Uszkodzeń tłoków wskutek zakłóceń spalania
Zakłócenia spalania w silnikach benzynowych
Spalanie mieszanki paliwowo-powietrznej w cylindrze odbywa się zgodnie ze ściśle określoną sekwencją. Spalanie inicjuje iskra świecy zapłonowej na krótko przed górnym martwym punktem. Płomień rozchodzi się od świecy zapłonowej sferycznie i przechodzi przez komorę spalania z ciągle rosnącą prędkością spalania równą 5–30 m/s. Powoduje to szybki wzrost ciśnienia w komorze spalania, które osiąga swoją wartość maksymalną krótko po górnym martwym punkcie. Taki, normalny, przebieg procesu spalania mogą jednak zakłócać różne czynniki, na podstawie których można opisać trzy rodzaje zakłóceń spalania:
1. Spalanie żarzeniowe (bezpłomieniowe, przedwczesny zapłon):
Powoduje przeciążenie termiczne tłoka.
2. Spalanie stukowe:
Powoduje erozyjne wypłukiwanie materiału i mechaniczne przeciążenie tłoka oraz mechanizmu korbowego.
3. Zalanie paliwem:
Powoduje nadmierne zużycie elementów i zużycie oleju, a także otarcia tłoków.
1. Spalanie żarzeniowe (bezpłomieniowe, przedwczesny zapłon):
Powoduje przeciążenie termiczne tłoka.
2. Spalanie stukowe:
Powoduje erozyjne wypłukiwanie materiału i mechaniczne przeciążenie tłoka oraz mechanizmu korbowego.
3. Zalanie paliwem:
Powoduje nadmierne zużycie elementów i zużycie oleju, a także otarcia tłoków.
Normalne spalanie
Spalanie stukowe
Spalanie żarzeniowe
Ad. 1. Spalanie żarzeniowe (bezpłomieniowe, przedwczesny zapłon):
W przypadku spalania żarzeniowego spalanie rozpoczyna się przed właściwym punktem zapłonu wskutek obecności żarzącego się elementu w komorze spalania. Elementem tym może być rozgrzany zawór wylotowy, świeca, elementy uszczelniające i znajdujące się na nich osady oraz powierzchnie zamykające komorę spalania. Płomień działa w sposób niekontrolowany na części, co powoduje bardzo silny wzrost temperatury przy denku tłoka. Już po kilku sekundach nieprzerwanego żarzenia osiągana jest temperatura topnienia materiału tłoka.
W silnikach o praktycznie półkolistych komorach spalania powstają wskutek tego otwory w denku tłoka, występujące zazwyczaj na przedłużeniu osi świecy.
W przypadku komór spalania charakteryzujących się dużymi powierzchniami ściskania między denkiem tłoka i głowicą cylindra, próg ogniowy topi się przeważnie w strefie powierzchni ściskania (patrz słownik pojęć) w najbardziej obciążonym miejscu. Proces ten przenosi się często na pierścień zgarniający olej i aż do wnętrza tłoka.
Spalanie żarzeniowe może być też powodowane przez spalanie stukowe, które wytwarza wysokie temperatury poszczególnych elementów komory spalania.
Ad. 2. Spalanie stukowe:
W przypadku spalania stukowego zapłon wywoływany jest normalnie, przez iskrę świecy zapłonowej. Front płomienia rozchodzi się od świecy i generuje fale ciśnienia, które powodują w niespalonym gazie krytyczne reakcje chemiczne. Wskutek nich w wielu miejscach jednocześnie dochodzi do samozapłonu gazów resztkowych. Zwiększa to prędkość spalania o 10–15 razy. Wzrasta znacznie wartość przyrostu ciśnienia na każdy kąt obrotu wału korbowego i maksymalna wartość ciśnienia. Poza tym w czasie suwu rozprężania powstają wibracje o bardzo wysokiej częstotliwości. Nagrzewają się też bardzo silnie powierzchnie zamykające komorę spalania. Jednoznacznym objawem spalania stukowego są niezawierające żadnych pozostałości komory spalania.
Lekkie, przejściowe spalanie stukowe nie powoduje w większości silników – nawet przez dłuższy czas – żadnych szkód.
Silniejsze i dłuższe spalanie stukowe powoduje erozyjne wypłukiwanie materiału tłoka na progu ogniowym i denku cylindra. Uszkodzone mogą też zostać głowica cylindra i jej uszczelka. Części znajdujące w komorze spalania (np. świeca) mogą się przy tym tak silnie rozgrzać, że będą powodować spalanie żarzeniowe (bezpłomieniowe) powodujące przegrzanie tłoka (nadtopienia i wytopienia).
