THERMAL DEFORMATION OF THE SW680 ENGINE PISTON DEPENDING ON THE POSITION OF COMBUSTION CHAMBER

Transkrypt

1 Journal o KONES Powertran and Transort, Vol. 15, No. 4 8 THERMAL DEFORMATION OF THE S68 ENGINE PISTON DEPENDING ON THE POSITION OF COMBUSTION CHAMBER Grzegorz Mtukewcz, Zbgnew Pawelsk Instytut Pojazdów, Konstrukcj Eksloatacj Maszyn Poltechnk ódzkej eromskego 16 Street, 9-94 ód, Poland tel.: , ax: e-mal: nstoj@.lodz.l, mtuk@ntera.l, zawelsk@.lodz.l Abstract The aer descrbes smulaton model o thermal deormatons o ston o Desel engne wth combuston chamber laced n ston crown. Results or derent oston o combuston chamber are resented and analyzed. For calculatons assumed that thermal deormaton o ston do not vary wthn engne s cycle t works n constant condtons. An hand o ressure and temerature charts o S68 engne, heat transer coecent on ston crown surace was dened. Heat transer coecent on the rest ston suraces was dened based on the lterature. Usng nte element method (FEM code, ston shae was created, and then the ston body was meshed and loaded accordng to Fourer condtons. Nodes dslacements let descrbe ston deormaton. The results o ntal smulaton research o ston deormatons shows, that these deormatons to a consderable degree wll deend rom the oston o the combuston chamber. The largest deormatons steed out or ston wth the chamber arther dslaced rom the ston axs, the smallest or ston wth the symmetrcally stuated combuston chamber. The largest derences n the deormatons stes out n the areas o ston crown. Results rom the erormed earler smulatons show, that the oston o combuston chamber has comarable nluence on the deormaton o ston leadng arts (so essental or the engne exlotaton wth accordance to the rules, how the combuston chamber shae. Obtaned results encourage to the erormng o urther research works. Keywords: transort, slnk salnowe, tok, komory salana, odksztacena celne ODKSZTACENIA CIEPLNE TOKA SILNIKA S68 ZALENOCI OD POOENIA ZASTOSOANEJ KOMORY SPALANIA Streszczene artykule rzedstawono model oblczenowy odksztace celnych toka slnka o zaone samoczynnym z komor salana umeszczon w jego denku, oraz wynk oblcze dla róne ooonych komór salana wraz z ch analz. Do oblcze rzyjto, e odksztacena celne toka s stae w caym cyklu racy slnka, jeel racuje on w ustalonych warunkach. Na odstawe wykresu ndykatorowego slnka S68 okrelono wsóczynnk rzejmowana cea na owerzchn denka toka. sóczynnk rzejmowana cea na ozostaych owerzchnach toka zostay rzyjte na odstawe zalenoc odanych w lteraturze[6]. Przy omocy rogramu komuterowego wykorzystujcego metod elementów skoczonych (MES zamodelowano tok, a nastne dyskretyzowano jego objto elementam rzestrzennym obconym celne rzy wykorzystanu warunków brzegowych trzecego rodzaju (Fourera. yznaczene rzesunca wzów satk ozwolo na okrelene odksztace toka. ynk wstnych bada symulacyjnych odksztace toka wskazuj, e odksztacena te w znacznym stonu zale od ooena komory salana. Najwksze odksztacena wysty dla toka z komor najdalej odsunt od os toka, a najmnejsze dla toka z symetryczne umeszczon komor salana. Najwksze rónce w odksztacenach wystuj w okolcach korony toka. Z rzerowadzonych wczenej symulacj wynka, e ooene komory salana ma orównywalny wyw na odksztacene czc rowadzcej toka (tak stotne dla rawdowej eksloatacj slnka, jak ksztat komory salana. Otrzymane wynk zachcaj do rowadzena dalszych rac badawczych. Sowa kluczowe: transort, combuston engne, stons, combusto chamber, thermal deormaton 1. st slnkach o zaone samoczynnym owetrze dostarczane do cylndra jest srane tak, aby alwo wtrynte do komory salana w okolcy GMP ulego samoczynnemu zaonow. Jest to molwe, jeel w komorze salana w chwl wtrysku alwa anuje odowedno wysoka

