Μελέτη της φθοράς των βαλβίδων, σε κινητήρες βενζίνης, κατά την λειτουργία τους με υγραέριο.

Σήμερα, ένα μεγάλο μέρος των σύγχρονων κινητήρων μπορεί να λειτουργήσει χωρίς προβλήματα με υγραέριο (LPG), δηλαδή είναι ανθεκτικοί προς το υγραέριο. Επιλέχθηκε, προς ανάλυση των ποσοστών φθοράς των βαλβίδων, ένας κινητήρας στον οποίο συνήθως διαπιστώνεται φθορά στις βαλβίδες από την υγραεριοκίνηση με υγραέριο LPG, η οποία ωστόσο δεν φαίνεται να οδηγεί σε εμφανή αδυναμία της βιωσιμότητας των βαλβίδων κατά τη λειτουργία τους με βενζίνη. Εφόσον παρουσιαστεί στην υγραεριοκίνηση φθορά στις βαλβίδες, αυτή εμφανίζεται κατά κύριο λόγο στις βαλβίδες εξαγωγής. Επιλέχθηκε ο δίλιτρος (2.0L) κινητήρας Otto του Mazda 6. Αυτός ο κινητήρας εγκαθίσταται σε συνεργασία με την Ford Motor Company και σε διάφορα μοντέλα της Ford και επομένως, είναι ευρύτερα διαδεδομένος.
Στον πάγκο δοκιμών ο κινητήρας συνδέθηκε με πολλές δεξαμενές αερίου και εφοδιάστηκε με πολλαπλά συστήματα καυσίμων. Με αυτό τον τρόπο, δοκιμάζονται διάφορα μίγματα υγραερίου και διαφορετικές παραλλαγές πρόσθετων.
Τυχόν νόθευση μεταξύ των συστημάτων καυσίμων αποκλείστηκε επειδή κάθε σύστημα εφοδιασμού με καύσιμα χρησιμοποιήθηκε για μία μόνο παραλλαγή πρόσθετων προϊόντων.
Κάθε σύστημα καυσίμων διαθέτει έναν δικό του πνεύμονα, ο οποίος μπορεί να τροφοδοτεί και τις τέσσερεις βαλβίδες με υγραέριο LPG στην φάση της υγραεριοκίνησης. Επιπλέον, υπάρχει η δυνατότητα οι κύλινδροι να τροφοδοτηθούν μεμονωμένα με διαφορετικά καύσιμα, προκειμένου να ελεγχθούν παράλληλα τα καύσιμα και τα πρόσθετα.
Για τις επιμέρους δοκιμές εγκαθίστανται νέες κυλινδροκεφαλές και διενεργούνται αλλαγές λαδιών, γιατί μόνο έτσι μπορούσε να διασφαλιστεί ότι τα αποτελέσματα των δοκιμών δεν θα αλλοιωθούν από ένα προηγούμενο στρώμα προστατευτικού υλικού κατά της φθοράς, από μία προηγούμενη δοκιμή.

Σύστημα μέτρησης

Για τη μέτρηση χρησιμοποιήθηκαν αισθητήρες, με τους οποίους είναι εφικτή η διαφοροποίηση τιμών μέτρησης σε διαστήματα των 10μm.
Παράλληλα, αναπτύχθηκε ένα σύστημα μέτρησης, με το οποίο καθορίζεται το διάκενο μεταξύ του εκκεντροφόρου άξονα και του ποτηριού της βαλβίδας. Αυτό το σύστημα ωστόσο δεν επιτυγχάνει απόλυτη ακρίβεια μέτρησης.
Για την αύξηση της απόδοσης της διαδικασίας μέτρησης, κάθε μέτρηση επαναλήφθηκε από έναν δεύτερο ελεγκτή.

Για την αξιολόγηση του βαθμού φθοράς, χρησιμοποιήθηκε η μέση τιμή των δύο τιμών μέτρησης. Στο γράφημα παρουσιάζονται οι εκάστοτε αποκλίσεις αυτών των δύο τιμών μεταξύ τους, υπό τη μορφή κατανομής συχνότητας. Η τυπική απόκλιση βρίσκεται στα 8,2μm με διαβάθμιση του μέσου μέτρησης στα 10μm. Στις διενεργηθείσες μετρήσεις υπάρχει επομένως εύρος σφάλματος της τάξεως των 10μm. Από τις τιμές που υπολογίστηκαν μετά από πολύωρες μετρήσεις και αφορούν τα ποσοστά φθοράς που εκφράζονται σε ώρες, προκύπτει ένα λεπτομερέστερο εύρος σφάλματος.

