Wystêpuj¹ce w zespole TPC naciski s¹ nastêpstwem cinienia pochodz¹cego od pro-cesu spalania i sprê¿ystoci w³asnej zespo³u piercieni t³okowych. Wartoci tego cinienia s¹ okrelane w wyniku pomiarów bezporednich lub obliczeñ prowadzonych z wyko-rzystaniem modeli matematycznych przep³ywu czynnika w zespole TPC. Jako przyk³ad pomiarów bezporedniego cinienia w przestrzeniach miêdzypiercieniowych mo¿na przytoczyæ prace Todsena [179] i Englisha [29]. Stwierdzono w nich ponad dziesiêcio-krotne zmniejszenie cinienia na pierwszym piercieniu w pierwszej fazie procesu
spa-lania, a wiêc w przedziale 020o OWK.
Podstawowym zagadnieniem w modelowaniu przep³ywu czynnika w zespole TPC jest opisanie przestrzeni miêdzypiercieniowych i przep³ywu gazu miêdzy nimi. Cinie-nie jest liczone krokowo z przep³ywu gazu przez pakiet piercieni, gdzie wartociami
Rys. 3.3. Szczeliny wyp³ywu gazów na piercieniu t³okowym [90]: a) na powierzchniach uszczelniaj¹cych, b) na zamku piercienia
Fig. 3.3. Exhaust parts on piston ring [90]: a) on sealing surfaces b) on piston ring joint
31
brzegowymi jest zmierzone cinienie panuj¹ce w komorze spalania i skrzyni korbowej. Powinny byæ uwzglêdnione przep³ywy gazu przez zamek piercienia oraz powierzchnie boczn¹, górn¹ i doln¹ piercienia (rys. 3.3).
W wiêkszoci modeli zak³ada siê, ¿e przep³yw miêdzy piercieniami, t³okiem i g³a-dzi¹ tulei zachodzi zgodnie z przemian¹ izotermiczn¹. W praktyce jest to zbli¿one do prawdy ze wzglêdu na bardzo bliski kontakt tych elementów oraz niewielkie ich prze-kroje. Nieodzowna jest przy tym znajomoæ temperatury poszczególnych elementów. Najczêciej za model uszczelnienia t³oka z piercieniami w tulei cylindrowej przyjmuje siê labirynt ograniczony powierzchni¹ tulei, boczn¹ powierzchni¹ t³oka, powierzchnia-mi górn¹, doln¹ i tyln¹ rowków piercieniowych w t³oku i piercieniapowierzchnia-mi t³okowypowierzchnia-mi. Jest to kilka przestrzeni po³¹czonych ze sob¹ szczelinami d³awi¹cymi. Z charakteru zmian cinienia w przestrzeni roboczej silnika wynika, ¿e przep³yw w tych przestrzeniach jest nieustalony i jego natê¿enie zale¿y nie tylko od przekroju szczelin, ale i objêtoci po-szczególnych przestrzeni [118].
Jak wynika z rys. 3.3 przy ustawieniu piercienia w tej pozycji przep³yw gazu mo¿e odbywaæ siê nie tylko przez zamek piercienia, lecz równie¿ wokó³ piercienia. War-toæ pola przekroju na powierzchni bocznej mo¿e dziesi¹tki razy przekraczaæ warWar-toæ pola przekroju powierzchni zamka piercienia [166]. Do takiej sytuacji mo¿e dojæ przy przemieszczeniach promieniowych piercienia w rowku t³oka.
W wyniku procesu wytwarzania elementów zespo³u TPC ich kszta³t wskutek za³o-¿onych dok³adnoci wykonawczych odbiega od doskona³oci. Mo¿e to wp³ywaæ na zwiêk-szenie intensywnoci przep³yw czynnika przez powsta³e nieszczelnoci. Mog¹ to byæ nieko³owoci tulei cylindrowych, brak p³askoci powierzchni pó³ek rowków piercie-niowych, brak ko³owoci piercieni po monta¿u zespo³u TPC i inne. Równie¿ w trakcie eksploatacji pojawiaj¹ siê zmiany przep³ywu zwi¹zane z zu¿yciem elementów zespo³u TPC. Objawiaj¹ siê one przyk³adowo zwiêkszeniem zu¿ycia tulei w ZZ pierwszego pier-cienia.
Na wartoæ natê¿enia przep³ywu ma równie¿ wp³yw zmiana warunków pracy silni-ka, powoduj¹ca temperaturowe zmiany geometrii elementów zespo³u TPC. T³ok w jed-nym cyklu pracy wielokrotnie zmienia swoje po³o¿enie w tulei, przylegaj¹c do jej po-wierzchni jedn¹ lub drug¹ stron¹ oraz przyjmuj¹c po³o¿enia skone. Ma to wp³yw na zmiany pola powierzchni przekroju zamka.
