SIMULATION OF THE EFFECT OF CONTACT THERMAL RESISTANCE ON THERMAL STATE OF EXHAUST VALVES DURING THE COLD START OF ENGINE

Transkrypt

1 Jounal of KONES Intenal Combustion Engines 005, vol. 1, 1- SIMULATION OF THE EFFECT OF CONTACT THERMAL RESISTANCE ON THERMAL STATE OF EXHAUST VALVES DURING THE COLD START OF ENGINE Zdzisaw Nagóski Wasaw Univesity of Technology, Institute of Vehicles 0-54 Waszawa, ul. Nabutta 84 tel.: Abstact This pape pesents a compaison of the tansient heat flow in two exhaust valves fo a diffeent esistance of themal contact between the valve head and valve seat as well as between the valve stem and valve guide duing the cold stat of a fou-stoke engine. This wok continues the ealie study in this subject [5]. Peviously, the models consideed themal changes in the woking medium, themal changes in the heat tansfe coefficients on the sufaces of valves duing the wok cycle, changes in tempeatue of the valve seats and valve guides in time, vaious themo physical popeties of mateials fo the valve head and valve stem, as well as the effect of valve movement fom the valve seat and valve guide. In this study, the models wee modified in ode to conside the effect of contact themal esistance between the valve head and valve seat and between the valve stem and valve guide on the tempeatue field in valves. The simulation was made using the KM3R method [4]. The esults of simulation showed essential diffeences in the tempeatue field that wee caused among othe things by changes in contact themal esistance between the elements of valve unit. BADANIA SYMULACYJNE WPYWU KONTAKTOWEGO OPORU CIEPLNEGO NA STAN CIEPLNY ZAWORÓW WYLOTOWYCH PODCZAS ZIMNEGO ROZRUCHU SILNIKA Steszczenie Pzedstawiono badania symulacyjne nieustalonego pzepywu ciepa w dwóch zawoach wylotowych, pzy ónych kontaktowych opoach cieplnych zespoów: gzybek gniazdo zawou oaz tzonek powadnica zawou, podczas zimnego statu czteosuwowego silnika tokowego. W modelu symulacyjnym [5], opacowanym metod KM3R [4], zawoy poddano takim samym wymuszeniom cieplnym, tzn. uwzgldniono zmian tempeatuy czynnika oboczego, wspóczynników pzejmowania ciepa na powiezchniach zawoów w cyklu oboczym, zmian tempeatuy gniazd i powadnic zawoowych w funkcji czasu, óne waciwoci temofizyczne mateiaów gzybków i tzonków oaz efekt zmiany pooenia zawoów wzgldem gniazd i w powadnicach. Dla potzeb tego opacowania, w modelu [5] wpowadzono ww. kontaktowe opoy cieplne. Badania poównawcze modeli zawoów w czasie zimnego ozuchu silnika wykazay istotne ónice w polach tempeatuy, zalene m. in. od jakoci kontaktu cieplnego midzy ww. elementami. 1. Wpowadzenie Okes zimnego ozuchu tłokowego silnika spalinowego chaakteyzuje się - opócz emisji szczególnie szkodliwych, niskotempeatuowych poduktów spalania - występowaniem znacznych obciążeń cieplnych w elementach silnika, kontaktujących się z goącymi spalinami. Obciążenie cieplne elementu konstukcyjnego wiąże się z pzepływem nieustalonego stumienia ciepła w mateiale tego elementu. Stumień ten zmienia lokalne watości enegii wewnętznej (jej miaą jest lokalna tempeatua), któa wpływa na zmianę właściwości temofizycznych mateiału konstukcyjnego, a ponadto wywołuje lokalne gadienty tempeatuy, któe są odpowiedzialne za ozkłady napężeń temomechanicznych i zależnych od nich - odkształceń cieplnych elementu. W silniku spalinowym jest szeeg elementów, któych funkcjonowanie w waunkach 65

