Analysis of the influence of air pollution in the intake air of the combustion engine on the wear of its components and operation

• Autorzy: Dziubak Tadeusz

Identyfikatory

DOI

10.5604/01.3001.0054.8182

Warianty tytułu

PL

Analiza wpływu zanieczyszczeń powietrza wlotowego silnika spalinowego na zużycie jego elementów i pracę

• Języki publikacji: EN PL

Abstrakty

EN

It has been shown that the primary pollutant of engine intake air is road dust, the main component of which is mineral dust carried from surrounding areas, where it is generated by the operation of off­road vehicles, work machinery and agricultural machinery. It has been shown that the two main components of mineral dust silica (SiO2) and alumina (Al2O3), the proportion of which in the dust reaches 95%, have at the same time the highest hardness, which determines the wear of engine components. It has been shown that the greatest wear of two frictionally cooperating surfaces is caused by dust grains with sizes equal to the thickness of the oil film at any given time. It was shown that all dust grains with grain sizes above 1 µm cause accelerated wear of two mating components, but the greatest wear is caused by grains in the 5÷20 µm range. The effect of excessive wear of the piston­piston ring­cylinder (P-PR-C) association of the engine, resulting from actual vehicle operation and bench tests, on the decrease in compression pressure, the intensity of exhaust gas purging into the oil sump and engine power is presented. It was shown that the primary component of oil contamination is mineral dust, which penetrates from the intake air into the oil located on the surface of the cylinder liner, from where the rings scrape it into the oil sump. The effect of dust particles on the erosive wear of the compressor and turbine in the engine supercharger is discussed. The results of an empirical study of the effect of deposition of mineral dust grains and oil on the measuring element of the air flow meter on the change in the value of the generated output voltage, which is a measure of the air flow into the engine, are presented.

PL

Wykazano, że podstawowym zanieczyszczeniem powietrza wlotowego do silnika jest pył drogowy, którego głównym składnikiem jest pył mineralny naniesiony z okolicznych obszarów, gdzie generowany jest przez działanie pojazdów terenowych, maszyn roboczych oraz maszyn rolniczych. Wykazano, że dwa podstawowe składniki pyłu mineralnego krzemionka (SiO2) i korund (Al2O3), których udział w pyle dochodzi do 95%, mają jednocześnie największą twardość, co decyduje o zużyciu elementów silnika. Wykazano, że największe zużycie dwóch współpracujących tarciowo powierzchni powodują ziarna pyłu o rozmiarach równych w danej chwili grubości filmu olejowego. Wykazano, że wszystkie ziarna pyłu o rozmiarach ziaren powyżej 1 µm powodują przyspieszone zużycie dwóch współpracujących elementów, jednak największe zużycie powodowane są przez ziarna z zakresu 5÷20 µm. Przedstawiono wpływ nadmiernego zużycia skojarzenia tłok-pierścienie tłokowe-cylinder (T-P-C) silnika, wynikającego z rzeczywistej eksploatacji pojazdów oraz badań stanowiskowych na spadek ciśnienia sprężania, intensywność przedmuchu spalin do miski olejowej i moc silnika. Wykazano, że podstawowym składnikiem zanieczyszczeń oleju jest pył mineralny, który przenika z powietrza wlotowego do oleju znajdującego się na powierzchni tulei cylindrowej, skąd pierścienie zgarniają go do miski olejowej. Omówiono wpływ cząstek pyłu na zużycie erozyjne sprężarki i turbiny w urządzeniu doładowującym silnika. Przedstawiono wyniki badań empirycznych wpływu osadzania się ziaren pyłu mineralnego i oleju na elemencie pomiarowym przepływomierza powietrza na zmianę wartości generowanego napięcia wyjściowego będącego miarą strumienia powietrza płynącego do silnika.

Słowa kluczowe

EN

air pollution; road dust parameters; internal combustion engines; engine component wear; engine power

PL

zanieczyszczenia powietrza; parametry pyłu drogowego; silnik spalinowy; zużycie elementów silnika; moc silnika

• Wydawca: Wydawnictwo ITS
• Czasopismo: Transport Samochodowy
• Rocznik: 2024
• Tom: T. 70, nr 2
• Strony: 3--21
• Opis fizyczny: Bibliogr. 50 poz., rys., tab., wykr., zdj.