W przestrzeniach miêdzy piercieniami a pó³kami rowków t³oka i powierzchni¹ tu-lei znajduje siê olej smaruj¹cy, który powoduje zmniejszenie ich objêtoci oraz doszczel-nienie. Iloæ oleju znajduj¹cego siê na tych powierzchniach zale¿y od mikrogeometrii powierzchni oraz ich zwil¿alnoci olejem.
Opisane w literaturze modele matematyczne przep³ywu gazów w zespole TPC ró¿-ni¹ siê miêdzy sob¹ zarówno sposobem opisu, jak i zakresem uwzglêdnianych zjawisk [118]. W modelach Tinga [178], Furuhamy [34] i Mundo [113] za³o¿ono, ¿e temperatu-ra czynnika w poszczególnych stopniach i ich objêtoci s¹ sta³e i niezmienne w czasie
oraz ¿e przep³yw miêdzy poszczególnymi stopniami odbywa tylko przez zamki piercieni, a ich przekroje s¹ sta³e. Sam przep³yw jest modelowany jako izentropowy przep³yw przez kryzê i korygowany wspó³czynnikiem przep³ywu. Uwzglêdniono ponadto, ¿e przep³yw w zale¿noci od stosunku cinienia przed i za szczelin¹ mo¿e byæ podkrytyczny lub kry-tyczny. Zamodelowano zespó³ trzypiercieniowy, obci¹¿ony si³ami: cinienia gazu, tar-cia, oporu oleju podczas osiadania na pó³ce rowka t³oka oraz adhezji piercienia uszczel-niaj¹cego. Pominiêto uszczelniaj¹ce dzia³anie piercienia zgaruszczel-niaj¹cego. W modelu Miyachiki i in. [112] poza wymienionymi cechami uwzglêdniono uszczelniaj¹ce dzia-³anie piercienia zgarniaj¹cego, zawê¿aj¹c obci¹¿enie do si³ pochodz¹cych od cinienia gazów i bezw³adnoci. W modelu Yoshidy i in. [192, 193, 194] wprowadzono dodatko-wo wspó³zale¿noæ miêdzy modelem uszczelnienia i modelem dynamiki piercieni. Po-lega to na uwzglêdnieniu dodatkowego pola powierzchni w momencie przep³ywu czyn-nika, gdy piercieñ nie styka siê z rowkiem piercieniowym. Podobnie Petris i in. [123] równie¿ uwzglêdnili przep³yw dooko³a piercienia, opieraj¹c siê na dotychczas wymie-nionych modelach, w odmienny sposób licz¹ pole powierzchni przep³ywu, jako sumê wa¿on¹ pola powierzchni przekroju zamka piercienia oraz pola powierzchni przekroju miêdzy piercieniem a rowkiem. Wagami s¹ podane w pracy Namaziana i Heywooda [114] wspó³czynniki przep³ywu w zamku i rowku piercienia. Poniewa¿ pole miêdzy powierzchni¹ piercienia a rowkiem jest ma³e oraz z uwagi na niedok³adnoci wykona-nia, uwzglêdniaj¹ oni tê wartoæ nawet w czasie, gdy piercieñ spoczywa na rowku t³o-ka. Wspomniany model Namaziana i Heywooda [114] w pe³ni ujmuje zagadnienia prze-p³ywu zarówno przez zamek piercieni, jak i wokó³ piercienia. Przyjêto, ¿e labirynt sk³ada siê z trzech przestrzeni: dwóch za piercieniami uszczelniaj¹cymi i jednej miê-dzy nimi. Podobnie jak w przypadku wymienionych modeli pominiêto dzia³anie uszczel-niaj¹ce piercienia zgaruszczel-niaj¹cego. Za³o¿ono izotermiczny przep³yw miêdzy stopniami, w których temperatura czynnika jest sta³a i równa za³o¿onej temperaturze cylindra. Naj-wa¿niejsze jest to, ¿e przestrzenie za piercieniami s¹ po³¹czone szczelinami o przekro-jach wynikaj¹cych z chwilowych po³o¿eñ piercieni w rowkach. Podobnie jak w mode-lach Tinga i Furuhamy przep³yw przez zamek jest izentropowym przep³ywem przez kryzê, z uwzglêdnieniem przep³ywu krytycznego i podkrytycznego. Heywood w pracy [50] powróci³ do modelu opublikowanego wspólnie z Namazaniem, przedstawiaj¹c jego udo-skonalon¹ wersjê. Uwzglêdniono tu uszczelniaj¹ce dzia³anie piercienia zgarniaj¹cego. Wprowadzono ponadto statyczne i dynamiczne skrêcenia poprzeczne piercieni. Prze-mieszczenia osiowe oraz skrêcenia dynamiczne s¹ tu okrelone jako wynik równowagi si³ i momentów pochodz¹cych od cinienia gazu, bezw³adnoci, oporu oleju przy opa-daniu piercienia na pó³kê rowka w t³oku, nacisków powierzchniowych miêdzy pó³ka-mi rowka i piercieniem, si³ tarcia oraz cinienia w filpó³ka-mie olejowym. Przep³yw przez szczelinê piercieñrowek jest modelowany jak w pracy [118] i przyjêty za izotermiczny. Nieco odmienny sposób opisu wymiany czynnika miêdzy przestrzeniami piercie-niowymi zastosowa³ Sygniewicz [165]. Zmieni³ on za³o¿enie o sta³ej wartoci tempera-tury w stopniach równej wartoci temperatempera-tury cylindra na zmienn¹ temperaturê