2 pzepływu zmiennego w czasie stumienia ciepła musi być niezawodne. Do takich elementów należą m. in. zawoy wylotowe [1]. W celu bliższego poznania zależności między paametami cyklu oboczego i polem tempeatuy w tych zawoach, zbudowano tójwymiaowy model symulacyjny nieustalonego pzepływu ciepła (opisany bliżej w efeacie [5]) w dwóch óżnych zawoach, poddanych takim samym wymuszeniom cieplnym, występującym podczas tzw. zimnego ozuchu silnika. W modelu [5], zbudowanym metodą KM3R [4], uwzględniono zmienność tempeatuy ładunku oboczego i współczynników pzejmowania ciepła na powiezchniach zawoów w powtazalnych cyklach pacy oaz niezależne pzebiegi tempeatuy gniazda i powadnicy zawou w funkcji czasu. Uwzględniono także efekty cieplne, wynikające ze zmiany położenia zawoów w powadnicach i gniazdach. Wastwa nagau na pzylgni gniazda lub pzypalonego oleju na powiezchni ślizgowej powadnicy tzonka wpływa na intensywność pzepływu ciepła między zawoem a tymi powiezchniami. Doby kontakt cieplny między tymi elementami ułatwia odpowadzenie ciepła z zawou, co spzyja zmniejszeniu jego śedniej tempeatuy. W celu oceny kontaktowej wymiany ciepła na powiezchniach zawoów, wpowadzono opcjonalnie waunki IV odzaju z opoami cieplnymi: gzybek - gniazdo i tzonek - powadnica. Kontaktowy opó cieplny R wastwy o gubości g w i współczynniku pzewodzenia ciepła w okeśla zależność g R w. (1) Opó cieplny odnosi się zwykle do badzo cienkiej wastwy tzeciego mateiału w miejscu styku dwóch innych mateiałów, a jego obecność chaakteyzuje skokowa zmiana tempeatuy (tzw. uskok tempeatuowy). Zwykle małe gubości wastwy g w i watości współczynnika w, dają badzo małe watości R.. Model symulacyjny pzepywu ciepa w zawoach wylotowych uwzgldniajc kontaktowe opoy cieplne gzybek gniazdo i tzonek powadnica Założenie osiowej symetii wymuszeń cieplnych na powiezchniach zawoów i osiowej symetii zawoów, pozwala oganiczyć geometię modelu obliczeniowego do dwóch wycinków ( ćwiatek) każdego z nich. Mateiały tzonków i gzybków zawoów A i B (ys. 1), podobnie jak mateiały gniazd i powadnic PR, mogą mieć niezależne właściwości temofizyczne. Współczynniki wyównywania tempeatuy a (a = /(c p ), gdzie: współczynnik pzewodzenia ciepła, c p ciepło właściwe, gęstość) mateiałów tzonków At i Bt wynoszą odpowiednio a At i a Bt oaz gzybków a i a Bg. Między gniazdami, o współczynniku pzewodzenia ciepła, a gzybkami i Bg mogą wystąpić kontaktowe B opoy cieplne R GGA i R GGB, natomiast między powadnicami PR (o znanym PR) a tzonkami At i Bt opoy cieplne R TPA i R TPB. Założono, że w miejscu złączenia gzybków z tzonkami jest idealny kontakt cieplny R GT = 0 oaz, że tempeatuy gniazda T i powadnicy T PR są wykładniczymi funkcjami czasu t. Na ysunku pokazano pzebiegi nadwyżek tempeatuy gazów T gaz1 (t) i T gaz (t) (nadwyżki tempeatuy są óżnicą tempeatuy bieżącej i początkowej (statowej) zawou, ównej np. 93 K) oaz współczynników pzejmowania ciepła 1 (t) i (t), podczas cyklu oboczego silnika czteosuwowego, w któym pzez ok. ¾ cyklu zawó jest zamknięty a pzez ¼ cyklu otwaty. Podczas, gdy zawó jest zamknięty, czoło talezyka pzejmuje ciepło pzy współczynniku 1 (t) od gazu o tempeatuze T gaz1 (t), natomiast powiezchnia stożkowa gzybka i odsłonięta część tzonka pzejmuje ciepło pzy współczynniku (t) od gazu o tempeatuze T gaz (t). Gdy zawó jest otwaty, wszystkie jego odsłonięte powiezchnie w 66

