzaju zasilania w silniku o ZS wymaga zmiany regulacji kąta wtrysku dawki pilotującej oleju napędowego w celu zapobiegania jego twardej pracy. Zwiększone zużycie oleju silnikowego i zwiększone przedmuchy spalin do skrzyni korbowej podczas pracy silnika dwupaliwowego są symptomami jego uszkodzeń. Autorzy podjęli dalsze prace zmierzające do wyjaśnienia przyczyn wywołujących przyspieszone zużycie silnika dwupaliwowego oraz do opracowania sposobu zapewnienia mu odpowiedniej trwałości, a ich wyniki będą przedmiotem odrębnej publikacji. LITERATURA [1] Goto S., Furutani H., Komori M., Yagi M.; LPG Diesel engine. Int. J. of Vehicle Design, Vol. 15, 1994. [2] Luft S.; Ocena wpływu wartości inicjującej zapłon dawki oleju napędowego na wybrane parametry pracy dwupaliwowego silnika o ZS zasilanego LPG. Teka Komisji Naukowo Problemowej Motoryzacji PAN, Zeszyt 2, Kraków 2. [3] Luft S., Michalczewski A.; Próba oceny wpływu kąta początku wtrysku inicjującej zapłon dawki oleju napędowego na podstawowe parametry pracy dwupaliwowego silnika o ZS zasilanego głównie mieszaniną. [4] Michalczewski A.; Silnik dwupaliwowy o ZS zasilany głównie LPG wybrane aspekty procesu spalania. Journal of KES 21 16