ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΤΗΣ ΤΡΙΒΟΛΟΓΙΚΗΣ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑΣ
ΤΩΝ EΛΑΤΗΡΙΩΤΩΝ ΔΑΚΤΥΛΙΩΝ ΕΜΒΟΛΩΝ ΜΕΚ
Δρ Κ.Ν. Πανταζάρας*
Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών Βιομηχανίας
Πολυτεχνική Σχολή-Πανεπιστήμιο Θεσσαλίας
383 43 Πεδίο Άρεως – Βόλος
Περίληψη
Σκοπός του παρόντος άρθρου είναι να παρουσιάσει ενδιαφέροντα στοιχεία της τριβολογικής συμπεριφοράς των ελατηριωτών δακτυλίων εμβόλων Μηχανών Εσωτερικής Καύσης (ΜΕΚ). Ta aποτελέσματα αυτά αναδεικνύονται μέσα από μια τριβομετρική προσέγγιση κατά την λειτουργία μονοκύλινδρου ετεροκινούμενου προσομοιωτή τύπου ανοικτού κυλίνδρου, με δυνατότητα οδήγησης του εμβόλου και παρουσιάζονται με βάση την τιμή pmf (kPa), που εκφράζει την μέση απώλεια πίεσης λόγω τριβών κατά την διάρκεια πλήρους κύκλου 4-χρονου κινητήρα. Αποδεικνύεται ότι στις συνθήκες που μελετήθηκαν, το σύνθετο έργο των δακτυλίων (στεγανοποίηση θαλάμου καύσης, οδήγηση του εμβόλου, έλεγχος της λίπανσης του παλινδρομούντος συστήματος εμβόλου-δακτυλίων, έλεγχος κατανάλωσης λιπαντικού) είναι δύσκολο να αποσαφηνισθεί μέσα μόνο από μετρήσεις δυνάμεων τριβής/απωλειών ισχύος λόγω τριβής, καθώς η συμπεριφορά των δακτυλίων εμφανίζεται μεγάλου βαθμού πολυπλοκότητας, τόσο σε συνθήκες μεμονωμένου δακτυλίου όσο και σε συστοιχία δακτυλίων μέσα στο σύστημα του έμβολου. Αποδεικνύεται όμως επίσης, ότι οι απώλειες από τριβές μιάς συστοιχίας δακτυλίων προσεγγίζεται και με συνθετικές τιμές προερχόμενες από το άθροισμα απωλειών μεμονωμένων δακτυλίων ή από το άθροισμα απωλειών ζευγών δακτυλίων πρασαυξημένων κατά τις απώλειες του ετέρου μεμονωμένου, γεγονός που στηρίζει την απόκλιση από την υδροδυναμική λίπανση ακόμη και σε ευνοϊκές συνθήκες κατατομής-λειτουργίας-περίσσειας λιπαντικού στην επαφή δακτυλίου-κυλίνδρου για το πλήρες δακτυλίων, έμβολο ΜΕΚ.
Αbstract
The aim of the present paper is to exhibit interesting data concerning the tribological behaviour of Internal Combustion Engines piston rings. This data has been presented via a tribometrical approximation during the operation of a single cylinder motored simulator which is of open cylinder type with guided piston. The results are presented on the basis of pmf (kPa) values, showing the mean pressure losses due to friction, during the full 4-stroke cycle of the engine. It has been realized that for the operational conditions considered, the work of the piston rings (sealing the gap between the moving piston and the cylinder liner surface, piston guiding, lubrication control for the piston assembly, lubricant consumption control) is not easy to be clarified only through friction forces/friction losses measurements because of the complexity of the ring behaviour during operation, either alone or as a member of the rings pack. Also, it has been shown that friction losses of rings pack could be approximated by synthetic values measured for single rings or by the sum of a couple of rings friction losses plus those concerning the third ring operating alone. This fact supports the general remark related to the rings pack starvation even under the most optimistic conditions concerning the ring profile, operation and lubrication.
1. Εισαγωγή
Η προσπάθεια λεπτομερούς προσδιορισμού της τριβολογικής συμπεριφοράς των δακτυλίων εμβόλων ιστορικά ξεκίνησε κατά την εποχή των ατμομηχανών και βρήκε έντονη ανταπόκριση κατά τα μεταπολεμικά χρόνια. Από τότε έως τις μέρες μας, πληθώρα πειραματικών, θεωρητικών αλλά και μικτού τύπου προσεγγίσεων βλέπουν το φως της δημοσιότητας, αναδεικνύοντας σημαντικά αποτελέσματα από τα βήματα που έχουν ήδη επιτευχθεί. Η ποικιλία των δραστηριοτήτων σχετικά με το συγκεκριμένο αντικείμενο φαίνεται ότι δεν έχει ακόμη δώσει τις απαιτούμενες πλήρεις, σαφείς και τελεσίδικες απαντήσεις και για το λόγο αυτό εμφανίζεται ο συνεχής χαρακτήρας στην έρευνα για τον προσδιορισμό της συμπεριφοράς των δακτυλίων, για διαφορετικές συνθήκες λειτουργίας, διαφορετικούς τύπους δακτυλίων, διαφορετικά και νέα υλικά, ποικίλη τοπογραφία των τραχειών συνεργαζομένων επιφανειών, υφιστάμενες μεταβολές στο πεδίο του χρόνου κ.α.