Twórcy

autor

Dziubak Tadeusz

• Military University of Technology, Warsaw

• https://orcid.org/0000-0002-1609-3518

Bibliografia

• 1.Schaeffer J.W., Olson L.M. Air Filtration Media for Transportation Applications, Filtration & Separation 199835, 2, 124-129. https://doi.org/10.1016/S0015-1882(97)80292-3.
• 2.Lee J.K., Kim S.Ch., Liu B.Y.H. Effect of Bi-Modal Aerosol MasLoading on the Pressure Drop for Gas Cleaning Industrial Filters, Aerosol Science and Technology 2001, 35(4), 805-814. https://doi.org/10.1080/027868201753227352.
• 3.Juda Rezler K., Toczko B. Pyły drobne w atmosferze. Kompendium wiedzy o zanieczyszczeniu powietrza pyłem zawieszonym w Polsce. Biblioteka Monitoringu Środowiska, Warszawa, 2016. 4 Baczewski K., Hebda M. Filtracja płynów eksploatacyjnych. MCNEMT, Radom 1991/92 (In Polish).
• 4.99-121. https://doi.org/10.1080/02786828508959042.
• 5.Summers C.E. The physical characteristics of road and field dust, SAE Technical Paper, 250010, 1925, 10.4271/250010.
• 6.Thomas, G.E.; Culbert, R.M.; Ingested Dust, Filters, and Diesel Engine Ring Wear. Society Of Automotive Engineers, Inc. West Coast Meeting San Francisco, Calif. August 12-15, 1968. https://doi.org/10.4271/680536.
• 7.Bojdo N., Filippone A. Effect of desert particulate composition on helicopter engine degradation rate, 40th European Rotorcraft Forum, Southampton, Conference Paper. September 2014. https://www.researchgate.net/publication/265556798.
• 8.Smialek J.L., Archer F.A., Garlick R.G. Turbine Airfoil Degradation in the Persian Gulf War. The Journal of The Minerals. Metals & Materials Society (TMS) 1994, 46(12), 39-41.
• 9.Skala twardości Mohsa. https://pl.wikipedia.org/wiki/Skala_twardo%C5%9Bci_Mohsa (dostęp 16 sierpnia 2024).
• 10.Woronko B., Żurawek R. Mikromorfologia powierzchni ziaren eolicznego pyłu kwarcowego z pokryw stokowych Ślęży (Przedgórze Sudeckie), Przegląd Geologiczny 2004, 52(4), 321-324.
• 11.Jaroszczyk T. Air Filtration in Heavy Duty Motor Vehicle ApplicationsProc. Dust Symposium III Vicksburg MS, 15 17 September 198
• 12.Barris M.A. Total FiltrationTM: The Influence of Filter Selection on Engine Wear, Emissions, and Performance; SAE Technical Paper 952557, SAE: Warrendale, PA, USA, 1995. https://doi.org/10.4271/952557.
• 13.Schaeffer J.W., Olson L.M. Air Filtration Media for Transportation Applications. Filtr. Sep. 1998, 35, 124-129.
• 14.Jaroszczyk T., Pardue B.A., Heckel S.P., Kallsen, K.J. Engine air cleaner filtration performance- Theoretical and experimental background otesting. In Proceedings of the AFS Fourteenth Annual Technical Conference and Exposition, Tampa, FL, USA, 1 May 2001. Included in the Conference Proceedings (Session 16).
• 15.Pinnick R.G., Fernandez G., Hinds B.D., Bruce C.W., Schaefer K.W., Pendelton J.D. Dust Generated by Vehicular Traffic on Unpaved Roadways: Sizes and Infrared Extinction Characteristics. Aerosol Sci. Technol. 1985,
• 16.Barbolini M., Di Pauli F., Traina M. Simulation der luftfiltration zur auslegung von filterelementen. MTZ Mot. Z. 2014, 75, 52-57. 10.1007/s35146-014-0556-5.
• 17.Bojdo N. Rotorcraft Engine Air Particle Separation. Doctoral Thesis, Faculty of Engineering and Physical Sciences, University of Manchester, Manchester, UK, 2012. Available online: https://www.escholar.manchester.ac.uk/uk-ac-man-scw:183545 (accessed on 16 May 2021).