Πρώτη δοκιμή – Βασικός έλεγχος

Στην πρώτη δοκιμή, τα υφιστάμενα συστήματα καυσίμων χρησιμοποιήθηκαν για την παράλληλη δοκιμή των καυσίμων. Δηλαδή, κάθε κύλινδρος εξοπλίστηκε με έναν ευρέως φάσματος αισθητήρα λάμδα και ρυθμίστηκε ξεχωριστά στην εκάστοτε τιμή στόχου για κάθε σύνθεση μίγματος.

Σε αυτή τη δοκιμή συγκρίθηκαν βενζίνη, υγραέριο χωρίς πρόσθετα προϊόντα και δύο πρόσθετα προϊόντα, που διατέθηκαν από κατασκευαστές πρόσθετων υλικών.

Στόχος αυτού του βασικού ελέγχου ήταν από τη μια η επιβεβαίωση του επιλεγμένου σημείου λειτουργίας για την εξέταση της φθοράς και από την άλλη, η ταξινόμηση των πρώτων ποσοστών φθοράς στα καύσιμα και τα πρόσθετα.

Τα ακόλουθα πρόσθετα ελέγχθηκαν:

  • Fuel Specialties
  • TUNAP LPG-Additives
    (Πρόσθετα υγραερίου)

Δεύτερη δοκιμή – Υγραέριο αναφοράς (LPG) χωρίς πρόσθετα

Επειδή κατά τον βασικό έλεγχο δεν μπόρεσε να διαφοροποιηθεί ή να επιβεβαιωθεί η φθορά του επιλεγμένου σημείου λειτουργίας (βλέπε παρακάτω), προφανώς λόγω της ύπαρξης προστατευτικού βαλβίδων σε όλες τις βαλβίδες, επιλέχθηκαν, σε συνεννόηση με την ομάδα εργασίας, για τη 2η δοκιμή, διαφορετικά σημεία λειτουργίας τα οποία ελέγχθηκαν ως προς τα ποσοστά φθοράς τους, κατά τη λειτουργία χωρίς πρόσθετα υλικά. Στην προκειμένη, υπήρξε και στοχευμένη διαφοροποίηση μεταξύ φορτίου και αριθμού στροφών.
Για τον έλεγχο της δραστικότητας του πρόσθετου υλικού, έπρεπε να βρεθεί το σημείο λειτουργίας με την υψηλότερη φθορά, προκειμένου αυτό να εκτελεστεί στη δοκιμή 3, με υγραέριο LPG το οποίο περιείχε ένα πρόσθετο προϊόν.
Επειδή το μεγαλύτερο ποσοστό φθοράς σημειώθηκε έως ότου γίνει η αλλαγή σε καύσιμο με πρόσθετο προϊόν, εικάζεται ότι οι λειτουργικές επιφάνειες των βαλβίδων εξαγωγής θα εμφανίσουν τις χαρακτηριστικά φθαρμένες επιφάνειες. Τέθηκε ερώτημα σχετικά με την πιθανότητα που υπάρχει το πρόσθετο να επικαθίσει και σ’ αυτές τις επιφάνειες, εμποδίζοντας έτσι την περαιτέρω φθορά τους, καθώς και με το χρονικά διάστημα που απαιτείται για την αναστολή αυτής της φθοράς.