Η σημαντική απόκλιση της πραγματικής λειτουργίας των δακτυλίων σε σχέση με τις βασικές υποθέσεις που λαμβάνονται υπ’ όψη στην θεωρητική ερμηνεία/αποσαφήνιση της τριβολογικής συμπεριφοράς των δακτυλίων εμβόλων ΜΕΚ οφείλεται στα παρακάτω στοιχεία:
• H γεωμετρία των τριβομένων στοιχείων (δακτυλίου και κυλίνδρου) απέχει της γεωμετρίας κυλινδρικής συμμετρίας που πλείστες όσες φορές γίνεται δεκτή σε θεωρητικά προσομοιωτικά μοντέλα [1-4]
• Η υπόθεση του πλήρως και με αφθονία λιπαντικού λιπαινομένου δακτυλίου όχι μόνο δεν αποδεικνύεται στην πράξη αλλά αντιθέτως απαιτεί εκ βάθρων αναθεώρηση, χωρίς όμως συγχρόνως να διατίθενται επαρκή στοιχεία επανατοποθέτησης του προβλήματος
• Η τραχύτητα των τριβομένων επιφανειών πρέπει οπωσδήποτε να λαμβάνεται υπ’ όψη και μάλιστα στην μακράν απέχουσα από κανονικές κατανομές μορφή της [5-8]
• Η ισορροπία του δακτυλίου αποτελεί δυσεπίλυτο πρόβλημα σε περίπτωση που ληφθούν υπ’ όψη όλες οι παράμετροι (βαθμοί ελευθερίας, δυνάμεις-ροπές που εξασκούνται) σε συνδυασμό με υπολογιστικές πολυπλοκότητες (μέθοδοι πεπερασμένων στοιχείων, πεπερασμένων διαφορών) για τον λεπτομερή προσδιορισμό της λιπαινόμενης επαφής και την επίλυση της εξίσωσης λίπανσης
• Το συνολικό πρόβλημα απαιτεί λύση λαμβανομένης υπ’ όψη της αλληλεπίδασης των δακτυλίων μέσα στην πλήρη συστοιχία τους [9-16], γεγονός που απαιτεί αλλεπάλληλους διαδοχικούς υπολογισμούς, αποτελέσματα των οποίων οφείλουν να τροφοδοτούν, υπό την μορφή δεδομένων πλέον, τους υπολογισμούς που έπονται
Επειδή όμως, η θεωρητική προσομοιωτική επεξεργασία αποτελεί κατ’ εξοχήν χρήσιμο εργαλείο για την πλήρη κατανόηση της τριβολογικής λειτουργίας των δακτυλίων εμβόλου ΜΕΚ, η συνεχής επικοινωνία με την πειραματική επιβεβαίωση ή διαφοροποίηση, θεωρείται ικανή και αναγκαία συνθήκη για κάθε προσεχές βήμα. Στα πλαίσια λοιπόν μιάς συνεχούς ροής πληροφοριών μεταξύ θεωρίας και πράξης στην παρούσα εργασία παρουσιάζονται πειραματικά αποτελέσματα που φαινομενολογικά χαρακτηρίζουν την τριβολογική συμπεριφορά μεμομωμένων δακτυλίων, ζευγών και τριάδας (συστοιχίας) δακτυλίων εμβόλων ΜΕΚ. Η συγκεκριμένη γεωμετρία και κινηματική καθώς και οι συνθήκες λίπανσης του κυλίνδρου που επελέγησαν, χαρακτηρίζουν πραγματικούς κινητήρες ΜΕΚ, χωρίς καμία επιπρόσθετη μετατροπή. Κάποιος φαινόμενος ετεροχρονισμός παρουσίασης επι μέρους στοιχείων οφείλεται στο απόρρητο του χαρακτήρα μεγάλου τμήματος της βιομηχανικής ερευνητικής εργασίας, μέρος της οποίας αποτελεί η παρούσα.
2. Δακτύλιοι εμβόλων ΜΕΚ
Ο δακτύλιος του εμβόλου είναι ένα πολύπλοκης συμπεριφοράς, ίσως δε το πιο ενδιαφέρον τριβολογικό στοιχείο που συναντάται στο αυτοκίνητο. Υφίσταται ευρείες και ταχείες μεταβολές του φορτίου του, της ταχύτητάς του, της θερμοκρασίας και της διαθεσιμότητας λιπαντικού, με αποτέλεσμα μια λειτουργία κάτω από συνθήκες οριακής, μικτής, πλήρως υδροδυναμικής αλλά ακόμη και μικροελαστοϋδροδυναμικής λίπανσης σε περιπτώσεις κινητήρων Diesel ή βενζίνης κατά τη φάση της εκτόνωσης μετά την ανάφλεξη του μίγματος. Έχει ήδη γίνει κοινή αντίληψη ότι στους σύγχρονους κινητήρες, οι απώλειες ισχύος λόγω τριβών στους κυλίνδρους οφειλόμενες εν μέρει στο τριβοσύστημα εμβόλου-κυλίνδρου και εν μέρει στο τριβοσύστημα ελατηριωτών δακτυλίων εμβόλου–κυλίνδρου έχουν μειωθεί σημαντικά μέσα από διαδικασίες ανάλυσης και βελτίωσης του σχεδιασμού. Γενικά είναι επίσης δεκτό, ότι το ποσοστό απωλειών που οφείλεται στους δακτυλίους είναι σημαντικότερο απ’ αυτό του εμβόλου κυρίως λόγω της συνεχούς επαφής τους κατά την διάρκεια του κύκλου σε αντίθεση με το έμβολο που ο βαθμός ελευθερίας του σε περιορισμένη περιστροφή γύρω από τον άξονα/πείρο του, το υποχρεώνει σε μερική επαφή με τον κύλινδρο σε συγκεκριμένες περιοχές της διαδρομής του (εξ ού και η ιδιαίτερη μορφή της ποδιάς του, σχήμα μπομπέ-οβάλ, αφαίρεση πλαϊνών για μείωση τριβής κλπ). Το ποσοστό αυτό των απωλειών που οφείλονται στους δακτυλίους και μόνο αγγίζει το 20% των συνολικών μηχανικών απωλειών ενός κινητήρα [1-4]. Οι απώλειες συνήθως χαρακτηρίζονται από την τιμή της pmf (kPa). Η pmf είναι η απώλεια μέσης πίεσης λόγω τριβών μέσα στον πλήρη κύκλο 4-χρονου κινητήρα:
pmf = ( 0 ∫ 4π F(α)U(α)dα ) / V, όπου F η δύναμη τριβής, U η γραμμική ταχύτητα κίνησης του εμβόλου, α η γωνία περιστροφής του στροφαλοφόρου και V ο όγκος του κυλίνδρου. Είναι αυτονόητο ότι στον υπολογισμό της pmf σημαντική είναι η συνεισφορά της δύναμης τριβής στο μέσο της διαδρομής παρά στις περιοχές των νεκρών σημείων (ΑΝΣ και ΚΝΣ), και αυτό διότι ενώ στις περιοχές αυτές οι δυνάμεις τριβής αυξάνονται λόγω επαφών των μεταλλικών στοιχείων, οι μικρές ή μηδενικές τιμές της ταχύτητας έχουν σαν συνέπεια τον μηδενισμό της ισχύος απωλειών άρα της τιμής του γινομένου F(α)U(α) μέσα στο ολοκλήρωμα της pmf. Έτσι, μπορεί κανείς γενικά να δεχθεί ότι η σύγκριση με βάση την pmf εμπεριέχει και χαρακτηριστικά σύγκρισης δυνάμεων τριβής σε περιοχές αυξημένης τιμής της ταχύτητας του εμβόλου.