2 G. Mtukewcz, Z. Pawelsk temeratura rzekraczajca temeratur samozaonu. Charakterystyczne wc dla tych slnków jest to, e rzygotowane meszank odbywa s doero w cylndrze to w kocu suwu srana. rzecwestwe do slnków o ZI ne otrzebuj one dodatkowego róda energ do zancjowana zaonu. Z lteratury dotyczcej obce celnych slnków tokowych wynka, e rocesy termodynamczne zachodzce w slnku maj stotny wyw na ksztat wymary toka. Przerowadzone rzez rónych autorów [1, 3, 8] badana toków koncentroway s rzede wszystkm na rocesach rzejmowana cea od gorcych gazów rzez denko toka, rzewodzene cea rzez tok odrowadzane cea od toka. Otrzymywano równe schematy odksztace celnych toka. Ksztat komory umeszczonej w toku slnka o zaone samoczynnym uwarunkowany by gówne zaewnenem odowednego zawrowana meszank alwowo owetrznej. Komory salana rzyjmuj wc rónego rodzaju ksztat n.: kulsty, torodalny, t. Instytuce Pojazdów Poltechnk ódzkej [1] s obecne rowadzone race majce na celu ocen wywu ksztatu ooena komory salana na odksztacena celne toka, rzedstawone rzykadowo dla slnka S68. Badana te wykonano rzy omocy rogramów: ProEngneer Ansys. Praca rzebegaa w nastujcych etaach [1]: 1. okrelono warunk brzegowe, wyznaczajc warto wsóczynnka rzejmowana cea na denku toka, (na ozostaych owerzchnach toka wsóczynnk rzejmowana cea okrelono na odstawe zalenoc najczcej sotykanych w lteraturze [6],. zamodelowano tok rzy omocy rogramu ProEngneer, 3. konwertowano lk tak, aby mona je byo otworzy w rograme ANSYS, 4. dyskretyzowano objto toków elementam skoczonym, 5. oblczono rozkad temeratury toka, 6. oblczono odksztacena celne toka.. sóczynnk rzejmowana cea na oszczególnych owerzchnach toka elkoc charakteryzujc stoe obcena celnego owerzchn otaczajcych komor salana jest wsóczynnk rzejmowana cea g. ; T g 1 ; T 1 ; T t 3 ; T 3 4 ; T 4 6 ; T 6 5 ; T 5 Rys. 1. Schemat toka z oznaczenam temeratur T wsóczynnków rzejmowana cea Fg. 1. The schema o the ston wth desgnatons o temeratures T and heat transer coecent Na warto globaln tego wsóczynnka skada s wsóczynnk rzejmowana cea rzez konwekcj k oraz wsóczynnk uwzgldnajce radacj omena r gazu rg [9]. 36

3 Thermal Deormaton o the S68 Engne Pston Deendng on the Poston o Combuston Chamber g. (1 k r rg Ostatn skadnk w orównanu z dwoma erwszym, jest omjalne may, dlatego mona rzyj: g ( k r ( (. ( Do osu rzejmowana cea rzez konwekcj ( k najczcej stosowan zalenoc, w odnesenu do slnków o zaone samoczynnym, jest zaleno oschnego [4]: gdze: D - rednca cylndra, D =,18m,,14,786,786,55 k ( = 17,93 D w ( T ( m, (3 - redna rdko toka w komorze salana ( - chwlowe wartoc cnena czynnka [MPa], T( - chwlowe wartoc temeratury czynnka [K], ( - warto kta obrotu wau korbowego [ OK]. m s, Drug ze wsóczynnków skadowych ( r wynka z romenowana omena, co jest zwzane z ojawenem s w nm czstek sadzy. Zaleno umolwajc wyznaczene wartoc tej welkoc Stke [1] okrel nastujco s C l ( Tl ( ( Ts r (, (4 T ( T gdze: C - staa romenowana caa doskonale czarnego, C = 5,67 4 m K, - chwlowa warto emsyjnoc omena [-], l ( T l ( - chwlowa warto temeratury omena [K], T s - redna temeratura canek komory salana [K], T - chwlowa temeratura czynnka roboczego [K]. ( Emsyjno omena okrela wzór [4] - wzgldna emsyjno omena, ( ( 1 ( l ( 1 e [-], ( - cnene w komorze salana w -tej chwl [MPa], l - redna droga omena w komorze salana [m], Vk l 3,6 1, Fk V k - objto komory salana, V k = 1 cm3 F k - owerzchna komory, F k = 5 cm.,18 l (, (5 1 ( 1,9 ( 361