wyni-33
kaj¹c¹ z równania zmiany energii wewnêtrznej czynnika. W modelu tym za³o¿ono jed-nak, ¿e objêtoæ stopnia jest sta³a, a izentropowy przep³yw nastêpuje jedynie przez za-mek piercieni. Przekrój powierzchni zamka zmienia siê wed³ug skali logarytmicznej, która jest zwi¹zana z za³o¿onymi logarytmicznymi zmianami temperatury cianki tulei cylindrowej wzd³u¿ jej tworz¹cej. Opis zmian parametrów charakteryzuj¹cych uk³ad oparto na bilansie energii i masy, otrzymuj¹c wyra¿enia opisuj¹ce zmiany temperatury i cinienia w poszczególnych stopniach, czyli przestrzeniach miêdzypiercieniowych. Model Sygniewicza, oprócz wszystkich mo¿liwych przypadków przep³ywu miêdzy stop-niami, wynikaj¹cych z ró¿nicy cinienia oraz przep³ywów podkrytycznych i krytycz-nych, uwzglêdnia równie¿ wp³yw wymiany ciep³a miêdzy czynnikiem gazowym a ota-czaj¹cymi go cianami. Wybrano przy tym i uwzglêdniono w modelu zale¿noci poda-ne przez: Woschniego dla przep³ywu burzliwego, Wieganda dla przep³ywu burzliwego przez przewód o przekroju piercieniowym odpowiednio na powierzchni zewnêtrznej i wewnêtrznej, Michiejewa dla przep³ywu przez przewody o dowolnie skomplikowa-nych kszta³tach oraz Pohlhausena dla przep³ywu laminarnego z uwzglêdnieniem war-stwy przyciennej. Sygniewicz po weryfikacji dowiadczalnej stwierdzi³, ¿e optymal-nym modelem wymiany ciep³a jest model opisany równaniem zaproponowaoptymal-nym przez Pohlhausena. Wynika to z charakteru przep³ywu czynnika, który jest burzliwy jedynie w szczelinie miêdzypiercieniowej i to w bardzo w¹skim przedziale obrotów wa³u kor-bowego. Model Sygniewicza uwzglêdnia równie¿ zmniejszanie siê szczeliny na zamku piercieni wraz z ruchem t³oka ze zwrotu wewnêtrznego do zwrotu zewnêtrznego. We-ryfikacja dowiadczalna modelu wykaza³a jedynie 15% odchylenia od wartoci zmie-rzonych cinienia i przep³ywu, co pozwala dla konkretnego silnika na okrelenie objê-toci przedmuchu spalin do skrzyni korbowej i cinieñ miêdzypiercieniowych w zale¿-noci od wartoci luzu na zamku, czy objêtoci przestrzeni miêdzypiercieniowych. Kon-tynuacj¹ badañ Sygniewicza jest rozwój modeli matematycznych wykonany przez Sczyñskiego i przedstawiony w pracach [154159]. Stosuj¹c obliczone za pomoc¹ mo-delu Sygniewicza cinienie Smoczyñski oblicza wartoci si³ dzia³aj¹cych na piercieñ t³okowy wzd³u¿ osi cylindra i w kierunku promieniowym, dziêki czemu mo¿liwe jest okrelenie osiowych przemieszczeñ piercienia w rowku piercieniowym t³oka, si³ na-cisku piercienia na pó³ki t³oka oraz obci¹¿enia filmu olejowego miêdzy piercieniem i tulej¹ cylindrow¹ [158]. W dalszych pracach model jest rozbudowany o skrêtne prze-mieszczenia piercienia w rowku t³oka [154], odkszta³cenia piercienia i pó³ki piercie-niowej w t³oku, co pozwala ju¿ na okrelenie po³o¿enia k¹towego powierzchni lizgo-wej uszczelniaj¹cego piercienia t³okowego wzglêdem powierzchni tulei cylindrolizgo-wej [155, 156], aby w pracy [157] wzbogaciæ go o odkszta³cenia cieplne t³oka, piercienia t³okowego i tulei cylindrowej. Wraz z omówionym w poprzednich pracach modelem s³u¿¹cym do obliczeñ przemieszczeñ i odkszta³ceñ mechanicznych t³oka i piercieni t³o-kowych umo¿liwia on obliczenie k¹ta pochylenia uszczelniaj¹cego piercienia t³oko-wego. Stanowi to punkt wyjcia do optymalizacji powierzchni lizgowej tego piercie-nia w celu zmniejszepiercie-nia do minimum strat tarcia.