3 pzejmują ciepło pzy współczynniku 1 (t) (= (t)) od gazu o tempeatuze T gaz1 (t) (= T gaz (t)). Wymienione wielkości składają się na waunki bzegowe III odzaju (Fouiea). Pzebiegi T gaz (t) i (t) w modelowym cyklu oboczym silnika mogą być dowolnie kształtowane. R TPA At PR R GT=0 Bg Bt T PR (t), PR R TPB T G N(t), Nadwyżka Tgaz [K] Tgaz1 Tgaz alfa1 alfa Współczynnik alfa [W/(mK)] R GGA R GGB t [s] ssanie spężanie ozpężanie wydech ssanie Rys. 1. Modele geometyczne dwóch wiatek zawoów A i B z gzybkami i Bg, tzonkami At i Bt oaz opoami cieplnymi R GGA, R TPA, R GGB i R TPB Fig. 1. The geometical models of two independent quates of the valves A and B with the valve head and Bg, the valves stem At and Bt, and the contact themal esistances R GGA, R TPA, R GGB and R TPB Rys.. Pzebiegi nadwyek tempeatuy czynnika oboczego T gaz1 (t) i T gaz (t) oaz wspóczynników pzejmowania ciepa 1 (t) i (t) podczas zaoonego cyklu oboczego silnika Fig.. The tempeatue suplus of woking medium T gaz1 (t) and T gaz (t) as well as the heat convection coefficients 1 (t) and (t) duing the engine wok cycle Pzyjęte waunki bzegowe wymiany ciepła (zaznaczone odpowiednimi liniami nad powiezchniami zawoów, pokazanych na ys. 3) na powiezchniach zawoów powtazają się zgodnie z cyklem oboczym silnika (ys. ) i zmieniają się w zależności od położenia zawoów względem gniazd i powadnic. Na ys. 3a,b pokazano ozmieszczenie podstawowych paametów chaakteyzujących zmienne w czasie waunki bzegowe w położeniach otwatych i zamkniętych zawoów. Na ys. 3a pokazano ozmieszczenie waunków bzegowych na powiezchniach zawoów w położeniu otwatym; pzyjęto: - na czołach i pzylgniach gzybków, na ich stożkowych powiezchniach i odsłoniętych częściach tzonków zawoów zmienne w czasie waunki bzegowe Fouiea, okeślone pzebiegami T gaz1 (t) i 1 (t) (po. ys. ), - na powiezchniach tzonków aktualnie kontaktujących się z powadnicami waunki bzegowe IV odzaju z kontaktowymi opoami cieplnymi R TPA i R TPB oaz zmienną w czasie tempeatuą powadnic T PR (t), - na końcach tzonków waunki Diichleta, okeślone zmienną tempeatuą T PR (t), - na płaszczyznach oganiczających wycinki zawoów (ys. 4), w tym także osie zawoów waunki adiabatyczne (zeowy waunek Neumanna oznacza, że lokalne gęstości stumienia ciepła są ówne zeo). W położeniu zamkniętym zawoów (ys. 3b) waunki bzegowe pzyjmują następujące postacie: - na czołach gzybków zmienne w czasie waunki bzegowe Fouiea, nadal okeślone pzebiegami T gaz1 (t) i 1 (t), - na pzylgniach gzybków zmienne w czasie waunki bzegowe IV odzaju z 67

4 B B kontaktowymi opoami cieplnymi R GGA i R GGB oaz zmienną w czasie tempeatuą gniazd T(t), - na stożkowych powiezchniach gzybków i odsłoniętych częściach tzonków zmienne w czasie waunki bzegowe Fouiea, okeślone pzebiegami T gaz (t) i (t) (po. ys. ), - na powiezchniach tzonków aktualnie kontaktujących się z powadnicami waunki bzegowe IV odzaju z kontaktowymi opoami cieplnymi R TPA i R TPB oaz zmienną w czasie tempeatuą powadnic TPR(t), - na końcach tzonków waunki Diichleta, okeślone zmienną tempeatuą T PR (t), - na płaszczyznach oganiczających wycinki zawoów, w tym także osie zawoów waunki adiabatyczne (takie jak dla stanu otwatego). Tempeatuy obydwu gniazd T i obydwu powadnic T PR zawoów są zadanymi, współzależnymi funkcjami czasu (ich watości w funkcji miejsca, np. na całej powiezchni gniazda, są takie same) i zmieniają się wg zależności: T T max1 exp0,5t, () TPR 0 6, T 1 exp0, 15t. (3) gdzie T max jest zadaną watością maksymalnej tempeatuy gniazda (tu ówną 350 K). a) Zawoy otwate T PR b) Zawoy zamknięte T PR adiabata R TPA R TPA adiabata T PR, PR Tzonek At Tzonek Bt R TPB T PR, PR T gaz, Tzonek At