Τρίτη δοκιμή – αποτελεσματικότητα πρόσθετου προϊόντος

Η πειραματική διάταξη και το σύνολο των ρυθμίσεων των εργαλείων διαχείρισης υιοθετήθηκαν από την μέτρηση αναφοράς. Απλά, συνδέθηκε ένα άλλο σύστημα δεξαμενής μπροστά από τον εξαερωτήρα, για να προληφθεί, μέσω ενός κυκλοφορητή, η απόμιξη του πρόσθετου προϊόντος.
Βασιζόμενοι στις πρώτες δύο δοκιμές, επόμενος στόχος ήταν, τα δύο πρόσθετα προϊόντα να ελεγχθούν με τη σειρά, πάνω από τους τέσσερεις κυλίνδρους. Σε κάθε ανεφοδιασμό, προστίθεται το εκάστοτε πρόσθετο προϊόν, σύμφωνα με τη ενδεδειγμένη δοσολογία.
Μετά από 4 ώρες διενεργήθηκε μια πρώτη μέτρηση του διάκενου των βαλβίδων, για να εκτιμηθεί η ανταπόκριση τους στο πρόσθετο προϊόν. Οι ακόλουθες μετρήσεις έγιναν ανά 8 ώρες. Καθ’ όλη τη δοκιμή, ο αριθμός στροφών ανερχόταν σε 4800/min με ισχύ 66kW, το οποίο αντιστοιχεί σε σημείο ροπής των 131Nm. Κατά την αλλαγή του πρόσθετου υλικού, γινόταν και εγκατάσταση νέας κυλινδροκεφαλής και κίνησης της αρχικά χωρίς πρόσθετο, εντός του εύρους φθοράς, και στη συνέχεια δοκιμαζόταν το 2ο πρόσθετο προϊόν υπό παρόμοιες συνθήκες. Για αυτό τον έλεγχο διενεργήθηκε πρώτα μια μέτρηση αναφοράς, για να επαληθευτούν τα ποσοστά φθοράς χωρίς πρόσθετα, προκειμένου να μπορεί να γίνει σύγκριση με τη φθορά μετά την προσθήκη του πρόσθετου προϊόντος. Αυτό θεωρήθηκε απαραίτητο, διότι τυχόν διαφορές στις επιμέρους συνθήκες, μπορούν να επηρεάσουν την εμφάνιση φθοράς.

Επικαθίσεις κι επιφάνειες

Κατά την πρώτη δοκιμή δεν διαπιστώθηκε καμία σημαντική φθορά. Αυτό αναμενόταν στις περιπτώσεις των κυλίνδρων με πρόσθετο και του κυλίνδρου βενζίνης, ενώ για τον κύλινδρο χωρίς πρόσθετο υλικό, θα έπρεπε να διαπιστωθεί μια αυξημένη φθορά. Η εξέταση κάτω από το ηλεκτρονικό μικροσκόπιο της περιοχής της χημικής ανάλυσης των επιφανειών επιβεβαίωσε την επιλεκτική λειτουργία των επιμέρους κυλίνδρων. Ωστόσο, διαπιστώθηκε ότι υπάρχει μια ελάχιστη ανάμιξη μεταξύ των κυλίνδρων, που εξηγείται πιθανότατα με τα αεροδυναμικά φαινόμενα των κινούμενων στηλών αερίου στην περιοχή αναρρόφησης και/ή εξαγωγής.

Τα χημικά υπολείμματα των πρόσθετων υλικών εντοπίστηκαν στην αναμενόμενη συγκέντρωση στις επιφάνειες των βαλβίδων των κυλίνδρων με πρόσθετα προϊόντα, καθώς και στον κύλινδρο βενζίνης ίχνη διαδεδομένων πρόσθετων βενζίνης.

Στον κύλινδρο αναφοράς υγραερίου LPG, ο οποίος λειτουργούσε χωρίς πρόσθετα, φάνηκαν, προς έκπληξή μας, ελάχιστες εναποθέσεις της δραστικής ουσίας του πρόσθετου προστασίας φθοράς, της τάξεως των περίπου 5-10% της συγκέντρωσης που υπάρχει στους κυλίνδρους που λειτουργούν με πρόσθετο υλικό.

45
Περαιτέρω διακρίνεται ότι η δραστική ουσία της προστασίας επιφανειών, εναποτίθεται περισσότερο στις βαλβίδες εξαγωγής παρά στις βαλβίδες εισαγωγής. Προφανώς, η διαδικασία καύσης του κινητήρα επηρεάζει την εναπόθεση και η δημιουργία των στρωμάτων φαίνεται να επηρεάζεται από τη θερμοκρασία. Αυτό σημαίνει ότι οι βαλβίδες εισαγωγής και εξαγωγής θα πρέπει να εξεταστούν επιμέρους.

Κατά την ανάλυση REM οι επιφάνειες μπορούν να απεικονιστούν με μεγάλη μεγέθυνση. Επειδή σε κανέναν από τους τέσσερεις κυλίνδρους δεν μετρήθηκε φθορά, δεν αναμενόταν να υπάρχουν μεγάλες διαφορές μεταξύ τους. Συγκριτικά, απεικονίζεται στην κάτω γραμμή εικόνων της πρώτης δοκιμής, μια έντονα διαβρωμένη επιφάνεια μιας άλλης έδρας βαλβίδας με φθορά.

