Click here to load reader

Wpływ temperatury rozruchu na zużywanie gładzi tulei

  • View
    0

  • Download
    0

Embed Size (px)

Text of Wpływ temperatury rozruchu na zużywanie gładzi tulei

6348.inddWpyw temperatury rozruchu na zuywanie gadzi tulei cylindrowych silników spalinowych
o zaponie samoczynnym
Wojskowa Akademia Techniczna, Wydzia Mechaniczny, Instytut Pojazdów Mechanicznych i Transportu,
00-908 Warszawa, ul. S. Kaliskiego 2 *Politechnika Lubelska, Katedra PKM oraz Katedra Silników Spalinowych i Transportu,
20-618 Lublin, ul. Nadbystrzycka 36
Streszczenie. Zuywanie zespou tok-piercienie tokowe-gad cylindrowa (TPC), wystpujce podczas rozruchu silnika spalinowego, nazywane jest zuywaniem rozruchowym. Dominuj przy tym zuywania, takie jak: adhezyjne, cierne oraz korozyjne. Charakteryzuje si ono wiksz intensywnoci zuywania ni zuywanie wystpujce podczas normalnej, cigej pracy silnika. W pracy przedstawiono przebieg oraz wyniki bada zuywania rozruchowego tulei cylindrowych samochodowych silników spalinowych o zaponie samoczynnym. Przeprowadzone badania miay na celu okrelenie wartoci zuycia rozruchowego tulei, a take wpywu temperatury rozruchu i innych czynników na mierzon warto zuycia. Sowa kluczowe: silnik, rozruch, zuycie Symbole UKD: 621.43
1. Wprowadzenie
Rozruch samochodowego silnika spalinowego jest procesem przejciowym, w którym obserwuje si wystpowanie wielu niekorzystnych procesów tribolo- gicznych.
W pocztkowym okresie rozruchu, ze wzgldu na brak dostatecznej iloci oleju smarnego (bezwadno ukadu olejenia silnika) oraz zbyt ma prdko
114 E. Cypko, P. Drodziel, P. Ignaciuk, L. Krzywonos
wzgldn przemieszczajcych si powierzchni par tribologicznych, obserwuje si wystpowanie tarcia granicznego [5, 6, 10].
W miar wzrostu iloci oleju dopywajcego do wzów tribologicznych sil- nika, tarcie graniczne przechodzi w tarcie mieszane.
W zasadzie dopiero po zakoczeniu rozruchu silnika, gdy osignita zostaa odpowiednia prdko wzgldna wspópracujcych elementów, pojawiaj si dogodne warunki do wystpienia tarcia pynnego [7, 10, 11].
Opisane przejcie z tarcia granicznego (w skrajnych przypadkach nawet z tarcia technicznie suchego) do tarcia mieszanego o maym udziale procentowym tarcia pynnego powoduje, e podczas rozruchu w wzach tribologicznych silnika spalinowego mona zaobserwowa zuycie adhezyjne i cierne, a w zespole TPC — dodatkowo take zuycie korozyjne [6, 8].
Powoduje to, e zuywanie rozruchowe charakteryzuje si wiksz inten- sywnoci ni zuywanie wystpujce podczas normalnej, cigej pracy silnika spalinowego Zuycie rozruchowe gadzi tulei cylindrowej podczas jednego roz- ruchu silnika stanowi od 8% do 75% jego ogólnego zuycia eksploatacyjnego. Wartoci ekwiwalentnego zuycia rozruchowego wahaj si od kilku do kilkuset, a nawet kilku tysicy kilometrów przebiegu pojazdu lub kilkunastu godzin pracy na hamowni silnikowej [6, 11].
Przeprowadzone badania miay na celu okrelenie wartoci zuycia rozrucho- wego tulei cylindrowej w funkcji temperatury rozruchu samochodowych silników spalinowych o zaponie samoczynnym.