Tzonek Bt RTPB T gaz1, 1 Styk R GT=0 R GGA Styk R GT=0 Gzybek Gzybek Bg T, Gzybek Gzybek Bg T gaz1, 1 Tgaz1, 1 R GGB Rys. 3. Waunki bzegowe wymiany ciepa na powiezchniach modeli zawoów: a) w stanie otwatym, b) w stanie zamknitym Fig. 3. The bounday conditions fo heat tansfe on the suface of valve models in the open (a) and close (b) state Modele geometyczne wycinków zawoów osadzono w walcowo-symetycznym układzie odniesienia o zmiennych: pomieniu, wysokości z i kącie. Na ys. 4 pokazano sposób dysketyzacji zawoów wycinkami pieścieni o gubości = i+1 - i, wysokości z i kącie ozwacia segmentu. Po pięć takich segmentów składa się na model geometyczny każdego wycinka zawou (pzy = 18 o wycinek ma postać ćwiatki zawou). Tójwymiaowy element bilansowy (komóka pzestzenna oznaczona koloem szaym ys. 4) o tempeatuze T O kontaktuje się z sześcioma komókami: góną (G), dolną (D), wewnętzną (W), zewnętzną (Z), pawą (P) i lewą (L) o tempeatuach odpowiednio: T G, T D, T W, T Z, T P i T L. Wymienione wielkości, znajdują się w węzłach, leżących w płaszczyznach symetii osiowej segmentów, o kątach ozwacia. W modelach zawoów A i B (ys. 4) wykozystano kilkadziesiąt odzajów fomuł, któych postacie zależą od położenia komóki w modelu (fomuły wewnętzne lub bzegowe) 68

5 i odzaju waunków wymiany ciepła na powiezchniach zawoów (waunki bzegowe Diichleta, Neumanna, Fouiea i IV odzaju). Powiezchnia adiabatyczna zawou A T L T W + - Zawó A Widok od spodu gzybka Zawó B Pzekój pionowy fagmentu zawou T G T O T Z z Segement T O T W T Z T P - Powiezchnia adiabatyczna zawou A Powiezchnie adiabatyczne zawou B z + T D Rys. 4. Dysketyzacja wiatek zawoów A i B elementami o wymiaach, z, w ukadzie walcowym [5] Fig. 4. Discetization of quates of the valve A and B with the elements of dimension, z, in the cylindical coodinate system [5] Dla pzykładu (ys. 4 i 5) pokazano zostanie sposób wypowadzenia fomuły bzegowe z waunkiem IV odzaju z kontaktowym opoem cieplnym R GGA między pzylgnią gzybka i gniazda zawoowego (pzykłady wypowadzeń óżnych fomuł znajdują się w opacowaniach [,3,4], a innych fomuł dla omawianego modelu w [5]). Bilans nieustalonego stumienia ciepła dla naożnikowej komóki bilansowej T O w mateiale gzybka ma postać 360 z 360 zc p 360 T G TO T W TO T LTO R T T T T T T D GGA z O z T O TO, t z 180 z 180 Z R GGA O z z 180 P O 180 gdzie: t kok czasu, TO tempeatua komóki bilansowej TO w bieżącej chwili t, a T W, T P, T L, T D i T O tempeatuy komóek w mateiale gzybka oaz T G i T Z w mateiale gniazda w chwili t t, a RGGA jest kontaktowym opoem cieplnym na styku mateiału gzybka i gniazda. Z ównania (4) uzyskuje się bzegową fomułę tempeatuową T O dla komóki bilansowej O, należącej do mateiału, któa dla dowolnej chwili t ma postać O T T O 1 m R n1 n n1 nr K n T m R n1 n n1 nr k G D k Fo Fo TW TZ T PTL, (5) m 1 m m T m K n (4) gdzie: Fo R a t dysketna liczba Fouiea (bezwymiaowy kok czasu), odniesiona do cech temofizycznych mateiału gzybka oaz do wymiau, R GGA m 1, m R R GGA 1 kieunkowe wyóżniki kontaktowego opou cieplnego mateiałów gniazda i gzybka zawou A, 69