Το υλικό του κυλίνδρου απαιτεί συγκεκριμένη συμπεριφορά ελατηρίων. Βάση για τις δύο βασικότερες κατηγορίες υλικών κυλίνδρου είναι αφ’ ενός ο χυτοσίδηρος και αφ’ ετέρου τα κράματα αλουμινίου. Στη δεύτερη κατηγορία, τα συνεργαζόμενα έμβολα διαθέτουν ελατήρια μεγάλης στιβαρότητας, με ρόλο να μήν επιτρέπουν εκτός των άλλων την παραμικρή επαφή κυλίνδρου-εμβόλου. Οι κύλινδροι ελαφρών κραμάτων θεωρούνται ότι εμφανίζουν σημαντικά μειωμένες φθορές σε σχέση με τους παραδοσιακούς και εκτός των άλλων συγκριτικών πλεονεκτημάτων τους αναφέρονται οι παρόμοιοι συντελεστές θερμικής διαστολής εμβόλου-κυλίνδρου που οδηγούν σε μικρότερα διάκενα συναρμολόγησης-λειτουργίας, βελτιωμένη στεγανότητα, μειωμένη κατανάλωση λαδιού, μικρότερο βάρος και καλύτερη θερμική αγωγιμότητα. Στη γενικότητά τους όμως, οι κύλινδροι ΜΕΚ κατασκευάζονται από χυτοσίδηρο. Χυτοσίδηρος (ή και χάλυβας) χρησιμοποιείται και για την κατασκευή των ελατηριωτών δακτυλίων του εμβόλου. Η ποιότητα που απαιτείται για τον χυτοσίδηρο των δακτυλίων είναι βελτιωμένη έτσι ώστε να τους προσδίδει την απαιτούμενη ελαστικότητα και να καθίσταται δυνατή η χωρίς πρόβλημα τοποθέτησή τους στις αντίστοιχες εγκοπές/φωλιές του εμβόλου, τοποθέτηση που απαιτεί σημαντικό «άνοιγμα» του δακτυλίου.
Ο διακριτός ρόλος κάθε δακτυλίου χαρακτηρίζεται από την θέση, την διατομή του που καθορίζει και τα χαρακτηριστικά επαφής του με τον κύλινδρο, καθώς και την ελαστική του επενέργεια που στοχεύει στην δημιουργία φορτίου επαφής και δίνει την δυνατότητα ώστε σε συστοιχία με τους υπόλοιπους δακτυλίους να επιτελέσει το σύνθετο έργο του, δηλαδή την στεγανοποίηση του θαλάμου καύσης και την αποφυγή blow by, την οδήγηση του εμβόλου, τον έλεγχο της λίπανσης ολοκλήρου του παλινδρομούντος συστήματος εμβόλου-δακτυλίων, καθώς και τον έλεγχο κατανάλωσης λιπαντικού.
Κάθε δακτύλιος, μετά την τοποθέτησή του σε θέση λειτουργίας δρά αναλόγως ή με ομοιόμορφα κατανεμημένη ή ακόμη και μεταβαλλόμενη ακτινική πίεση πάνω στην επιφάνεια του κυλίνδρου. Εμφανίζοντας διάκενο, το οποίο του αφαιρεί την κυλινδρική του συμμετρία, ξεπερνά αστοχίες κατά το άνοιγμα και την τοποθέτησή του πάνω στο έμβολο (άνοιγμα 8 φορές το ονομαστικό διάκενο χωρίς προβλήματα παραμενουσών παραμορφώσεων και λοιπές αστοχίες) με εσωτερική σφυρηλασία και ισχυρότερα κτυπήματα στην περιοχή που βρίσκεται αντιδιαμετρικά της τομής/διακένου. Το ελεύθερο διάκενο στην περιοχή τομής του δακτυλίου, αντιστοιχεί σε ποσοστό 0.25 % της διαμέτρου του κυλίνδρου και οφείλει να παραμένει, έστω και μερικώς, ανοικτό κατά την λειτουργία της ΜΕΚ κάτω από εξόχως έντονα θερμοκρασικά πεδία.
Τα ελατήρια-δακτύλιοι κατατάσσονται σε δύο μεγάλες κατηγορίες: στα ελατήρια συμπίεσης-στεγανοποίησης του θαλάμου καύσης και στα ελατήρια λαδιού, σκοπός των οποίων είναι η απόξεση του κυλίνδρου. Τα τελευταία χαρακτηρίζονται από οπές διέλευσης λιπαντικού, ώστε το λάδι να επιστρέφει μέσα από διαύλους στην κάτω του εμβόλου περιοχή και τελικά στην ελαιολεκάνη. Οι δακτύλιοι της δεύτερης κατηγορίας συναντώνται είτε στο πάνω μέρος του εμβόλου, τελευταίοι σε συστοιχία με τους υπόλοιπους, είτε και μεμονωμένοι στην κάτω περιοχή της ποδιάς του εμβόλου.
Κατά το λεγόμενο Αμερικανικό μοντέλο, ο αριθμός των δακτυλίων είναι 3. Οι δύο πρώτοι (πρός τον Θάλαμο Καύσης) είναι δακτύλιοι στεγανοποίησης και ο τρίτος (προς την ελαιολεκάνη) είναι δακτύλιος απόξεσης.