• 18.Szczepankowski A., Szymczak J., Przysowa R. The Effect of a Dusty Environment Upon Performance and Operating Parameters of Aircraft Gas Turbine Engines. In Proceedings of the Specialists’ Meeting-Impact oVolcanic Ash Clouds on Military Operations NATO AVT-272-RSM-047, Vilnius, Lithuania, May 2017. 10.14339/STO-MP-AVT-272-06-PDF.
• 19.Dziubak T. Filtracja powietrza wlotowego do silników spalinowych pojazdów mechanicznych. WAT Warszawa 2012.
• 20.Engine Air Cleaners, Service Parts and Accessories. https://www.donaldson.com/content/dam/donaldson/engine-hydraulics-bulk/catalogs/air-intake/emea/f116005/Air-Intake-Product-Guide.pdf.
• 21.Wróblewski P. Technology for Obtaining Asymmetries of Stereometric Shapes of the Sealing Rings Sliding Surfaces for Selected Anti-WeaCoatings, SAE Technical Paper 2020-01-2229. 2020, https://doi.org/10.4271/2020-01-2229.
• 22.Bojdo N., Filippone A. A Simple Model to Assess the Role of Dust Composition and Size on Deposition in Rotorcraft Engines. Aerospace 2019, 6, 44. doi:10.3390/aerospace6040044.
• 23.Long J., Tang M., Sun Z., Liang Y., Hu J. Dust Loading Performance of a Novel Submicro Fiber Composite Filter Medium for Engine. Material2018, 11(10), 2038. doi.org/10.3390/ma11102038.
• 24.Schäffer J. Wachtmeister G. Analyse der Kolbengruppenreibung und -schmierung von Ottomotoren - Die Bedeutung des Ölabstreifrings. Forschung im Ingenieurwesen 2021, 4. 1065-1075. https://doi.org/10.1007/s10010-021-00528-0.
• 25.Needelman W.M., Madhavan P.M. Review of Lubricant Contamination and Diesel Engine Wear. SAE Technical Paper Series 881827. Truck and Bus Meeting and Exposition Indianapolis, Indiana, USA November 7-10,1988. https://doi.org/10.4271/881827.
• 26.Dziubak T. Experimental Studies of PowerCore Filters and Pleated Filter Baffles. Materials 2022, 15, 7292. https://doi.org/10.3390/ ma15207292.
• 27.Cai R.-R., Li, S.-Z., Zhang L.-Z., Lei, Y. Fabrication and performance of a stable micro/nano composite electret filter for effective PM2.5 capture. Sci. Total Environ. 2020, 7225, 138297. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2020.138297.
• 28.Heikkilä P., Sipilä, A., Peltola M., Harlin A. Electrospun PA-66 coating on textile surfaces. Text. Res. J. 2007, 77, 864-870. https://dorg/10.1177/0040517507078241.
• 29.Avis M. Particles: Friend or Foe? Understanding the Value of Particles in Oil Analysis. Machinery Lubrication 6, 2012. https://www.machinerylubrication.com/Read/28974/particles-friend-foe. Access 13 August 2024.
• 30.Fitch J. Clean Oil Reduces Engine Fuel Consumption, Practicing Oil Analysis Magazine 2002, 11-12. https://www.machinerylubrication.com/Read/401/oil-engine-fuel-consumption. Access 13 August 2024.
• 31.Smialek J.L., Archer F.A., Garlick R.G. Turbine Airfoil Degradation in the Persian Gulf War. The Journal of The Minerals. Metals & Materials Society (TMS). 1994, 46(12), 39-41. https://doi.org/10.1007/BF03222663.
• 32.Nagy J. Filtrowanie a żywotność silnika. Silniki Spalinowe 1973, 3, 43 47 (in Polish)
• 33.Jaroszczyk T., Fallon S.L., Liu Z.G., Heckel S.P. Development of a Method to Measure Engine Air Cleaner Fractional Efficiency. SAE 1999-01-0002.
• 34.Bojdo N., Filippone A. Effect of desert particulate composition on helicopter engine degradation rate. In Proceedings of the 40th European Rotorcraft Forum, Southampton, UK, 2-5 September 2014.