6 R GGA T G T Z T O T W T L T D Rys. 5. Schemat bilansowy dla tójwymiaowej naonikowej fomuy tempeatuowej w komóce "O" mateiau, z waunkiem IV odzaju i opoem kontaktowym R GGA Fig. 5. The balance schema fo the cone tempeatue in the "O" cell of the mateial with the kind condition and the contact esistance R GGA T P z z z K, k z m, n współczynniki kształtu. Dla zadanych watości, z i współczynniki K k R m, R i m są stałymi paametami, natomiast współczynnik n jest funkcją bieżącego położenia komóki, zależnego od pomienia. Na ys. 5, koloem szaym zaznaczono komóki mateiału gniazda, a białym - komóki mateiału gzybka. Fomuła (5) stanowi pzykład fomuł wykozystywanych w modelu obliczeniowym, zbudowanym w śodowisku MS Excel [4]. Model obliczeniowy składa się z 5. akuszy z fomułami (typu F) oaz 7. akuszy z watościami bzegowymi i bieżącymi (typu W). W każdym z pięciu akuszy F, któe epezentują pzekoje osiowe segmentów zawoów A i B dla dysketnych watości kąta, znajduje się blisko 55. typów fomuł. W modelu, liczba komóek z fomułami dochodzi do 4000., a łącznie z komókami pzechowującymi watości w akuszach typu W, sięga ok Każdy model poddano iteacji, co odpowiada początkowym cyklom pacy (w pzedziale czasu 0 1 min.) silnika czteosuwowego pzy pędkości obotowej 3000 ob/min. Poces obliczeń nadzoowało tzw. mako, któe składa się z kilkunastu postych poleceń, steujących pzepływem i wymianą danych międzyiteacyjnych. 3. Badania symulacyjne modeli zawoów z gzybkami paskimi W badaniach wpływu jakości kontaktów cieplnych gzybek - gniazdo oaz tzonek - powadnica (pzy okeślonych zależnościami () i (3) pzebiegach tempeatuy gniazda i powadnicy) na stan cieplny zawoów, wykozystano dane wejściowe, pzedstawione w tablicy 1 oaz waiantowe kombinacje watości kontaktowych opoów cieplnych gzybek gniazdo R GG i tzonek powadnica R TP, podane w tablicy. Na ys. 6 pokazano pzykłady chwilowych pól tempeatuy, dla pzypadków: idealnych kontaktów cieplnych między gzybkiem i gniazdem oaz tzonkiem i powadnicą zawou A (R GGA = R TPA = 0,000 m K/W) oaz nieidealnych kontaktów między tymi elementami zawou B (R GGB = R TPB = 0,001 m K/W). Na wykesach, opócz infomacji o watościach współczynników pzewodzenia ciepła, podano także bieżącą tempeatuę gniazd T i powadnic T PR. Poównanie pól tempeatuy wykazuje istotne óżnice w pzepływie ciepła w tych zawoach, zależne od jakości styku powiezchni gzybek gniazdo i tzonek powadnica zawoowa. W zawoze zawou B, w poównaniu z zawoem A (o idealnych kontaktach cieplnych), nieidealne kontakty cieplne między tymi powiezchniami pzyczyniają się do znacznego podwyższenia śedniej tempeatuy zawou, zwiększenia gadientów tempeatuy, szczególnie w gzybkowej części zawou, i zmiany kieunku pzepływu ciepła na badziej pionowy. Widać, że nawet niewielkie watości kontaktowych opoów cieplnych (np. R = 0,001 m K/W) twozą wastwy dobej izolacji cieplnej, oganiczające funkcje chłodzące gniazd i powadnic. 70

7 Tablica 1. Dane wejciowe w modelach symulacyjnych zawoów A i B (wielkoci wejciowe zadawane w modelach wyóniono wytuszczonym dukiem) Table 1. Input data in models of stimulatoy valves A and B (output data given in models one distinguished in bold chaactes Lp. Wielko wejciowa Miano Gzybek Tzonek At Elementy modelu obliczeniowego: Gzybek Tzonek Bg Bt Gniazdo 1. Współczynnik pzewodzenia ciepła [W/(m K)] Gęstość [kg/m 3 ] Ciepło właściwe c p [J/(kg K)] Współ. wyównywania tempeatuy a [m /s] 0, , , , Dysketny pzyost pomienia [m] 0, Dysketna wysokość z [m] 0,00 7. Dysketny kąt segmentu [ o ] 18 Kok czasu modelu: 8. Czas jednego cyklu oboczego t CY [s] 0,04 (pzy 3000 ob/min) 9. Kok czasu modelu t [s] 0,001 Powadni ca PR Waunki ganiczne wymiany ciepa cyklu oboczym: Ssanie Spanie Rozpanie Wydech 10. Nadwyżka temp. gazu (ys. ) T gaz1 [K] 150 do do do do Współ. pzejm. ciepła alfa1 (ys. ) 1 [W/(m K)] Nadwyżka temp. gazu (ys. ) T gaz [K] do Współ. pzejm. ciepła