Ο πρώτος (Νο 1) δακτύλιος ονομάζεται και «της φωτιάς», ο δεύτερος (Νο 2), ο μεσαίος, είναι ο κατ’ εξοχήν «στεγανωτικός» όπως συνηθίζεται να ονομάζεται, και ο τρίτος (Νο 3) καλείται «αποξεστικός» ή «του λαδιού». Η λίπανση των δακτυλίων αυτών επιτελούμενη με την βοήθεια υγρού λιπαντικού που συγχρόνως πρέπει να ικανοποιεί και απαιτήσεις λίπανσης εδράνων καθώς και ωστηρίων-εκκέντρων, μπορεί να θεωρηθεί μικτού χαρακτήρα με σημαντική συνιστώσα αυτή της μή υδροδυναμικής λίπανσης-τριβής.
Ο πρώτος δακτύλιος «της φωτιάς», δέχεται κατά την φάση της εκτόνωσης εντονότερα αλλά και κατά την συμπίεση λιγότερο έντονα, την επιπρόσθετη πίεση του αερίου μίγματος που προστίθεται στην ελαστική του πίεση. Έτσι, το φορτίο επαφής του μεταβάλλεται σημαντικά μέσα στον θερμοδυναμικό κύκλο, γεγονός που εμφανίζεται πολύ πιό υποβαθμισμένης σημασίας στον δεύτερο δακτύλιο (έως και αμελητέο, αν και υπαρκτό λόγω blow by). Ο δακτύλιος της φωτιάς είναι ο μόνος που παρουσιάζεται με κατατομή που εμφανίζει συγκλίνουσα και αποκλίνουσα περιοχή, με αποτέλεσμα να δύναται να παραλάβει υδροδυναμικό φορτίο, δηλαδή να λιπανθεί υδροδυναμικά, υπό την προϋπόθεση ότι του παρέχεται η απαιτούμενη ποσότητα λιπαντικού και κατά τις δύο φάσεις κίνησης (ανόδου και καθόδου), από το Άνω Νεκρό Σημείο (ΑΝΣ) προς το Κάτω Νεκρό Σημείο (ΚΝΣ) και αντίστροφα. Κατά τους χρόνους εξαγωγής και εισαγωγής μίγματος στον κύλινδρο ΜΕΚ, ο δακτύλιος αυτός λόγω της μορφής του και του μειωμένου φορτίου επαφής παρουσιάζει, αν και μερικά λιπαινόμενος, τις περισσότερες πιθανότητες υδροδυναμικής λίπανσης.
Ειδικότερα σ’ ότι αφορά σε κινητήρες βενζίνης, κυβισμού από 277-541 cm3/κύλινδρο, οι δακτύλιοι της φωτιάς έχουν πλάτος της τάξης του mm (πχ 1.75 mm), με τάση μείωσής του, ώστε να μειωθεί και το επιπρόσθετο φορτίο λόγω πίεσης αερίων. Η κατατομή (profil) τους, κατασκευαστικά επιτυγχάνεται με αρχικές ακτίνες καμπυλότητας της τάξης μερικών δεκάδων χιλιοστών (πχ 20-50 mm). Η καμπυλότητα αυτή αυξάνεται με την φθορά κατά τον χρόνο λειτουργίας και έχει σαν αποτέλεσμα η φθαρμένη διατομή του δακτυλίου να εμφανίζεται τελικά περίπου επίπεδη. Η ελαστική πίεση που οι κατασκευαστές συνήθως προτείνουν κυμαίνεται από 0.50 έως 2.0 105 Pa. Θεωρητικό προσομοιωτικό μοντέλο [1-4] δίδει γιά περιστροφή στροφαλοφόρου από 1500–6000 rpm και λιπαντικό ιξώδους 7.4 mPa.s (15W40-130ο C), μέγιστο πάχος απαιτούμενης λιπαντικής μεμβράνης κατά την παλινδρόμηση από 4-9 μm σε συνθήκες επαρκούς λίπανσης. Αντίστοιχες τιμές [13] για κινητήρα Diesel, το έμβολο του οποίου έχει 4 δακτυλίους δίνονται για αρχικό στάδιο φθοράς, 3-6 μm, για μεμονωμένο δακτύλιο, ενώ η εκτίμηση του πάχους μεμβράνης λιπαντικού κατά την λειτουργία συστοιχίας πέφτει στην τιμή 0.25 – 0.80 μm και ακόμη περισσότερο με τη φθορά μετά από 120 – 630 h λειτουργίας.
Ο δακτύλιος της φωτιάς γενικά λόγω της κατατομής του δύναται να λειτουργεί ακόμη και όταν το έμβολο περιστρέφεται ελαφρά κατά την διαδρομή του. Η απουσία ακμών απομακρύνει την πιθανότητα διακοπής της λιπαντικής μεμβράνης και η μικρή επιφάνεια επαφής του με τον κύλινδρο λόγω της σχεδόν γραμμικής επαφής, μειώνει την περίοδο «του στρωσίματος» του κινητήρα. Δακτύλιοι της φωτιάς κυκλοφορούν στο εμπόριο κατασκευασμένοι από χυτοσίδηρο σφαιροειδούς γραφίτη ή/και επενδεδυμένοι περιφερειακά με μολυβδένιο, φωσφατωμένοι ή ακόμη και επιχρωμιωμένοι. Για τους επιχρωμιωμένους βαρελοειδούς κατατομής, ενδείκνυται κατ’ αρχάς η δημιουργία εσωτερικού στρώματος από σκληρό χρώμιο, πάχους 60-90 μm, ενώ ένα εξωτερικό στρώμα πάχους 40-60 μm από πορώδες χρώμιο δίνει το τελικό επιθυμητό προφίλ στον δακτύλιο. Έντονες κοιλάδες που παρατηρούνται στην μικροτοπογραφία είναι πόροι/συνέπειες της κατεργασίας του.