Modelem podsumowuj¹cym dotychczasowe opisy procesu przep³ywu czynnika w labiryncie zespo³u TPC jest zaproponowany przez Niewczasa i Kosza³kê model opi-sany w pracach [91, 118]. W modelu tym uwzglêdniono wp³yw zu¿ycia elementów ze-spo³u TPC w trakcie eksploatacji silnika spalinowego, który objawia siê w postaci po-wiêkszenia luzów oraz zmiany sprê¿ystoci piercieni t³okowych. Cinienie w przestrze-niach miêdzypiercieniowych ³¹czy siê z przemieszczeniem piercieni w rowkach pier-cieniowych. Oznacza to, ¿e objêtoæ i pole przekroju zamków piercieni s¹ funkcjami k¹ta obrotu wa³u korbowego, natomiast pole przekroju szczeliny miêdzy piercieniami a pó³kami rowków piercieniowych wynika z chwilowych po³o¿eñ piercieni w row-kach. Niezale¿nie rozpatrywane s¹ przestrzenie miêdzypiercieniowe i zapiercieniowe. Oznacza to uwzglêdnienie przep³ywów miêdzy bocznymi powierzchniami piercieni i rowków oraz akumulacyjne dzia³anie przestrzeni zapiercieniowych. W modelu nie uwzglêdnia siê przep³ywu miêdzy boczn¹ powierzchni¹ piercienia a tulej¹ cylindrow¹ zak³adaj¹c idealn¹ jej ko³owoæ i przyleganie piercienia na ca³ym obwodzie tulei cy-lindrowej. W modelu uwzglêdniono uszczelniaj¹ce dzia³anie piercienia zgarniaj¹cego oraz deformacje cieplne elementów zespo³u TPC. Uwzglêdniono równie¿ wymianê cie-p³a miêdzy przep³ywaj¹cym przez uszczelnienie gazem a ciankami labiryntu. Czynni-kiem przep³ywaj¹cym przez labirynt jest gaz pó³doskona³y, którego energia wewnêtrz-na oraz ciep³o w³aciwe dla sta³ej objêtoci i sta³ego cinienia s¹ zale¿ne tylko od tem-peratury. Za³o¿ono, ¿e przep³yw czynnika przez szczeliny jest izentropowy. Ciep³o miê-dzy gazem a otaczaj¹cymi go ciankami jest wymieniane w stopniach labiryntu. Na pod-stawie obliczeñ z u¿yciem tego modelu jest mo¿liwe uzyskanie nie tylko cinienia w przestrzeniach miêdzypiercieniowych, lecz równie¿ temperatury elementów zespo-³u TPC. Szczególn¹ zalet¹ modelu jest wykazanie wp³ywu prognozowanego zu¿ycia ele-mentów zespo³u na wartoci cinieñ w przestrzeniach miêdzypiercieniowych oraz war-toci przedmuchu spalin do skrzyni korbowej.
Z zacytowanych prac wynika, ¿e naukowcy zajmuj¹cy siê badaniami i modelowa-niem matematycznym przep³ywu czynnika w labiryncie piercieniowym uwa¿aj¹, i¿ ci-nienie w poszczególnych przestrzeniach miêdzypiercieniowych jest bezporednio zwi¹-zane z si³¹ tarcia w zespole TPC. Wynika to miêdzy innymi z zastosowanych materia-³ów, z jakich wykonano elementy tego zespo³u, a zw³aszcza powierzchniê boczn¹ uszczel-niaj¹cego piercienia t³okowego oraz powierzchniê tulei cylindrowej.