Silne i ciągłe spalanie stukowe szybko powoduje pęknięcia powierzchni międzyrowkowych i trzonków, które przeważnie występują bez nadtopień i wytopień oraz bez otarć.
Rys. 1 przedstawia charakterystykę ciśnienia w komorze spalania. Niebieska linia przedstawia charakterystykę ciśnienia przy normalnym spalaniu, a czerwona linia przy spalaniu stukowym. Dochodzi tu do udarów ciśnienia.
Ad. 3. Zalanie paliwem:
Zbyt bogata mieszanka, malejące ciśnienie sprężania i zakłócenia zapłonu skutkują niedokładnym spalaniem i zalaniem paliwem. Skutkiem tych zjawisk jest nieskuteczne smarowanie tłoków, pierścieni tłokowych i gładzi cylindrów. Powstaje tarcie półpłynne związane z nadmiernym zużyciem oleju i otarciami (patrz rozdział „Zużycie oleju i otarcia tłoków“).
W przypadku spalania żarzeniowego spalanie rozpoczyna się przed właściwym punktem zapłonu wskutek obecności żarzącego się elementu w komorze spalania. Elementem tym może być rozgrzany zawór wylotowy, świeca, elementy uszczelniające i znajdujące się na nich osady oraz powierzchnie zamykające komorę spalania. Płomień działa w sposób niekontrolowany na części, co powoduje bardzo silny wzrost temperatury przy denku tłoka. Już po kilku sekundach nieprzerwanego żarzenia osiągana jest temperatura topnienia materiału tłoka.
W silnikach o praktycznie półkolistych komorach spalania powstają wskutek tego otwory w denku tłoka, występujące zazwyczaj na przedłużeniu osi świecy.
W przypadku komór spalania charakteryzujących się dużymi powierzchniami ściskania między denkiem tłoka i głowicą cylindra, próg ogniowy topi się przeważnie w strefie powierzchni ściskania (patrz słownik pojęć) w najbardziej obciążonym miejscu. Proces ten przenosi się często na pierścień zgarniający olej i aż do wnętrza tłoka.
Spalanie żarzeniowe może być też powodowane przez spalanie stukowe, które wytwarza wysokie temperatury poszczególnych elementów komory spalania.
Ad. 2. Spalanie stukowe:
W przypadku spalania stukowego zapłon wywoływany jest normalnie, przez iskrę świecy zapłonowej. Front płomienia rozchodzi się od świecy i generuje fale ciśnienia, które powodują w niespalonym gazie krytyczne reakcje chemiczne. Wskutek nich w wielu miejscach jednocześnie dochodzi do samozapłonu gazów resztkowych. Zwiększa to prędkość spalania o 10–15 razy. Wzrasta znacznie wartość przyrostu ciśnienia na każdy kąt obrotu wału korbowego i maksymalna wartość ciśnienia. Poza tym w czasie suwu rozprężania powstają wibracje o bardzo wysokiej częstotliwości. Nagrzewają się też bardzo silnie powierzchnie zamykające komorę spalania. Jednoznacznym objawem spalania stukowego są niezawierające żadnych pozostałości komory spalania.
Lekkie, przejściowe spalanie stukowe nie powoduje w większości silników – nawet przez dłuższy czas – żadnych szkód.
Silniejsze i dłuższe spalanie stukowe powoduje erozyjne wypłukiwanie materiału tłoka na progu ogniowym i denku cylindra. Uszkodzone mogą też zostać głowica cylindra i jej uszczelka. Części znajdujące w komorze spalania (np. świeca) mogą się przy tym tak silnie rozgrzać, że będą powodować spalanie żarzeniowe (bezpłomieniowe) powodujące przegrzanie tłoka (nadtopienia i wytopienia).
Silne i ciągłe spalanie stukowe szybko powoduje pęknięcia powierzchni międzyrowkowych i trzonków, które przeważnie występują bez nadtopień i wytopień oraz bez otarć.
Rys. 1 przedstawia charakterystykę ciśnienia w komorze spalania. Niebieska linia przedstawia charakterystykę ciśnienia przy normalnym spalaniu, a czerwona linia przy spalaniu stukowym. Dochodzi tu do udarów ciśnienia.
Ad. 3. Zalanie paliwem:
Zbyt bogata mieszanka, malejące ciśnienie sprężania i zakłócenia zapłonu skutkują niedokładnym spalaniem i zalaniem paliwem. Skutkiem tych zjawisk jest nieskuteczne smarowanie tłoków, pierścieni tłokowych i gładzi cylindrów. Powstaje tarcie półpłynne związane z nadmiernym zużyciem oleju i otarciami (patrz rozdział „Zużycie oleju i otarcia tłoków“).