Ο δεύτερος δακτύλιος συνήθως είναι κωλουροκωνικής φυσιογνωμίας με διατομή ορθογωνίου τραπεζίου, πλάτους περιπου 2 mm, με κωνικότητα που χαρακτηρίζεται από περίπου 35 μm ακτινική απόσταση ακμών. Η αιχμηρή περιοχή του είναι τοποθετημένη-στραμμένη προς το κάτω νεκρό σημείο με στόχο την αποφυγή υδροδυναμικού σφήνα κατά την κάθοδο του εμβόλου και παράλληλα την επίτευξη στράγγισης του λιπαντικού. Η ελαστική πίεση που ενδείκνυται είναι περίπου 2.0 105 Pa. Θεωρητικό προσομοιωτικό μοντέλο [1-4] δίδει γιά περιστροφή στροφαλοφόρου από 1500 – 4500 rpm και λιπαντικό ιξώδους 7.4 mPas (15W40-130ο C), μέγιστο πάχος απαιτούμενης λιπαντικής μεμβράνης κατά την παλινδρόμηση για την άνοδο από 8-13 μm.και για την κάθοδο σταθερό πάχος 2 μm. Αντίστοιχες τιμές [13] για κινητήρα Diesel, το έμβολο του οποίου έχει 4 δακτυλίους δίνονται για αρχικό στάδιο φθοράς, κατά την άνοδο 6.5 μm και για την κάθοδο (σταθερό πάχος) 1 μm για μεμονωμένο δακτύλιο, ενώ η εκτίμηση του πάχους μεμβράνης λιπαντικού κατά την λειτουργία συστοιχίας πέφτει στην τιμή 0.80 μm και ακόμη περισσότερο με τη φθορά μετά από 120 – 630 h λειτουργίας.
Δακτύλιοι αυτού του τύπου γενικά κατασκευάζονται από χυτοσίδηρο ή χάλυβα, υφίστανται επιφανειακή κατεργασία ή επικάλυψη περιφερειακά και σπανιότερα στην επίπεδες επιφάνειές τους για αύξηση της αντίστασής τους σε φθορά. Ο δακτύλιος στεγάνωσης θεωρείται επίσης ότι μειώνει την περίοδο στρωσίματος λόγω της εξ αρχής γραμμικής του επαφής με τον κύλινδρο και ότι δρά συμπληρωματικά με τον τρίτο δακτύλιο (του λαδιού) στον έλεγχο κατανάλωσης λιπαντικού.
Ο τρίτος δακτύλιος είναι σχεδόν αδύνατο να λειτουργήσει κάτω από συνθήκες υδροδυναμικής λίπανσης, εκτός των περιπτώσεων παρέκκλισης από την ονομαστική του γεωμετρία επαφής λόγω φθοράς ή παραμορφώσεων. Γενικά, η υψηλή τιμή της πίεσης επαφής του δεν είναι δυνατό να αντισταθμισθεί από υδροδυναμικό μηχανισμό ώστε να αποκολληθεί ο δακτύλιος αυτός από τον κύλινδρο, αν και είναι ο μόνος που του παρέχεται λιπαντικό σε αφθονία. Συνήθως εμφανίζει δύο χείλη πλάτους δεκάτων χιλιοστού πχ 0.2-0.4 mm, συνoλικό πλάτος περίπου 4.5 mm και ελαστική πίεση 7.8 105 Pa. Θεωρητικό προσομοιωτικό μοντέλο [1-4] δίδει γιά περιστροφή στροφαλοφόρου από 1500 – 6000 rpm και λιπαντικό ιξώδους 7.4 mPas (15W40-130ο C), μέγιστο πάχος απαιτούμενης λιπαντικής μεμβράνης κατά την παλινδρόμηση της τάξης των 3 μm. Η μεγάλη τιμή της ελαστικής πίεσης στον 3ο δακτύλιο επιτυγχάνεται με εσωτερικό ελατηριωτό εκτατήρα. Τέτοιου τύπου εκτατήρες χρησιμοποιούνται και για τους άλλους δακτυλίους σε περιπτώσεις πολύ φθαρμένων κυλίνδρων (έως 0.50 mm φθορά στην διάμετρό τους) προς αποφυγή ανεπιθύμητων συμβάντων (διαρροή λιπαντικού, υπερβολική κατανάλωση λιπαντικού, αύξηση blow by) χωρίς να είναι και η βέλτιστη ενδεδειγμένη λύση από την άποψη τριβής-φθοράς.
3. Μετρήσεις-Αποτελέσματα
Τα πειραματικά αποτελέσματα που παρουσιάζονται στη συνέχεια αναφέρονται σε μετρήσεις που έλαβαν χώρα κατά την λειτουργία πειραματικού προσομοιωτή [1-4]. Τα στοιχεία γεωμετρίας, μικροτοπογραφίας, κινηματικής και ελαστικότητας των στοιχείων καθώς και του ιξώδους του λιπαντικού δίνονται στην συνέχεια:
• Tύπος κινητήρα: 4-κύλινδρος σε σειρά (Renault 851), κυβισμού 541 cm3 ανά κύλινδρο
• Διάμετρος κυλίνδρου: 88 mm
• Διαδρομή εμβόλου : 89 mm
• Μήκος διωστήρα: 145.5 mm
• Υπολογισθείσες τιμές παραμέτρων μικρογεωμετρίας κυλίνδρου για αρχική κατάσταση: σ = 1.10 μm, σ’ = 0.95 μm, yo = 0.40 μm, ηβσ’ = 0.20, σ’/β = 0.050, γ = 0.30 (όπου σ η τιμή rms της κατανομής του πληθυσμού των υψομέτρων σημείων της επιφάνειας του κυλίνδρου, σ’ η τιμή rms της κατανομής του πληθυσμού των υψομέτρων των κορυφών των λόφων της επιφάνειας του κυλίνδρου, yo η διαφορά των μέσων τιμών των προαναφερθέντων πληθυσμών, η η πυκνότητα λόφων, αριθμός λόφων ανά μονάδα επιφάνειας, β η αντιπροσωπευτική ακτίνα καμπυλότητας των λοφων και γ ο δείκτης ανισοτροπίας της επιφάνειας).