2. Metodyka bada stanowiskowych Obiektami bada byy silniki o zaponie samoczynnym 4C90 i 359M. Pod-
stawowe parametry techniczne tych silników przedstawiono w tabeli 1. W silniku 4C90 zastosowano tok z dwoma piercienia uszczelniajcymi oraz jednym zgarnia- jcym, natomiast w silniku 359M — tok z trzema piercieniami uszczelniajcymi oraz jednym piercieniem zgarniajcym.
Podczas prowadzonych bada stosowano oleje zalecane przez producentów obu typów silników. W silniku 4C90 zastosowano olej TURDUS o klasie lepkoci SAE 15W/40 i klasie jakoci wg API SHPD. Natomiast w silniku 359M — olej JASOL 9, o klasie lepkoci SAE 15W/40 i klasie jakoci wg API CESF.
Badania zuycia gadzi tulei cylindrowych podczas rozruchu badanych silników przeprowadzono na specjalnie zbudowanym stanowisku hamownianym Katedry Silników Spalinowych Politechniki Lubelskiej. Zastosowane na stanowisku elek- troniczne ukady pomiarowo-sterujce pozwalay na cig kontrol temperatury pynu chodzcego i oleju silnikowego. W celu stabilizacji wymienionych temperatur zamontowano dodatkowo: grzak i chodnic wody w misce olejowej silnika, grzak w wymienniku ciepa cieczy chodzcej silnik, a take pomp wody pracujc w cza-
115Wpyw temperatury rozruchu na zuywanie gadzi tulei cylindrowych silników...
sie jego zatrzymania. Wahania temperatur cieczy chodzcej oraz oleju smarujcego podczas rozruchów nie przekraczay ±2,5°C. Po kadym rozruchu badane silniki pracoway na biegu jaowym kilkadziesit sekund. Po unieruchomieniu doprowa- dzono temperatur silnika ponownie do zaoonej wartoci [3, 4].
Dla badanych silników ZS przeprowadzono serie rozruchów o parametrach przedstawionych w tabeli 2.
TABELA 2 Parametry poszczególnych serii rozruchu silników 4C90 i 359M
Numer serii silnika 4C90
[K]
[K]
1 1000 291 (18°C) 1 500 283 (10°C)
2 1000 308 (35°C) 2 700 293 (20°C)
3 1000 328 (55°C) 3 1000 333 (60°C)
4 1000 + 500 348 (75°C) – – –
TABELA 1 Wybrane parametry techniczne silników 359M i 4C90
Wyszczególnienie Warto parametru silnika
Stopie sprania 20,6 17
Prdko obr. mocy znamionowej [obr/min] 4100 2800
Maksymalny moment obrotowy [Nm] 145 440
Prdko obr. przy momencie max [obr/min] 2500 1800-2100
Prdko obrotowa biegu jaowego [obr/min] 800±20 500-600
Maksymalna prdko obrotowa [obr/min] 4200 3100
Cinienie oleju w ukadzie smarowania [MPa] 0,38-0,50 0,2-0,6
116 E. Cypko, P. Drodziel, P. Ignaciuk, L. Krzywonos
3. Metodyka bada zuycia gadzi tulei cylindrowej
Jako miar zuycia gadzi tulei cylindrowej silników 4C90 i 359M przyjto przyrost ich wewntrznej rednicy. W celu okrelenia tego przyrostu na powierzch- ni poszczególnych tulei nacito tzw. „sztuczne bazy” przy uyciu specjalnego przyrzdu UPOI+6. Aby unikn cakowitego demontau silników, „sztuczne bazy” nacito po zdjciu samej tylko gowicy. Dokonano tego, zgodnie z Norm Branow BN+79/1374-04, prostopadle do kierunku tarcia w paszczyznach po- miarowych (poziomach) na rónych wysokociach tulei cylindrowej, liczonych od powierzchni bloku silnika oraz dla czterech kierunków: równolegego (A-A) do osi wau korbowego, prostopadego (B-B) do tej osi i pod ktem 45°C do osi wau korbowego (C-C, D-D), co przedstawiono na rysunku 1 [3, 4].