Zakłócenia spalania w silnikach wysokoprężnych
Oprócz idealnego stanu mechanicznego elementów warunkiem optymalnego spalania są też wytwarzające bardzo drobny aerozol i precyzyjnie wtryskujące paliwo wtryskiwacze, a także prawidłowo ustawiony moment początku wtrysku. Tylko tak wtryskiwane paliwo może się spalać z minimalnym opóźnieniem zapłonu, dokładnie i z zachowaniem normalnej charakterystyki ciśnienia. Także tutaj wyróżnia się trzy krytyczne rodzaje zakłóceń spalania:
1. Opóźnienie zapłonu
2. Niecałkowite spalanie
3. Kapiące wtryskiwacze
Ad. 1. Opóźnienie zapłonu:
Zapłon paliwa następuje z pewnym opóźnieniem (opóźnienie zapłonu), jeżeli:
Stopień rozpylenia paliwa jest zależny od stanu dyszy wtryskiwacza. Nawet przetestowany przy użyciu testera dysz, sprawny wtryskiwacz może zostać odkształcony w trakcie montażu czy wskutek obciążeń termicznych tak, że w czasie pracy nie rozpyla paliwa prawidłowo. Temperatura sprężania zależy od ciśnienia sprężania, a więc od mechanicznego stanu silnika. W zimnym silniku zawsze występuje niewielkie opóźnienie zapłonu. Zimne ścianki cylindrów znacznie oziębiają chłodniejsze, zasysane powietrze. Temperatura sprężania występująca w momencie rozpoczęcia wtrysku nie wystarcza w tej sytuacji do natychmiastowego zapłonu wtryskiwanego paliwa. Prawidłowa temperatura zapłonu osiągana jest dopiero wraz z rosnącym stopniem sprężenia, co powoduje natychmiastowy zapłon wtryśniętego do tego momentu paliwa. Powoduje to nagły wzrost ciśnienia, któremu towarzyszą dźwięki i silne rozgrzanie denka tłoka. Skutkiem są pęknięcia np. powierzchni międzyrowkowych tłoka i spowodowane naprężeniami termicznymi pęknięcia w denku tłoka.
Ad. 2. Niecałkowite spalanie:
Jeżeli paliwo dostaje się do komory spalania w nieodpowiednim momencie lub w stanie nierozpylonym, nie może się całkowicie spalić w dostępnym czasie. To samo dzieje się, gdy do cylindra dostaje się za mało tlenu, tzn. zassanego powietrza. Możliwe przyczyny to niedrożność filtra powietrza, nieotwierające się prawidłowo zawory wlotowe, wady turbosprężarki albo zużycie pierścieni tłokowych i zaworów. Niespalone paliwo osadza się częściowo na powierzchniach cylindra; tutaj narusza albo całkowicie niszczy film olejowy. Gładzie cylindrów, bieżnie pierścieni tłokowych i w końcu również powierzchnie trzonków ulegają przez to w krótkich czasie nadmiernemu zużyciu lub otarciu. Skutkuje to zwiększeniem zużycia oleju i stratą mocy (przykładowe obrazy uszkodzeń patrz rozdział „Otarcia spowodowane niedostatecznym smarowaniem“ i „Nadmierne zużycie oleju“).
Ad. 3. Kapiące wtryskiwacze:
Wskutek wahań ciśnienia pod koniec wtrysku może dojść do ponownego otwarcia wtryskiwacza. Przyczynami wahań ciśnienia mogą być zawór ciśnieniowy pompy wtryskowej, przewody albo wtryskiwacze. W celu wykluczenia wad wtrysku ciśnienie w układzie jest redukowane o określoną wartość przez zawór ciśnieniowy pompy wtryskowej. Jeżeli ciśnienie wtrysku wtryskiwaczy jest ustawione za nisko albo jeżeli nie jest możliwe utrzymywanie wymaganej wartości ciśnienia (wtryskiwacze mechaniczne), to mimo redukcji ciśnienia wtryskiwacze mogą się po kolei na krótko otwierać także po zakończeniu wtrysku. Nieszczelne lub kapiące wtryskiwacze powodują również niekontrolowany dopływ paliwa do komory spalania. Wtryskiwane w obu tych sytuacjach w niekontrolowany sposób, niespalone paliwo dostaje się w ten sposób na denko tłoka. Tutaj spala się w bardzo wysokiej temperaturze i miejscowo rozgrzewa materiał tłoka na tyle, że wskutek działania sił masowych i erozyjnego działania spalin może dojść do wyrwania cząsteczek z powierzchni tłoka. Skutkiem jest poważny ubytek materiału albo erozyjne wypłukanie materiału z denka tłoka.
