Predicting the durability of the piston-rings-cylinder, assembly of a diesel engine using a piston ring pack model

W artykule przedstawiono nową metodę prognozowania trwałości tłokowego silnika spalinowego, wykorzystującą wyniki pomiarów zużycia elementów układu tłok-pierścienie-cylinder oraz komputerową symulację uszczelnienia TPC silnika. W przeciwieństwie do tradycyjnych metod, proponowana metoda nie wymaga wyprzedzającej znajomości zużycia granicznego, kluczowego dla dokładności prognozy, a którego wiarygodne określenie dla nowych konstrukcji jest trudne. W prezentowanej metodzie zużycie graniczne wyznaczane jest na podstawie analitycznego modelu uszczelnienia TPC. W artykule przedstawiono przykład wykorzystania metody do prognozowania trwałości samochodowego silnika o zapłonie samoczynnym.The article presents a new method for predicting the durability of an internal combustion engine, which uses results of wear measurements of components of the piston-rings-cylinder system and computer simulations of the piston ring pack. In contrast to traditional methods, the method proposed here does not require previous knowledge of wear limits, which, though crucial for precise prediction, are difficult to determine reliably in modern structures. In the method presented here, wear limits are determined on the basis of an analytical model of the piston ring pack. The article shows an example of the application of the proposed method for predicting the durability of a motor-vehicle compression-ignition engine

Application of the piston-rings-cylinder kit model in the evaluation of operational changes in blowby flow rate

W pracy dokonano oceny możliwości wykorzystania analitycznego modelu szczelności układu tłok-pierścienie-cylinder (TPC) do przewidywania eksploatacyjnych zmian stanu technicznego samochodowego silnika spalinowego. Oceny tej dokonano porównując wyniki badań symulacyjnych modelu TPC z wynikami badań przeprowadzonych na obiektach rzeczywistych. Na podstawie długotrwałych badań eksploatacyjnych wyznaczono przebieg zużycia tulei cylindrowej oraz zmiany natężenia przedmuchów spalin do skrzyni korbowej samochodowego silnika o zapłonie samoczynnym. Następnie przy użyciu opracowanego modelu TPC, pozwalającego uwzględniać wpływ zużycia, obliczono natężenia przedmuchów spalin dla wartości zużycia odpowiadających różnym przebiegom samochodu. Wyniki porównania wartości obliczonych ze zmierzonymi pozwalają stwierdzić, że opracowany model uszczelnienia TPC może być wykorzystany do przewidywania zmian natężenia przedmuchów spalin spowodowanych eksploatacyjnym zużyciem silnika.The study provides an evaluation of possible applications of the analytical model of the piston-rings-cylinder kit for prediction of the operational changes in the technical condition of a motor-vehicle internal combustion engine. This evaluation was based on a comparison of the results of piston-rings-cylinder kit model simulation and the results of real object testing. Based on long-term operational tests, cylinder liner wear profiles were determined along with blowby flow rates for compression ignition engines. Then, using the developed piston-rings-cylinder model, which takes into consideration the impact of the wear, the blowby flow rates were calculated for wear values corresponding to different kilometrage. The results of the comparison of values calculated with the values measured suggest that the developed piston-rings-cylinder kit model may be used for prediction of blowby flow rate changes due to engine wear

Okresowe zmiany intensywności zużycia tulei cylindrowej silnika samochodowego spowodowane zużyciem rozruchowym

The share of start-up wear in total wear of an automobile engine is large, and in the analysed case it exceeded 40%. The amount of start-up wear of engine elements strongly depends on start-up temperature: the lower temperature, the larger wear. Hence the particular significance of so-called cold start-ups, which most often are first starts of an engine on a given day. The temperature of the first start-up in ungaraged vehicles is the same as the temperature of the surroundings, and it depends on the season. This article analyses changes in mean intensity of wear of a truck engine cylinder liner associated with different temperatures of first start-up in different seasons. In the analysed case, the intensity of wear in winter was 16% higher than in the summer. Also discussed are the possible consequences of the above changes for wear intensities determined in measurements.Udział rozruchów w całkowitym zużyciu silnika samochodowego jest duży – w analizowanym przypadku ponad 40%. Wielkość zużycia elementów silnika towarzyszącego rozruchowi silnie zależy od temperatury rozruchu: im temperatura rozruchu jest niższa, tym większe jest zużycie. W związku z tym szczególne znaczenie mają tzw. zimne rozruchy, którymi najczęściej są pierwsze uruchomienia silnika w danym dniu. Temperatura pierwszego rozruchu w przypadku niegarażowanych pojazdów równa jest temperaturze otoczenia, czyli zależy od pory roku. W artykule przeanalizowano zmiany średniej intensywności zużycia tulei cylindrowej silnika samochodu ciężarowego związane z różnymi temperaturami pierwszego rozruchu w poszczególnych porach roku. W analizowanym przypadku intensywność zużycia w okresie zimowym była o 16% większa, niż w okresie letnim. Omówiono również możliwe konsekwencje powyższych zmian dla wyznaczanych na podstawie pomiarów intensywności zużycia