Rys. 1. Schemat nacinania sztucznych baz na powierzchni tulei cylindrowych badanych silników; wysoko (poziom) nacinania baz wzdu tulei silnika 4C90: I4C90 — 16,5 mm, II4C90 — 23 mm, III4C90 — 30 mm, IV4C90 — 40 mm, V4C90 — 50 mm, VI4C90 — 60 mm, VII4C90 — 70 mm oraz
silnika 359M: I359M — 23 mm, II359M — 36,5 mm, III359M — 44,5 mm, IV359M — 55,5 mm
Pierwsze trzy paszczyzny pomiarowe dla silnika 4C90 i cztery poziomy pomiarowe dla silnika 359M odpowiadaj rodkom pooe ich piercieni to- kowych w GMP. Wiksza liczba poziomów pomiarowych silnika 4C90 wynika z korzystniejszych moliwoci technologicznych nacinania „sztucznej bazy”.
117Wpyw temperatury rozruchu na zuywanie gadzi tulei cylindrowych silników...
Nacite „sztuczne bazy” w kadej paszczynie pomiarowej oznaczono kolejno od 1 do 8, zgodnie z ruchem wskazówek zegara, zaczynajc od bazy lecej na kierunku C-G i znajdujcej si najbliej przodu silnika.
Po kadej przeprowadzonej serii rozruchów zdejmowano gowic silnika i odczytywano zmiany dugoci „sztucznej bazy”, co umoliwio ocen zuycia gadzi tulei cylindrowej (przyrost jej wewntrznej rednicy).
Warto pojedynczego, promieniowego zuycia gadzi tulei oblicza si zgodnie z rysunkiem 2 na podstawie zalenoci (1):
( )2 21 1 1 ,
= ⋅ − ⋅ −
(1)
gdzie: zri — warto i-tego zuycia promieniowego tulei [µm]; r — promie noa 9,4 [mm]; R — promie krzywizny badanej powierzchni 45 lub 55 [mm]; lp — dugo pocztkowa nacicia [µm]; lk — dugo kocowa nacicia [µm].
Rys. 2. Schemat do oblicze gbokoci naci (R — promie krzywizny badanej powierzchni, r — promie noa, lp — dugo pocztkowa nacicia, lk — dugo kocowa nacicia, h1 — wy-
soko noa, Δh — warto zuycia liniowego)
Warto zuycia (przyrostu) rednicy wewntrznej tulei cylindrowej wynosi:
,i rxj rxkd z z= + (2)
gdzie: di — warto i-tego zuycia tulei cylindrowej (przyrost wewntrznej rednicy) [µm];
118 E. Cypko, P. Drodziel, P. Ignaciuk, L. Krzywonos
zrxj — warto zuycia promieniowego na poziomie x = I, II, ..., VII i kierunku j = 1, ..., 4 [µm]; zrxk — warto zuycia promieniowego na poziomie x i kierunku k = j + 4 [µm].
4. Wyniki bada Po odczytaniu zmian dugoci „sztucznej bazy” obliczano z zalenoci (1)-(2)
zuycie gadzi tulei cylindrowej. Wstpn analiz statystyczn uzyskanych wyni- ków przeprowadzono przy uyciu programu komputerowego STATISTICA.
Eliminacj wyników „obcionych duym bdem” przeprowadzono poprzez obliczenie dolnego kresu przedziau ufnoci:
01 / 2 2pid d
nd d t n −= − ⋅ ⋅ −
01 / 2 ,
n −= + ⋅ ⋅ −
(4)
gdzie: dd — dolny koniec przedziau ufnoci; dg — górny koniec przedziau ufnoci; t1-αpi/2 — kwantyl rozkadu t-Studenta o n-2 stopniach swobody.