• 1ος δακτύλιος: πλάτος 1.75mm, ελαστ. πίεση 2.0 105 Pa, καμπυλότητα 18 mm
• 2ος δακτύλιος: πλάτος 2.00mm, ελαστ. πίεση 2.0 105 Pa , κωνικότητα 35 μm
• 3ος δακτύλιος: πλάτος χειλέων 0.40 mm, ελαστική πίεση 7.8 105 Pa
• Συνθήκες λειτουργίας: (περιστροφική ταχύτητα/ιξώδες λιπαντικού) 500 rpm/70 mPa.s, 500 rpm/11 mPa.s, 955 rpm/70 mPa.s, 955 rpm/11 mPa.s
• Μετρητική συστοιχία: πιεζοηλεκτρικά μετρητικά στοιχεία δύναμης KISTLER 9051, ενισχυτής KISTLER 5001, φίλτρο KROHN-HITE 3202, ψηφιακός παλμογράφος NICOLET 4094 με δυνατότητα τοπικής εγγραφής δεδομένων και συνεργασία με PC.
Τα αποτελέσματα εμφανίζονται στα Σχήματα 1 έως 5.
4. Συζήτηση
H πλήρης εικόνα της τριβολογικής λειτουργίας ενός δακτυλίου εμβόλου ΜΕΚ καθίσταται φανερή μόνον όταν υπάρχουν στοιχεία κατά την διάρκεια του παλινδρομικού κύκλου σχετικά με:
• To ελάχιστο πάχος λιπαντικού που διαχωρίζει την επιφάνεια κυλίνδρου από την κατατομή του ελατηρίου
• Την λιπαινόμενη περιοχή της κατατομής του δακτυλίου, δηλαδή το λιπαινόμενο ενεργό πάχος του δακτυλίου
• Την πλήρη εικόνα της κατατομής του δακτυλίου περιφερειακά
• Την ύπαρξη ή όχι κυλινδρικής συμμετρίας
• Την δυνατότητα μέτρησης της δύναμης τριβής με απόκριση του συστήματος μέτρησης ώστε να καταγράφονται λεπτομερώς οι τιμές κατά την αναστροφή του προσήμου της ταχύτητας καθώς και την δυνατότητα μέτρησης του πάχους της λιπαντικής μεμβράνης του δακτυλίου παράλληλα με την δύναμη τριβής με επαγωγικά ή χωρητικά στοιχεία μέτρησης ταχείας απόκρισης
• Την πλήρη ζυγοστάθμιση δυναμικά του πειραματικού προσομοιωτή
• Την ανεξάρτητη έδραση του συστήματος κυλίνδρου/μετρητικών στοιχείων σε σχέση με τον προσομοιωτή και την βέλτιστη επιλογή των μαζικών χαρακτηριστικών του
• Την πλήρη χαρτογράφιση του προσομοιωτή σε λειτουργία εν κενώ με σκοπό την αναγνώριση των παρασίτων αρμονικών ή ιδιοσυχνοτήτων
• Πεδίο λειτουργίας 500-6000 rpm για άμεση εκμετάλλευση των αποτελεσμάτων στο πεδίο λειτουργίας συνηθισμένων ΜΕΚ
• Δυνατότητα πολλαπλότητας δοκιμών για σύνολα διαφορετικών γεωμετριών
• Δυνατότητα μελέτης ταλαντωτικών φαινομένων λόγω τριβής (Stick-Slip)
Στην παρούσα μελέτη, ένας έμμεσος προσδιορισμός της κατάστασης λίπανσης που εμφανίζεται στην λιπαινόμενη επαφή μεταξύ δακτυλίου εμβόλου και κυλίνδρου ΜΕΚ θεωρείται εφικτός μέσα αφ’ ενός της συνεχούς μέτρησης της δύναμης τριβής και αφ’ ετέρου, ελλείψει μετρήσεων πάχους λιπαντικής μεμβράνης, με την βοήθεια θεωρητικού εργαλείου-προσομοιωτικού μοντέλου της υπό μελέτη συμπεριφοράς.
Αν και αυτής της φυσιογνωμίας θεωρητικά μοντέλα-εργαλεία είναι δυνατό να τεθούν υπό αμφισβήτηση λόγω των περιοριστικών βασικών υποθέσεων που τα χαρακτηρίζουν, η δυνατότητα επανεξέτασης των υποθέσεων αυτών θεωρείται επίσης εφικτή με την λειτουργία συγκριτή πειραματικών/θεωρητικών αποτελεσμάτων.
Στο θεωρητικό μοντέλο που διατίθεται, κάθε δακτύλιος έχει σταθερή κατατομή περιφερειακά και παρουσιάζει δυνατότητα ελαστικής παραμόρφωσής του κατά την περίπτωση που η υδροδυναμική του λειτουργία απαιτεί την απομάκρυνσή του από το τοίχωμα του κυλίνδρου με την παρεμβολή στρώματος λιπαντικού (σε αφθονία) συγκεκριμένου πάχους. Λαμβανομένου υπ’ όψη και του διακένου του ανοικτού δακτυλίου η θεωρητική προσέγγιση οδηγεί στα ακόλουθα συμπεράσματα:
1. Ο 1ος δακτύλιος παρουσιάζει προφίλ το οποίο μπορεί να λειτουργήσει υδροδυναμικά και κατά τις δύο φάσεις κίνησης του εμβόλου (κάθοδο, από ΑΝΣ προς ΚΝΣ και άνοδο, από ΚΝΣ προς ΑΝΣ) και κυρίως στο μέσο της διαδρομής του, ή πιο συγκεκριμένα στην περιοχή μεγιστοποίησης του μέτρου της ταχύτητάς του. Ο δακτύλιος αυτός παρουσιάζει θεωρητικά υδροδυναμική δύναμη τριβής που χαρακτηρίζεται από αύξηση της τιμής της με την αύξηση του ιξώδους, της ταχύτητας περιστροφής, της ελαστικής πίεσης ή γενικά του φορτίου. Τα αποτελέσματα των μετρήσεων με βάση την pmf αποτελούν ένδειξη για έστω και μερική υδροδυναμική λίπανση του δακτυλίου αυτού εμφανίζοντας αντίστοιχα με τα προαναφερθέντα χαρακτηριστικά (Σχ. 1).