Ποσοστά φθοράς χωρίς πρόσθετα προϊόντα

Στο ακόλουθο διάγραμμα παρουσιάζονται τα διάκενα βαλβίδων που μετρήθηκαν μετά από τις ενδεδειγμένες ώρες λειτουργίας. Οι τιμές αφορούν πάντοτε τη μέση τιμή των 8 βαλβίδων εξαγωγής.

diagramma

Στις μετρήσεις αναφοράς θα πρέπει να ληφθεί υπόψη ότι αυτές ισχύουν μόνο για τις δεδομένες συνθήκες, όπως αυτές επιλέχθηκαν στο δοκιμαστήριο κινητήρων. Παράπλευρες επιρροές, όπως ποιότητα υγραερίου, τρόποι παρασκευής των μερών του κινητήρα ή προοδευτική φθορά, ελαχιστοποιήθηκαν κατά το μέγιστο.

Φαίνεται ότι τα ποσοστά φθοράς των σημείων λειτουργίας που ελέγχθηκαν, κατανέμονται γύρω από τη τιμή προηγούμενης δοκιμής κίνησης με αυτό τον κινητήρα. Η κίτρινη γραμμή υποδεικνύει μια φόρτιση περίπου 40% με σαφώς μικρότερη φθορά από ότι στο μέσο της δοκιμής κίνησης. Μια μεγαλύτερη φθορά εντοπίζεται μόλις το φορτίο αυξάνεται στο 50%. Σε σημείο λειτουργίας 40kW επιλέχθηκε σκοπίμως ένας μεγαλύτερος αριθμός στροφών με 4800/min. Φάνηκε, πως τα ποσοστά φθοράς σχετίζονται περισσότερο με το φορτίο.

Δραστικότητα πρόσθετου προϊόντος

Για τον έλεγχο της δραστικότητας του πρόσθετου προϊόντος, οι κεφαλές των κυλίνδρων κινήθηκαν αρχικά με βενζίνη και ακολούθως με υγραέριο, χωρίς την προσθήκη πρόσθετου υλικού, μέχρι να σημειωθεί μια μετρήσιμη φθορά.
Έπειτα, το διάκενο βαλβίδας ρυθμίστηκε εκ νέου, σύμφωνα με τις προδιαγραφές του κατασκευαστή, και η δοκιμή ξεκίνησε με αέριο εμπλουτισμένο με πρόσθετο, έχοντας προηγουμένως κινήσει τον κινητήρα επί 20 ώρες στο επιλεγμένο κρίσιμο για τη φθορά, σημείο λειτουργίας. Με αυτό τον τρόπο ελέγχθηκαν και τα δύο πρόσθετα προϊόντα και μπόρεσε να καταγραφεί μια μείωση της φθοράς και στα δύο προϊόντα.

99999Στην εικόνα  παρουσιάζονται για παράδειγμα τρία οχήματα, τα οποία εμφανίζουν διάφορα χαρακτηριστικά των χρόνων λειτουργίας τους με υγραεριοκίνηση. Ένα όχημα που εμφανίζει σε υγραεριοκίνηση, δυσλειτουργίες λόγω φθοράς στις βαλβίδες, μετά από μόλις 15.000 χλμ, χαρακτηρίζεται ως ιδιαίτερα ευαίσθητο, ενώ τα οχήματα των οποίων το διάκενο βαλβίδων τους παραμένει καθ’ όλη την διάρκεια της λειτουργίας τους εντός των αποδεκτών ορίων, χαρακτηρίζονται ως ανθεκτικά ως προς το υγραέριο. Τα τρία παραδείγματα μεταξύ 15.000 χλμ και 50.000 χλμ σχετίζονται με τις συνήθεις εμπειρίες των συνεργείων μετατροπής σε υγραεριοκίνηση με υγραέριο LPG.
Το κόκκινο πεδίο υποδεικνύει, πότε εμφανίζονται τα προβλήματα χωρίς προστασία για τις βαλβίδες και το σύνολο της μπάρας παρουσιάζει τον χρόνο λειτουργίας με υγραέριο LPG και πρόσθετο προϊόν. Με βάση το συντελεστή μείωσης του ποσοστού φθοράς που υπολογίστηκε, ακόμη κι ένα όχημα σε κρίσιμα επίπεδα, θα μπορούσε να φτάσει σε λειτουργία άνω των 100.000χλμ, εφόσον προστεθεί ένα πρόσθετο με ανάλογη δοσολογία.