alfa (ys. ) [W/(m K)] Nadwyżka tempeatuy gniazda T [K] T = T max. [1-exp(-0,5 t)] dla Tgn max = 350 K wg wzou () 15. Nadwyżka tempeatuy powadnicy T PR [K] T PR = 0,6 T. [1-exp(-0,15. t)] wg wzou (3) 16. Nadwyżka tempeatuy początkowej T pocz [K] 0 w całej objętości zawou Tablica. Zestawienie kombinacji watoci kontaktowych opoów cieplnych R GG i R TP, wykozystywanych w obliczeniach symulacyjnych modeli zawoów Table. The list of the combination of the contact value of -themal esistances R GG and R TP, used in calculations of stimulatoy models of valves Kontaktowe opoy cieplne: [m K/W] gzybek gniazdo: R GG tzonek powadnica: R TP 0, ,0000 0, ,0001 0,0005 0,001 0,00000 x x x x x x 0,00005 x - - x - x 0,0001 x - - x - x 0,001 x - - x - x 4. Analiza pól tempeatuy w zawoach Celem badań symulacyjnych jest ocena wpływu jakości kontaktów cieplnych oaz pzebiegów tempeatuy gniazda i powadnicy na ozkład pól tempeatuy w modelach zawoów, podczas zimnego ozuchu silnika. Dla potzeb analizy wybano 5 punktów obsewacji tempeatuy (po 3 w każdym gzybku i po w każdym tzonku). Na ys. 7 pokazano ozmieszczenie punktów obsewacji tempeatuy w gzybkach G1 do G3 oaz w tzonkach zawoów T4 i T5. Wyniki tych obsewacji, dla kilkunastu kombinacji watości kontaktowych opoów cieplnych, posłużyły do wyznaczenia pzebiegów nadwyżek tempeatuy w wybanych punktach pzekojów zawoów, dla czteech kombinacji watości kontaktowych opoów cieplnych R GG i R TP. Pzebiegi nadwyżek tempeatuy, pokazane na ys. 8a, odpowiadają pzypadkom: - idealnych kontaktów cieplnych gzybek gniazdo oaz tzonek powadnica (kombinacja opoów RGG000-TP000), - nieidealnych kontaktów cieplnych między ww. elementami (kombinacja opoów RGG001-RTP001). 71

8 B t [s] =5,0 RTPA=0 RGGA=0 LaAt=0 La=30 La=60 LaPR=60 Mateia At Mateia R0 1R 1R4 1R6 1R8 1R10 1R1 1R14 1R16 1R18 1R0 ednica RTPB=0,001 9 RGGB=0, LaBt=0 13 LaBg= TPR=70 K 19 1 T=50 K Mateia Bt Mateia Bg Wysoko t [s] =40,0 RTPA=0 RGGA=0 LaAt=0 La=30 La=60 LaPR=60 Mateia At Mateia R0 1R 1R4 1R6 1R8 1R10 1R1 1R14 1R16 1R18 1R0 ednica RTPB=0,001 9 RGGB=0, LaBt=0 13 LaBg= TPR=09 K 19 T=349 K Mateia Bt Mateia Bg Wysoko Rys. 6. Poównanie chwilowych pól tempeatuy (t = 5 i 40 s) w pópzekojach identycznych zawoów A i B, ónicych si jakoci kontaktów cieplnych: gzybek gniazdo i tzonek powadnica (zawó A ma idealne kontakty cieplne: R GGA = R TPA = 0,000 m K/W, a zawó B nieidealne kontakty cieplne: R GGB = R TPB = 0,001 m K/W), pzy tempeatuach gniazda T i powadnicy T PR, okelonych wzoami () i (3) Fig. 6. The compaison of tempoal tempeatue fields (t = 5 i 40 s) in the half-coss-sections of valve A and B fo a diffeent quality of themal contact between the valve head and valve seat, and between the valve stem and valve guide, when the tempeatue of valve seat is T and the tempeatue of valve guide is T. The tempeatue of valve seat and valve guide ae detemined using the equation () and (3). The valve A has the ideal themal contact: R GGA = R TPA = 0 m K/W, and the valve B has the non-ideal themal kontact: R GGB = R TPB = 0,001 m K/W G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z AA AB AC z z z z z z z z z z z z z z z z z z z z z T z1 Położenie otwate z z z z z z z z z z z z33 Położenie zamkniete Ma tei a tzonk a z T z z z z z z z z4 Mateia gzybka z z z z z G z z z z G1 0 1z5 G z53 Rys. 7. Dysketna stuktua pzekoju zawou z punktami obsewacji tempeatuy: G1 do G3 w gzybku oaz T4 i T5 w tzonku Fig. 7. The discete stuctue of valve cosssection with