4 G. Mtukewcz, Z. Pawelsk Temeratura omena w chwl, odowadajcej ktowemu ooenu wau korbowego [4]: v v (1 ( ( Tl ( T (, (6 Lt 1 ( ( ( c ( - wsóczynnk naenena, v =,9, kj - warto oaowa alwa; dla oleju nadowego = 47, kg ( - warto unkcj ebego, - teoretyczna lczba klomol owetrza otrzebna do salena 1 kg alwa, dla oleju L t kmol nadowego, L t =,495 kg, - masa molowa suchego owetrza, kg,896, mol - wsóczynnk nadmaru owetrza, = 1,7, J c( - ceo wacwe omena. kg K arto unkcj ebego: ( 6,98 ( 1,7 k ( 1 e, - beca warto kta obrotu wau korbowego, , - kt obrotu wau na ocztku salana, 173, k -kt obrotu wau na kocu salana, 43. Ceo wacwe omena c k 3 997,3 1 ( (,65 6 T ( redn temeratur canek komory salana okrela wzór. (7 T ( D k D k D k T s 35,8-46,7-937, ,3 t D k D c D c D c 1- D D k - rednca komory w toku, D k =,715 m, D - rednca toka, D =,18 m, t - temeratura rodka denka toka [K], c t,43 (,5tch,8 (3 e 16 t ch - temeratura ceczy chodzcej, t ch = 8ºC, - stoe srana, = 16,5, e - redne cnene uyteczne, e =,457 MPa, D - rednca toka, D =,18 m, - staa termodynamczna. e,d e e, (8 73,, (9 36

5 Thermal Deormaton o the S68 Engne Pston Deendng on the Poston o Combuston Chamber e 18,41 n, (1 e 747,45 n (136,45 n e 1 obr n - rdko obrotowa slnka, n = mn. Przyjmuje s, e redna rdko czynnka w komorze salana osga warto trzykrotne wksz n rdko toka, std: w 3, m c r - redna rdko toka, c r = 1 s, S - skok toka, S =,16[m] c r c r S n, (11 3 celu uzyskana rzebegów zman cnena temeratury w komorze salana slnka wykorzystano rogram komuterowy, który owsta w Instytuce Pojazdów Poltechnk ódzkej. Program wykorzystuje algorytm ebego. Ponej rzedstawono wykres zman cnena temeratury w unkcj kta obrotu wau korbowego. T 5 [K] T [OK] Rys.. ykres ndykatorowy otwarty: Slnk S68 Fg.. Indcator dagram o the S68 engne 1 9[MPa] ykorzystujc algorytm oblcze rzedstawony we wczenejszej czc artykuu wyznaczono wartoc wsóczynnków rzejmowana cea rzez konwekcj k oraz wsóczynnk uwzgldnajcy radacj omena r. /m ^K k k + r r OK Rys. 3. ykres rzebegu zman wsóczynnków rzejmowana cea Fg. 3. Dagram o the course o heat transer coecents 363

6 G. Mtukewcz, Z. Pawelsk Oblczena byy rowadzone dla warunków ustalonych, wc do oblcze rzyjto redn wsóczynnk rzejmowana cea = 54,76. m redn wsóczynnk rzejmowana cea na owerzchn owyej erwszego ercena tokowego 1 jest mnejszy n dla denka toka. rzyadku szczeln wskch naley rzyjmowa nsze wartoc temeratur gazu znaczne nsze wartoc wsóczynnków rzejmowana cea n rzy szczelnach szerokch. Przyjto: 1 8. m K edug newskego [6] redne wartoc wsóczynnków rzejmowana cea od toka do owerzchn bocznych erwszego ercena uszczelnajcego wynosz: 1 ; dla górnej owerzchn rowka ercenowego, m K 3 ; dla dolnej owerzchn rowka ercenowego. m K Przyjto jednakowy wsóczynnk rzejmowana cea dla obydwu owerzchn: K. (1 m K Pozostae wsóczynnk rzyjto na odstawe lteratury [6]. artoc wsóczynnków rzejmowana cea oraz odowadajce m temeratury rzedstawa Tab. 1. Tab. 1. artoc rzyjtych wsóczynnków rzejmowana cea temeratur. Oznaczena zgodne z Rys. 1 Tab. 1. Values o aled heat transer coecents and temeratures. Marked accordng to Fg. 1 / numer owerzchn [ m K ] 54, T [K] ynk oblcze odksztace celnych toków slnka sw68 Tok slnków salnowych wykonuj s mdzy nnym ze stoów alumnum. Przyjto, e matera z jakego wykonane s badane tok to AK1. asnoc materaowe tego stou alumnum z krzemem odano onej: - modu Younga E = 65 [MPa]n, - lczba Possona =,33 n, - gsto kg = 7 3 n, m - wsóczynnk rozszerzalnoc celnej (Rys. 4, - wsóczynnk rzewodnoc celnej (Rys