Wyniki oblicze granic przedziau ufnoci dokonano na poziomie ufnoci αpi/2 = 0,1, gdzie t1-αpi/2 = 1,659 [1]. Po uwzgldnieniu i odrzuceniu z dalszej analizy wyników wtpliwych, obliczono ostatecznie wybrane parametry poo- enia i rozrzutu zuycia rozruchowego tulei cylindrowych. Dodatkowo, w celu porównania uzyskanych wartoci, wyniki zuycia tulei cylindrowej silnika 359M w seriach 1 i 2 przeliczono na 1000 rozruchów. Naley take podkreli, e dla serii 1000 rozruchów silnika 4C90 w temperaturze 75°C nie stwierdzono adnego przypadku wystpienia zuycia promieniowego. Dlatego te dokonano dodatkowo 500 uruchomie badanego silnika (wyniki take przeliczono na 1000 rozruchów). Wyniki oblicze statystycznych przedstawiono w tabelach 3 i 4.
119Wpyw temperatury rozruchu na zuywanie gadzi tulei cylindrowych silników...
TABELA 3 Parametry pooenia i rozrzutu zuycia rozruchowego tulei po odrzuceniu wyników wtpliwych
dla silnika 4C90 [4]
1 3,448 2,138 1,462 0,151 2,357 2,243 42,40 6,675 1,808
2 1,936 2,232 1,494 0,143 2,149 0,0 77,16 4,658 0,0
3 1,037 1,178 1,085 0,102 0,0 0,0 104,62 2,736 0,0
4 0,514 0,482 0,694 0,065 0,0 0,0 135,00 1,571 0,0
TABELA 4 Parametry pooenia i rozrzutu zuycia rozruchowego tulei po odrzuceniu wyników wtpliwych
dla silnika 359M [3]
1 7,645 0,207 0,445 0,051 7,598 7,919 5,82 9,406 6,728
2 6,397 4,318 2,078 0,222 5,656 5,721 32,48 11,116 2,762
3 6,419 3,915 1,978 0,214 6,099 6,007 30,81 9,44 2,231
5. Analiza wariancji uzyskanych wyników bada
W celu okrelenia wpywu temperatury oraz innych czynników grupujcych (cylinder, poziom, kierunek) na warto zuycia tulei cylindrowej silnika podczas jego rozruchu przeprowadzono analiz wariancji. Po pierwsze zbadano, czy dane pochodz z populacji o rozkadzie normalnym. W tym celu zastosowano test chi-kwadrat χ2 oraz zaoono poziom istotnoci α = 0,05. Po drugie do testowania jednorodnoci wariancji przyjto (ze wzgldu na niejednakow liczb wyników w analizowanych grupach) test Bartletta B [2]. Wyniki analizy dla temperatury jako czynnika grupujcego przedstawiono w tabelach 5 i 6.
120 E. Cypko, P. Drodziel, P. Ignaciuk, L. Krzywonos
TABELA 5 Wyniki testów normalnoci i jednorodnoci dla zuycia silnika 4C90
(czynnik grupujcy — temperatura)
χ2 Warto p B Warto p N J
1 199,88 0,000 nie
3 394,46 0,000 nie
4 510,99 0,000 nie
TABELA 6 Wyniki testów normalnoci i jednorodnoci dla zuycia silnika 359M
(czynnik grupujcy — temperatura)
χ2 Warto p B Warto p N J
1 3,520 0,1720 tak
3 8,082 0,0886 tak
Na podstawie wyników przedstawionych w tabelach 4 i 5 stwierdzono, e wartoci zuycia rednic tulei dla silnika 359M mona dopasowa rozkadem normalnym, w przeciwiestwie do zuycia w silniku 4C90. Potwierdzaj to wczeniejsze opracowania [3, 4]. Stwierdzono niespenienie testów o normalnoci rozkadów zuycia dla innych czynników grupujcych.
Ze wzgldu na niespenienie zaoe klasycznej analizy wariancji dla obser- wowanych zuy rednic tulei cylindrowych silników 4C90 oraz 359M podczas rozruchu, zastosowano nieparametryczn metod analizy wariancji, przy uyciu testu Kruskala-Wallisa K-W [2]. Wyniki tej analizy przedstawiono w tabeli 7.
