Fizykalne aspekty przeciwzużyciowej technologii uszczelniania pierścieniowego silnika spalinowego.

• Autorzy: Kaźmierczak A.

Warianty tytułu

EN

Physical aspects of the antiwear technology of the ring seal of combustion engine.

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Uszczelnienie pierścieniowe silnika spalinowego składające się z zespołu pierścieni tłokowych, tłoka i tulei cylindrowej musi sprostać zmiennym obciążeniom cieplnym i mechanicznym. W tym celu stosuje się taką jego konstrukcję, aby stworzyć warunki minimalnych sił tarcia. W artykule przedstawiono nową, własną technologię pierścieni tłokowych silników spalinowych oraz tulei cylindrowej i wyjaśniono istotę ich bardzo dobrych właściwości tribologicznych. Stwierdzono, że istotą bardzo dobrych właściwości tribologicznych nowego uszczelnienia pierścieniowego jest niska wartość swobodnej energii powierzchniowej (SFE) powłoki z azotku tytanu na pierścieniu tłokowym oraz wysoka wartość tej energii, która cechuje powierzchnię azotowanej żeliwnej tulei cylindrowej. Takie zestawienie materiałowe zapewnia efekt nazwanej tu "czystej" powierzchni powłoki z azotku tytanu na pierścieniu tłokowym oraz ściśle przywartej do podłoża warstwy granicznej czynnika smarnego na powierzchni azotowanej żeliwnej tulei cylindrowej. Dzięki temu w chwili, gdy ruch pierścienia po powierzchni tulei zamiera - szczególnie w miejscu zwrotu zewnętrznego (ZZ) w suwie rozprężania - stykowi metalicznemu zapobiega tworząca się warstwa graniczna oleju na powierzchni tulei. Podczas ruchu pierścienia, dzięki efektowi klina smarnego, powstaje film olejowy, po którym prześlizguje się pierścień tłokowy o "czystej" powierzchni, zmniejszając do minimum straty energii na tarcie. Stwierdzono, że należy dążyć do możliwie maksymalnej różnicy wartości pomiędzy swobodnymi energiami powierzchniowymi współpracujących elementów, konstytuując je tak, aby element o większej powierzchni cechowała większa wartość tej energii.

EN

The ring seal of combustion engine which consists of an assembly of piston rings, piston and cylinder sleeve, must be able to withstand varied heat and mechanical loads. In order to achieve this, the ring seal has to have a very specific structure. Generally, it means that it is necessary to create conditions for obtaining the minimum values of friction forces. This can be done by shaping the ring seal and sleeve's surface in such a way as to guaranty these properties. The most difficult task is to assure, by an appropriate structure and coating technology, that there will be no seizing if the oil film breaks. A new author's own and original technology of combustion engine piston rings and cylinder sleeve has been developed in this paper. The subject's ring seal has come out as a result of the complex research such as the simulation numerical research, introductory quality research involving a real object, comparative research on a tribotester and fundamental research on the real object. A new index of material selection for elements working in the reciprocating motion was suggested. It has been found that the essence of excellent tribological properties of the new ring seal lies, on the one hand, in its low value of surface free energy of titanium nitride coating on the piston ring and, on the other hand, in its high value of energy which is characteristic of the nitrated surface of the cast iron cylinder sleeve. Such composition of materials guarantees the effect of "pure" coating surface with titanium nitride on piston ring, and assures that the border layer on the nitrated surface of the cast iron cylinder sleeve tightly clings to the base. As a result, when the ring's motion on the sleeve's surface ceases, especially in the outer dead centre in expansion stroke, the bordening layer of oil on the sleeve's surface prevents metallic contact. During the ring's motion, due to the effect of an oil wedge, an oil film is being formed on which the piston ring of the "pure" surface slips diminishing to minimum the energy loss in friction. In general, it has been found that the free surface energy can be an important index of material selection for cutting pairs, especially for those working in the reciprocating motion. Hence, if possible, the maximum difference in the values of free surface energies of co-operating elements should be obtained by a means of forming them in such a way that the element of larger surface is equipped with the higher energy value.

Słowa kluczowe

PL

tribologia; silnik spalinowy; uszczelnienie pierścieniowe silnika spalinowego; technologia przeciwzużyciowa

EN

tribology; combustion engine; ring seal of combustion engine; antiwear technology

• Wydawca: Komitet Budowy Maszyn PAN
• Czasopismo: Zagadnienia Eksploatacji Maszyn
• Rocznik: 2003
• Tom: Vol. 38, nr 1
• Strony: 7--21
• Opis fizyczny: Bibliogr. 22 poz.

Twórcy

autor

Kaźmierczak A.