Θα πρέπει να ληφθεί υπόψη ότι σε ορισμένα οχήματα, ο δακτύλιος της έδρας της βαλβίδας, ακόμη και σε βενζινοκίνητη λειτουργία, εισέρχεται στην πολύ μαλακή κεφαλή της βαλβίδας, περιορίζοντας έτσι την λειτουργία της βαλβίδας. Σ’ αυτές τις περιπτώσεις, τα πρόσθετα προϊόντα δεν μπορούν να φανούν χρήσιμα. Τα ποσοστά φθοράς που παρατηρήθηκαν και τα ποσοστά μείωσης της φθοράς σε σχέση με την δοσολογία, εξαρτώνται από τους επιμέρους κινητήρες. Για αυτό θεωρείται ότι στους κινητήρες με έντονη φθορά, θα πρέπει να υπάρξει διαφορετική δοσολογία με άλλα ζεύγη υλικών και μέγιστες πιέσεις.

Συμπέρασμα κι ερμηνεία

Στην πρώτη δοκιμή δεν διαπιστώθηκε φθορά και υπήρξαν ενδείξεις για επιμέρους επιρροές των επιλεγμένων κυλίνδρων λειτουργίας. Επειδή η επιρροή αυτών των επιμέρους επιδράσεων δεν μπορούσε να εκτιμηθεί, η αναζήτηση των ποσοστών φθοράς σε σχέση με τα σημεία λειτουργίας τους μετατέθηκε στην 2η δοκιμή στην οποία όλοι οι κύλινδροι λειτουργούσαν με υγραέριο και δίχως πρόσθετο προϊόν.

Οι διαπιστώσεις της εξέτασης με το ηλεκτρονικό μικροσκόπιο επέτρεψε την εκτίμηση του βαθμού ανάπτυξης ενός προστατευτικού στρώματος πάνω από τους επιμέρους κυλίνδρους. Σύμφωνα με την απορρόφηση του πρόσθετου προϊόντος από τον κύλινδρο αναφοράς που λειτουργούσε με υγραέριο LPG, συμπεράναμε ότι το αποτελεσματικό ποσοστό ανάμιξης που μπορεί να επηρεάσει όλους τους κυλίνδρους ανέρχεται σε 10%.

Στη δεύτερη δοκιμή διακρίθηκαν διαφορετικά ποσοστά φθοράς στα διαφορετικά σημεία λειτουργίας, προσφέροντας έτσι περαιτέρω ενδείξεις για τις διάφορες αιτίες που οδηγούν σε φθορά.

Επειδή κατά την πρώτη δοκιμή η λειτουργία έγινε υπό υψηλές στροφές, ενώ στη δεύτερη δοκιμή διαφάνηκε η συσχέτιση με την πίεση και τη θερμοκρασία, είναι πλέον προφανές ότι στη δοκιμή 1 επιλέχθηκαν προς λειτουργία μόνο σημεία λειτουργίας με μέτρια φθορά, τα οποία είχαν ήδη μια ελάχιστη προστασία των κυλίνδρων.
Αυτές οι δοκιμές δεν μπορούν να καλύψουν και να εξηγήσουν όλη τη θεματική ενότητα που ονομάζεται «φθορά βαλβίδων» επειδή στα πλαίσια αυτών των δοκιμών ελέγχθηκε μόνο ένας επιμέρους τομέας. Ωστόσο, μπορούμε να εξαγάγουμε από τις παρατηρήσεις αυτού του εγχειρήματος, τα ακόλουθα συμπεράσματα:

  • Η βασική φθορά δημιουργείται από διάβρωση (pitting) λόγω μικροεπικαθίσεων.
  • Η τάση ανάπτυξης των επικαθίσεων εξαρτάται από τα ζεύγη των υλικών που χρησιμοποιούνται στην βαλβίδα και στην έδρα της, την θερμοκρασία των καυσαερίων και τη μέγιστη πίεση.
  • Ο αριθμός των στροφών μόνο, δεν επηρεάζει πρωτίστως τη φθορά των βαλβίδων.
  • Τα πρόσθετα προϊόντα που ελέγχθηκαν, δομούν πρωτοβάθμια ένα αναλώσιμο προστατευτικό στρώμα, που μειώνει με την κατάλληλη δοσολογία, την φθορά των βαλβίδων κατά μερικές μονάδες.