• 35.Bugli N. Automotive Engine Air Cleaners - Performance Trends; SAE Technical Paper 2001-01-1356; SAE International: Warrendale, PA, USA, 2001. https://doi.org/10.4271/2001-01-1356.
• 36.Milder F.L., Armini A.J., Jones G.W. The Use of Surface Layer Activation Wear Monitoring for Filter Design and Evaluation. SAE Technical Paper Series 1981. doi:10.4271/810329.
• 37.Gupta N., Singh S.K., Pandey S.M. Tribological characterization of thermal sprayed CrC alloyed coating - A review, Advances in Materials and Processing Technologies, 2020. https://doi.org/10.1080/2374068X.2020.1793262.
• 38.Dziubak T. Wykład z przedmiotu „Techniczna eksploatacja samochodów”, Wojskowa Akademia Techniczna, Warszawa 2023.
• 39.Ali M.K.A., Xianjun,H., Turkson F.R., Ezzat M. An analytical study of tribological parameters between piston ring and cylinder liner in internal combustion engines. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part K: Journal of Multi-Body Dynamics 2016, 230(4), 329-349doi:10.1177/1464419315605922.
• 40.Al-Rousan A.A. Effect of dust and sulfur content on the rate of weaof diesel engines working in the Jordanian desert. Alexandria Engineering Journal 2006, 45(5), 527-536. https://www.researchgate.net/publication/266051330.
• 41.Dziubak T., Wysocki T. Analiza wpływu konstrukcji wkładu filtra powietrza na wystąpienie uszkodzeń w postaci zarysowań wzdłużnych gładzi tulei cylindrowych w silniku ciągnika siodłowego MAN F19. Opinia Techniczna; WAT: Warszawa, 2009. (In Polish)
• 42.Koszałka G., Suchecki A. Changes in performance and wear of small diesel engine during durability test. Combustion Engines 2015, 162(3), 34-40. https://doi.org/10.19206/CE-116863.
• 43.Koszałka G. Model of operational changes in the combustion chamber tightness of a diesel engine. Eksploatacja i Niezawodnosc - Maintenance and Reliability 2014, 16(1), 133-139.
• 44.Kordos P. The influence of the combustion engine work conditions on the cylinder wear in the stand test research. Eksploatacja i Niezawodność – Maintenance and Reliability 2006, 4(32), 11-15.
• 45.Woś P., Michalski J. Effect of Initial Cylinder Liner Honing Surface Roughness on Aircraft Piston Engine Performances. Tribology Letters 2011, 41(3), 555-567. doi:10.1007/s11249-010-9733-y.
• 46.Zhang B., Ma X., Liu L., Wang Y., Yu H., Morina A., Lu X. Reciprocating sliding friction behavior and wear state transition mechanism of cylinder liner and piston ring. Wear 2024, 205293, 546-547. https://doi.org/10.1016/j.wear.2024.205293.
• 47.Zhang B., Ma X., Liu L., Yu H., Morina A., Lu X. Study on the sliding wear map of cylinder liner - piston ring based on various operating parameters. Tribology International 2023, 186, 108632. https://doi.org/10.1016/j.triboint.2023.108632.
• 48.Zabala B., Igartua A., Fernández X., Priestner C., Ofner H., Knaus O., Abramczuk M., Tribotte P., Girot F., Roman E., Nevshupa R. Friction and wear of a piston ring/cylinder liner at the top dead centre: Experimental study and modelling. Tribology International 2017, 106, 23-33. http://dx.doi.org/10.1016/j.triboint.2016.10.005.
• 49.Dziubak T., Karczewski M. Operational malfunctions of turbochargers - reasons and consequences. Combustion Engines. 2016, 164(1), 13-21. https://doi.org/10.19206/CE-116484.
• 50.Szczeciński S., Otyś J., Dzierżanowski P., Wiatrek. Turbinowe napędy samochodów, WKŁ, Warszawa 1974.