Model eksploatacyjnych zmian szczelności przestrzeni nadtłokowej silnika o zapłonie samoczynnym

W artykule przedstawiono wyniki badań szczelności komory spalania silnika o zapłonie samoczynnym w czasie długotrwałej eksploatacji. Badania przeprowadzono na 5 egzemplarzach sześciocylindrowego silnika wykorzystywanego do napędu samochodów ciężarowych. Zmiany szczelności w zakresie przebiegów 0–500 tys. km określono na podstawie wyników pomiarów: spadku ciśnienia z wykorzystaniem próbnika szczelności komory spalania, maksymalnego ciśnienie sprężania w cylindrach oraz natężenia przedmuchów spalin do skrzyni korbowej w różnych warunkach pracy silnika. Wyniki badań poddano analizie statystycznej. Opracowano stochastyczne modele zmian szczelności komory spalania silnika w funkcji przebiegu samochodu. Model opisuje przebieg wartości średniej wybranego parametru diagnostycznego w czasie oraz granic obszaru prawdopodobnych zmian tego parametru. Wyniki badań wykazały, że zarówno prędkość jak i charakter zmian w funkcji czasu eksploatacji były różne dla różnych parametrów. Najmniejszą dynamiką zmian wyróżniało się maksymalne ciśnienie sprężania (spadek o mniej niż 20% w zakresie przebiegów samochodu: 0–500 tys. km), średnią dynamiką – wskaźnik szczelności, a największą – natężenie przedmuchów spalin (3-krotny wzrost przy 2200 obr/min), przy czym dla dwóch pierwszych parametrów szybkość zmian zwiększała się wraz z przebiegiem samochodu, natomiast w przypadku przedmuchów spalin zmiany miały charakter liniowy. Wyznaczono również pola rozproszeń (zmian odchyleń standardowych) dla badanych parametrów diagnostycznych.The paper presents the results of tightness testing of an internal combustion engine combustion chamber during long-term operation. The tests were conducted on 5 six-cylinder diesel engines used in motor trucks. Changes in tightness for the distance range 0–500,000 km were determined based on the measurement results of the following: pressure drop measured using a cylinder leakdown tester, maximum compression pressure in the cylinders, and the blow-by flow rate at different engine operating conditions. The obtained test results were analyzed statistically. Stochastic models of changes in engine combustion chamber tightness versus distance traveled were developed. Each model describes the time history of the mean value of a selected diagnostic parameter and the limits of probable changes in this parameter. The test results have shown that both the rate and character of changes as a function of engine operation time differed depending on a parameter. The maximum compression pressure was characterized by the lowest dynamics of changes (a decrease by less than 20% for the distance range 0–500,000 km), the cylinder leakage was characterized by a moderate change dynamics, while the blow-by flow rate exhibited the highest dynamics of changes (a threefold increase at 2200 rpm). It should also be mentioned that in the case of the first two parameters, the rate of changes increased with the distance traveled, whereas in the case of the blow-by the observed changes were linear. Also, dispersion fields (i.e. changes in standard deviations) were calculated for the tested diagnostic parameters

The influence of tolerances of piston group elements on blow-by in combustion engine

Wykorzystując matematyczny model uszczelnienia pierścieniowego, przeanalizowano wpływ tolerancji wykonania tłoka, pierścieni tłokowych i cylindra na natężenie przedmuchów spalin w nowoczesnym silniku o zapłonie samoczynnym stosowanym do napędu samochodów osobowych. Wyniki symulacji wykazały, że wahania przedmuchów związane z tolerancjami mogą sięgać 40% wartości średniej, co jest wartością większą od wartości rzeczywistej obserwowanej w przypadku analizowanego silnika. Obserwowane podczas prób kontrolnych, wykonywanych na silnikach opuszczających linię technologiczną, duże wahania natężenia przedmuchów mogą więc być związane z niepowtarzalnością produkcji elementów układu TPC.Paper discussed the influence of production tolerances of the piston, piston rings and cylinder on the on the blow-by rate in a modern car diesel engine. The study were carried using a mathematical model of a ring pack. The results showed that the blow-by variations related to the said tolerances may reach 40% of the average value, which is a greater value than the actual variations observed in the case of the analysed engine. Significant blow-by variations observed in newly manufactured engines might thus be related to the non-reproducibility of production of the piston assembly elements