Po analizie przedstawionych w tabeli 7 wyników analizy wariancji mona stwierdzi, e istotny wpyw na obserwowane zuycie podczas rozruchu silników 4C90 oraz 359M wywiera przede wszystkim temperatura. Podczas rozruchu silnika 4C90 obserwuje si dodatkowo wpyw innego czynnika grupujcego, jakim jest numer cylindra (tzn. umiejscowienie cylindra w bloku). Jest to prawdopodobnie zwizane z gorszymi warunkami chodzenia ostatniej tulei cylindrowej. Na ry- sunkach 3-6 przedstawiono skategoryzowane wykresy ramkowe wartoci zuycia tulei cylindrowych dla analizowanych silników.
121Wpyw temperatury rozruchu na zuywanie gadzi tulei cylindrowych silników...
Czynnik grupujcy
Wpyw czynnika
na zuycie
Temperatura 196,504 0,000 istotny 22,297 0,000 istotny
Cylinder 14,034 0,0029 istotny 6,467 0,2633 nieistotny
Cylinder w serii nr 1 14,751 0,0021 istotny 2,683 0,7487 nieistotny
Cylinder w serii nr 2 12,036 0,0073 istotny 14,040 0,0154 istotny
Cylinder w serii nr 3 5,249 0,1545 nieistotny 5,889 0,3376 nieistotny
Cylinder w serii nr 4 2,019 0,5683 nieistotny – – –
Poziom 6,069 0,4155 nieistotny 2,753 0,4308 nieistotny
Poziom w serii nr 1 14,141 0,0281 istotny 0,775 0,8553 nieistotny
Poziom w serii nr 2 3,017 0,8066 nieistotny 1,110 0,7746 nieistotny
Poziom w serii nr 3 7,912 0,2446 nieistotny 1,017 0,7970 nieistotny
Poziom w serii nr 4 3,866 0,6947 nieistotny – – –
Kierunek 1,616 0,6556 nieistotny 1,984 0,5756 nieistotny
Kierunek w serii nr 1 2,695 0,4410 nieistotny 2,059 0,5602 nieistotny
Kierunek w serii nr 2 2,525 0,4707 nieistotny 2,045 0,5630 nieistotny
Kierunek w serii nr 3 0,787 0,8524 nieistotny 5,045 0,1685 nieistotny
Kierunek w serii nr 4 1,280 0,7337 nieistotny – – –
TABELA 7 Wyniki testu Kruskala-Wallisa dla zuycia silników 4C90 i 359M (róne czynniki grupujce)
122 E. Cypko, P. Drodziel, P. Ignaciuk, L. Krzywonos
Rys. 3. Skategoryzowany wykres ramkowy dla czynnika grupujcego temperatur i zmiennej zalenej — zuycia na rednicy tulei cylindrowej silnika 4C90 podczas jego rozruchów
Rys. 4. Skategoryzowany wykres ramkowy dla czynnika grupujcego cylinder i zmiennej zalenej — zuycia na rednicy tulei cylindrowej silnika 4C90 podczas jego rozruchów w serii nr 1
123Wpyw temperatury rozruchu na zuywanie gadzi tulei cylindrowych silników...
Rys. 5. Skategoryzowany wykres ramkowy dla czynnika grupujcego cylinder i zmiennej zalenej — zuycia na rednicy tulei cylindrowej silnika 4C90 podczas jego rozruchów w serii nr 2
Rys. 6. Skategoryzowany wykres ramkowy dla czynnika grupujcego temperatur i zmiennej zalenej — zuycia na rednicy tulei cylindrowej silnika 359M podczas jego rozruchów
124 E. Cypko, P. Drodziel, P. Ignaciuk, L. Krzywonos
5. Wnioski
Na podstawie przeprowadzonych bada i wykonanej analizy statystycznej uzyskanych wyników oceny zuycia tulei cylindrowej silników 4C90 oraz 359M o zaponie samoczynnym mona stwierdzi, e: 1. Zuycie rozruchowe gadzi tulei cylindrowej, którego miar jest przyrost jej
wewntrznej rednicy, zaley w istotny sposób od wartoci temperatury uru- chamiania silnika, przy czym obserwuje si wzrost zuycia w miar spadku temperatury rozruchu. I tak dla silnika 4C90 w temperaturze rozruchu 75°C warto rednia tego zuycia wynosi 0,514 µm, za dla temperatury 18°C — 3,448 µm. Jest to prawie siedmiokrotny przyrost wartoci zuycia rozrucho- wego. Dla silnika 359M w temperaturze rozruchu 60°C warto rednia tego zuycia wynosi 6,419 µm, za w temperaturze 10°C — 7,645 µm. Przyrost zuycia jest znacznie mniejszy i wynosi okoo 20%.