Σε αλληλεπίδραση με τον 2ο δακτύλιο σε ζεύγος, εμφανίζει αύξηση των απωλειών σε σχέση με το άθροισμα των απωλειών των μεμονωμένων δακτυλίων, προσδίδοντας τελικά στο ζεύγος μία ελαφρά δική του φυσιογνωμία λειτουργίας (Σχ. 2).
Σε συνδυασμό-αλληλεπίδραση με τον 3ο δακτύλιο εμφανίζει ελαφρά αύξηση των απωλειών με τελική συμπεριφορά του ζεύγους επίσης παρόμοια με τη δική του, όμως με λιγότερο έντονες διακυμάνσεις λόγω της παρουσίας μιας σταθερότητας στη συμπεριφορά του 3ου δακτυλίου (Σχ. 4).
Στην εκτίμηση συνθετικών απωλειών του συνόλου λαμβάνοντας υπ’ όψη της απώλειες γιά 1ο και 2ο δακτύλιο μαζί αθροιζόμενες αλγεβρικά με τον μεμονωμένο 3ο υπάρχει υπερεκτίμηση των απωλειών, ενώ αντίθετα 1ος και 3ος μαζί σε σύνθεση με τον 2ο ή συνθετικές απώλειες με βάση μεμονωμένους τους δακτυλίους δίνουν αρκετά καλή προσέγγιση απωλειών (Σχ. 5).
Σημαντική θεωρείται η παρατήρηση ότι στην συστοιχία των τριών δακτυλίων εμφανίζονται τελικά παρόμοια λειτουργικά χαρακτηριστικά πού καταγράφονται στον 1ο δακτύλιο σε μεμονωμένη λειτουργία.
2. Ο 2ος δακτύλιος, εξ αιτίας του σχήματός του, παρουσιάζει θεωρητικά μια αναμενόμενη σταθερότητα δύναμης τριβής κατά την κάθοδο λόγω συνεχούς επαφής του με τον κύλινδρο. Πρόσθετη υδροδυναμική συνιστώσα τριβής κατά την φάση αυτή δεν είναι δυνατό να εμφανισθεί λόγω αρνητικού πεδίου πιέσεων-σπηλαιώσεων-διακοπής της συνέχειας της μεμβράνης. Οποιαδήποτε μείωση της τιμής της δύναμης τριβής στην μεσαία περιοχή οφείλεται μάλλον σε μεταβολή της επιφάνειας επαφής λόγω περιστροφής της κατατομής (βαθμός ελευθερίας λόγω δημιουργίας ροπών επί του δακτυλίου). Κατά την άνοδο όμως, η δυνατότητα παραλαβής υδροδυναμικού φορτίου οδηγεί σε μείωση της δύναμης τριβής η οποία την στιγμή που δεν εξαρτάται σημαντικά από την θερμοκρασία σημαίνει ότι προέρχεται από υδροδυναμική λίπανση μέρους μόνο του πλάτους του δακτυλίου και συγχρόνως έντονη παρουσία συνιστώσας τριβής που οφείλεται κατά βάση σε μεταλλική επαφή. Η καταγραφή της συμπεριφοράς αυτής με βάση την pmf παρουσιάζεται στο Σχήμα 1. Ο 2ος δακτύλιος σε ζεύγος με τον 1ο χάνει τις ιδιότητες του αν και προσδίδει τελικά μία πτωτική τάση στις απώλειες με την μείωση του ιξώδους και την αύξηση της ταχύτητας, τάση που παρατηρείται όταν λειτουργεί μεμονωμένα. Σε ζεύγος με τον 3ο παρατηρείται μείωση των συνολικών απωλειών και έντονη σταθερότητα/έλλειψη ευαισθησίας έναντι θερμοκρασίας και ταχύτητας.
Η διαδικασία προσδιορισμού των απωλειών του συνόλου λαμβάνοντας υπ’ όψη 2ο και 3ο δακτύλιο μαζί, σε σύνθεση με τον 1ο μεμονωμένο, οδηγεί σε σοβαρή υποεκτίμηση των απωλειών αλλά με έντονα τα χαρακτηριστικά συμπεριφοράς που παρατηρούνται στην πλήρη συστοιχία, ενώ αντίθετα 1ος και 2ος σε συστοιχία και σύνθεση με τον 3ο οδηγούν σε υπερεκτίμηση απωλειών, όπως ήδη έχει αναφερθεί (Σχ. 5).
3. Ο 3ος δακτύλιος εμφανίζει γενικά, έντονα χαρακτηριστικά αδυναμίας παραλαβής υδροδυναμικού φορτίου, όμως μια έστω και ελαφρά περιστροφή της κατατομής του μπορεί να οδηγήσει σε μερική υδροδυναμική λίπανση γεγονός που εξηγείται με την μικρή εξάρτηση από την θερμοκρασία λαδιού (Σχ. 1). Σε αλληλεπίδραση-ζεύγος με τον 1ο εμφανίζει να προσδίδει σταθερότητα με ελαφρά αυξητική τάση (Σχ. 4). Σε αλληλεπίδραση-ζεύγος με τον 2ο όπως προαναφέρθηκε προσδίδει σταθερότητα με μείωση του συνόλου των απωλειών (!) (Σχ. 3).
5. Συμπεράσματα
Εκτιμήσεις των απωλειών λόγω τριβής που σφείλονται στους δακτυλίους του εμβόλου μπορούν να επιτευχθούν μέσα από πειραματική προσομοίωση και με βάση την τιμή pmf που εκφράζει την απώλεια μέσης πίεσης λίγω τριβών κατά τον πλήρη κύκλο 4-χρονου κινητήρα εσωτερικής καύσης.