The study of the turning possibility of tractors with oversize semitrailers

W ramach projektu badawczego zmierzającego do opracowanie w firmie Wielton konstrukcji nowej specjalistycznej naczepy wielkogabarytowej, przeprowadzono badania symulacyjne możliwości skrętnych tej naczepy w trakcie jej przejazdu przez wąskie rondo. Wyniki tych badań miały na celu określenie możliwości spełnienia wymagań prawnych w zakresie zwrotności naczepy. Symulacje przeprowadzono przy pomocy specjalnie przygotowanego arkusza kalkulacyjnego, który pozwalał na analizę przemieszczeń kół zestawu ciągnik-naczepa przy założeniu ich toczenia bez poślizgu bocznego. Arkusz określał przebieg zmian wartości kątów skrętu kół naczepy, a także jej zachodzenie na zakręcie oraz ścinanie zakrętu. Pozwalał również prześledzić wpływ zmianach parametrów geometrycznych ciągnika i naczepy na manewrowość całego zestawu. W artykule przedstawiono wyniki przeprowadzonych symulacji, wskazano na pożądane cechy systemu skrętnego naczepy sprzyjające pokonywaniu przez nią wąskich zakrętów.As part of a research project aimed at designing a new special-purpose multi-axle semitrailer for transporting large machines and equipment run at Wielton company, a simulation study on the maneuverability of the semitrailer during passing through a tight corner was performed. The aim of this study was to determine whether the semitrailer would meet the legal requirements regarding maneuverability. The simulations were carried out using a specially designed spreadsheet. The spreadsheet enabled analysis of the movements of the wheels of the tractor-trailer combination, with the assumption that they roll without skidding. It also described changes in the steering angles of trailer wheels, as well as off-tracking and corner-cutting during turning. The spreadsheet also allowed to analyze the impact of geometrical parameters of the tractor and trailer on the maneuverability of the whole tractortrailer combination. This paper presents the results of the simulations and points to the desired features of a semitrailer steering system that facilitate negotiating tight corners

Wear profile of the cylinder liner in a motor truck diesel engine

The paper presents results of investigation of cylinder liners wear. The investigation was carried out on diesel engines during long lasting operation in 5 motor trucks. Cylinder diameters were measured in two perpendicular planes on four depths using 2-point bore gauge, after removal of the cylinder head. Measurements were made every 50 000 km of vehicle mileage. Such methodology of measurements enabled to determine time course and wear profile of the cylinder liners (wear value in relation to the direction and height of the liner). It was stated that increments of diameter during the first period of operation are several times higher than during the later periods, when the wear intensity is constant. It was also found that wear of the cylinder liner in the plane perpendicular to the engine axis is bigger than in the parallel plane, and that wear in the upper part of the liner is twice as big as in its middle part. Measurement scheme for the cylinder liner; histogram of cylinder liner diameters obtained in measurements after the technological running-in of the engine after mileage of 0, 50,000 km, 150,000 km and 250,000 km, wear profiles of cylinder liners in the two directions at different vehicle mileages are presented in the paper. Estimated profiles of the cylinder liner wear will be used as input data for the calculations of the blowby intensity with the use of mathematical model of PRC set

Mathematical Model of Piston Ring Sealing in Combustion Engine

This paper presents a mathematical model of piston-rings-cylinder sealing (TPC) of a combustion engine. The developed model is an itegrated model of gas flow through gaps in TPC unit , displacements and twisting motions of piston rings in ring grooves as well as generation of oil film between ring face surfaces and cylinder liner. Thermal deformations and wear of TPC unit elements as well as heat exchange between flowing gas and surrounding walls , were taken into account in the model. The paper contains descriptions of: assumptions used for developing the model , the model itself, its numerical solution as well as its computer application for carrying out simulation tests

Zmiany parametrów pracy oraz zużycie małego silnika o zapłonie samoczynnym podczas próby trwałościowej

Changes in engine performance and efficiency, the tightness of ring-pack and wear of piston group parts during long-lasting bench durability test were investigated. The tests were conducted on 2 modern automotive diesel engines. The parameters analysed improved in the initial period of engine operation and then they started to deteriorate gradually; however, the rates of change were different for different parameters. The rate of change was the highest in the case of lubricating oil consumption (100% increase during the test). The blowby increased in that period of time by 25-60%, depending on the condition of engine operation. The changes in power and specific fuel consumption were much smaller – only a few percent. Moreover, using the previously developed method utilizing the simulations made with the use of the ring-pack model, the durability of the piston group was predicted. The predicted durability was equal to 300,000 km.W artykule zaprezentowano analizę zmian mocy i sprawności silnika oraz szczelności układu tłok–pierścienie–cylinder, a także zużycia elementów silnika podczas długotrwałych badań stanowiskowych. Obiektem badań był nowoczesny, samochodowy silnik o zapłonie samoczynnym. Wartości analizowanych parametrów uległy poprawie w początkowym okresie pracy silnika, po czym zaczęły ulegać stopniowemu pogarszaniu, przy czym szybkość zmian dla poszczególnych parametrów była różna. Najszybciej wraz z czasem pracy silnika wzrastało zużycie oleju silnikowego (wzrost w czasie testu o około 100%). Natężenie przedmuchów spalin wzrosło w tym czasie od 25 do 60%, w zależności od warunków pracy silnika, natomiast moc i jednostkowe zużycie paliwa zmieniły się tylko o kilka procent. Ponadto, z wykorzystaniem opracowanej wcześniej metody, bazującej na symulacjach prowadzonych z użyciem matematycznego modelu uszczelnienia pierścieniowego, dokonano oceny trwałości zespołu TPC silnika. Prognozowana trwałość wyniosła 300 000 km