7 Thermal Deormaton o the S68 Engne Pston Deendng on the Poston o Combuston Chamber 5 *1^-6 /m^k T [K] Rys. 4. Przebeg zman wsóczynnka rozszerzalnoc lnowej w unkcj temeratury [] Fg. 4. The course o changes o the lnear thermal exanson coecent versus temerature [] /mk T [K] Rys. 5. Przebeg zman wsóczynnka rzewodnoc celnej w unkcj temeratury [] Fg. 5. The course o changes o thermal conductvty coecent versus temerature [] Przy omocy rogramu ProEngneer wykonano nastujce modele toków rónce s ooenem komory salana, rzy zaoenu jej jednakowego ksztatu objtoc: Komora nr.1 e = mm Komora nr. e = 5 mm Komora nr.3 e =1 mm Komora nr.4 e = 15 mm Rys. 6. Modele toków wykonanych rzy omocy rogramu ProEngneer Fg. 6. Models the ston samles erormed wth the Pro Engneer rogram 365

8 G. Mtukewcz, Z. Pawelsk ynk oblcze wykonanych rzy omocy rogramu ANSYS rzedstawono onej: a. b. c. d Rys. 7. Rozkad temeratury toka dla róne ooonej komory salana [K] Fg. 7. Pston course temerature or derent oston o combuston chaber [K] Analzujc wymary lnowe komór salana mona zauway, e rzechodzc od komory salana ooonej w os toka do komory, najdalej odsuntej od os toka uzyskano szerok zakres zman rozkadu temeratury jak równe odksztace celnych toka. a. b. c. d Rys. 8. Odksztacena celne toków z róne ooon komor salana [m] Fg. 8. Thermal deormaton o stons wth derent oston o combuston chamber[m] Tab.. Maksymalne odksztacena zaobserwowane w rzyadku rzesunca komory salana Tab.. Maxmum o deormatons observed In case o derent oston o combuston chaber Numer komory salana na lewo od os Zmana wymarów geometrycznych [mm] na rawo od os 1,766,766,774,759 3,788,755 4,85, Podsumowane ynk wstnych bada symulacyjnych odksztace toka, rzedstawone na Rys. 8, wskazuj, e odksztacena te w znacznym stonu zale od ooena komory salana. Najwksze odksztacena wysty dla toka z komor najdalej odsunt od os toka (Rys. 8d, a najmnejsze dla toka z symetryczne umeszczon komor salana (Rys. 8a. Najwksze 366

9 Thermal Deormaton o the S68 Engne Pston Deendng on the Poston o Combuston Chamber rónce w odksztacenach wystuj w okolcach korony toka. Z rzerowadzonych wczenej symulacj wynka, e ooene komory salana ma orównywalny wyw na odksztacene czc rowadzcej toka (tak stotne dla rawdowej eksloatacj slnka, jak ksztat komory salana. Otrzymane wynk zachcaj do rowadzena dalszych rac badawczych. Lteratura [1] Gardysk, L., erosk, A., Stanowsko do omarów chwlowych temeratur denka toka. Materay konerencyjne KONES 97. [] Petrowsk, S., Krystalzacja, struktura wacwoc slumnów tokowych, ydawnctwo Poltechnk ódzkej, ód [3] Petrowsk, S., Struktura slumnów tokowych w asekce obce mechancznych celnych toka. Journal o KONES Vol., No. 1. arsaw-poznan, [4] Stke, G., Heat transer and thermal loadng n nternal combuston engnes. Akadema Kado, Budaest [5] Szlachta, Z., Mruk, A., Csek, J., yw termozolacj denka toka na wasnoc slnka wysokornego. Interkonmot 98. [6] newsk, S., Obcena celne slnków tokowych, K arszawa 197. [7] oschn, G., Berechnung der andverluste und thermschen Belastung von Deselmotoren, MTZ Nr 197. [8] Zabock, M., Badana rozwojowe tokowych slnków salnowych, Praca zborowa. ydawnctwo Poltechnk Krakowskej, Kraków - Janowce [9] Kwanowsk, S., Sroka, Z. J., Zabock,., Modelowane obce celnych w elementach slnków salnowych, ydawnctwo Poltechnk rocawskej, rocaw [1] Mtukewcz, G., Sygnewcz, J., Odksztacena celne toka slnka S68 w zalenoc od ksztatu zastosowanej komory salana, KONES

10