1. Opóźnienie zapłonu
2. Niecałkowite spalanie
3. Kapiące wtryskiwacze
Ad. 1. Opóźnienie zapłonu:
Zapłon paliwa następuje z pewnym opóźnieniem (opóźnienie zapłonu), jeżeli:
- paliwo nie zostało dość dokładnie rozpylone,
- zostało wtryśnięte co cylindra w nieodpowiednim momencie,
- temperatura sprężania nie jest dość wysoka w momencie rozpoczęcia wtrysku.
Stopień rozpylenia paliwa jest zależny od stanu dyszy wtryskiwacza. Nawet przetestowany przy użyciu testera dysz, sprawny wtryskiwacz może zostać odkształcony w trakcie montażu czy wskutek obciążeń termicznych tak, że w czasie pracy nie rozpyla paliwa prawidłowo. Temperatura sprężania zależy od ciśnienia sprężania, a więc od mechanicznego stanu silnika. W zimnym silniku zawsze występuje niewielkie opóźnienie zapłonu. Zimne ścianki cylindrów znacznie oziębiają chłodniejsze, zasysane powietrze. Temperatura sprężania występująca w momencie rozpoczęcia wtrysku nie wystarcza w tej sytuacji do natychmiastowego zapłonu wtryskiwanego paliwa. Prawidłowa temperatura zapłonu osiągana jest dopiero wraz z rosnącym stopniem sprężenia, co powoduje natychmiastowy zapłon wtryśniętego do tego momentu paliwa. Powoduje to nagły wzrost ciśnienia, któremu towarzyszą dźwięki i silne rozgrzanie denka tłoka. Skutkiem są pęknięcia np. powierzchni międzyrowkowych tłoka i spowodowane naprężeniami termicznymi pęknięcia w denku tłoka.
Ad. 2. Niecałkowite spalanie:
Jeżeli paliwo dostaje się do komory spalania w nieodpowiednim momencie lub w stanie nierozpylonym, nie może się całkowicie spalić w dostępnym czasie. To samo dzieje się, gdy do cylindra dostaje się za mało tlenu, tzn. zassanego powietrza. Możliwe przyczyny to niedrożność filtra powietrza, nieotwierające się prawidłowo zawory wlotowe, wady turbosprężarki albo zużycie pierścieni tłokowych i zaworów. Niespalone paliwo osadza się częściowo na powierzchniach cylindra; tutaj narusza albo całkowicie niszczy film olejowy. Gładzie cylindrów, bieżnie pierścieni tłokowych i w końcu również powierzchnie trzonków ulegają przez to w krótkich czasie nadmiernemu zużyciu lub otarciu. Skutkuje to zwiększeniem zużycia oleju i stratą mocy (przykładowe obrazy uszkodzeń patrz rozdział „Otarcia spowodowane niedostatecznym smarowaniem“ i „Nadmierne zużycie oleju“).
Ad. 3. Kapiące wtryskiwacze:
Wskutek wahań ciśnienia pod koniec wtrysku może dojść do ponownego otwarcia wtryskiwacza. Przyczynami wahań ciśnienia mogą być zawór ciśnieniowy pompy wtryskowej, przewody albo wtryskiwacze. W celu wykluczenia wad wtrysku ciśnienie w układzie jest redukowane o określoną wartość przez zawór ciśnieniowy pompy wtryskowej. Jeżeli ciśnienie wtrysku wtryskiwaczy jest ustawione za nisko albo jeżeli nie jest możliwe utrzymywanie wymaganej wartości ciśnienia (wtryskiwacze mechaniczne), to mimo redukcji ciśnienia wtryskiwacze mogą się po kolei na krótko otwierać także po zakończeniu wtrysku. Nieszczelne lub kapiące wtryskiwacze powodują również niekontrolowany dopływ paliwa do komory spalania. Wtryskiwane w obu tych sytuacjach w niekontrolowany sposób, niespalone paliwo dostaje się w ten sposób na denko tłoka. Tutaj spala się w bardzo wysokiej temperaturze i miejscowo rozgrzewa materiał tłoka na tyle, że wskutek działania sił masowych i erozyjnego działania spalin może dojść do wyrwania cząsteczek z powierzchni tłoka. Skutkiem jest poważny ubytek materiału albo erozyjne wypłukanie materiału z denka tłoka.