• Politechnika Wrocławska, Instytut Konstrukcji i Eksploatacji Maszyn, ul. Łukasiewicza 7/9, 50-371 Wrocław, tel./fax: [phone],

Bibliografia

• [1] Buran U., Mader H.Ch., Morsbach M.: Couches pulverisees au plasma pour segments de piston; Situation et possibilites d 'emploi. Biuletyn Informacyjny GOETZE A.G., Burscheid, Niemcy 1997.
• [2] Drozd C., Kuśmidrowicz J., Miksiewicz K.: Badania trwałościowe silnika doładowanego typu 6CT107. Raport serii Sprawozdania, Politechnika Wrocławska, Wrocław 1977.
• [3] Kaźmierczak A.: A design and preliminary test of piston ring covered by ceramic, Tribologia 5/98 (161). Oficyna Wydawnicza SIMP, Warszawa 1998, s. 708-714.
• [4] Kaźmierczak A.: Analiza możliwości wykonania uszczelniającego pierścienia tłokowego z przeciwzużyciową warstwą ceramiczną. Journal of KONES Internal Combustion Engines, Warsaw-Bielsko Biała 1997.
• [5] Kaźmierczak A.: Analiza możliwości wykorzystania materiałów ceramicznych w konstrukcji elementów układu korbowego silników spalinowych. Raport Serii Sprawozdania nr S-048/96, Wrocław 1996.
• [6] Kaźmierczak A.: Analiza wyników badań przeprowadzonych na tribotesterze typu rolka - klocek elementów pierścieni tłokowych silników spalinowych. Tribologia 3/2002, Oficyna Wydawnicza SIMP, Warszawa 2002.
• [7] Kaźmierczak A., Pytko S.: A preliminary test of piston ring with antiwear thin coating. VII International Symposium INTERTRIBO ‘99, April 27-30 1999 Stara Lesna-Tatranska Łomnica, Slovak Republik 1999.
• [8] Kaźmierczak A.: Badania trwałościowe zestawów naprawczych typu Leyland LO 400 N. Raport Serii Sprawozdania nr S/002/2000, Politechnika Wrocławska, Wrocław 2000.
• [9] Kaźmierczak A.: Badania trwałościowe zestawów remontowych TSPC silników Raba Man. Analizy wyników. Raport Serii Sprawozdania nr S/049/98, Politechnika Wrocławska, Wrocław 1998.
• [10] Kaźmierczak A.: Badania uszczelniającego pierścienia tłokowego z przeciwzużyciową warstwą ceramiczną. Czasopismo Techniczne 5M/1998 (rok 95), Wydawnictwo Politechniki Krakowskiej, Kraków 1998.
• [11] Kaźmierczak A.: Investigation of titanium nitride coated piston rings. Zagadnienia Eksploatacji Maszyn 3 (131) 2002, Polska Akademia Nauk, Wydawnictwo Instytutu Technologii Eksploatacji, Radom 2002.
• [12] Kaźmierczak A.: Ispitania na dolgowiecsnost dizielnyh dwigatieliej wnutriennego sgorania w aspektie mikrogeometrii wierhniego słoja gilz cylindra. International Scientific - Practical Symposium, Sankt Petersburg, June 23-27, 1997.
• [13] Kaźmierczak A.: Metoda optymalizacji mikro geometrii warstwy wierzchniej chromowanych tulei cylindrowych. Rozprawa doktorska, Politechnika Wrocławska, Wrocław 1994.
• [14] Kaźmierczak A. (red.): Tarcie, zużycie i smarowanie w silnikach spalinowych. Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 1996.
• [15] Kaźmierczak A.: Technologie przeciwzużyciowych warstw wierzchnich pierścieni tłokowych. Teka Komisji Naukowo-Problemowej Motoryzacji Polskiej Akademii Nauk, Zeszyt 20/2000, Kraków 2000.
• [16] Kaźmierczak A.: The Piston Ring with Antiwear Thin Coating. International Scientific - Practical Symposium, Sankt Petersburg, June 26-30, 2000.
• [17] Kaźmierczak A.: The Piston Ring with Thin Coating. The Proceeding of International Konference of Internal Combustion Engines, Sofia, Republik of Bulgaria, 18-20 October 2000.
• [18] Kaźmierczak A.: Wybrane kierunki działań tribologii w silniku spalinowym. Zagadnienia Eksploatacji Maszyn 3 (123) 2000, Polska Akademia Nauk, Wydawnictwo Instytutu Technologii Eksploatacji, Radom 2000,
• [19] Materiały reklamowe technologii NITROVAC. Instytut Inżynierii Materiałowej i Technik Bezwiórowych, Politechnika Łódzka.
• [20] Rogowska R., Osuch-Słomka E.: Wyznaczanie swobodnej energii powierzchniowej powłok azotków i węgloazotków osadzanych metodą PAPVD. Materiały Międzynarodowej Konferencji Naukowej pt. Przemysł lekki na przełomie tysiącleci, Radom. Prace Naukowe nr 20/2001, s. 348-355.
• [21] Starosta R.: Wpływ własności warstwy wierzchniej stali na trwałość powierzchniowej warstwy oleju. Rozprawa Doktorska, Instytut Konstrukcji i Eksploatacji Maszyn Politechnika Wrocławska, Wrocław 1982.
• [22] Wyatt O.H., Dew-Hughes D.: Wprowadzenie do inżynierii materiałowej. Metale, ceramika i tworzywa sztuczne. WNT, Warszawa 1978.