2. Obserwowana warto zuycia rozruchowego tulei cylindrowych badanych silników dla poszczególnych temperatur rozruchu nie zaley od kierunku i poziomu pomiaru. Spostrzeenie to jest do interesujce, gdy, jak podaj inni autorzy, podczas eksploatacji warto zuycia wzdu gadzi tulei cylin- drowej zaley od pooenia wzgldem powierzchni bloku silnika (tzw. próg ogniowy). Wynika to prawdopodobnie z faktu, e podczas rozruchu wyst- pujca w zespole TPC sia normalna, która decyduje o sile tarcia pomidzy piercieniami a tulej cylindrow jest znacznie mniejsza ni w trakcie pracy silnika pod obcieniem.
3. Wystpowanie znacznego pola rozprosze obserwowanych wartoci zuy tulei cylindrowych podczas rozruchu silnika wynika z jednej strony z wystpowania zoonego procesu tarcia w zespole TPC, z drugiej za strony z dokadnoci metody „sztucznej bazy”.
Artyku wpyn do redakcji 23.11.2005 r. Zweryfikowan wersj po recenzji otrzymano w czerwcu 2006 r.
LITERATURA
[1] D. BOBROWSKI, Probabilistyka w zastosowaniach technicznych, WNT, Warszawa 1986. [2] M. DOBOSZ, Wspomagana komputerowo statystyczna analiza wyników bada, EXIT, Warszawa
2001. [3] . ,
. , 22, 6, -, 2001, 664-670. [4] P. DRODZIEL, P. IGNACIUK, Zuycie tulei cylindrowych podczas rozruchu spalinowego silnika
4C90 o zaponie samoczynnym, Zagadnienia Eksploatacji Maszyn, vol. 38, z. 4 (136), Polska Akademia Nauk, Komitet Budowy Maszyn, Radom 2003.
[5] K. HOLMES, Solid Materials. Engine Tribology, Tribology Series 26, Elsevier 1993.
125Wpyw temperatury rozruchu na zuywanie gadzi tulei cylindrowych silników...
[6] K. KOLISKI, J. PSZCZÓKOWSKI, Zuycie cylindrów silnika AD4.236 w warunkach rozruchu. Eksploatacja silników spalinowych, Problemy rozruchu silników spalinowych, z. 6, Komisja Motoryzacji i Energetyki Rolnictwa PAN O/Lublin, Politechnika Szczeciska, Szczecin 2002.
[7] Z. LAWROWSKI, Tribologia — tarcie, zuywanie i smarowanie, PWN, Warszawa 1993. [8] J. LEWICKI, Opory tarcia i zuycie silników z zaponem samoczynnym przy rozruchu w niskich
temperaturach, Prace Naukowe Politechniki Szczeciskiej, nr 353, Szczecin 1988. [9] M. F. SMITH, Understanding diesel engine lubrication at low temperature, SAE Paper 902177,
1990. [10 ] C. M. TAYLOR, Lubrication regimes and the internal combustion engine, Engine Tribology,
Tribology Series 26, Elsevier 1993. [11] J. K. WODARSKI, Tokowe silniki spalinowe — procesy tribologiczne, WKi, Warszawa
1982.
E. CYPKO, P. DRODZIEL, P. IGNACIUK, L. KRZYWONOS
Influence of starting temperature of self-ignition diesel engines on wear of its cylinder bearing surface