the points G1-G3 in the valve head, and T4-T5 in the valve stem, used fo the obsevation of tempeatue cieplnemu tzonek powadnica (kombinacja opoów RGG001-RTP000). Nadwyżka tempeatuy gniazda T oaz powadnicy T PR dla omawianych pzypadków, zmieniała się wg funkcji () i (3), któe gwaantują stabilizację tempeatuy gniazda po ok. 0 s, a powadnicy po ok. 30 s. Pzebiegi T i T PR naniesiono na wykesach. W pzypadku idealnych kontaktów cieplnych (RGG000-RTP000, linie ciągłe na ys. 8a) stabilizacja tempeatuy w zawoze następuje po ok. 40 s, a w pzypadku kontaktów nieidealnych (RGG001-RTP001, linia pzeywana na ys. 8a) - po ponad 60 s. Można więc pzyjąć, że dla modelowych waunków wymiany ciepła stabilizacja tempeatuy w zawoze następuje po czasie -kotnie większym, niż stabilizacja tempeatuy gniazda oaz powadnicy. Tempeatua (np. śednia) zawou w funkcji czasu badzo wyaźnie zależy od jakości omawianych kontaktów cieplnych. Potwiedzają 7

9 na ys. 8a. W osi zawou (pzebiegi w punktach G1) nadwyżka tempeatuy, w pzypadku kontaktów nieidealnych jest o ok. 40% większa (670 i 950 K), niż dla kontaktów idealnych, natomiast w pobliżu kawędzi talezyka (pzebiegi w punktach G) nieidealne kontakty cieplne powodują wzost tempeatuy o pawie 60% (660 i 1030 K). Po stabilizacji nadwyżki tempeatuy gniazda T = 350 K, óżnica tempeatuy między gzybkiem (punkt G) a gniazdem, pzy nieidealnych kontaktach cieplnych, sięga pawie 700 K i ponad 300 K pzy kontaktach idealnych a) 1050 b) T [K] RGG001-RTP001 RGG000-RTP000 G1 G G3 T4 T5 G1 G G3 T4 T5 T [K] RGG001-RTP000 RGG000-RTP001 G1 G G3 T4 T5 G1 G G3 T4 T5 10 T TPR 10 T TPR t [s] t [s] Rys. 8. Poównanie pzebiegów tempeatuy w punktach obsewacyjnych G1, G, G3, T4 i T5 (dla danych z a) paami idealnych (kombinacja RGG000-RTP000) lub nieidealnych (kombinacja RGG001- RTP001) kontaktów cieplnych: gzybek gniazdo oaz tzonek powadnica, b) mieszanych, idealnych i nieidealnych kontaktów cieplnych: gzybek gniazdo i tzonek powadnica (kombinacja RGG001-RTP000 i kombinacja RGG000-RTP001) Fig. 8. The compaison of the tempeatue tansient in the obsevation points G1, G, G3, T4, and T5 (fo the data in Table 1 and ) fo the following situations: a) the themal contacts ae mutually ideal (RGG000-RTP000) o non-ideal (RGG001-RTP001) between the valve head and valve seat, and between the valve stem and valve guide, b) the themal contacts ae mixed (ideal/non-ideal) between the valve head and valve seat, and between the valve stem and valve guide (case RGG001-RTP000 and RGG000-RTP001) Pzebiegi tempeatuy, pokazane na ys. 8b, dają odpowiedź na pytanie, jaki jest wpływ każdego z kontaktów cieplnych: gzybek gniazdo oaz tzonek powadnica na pzebiegi i ozkład tempeatuy w zawoze. Na ys. 8a i 8b widoczne jest duże podobieństwo pzebiegów nadwyżek tempeatuy w zawoach o óżnej jakości kontaktów cieplnych. Pzebiegi oznaczone liniami ciągłymi na obydwu wykesach, odpowiadające kombinacjom RGG000- RTP000 i RGG000-RTP001, pozwalają poównać zawó z idealnymi kontaktami cieplnymi gzybek gniazdo i tzonek powadnica, z zawoem o idealnym kontakcie gzybek gniazdo i o nieidealnym kontakcie tzonek powadnica. Podobieństwo pzebiegów tempeatuy w zawoach o idealnym kontakcie cieplnym gzybek gniazdo i óżnych kontaktach cieplnych tzonek powadnica pozwala wnioskować, że o polu tempeatuy w gzybku decyduje kontakt cieplny gzybek gniazdo (wynika stąd, że jakość kontaktu cieplnego tzonek powadnica ma niewielki wpływ na pole tempeatuy w gzybku zawou). To spostzeżenie