Οι απώλειες αυτές δίνουν σφαιρική εικόνα της τριβολογικής συμπεριφοράς των δακτυλίων εμβόλων αλλά δεν μπορούν να δώσουν ιδιαίτερες πληροφορίες πάνω σε τοπικές δράσεις των δυνάμεων τριβής που συνδέονται στενά με την φθορά, αν και η τιμή της pmf προέρχεται από υπολογισμό στον οποίο λαμβάνονται υπ’ όψη όλες αυτές οι τιμές των δυνάμεων.
Σε συνθήκες ανοικτού κυλίνδρου που προσεγγίζουν τις φάσεις εξαγωγής καυσαερίων και εισαγωγής μίγματος 4-χρονου κινητήρα εσωτερικής καύσης, η εκτίμηση των απωλειών λόγω τριβής μιάς πλήρους συστοιχίας δακτυλίων εμβόλου μπορεί να επιτευχθεί και από σύνθεση/αλγεβρικό άθροισμα των απωλειών των μεμονωμένων δακτυλίων ή ακόμη και από σύνθεση/αλγεβρικό άθροισμα απωλειών προερχομένων από ζεύγος δακτυλίων προσαυξημένων κατά της απώλειες του ετέρου δακτυλίου σε μεμονωμένη λειτουργία.
Το γεγονός αυτό καταδεικνύει την μερική, όχι αμιγώς υδροδυναμική λίπανση των δακτυλίων του εμβόλου ακόμη και κάτω από τις πιό ευνοϊκές ρεαλιστικές συνθήκες λειτουργίας τους.
6. Βιβλιογραφία
[1] Pandazaras, C.N., «Diminution des pertes par frottement dans les ensembles Pistons-Segments- Chemises / Simulateur: Definition-Mesures proposées-Calcul Théorique de l’ Effort de Frottement”, Institut Supérieur des Matériaux et de la Construction Mécanique - ISMCM, St Ouen/Paris- France, Thesis D.I.S – D.E.A. (1981)
[2] Pandazaras, C.N., «Etudes Experimentales et Theoriques sur les Pertes par Frottement dans les Ensembles Pistons-Segments-Chemises», Etude Bibliographique, Direction des Laboratoires/Direction de Recherche et Developement/Régie Nationale des Usines Renault (DLA/DRDA/RNUR) - ISMCM, France (1982)
[3] Pandazaras, C.N., «Modelisation Théorique et Expérimentale du Frottement Segment-Chemise», Thesis D.D.I., ISMCM - DLA/DRDA/RNUR, France (1985)
[4] Pandazaras, C.N., «RENAULT Ring-Liner Friction Code», Report JRC-PG Tribology in Power Train, (PSA-FIAT-VOLVO-B.L.-RENAULT) DLA/DRDA/RNUR, France (1985)
[5] Rohde S.M., «A mixed friction model for dynamically loaded contacts with application to piston ring lubrication», Rohde and Cheng, Surface Roughness Effects in Hydrodynamic and Mixed Lubrication ASME (1980), pp. 19-50
[6] Patir N. and Cheng H.S., «An average flow model for determining effects of three-dimensional roughness in partial hydrodynamic lubrication», Journal of Lubrication Technology, Trans. ASME 100 1 (1978) pp. 12-17
[7] Patir N. and Cheng H.S., «Application of average flow model to lubrication between rough sliding surfaces», Journal of Lubrication Technology, Trans. ASME 101 2 (1979) pp. 220-230
[8] Greenwood J.A. and Tripp J.H., «The contact of two nominally flat surfaces», Proc. Inst. Mech. Eng. 185 (1971), pp. 625-633
[9] Priest M., «The Wear and Lubrication of Piston Rings», Ph. D. Thesis, University of Leeds (1996)
[10] Ming-Tang Ma, Sherrington I., Smith E. H. and Grice N., «Development of a detailed model for piston ring lubrication in IC engines with circular and non circular cylinder bores», Tribology International, Vol. 30, No 11, (1997), pp 779-788
[11] Pawlus Pawel, «Change of Cylinder Surface Topography in the Initial Stage of Engine Life», Wear 209, (1997), pp 69-83
[12] You-Bai Xie, «On the Tribology Design», Tribology International, Volume 32, Issue 7, (1999), pp 351-358
[13] Priest M., Dowson D. and Taylor C. M., «Predictive wear modeling of lubricated piston rings in a diesel engine», Wear, Volume 231, (1999), pp 89-101
[14] Priest M. And Taylor C. M., «Automotive engine Tribology- Approaching the surface», Wear, Volume 241, Issue 2, (2000), pp 193-203
[15] Sung-Woo Cho, Sang-Min Choi and Choong-Sik Bae, «Frictional modes of barrel shaped piston rings under flooded lubrication», Tribology International, Volume 33, Issue 8, (2000), pp 545-551
[16] Akalin Ozgen and Newaz M. Golam, «Piston Ring-Cylinder Bore Friction Modelling in Mixed Lubrication Regime: Part I- Analytical Results», Journal of Tribology, Volume 123, No 1, (2001), pp 211-218
[17] Akalin Ozgen and Newaz M. Golam, «Piston Ring-Cylinder Bore Friction Modelling in Mixed Lubrication Regime: Part II- Correlation with Bench Test Data»,
Journal of Tribology, Volume 123, No 1, (2001), pp 219-223
[18] Ji-Young Kim, Jee-Woon Kim, Myung-Rae Cho and Dong-Chul Han, «Friction characteristics of piston ring pack with consideration of mixed lubrication¨Parametric investigation», KSME International Journal, Volume 16, No 4, (2002), pp 468-475
*Δρ Κ.Ν. Πανταζάρας, (συμβ. Επ. Καθ.), διδάσκει: Στοιχεία Μηχανών, Μηχ/κό Σχέδιο, Μηχ/κό Σχέδιο με Η/Υ. Ερευνητικά ενδιαφέροντα: Τριβολογία, Μηχανολογικός Σχεδιασμός.–Πρόεδρος του Περ.Τμήματος ΠΣΔΜ-Η Νομού Μαγνησίας
e mail: panda@mie.uth.gr
Περισσότερα... »