potwiedza także podobieństwo pzebiegów tempeatuy dla nieidealnego kontaktu cieplnego gzybek gniazdo (kombinacja RGG001-RTP001, linie pzeywane na ys. 8a) i idealnego kontaktu tzonek powadnica (kombinacja RGG001-RTP000, linie pzeywane na ys. 8b). Największe tempo pzyostu tempeatuy i największe nadwyżki tempeatuy w zawoze są obsewowane w początkowej fazie zimnego ozuchu silnika, na kawędzi gzybka, pzy nieidealnym kontakcie cieplnym gzybek gniazdo. Zmiana kontaktu cieplnego tzonek powadnica w zakesie kontakt idealny nieidealny wywołuje w części tzonkowej zawou 73

10 powadnica w zakesie kontakt idealny nieidealny wywołuje w części tzonkowej zawou (T4 i T5), óżnice tempeatuy mniejsze od 100 K. 5. Podsumowanie Pzedstawiono fagment badań symulacyjnych stanu cieplnego zawoów wylotowych podczas zimnego ozuchu silnika. Celem tych badań było poznanie wpływu jakości kontaktowych opoów cieplnych pa: gzybek gniazdo i tzonek powadnica na stan cieplny zawou. Tójwymiaowy model nieustalonego pzewodzenia i wymiany ciepła w półpzekojach dwóch zawoów osadzonych w walcowym układzie odniesienia, pozwala na bezpośednie poównywanie pól tempeatuy, pzy óżnych watościach wielkości wejściowych. Modele zawoów, zbudowane metodą KM3R [4] w śodowisku MS Excel, pozwalają: - zadawać własności temofizyczne mateiałów gzybków, tzonków, gniazda i powadnicy, - zadawać cyklicznie zmienne waunki wymiany ciepła na powiezchniach zawoów, zależne od paametów ładunku oboczego w cyklu oboczym oaz położenia zawoów względem gniazd i powadnic, - zadawać watości opoów cieplnych pa: gzybek gniazdo i tzonek powadnica. Opis modelu, pzedstawionego pełniej w efeacie [5], oganiczono do opisu modyfikacji, związanej z wpowadzeniem waunków bzegowych IV odzaju. Badania symulacyjne wpływu jakości kontaktów cieplnych na pzepływ ciepła w zawoach wylotowych podczas zimnego ozuchu silnika wykazały istotną zależność jakości omawianych kontaktów na pole tempeatuy w zawoach. Szczególny wpływ na to pole ma jakość kontaktu cieplnego gzybek gniazdo. Jednym z celów tej publikacji jest także populayzacja iteacyjnej metody KM3R [4] w zastosowaniu do budowy modeli zjawisk fizycznych w obiektach technicznych. Aplikacja jej do zbudowania i ozwiązania dość złożonego modelu symulacyjnego pzepływu ciepła w zawoach, służy m. in. pokazaniu możliwości oaz waloów metody. Powszechny dostęp do akuszy kalkulacyjnych w opogamowaniu PC oaz szybkość i łatwość budowania modeli, pefeuje metodę KM3R pzede wszystkim do wykozystania w nauczaniu modelowania óżnych zjawisk fizycznych (nie tylko wymiany ciepła) w zagadnieniach inżynieskich. Liteatua [1] Wisniewski S., Obciążenia cieplne silników tłokowych. WKiŁ, 197. [] Nagóski Z., Metoda KM3R w zastosowaniu do obliczeń stanu cieplnego elementów silników spalinowych (cz. I). Poblemy Eksploatacji - Zeszyty Naukowe Instytutu Technologii Eksploatacji, n (5), st , Radom, [3] Nagóski Z., Modelowanie pzepływu ciepła w elementach silników spalinowych. Teka Komisji Naukowo-Poblemowej Motoyzacji PAN o/kaków, zeszyt 1, Kaków, 000., st (Mateiały Konfeencji Konmot-Autopogess 000, Politechnika Kakowska, Zakopane), paździenik 000. [4] Nagóski Z., Modelowanie pzewodzenia ciepła za pomocą akusza kalkulacyjnego, MRS + Excel = KM3R (ISBN ). Oficyna Wydawnicza Politechniki Waszawskiej, Waszawa, st. 4, 001. [5] Nagóski Z., Modelowanie tójwymiaowej nieustalonej wymiany ciepła w zawoach silników tłokowych metodą KM3R. Refeat pzyjęty na Konges PTNSS 005 pod n P05-C067, Szczyk,