Wyznaczanie naprężeń cieplnych w gniazdach zaworowych doładowanego silnika z zapłonem samoczynnym w stanie nieustalonym

Transkrypt

1 HORNIK Aleksander 1 GUSTOF Piotr 2 Wyznaczanie naprężeń cieplnych w gniazdach zaworowych doładowanego silnika z zapłonem samoczynnym w stanie nieustalonym WSTĘP Od kilku lat w dziedzinie projektowania wszelkiego rodzaju konstrukcji, obserwuje się zjawisko redukcji kosztów projektu, poprzez skracanie czasu tworzenia projektu i rezygnowanie z wykonywania modeli badawczych, na rzecz stosowania oprogramowania ułatwiającego prace projektowe. Wykonanie modeli-prototypów na których chce się w sposób empiryczny stosować nowe rozwiązania, jest bardzo wygodne, ale i kosztowne. Zaprojektowanie konstrukcji i wykonanie związanych z tym obliczeń wymaga jak najmniejszych nakładów finansowych oraz czasowych, a tworzenie modeli badawczych i określanie wymaganych poprawek (nie licząc wyjątków) jest nieopłacalne, by stosować je każdorazowo. W celu zmniejszenia kosztów projektu stosuje się coraz doskonalsze narzędzia, jakimi niewątpliwie są programy wspomagające projektowanie, stworzone do wykonywania rysunków technicznych, obliczeń, symulacji, tworzenia modeli, oraz inne specjalistyczne oprogramowania niezbędne w realizacji projektu. Dzięki zastosowaniu takich narzędzi, można znacznie przyspieszyć proces wykonywania niezbędnych obliczeń, analiz, wykrywania wad konstrukcyjnych i efektów zmęczenia materiału. Dodatkowo można szybko wprowadzić poprawki i zaobserwować ich efekty. Każde oprogramowanie wspomagające projektowanie, w zależności od przeznaczenia, opiera swoje działanie na wybranej matematycznej metodzie rozwiązywania równań. Jedną z najpopularniejszych metod rozwiązywania równań stosowaną w programach wspomagających projektowanie jest Metoda Elementów Skończonych MES [1,6,7]. Metoda ta opiera się na podziale nawet bardzo skomplikowanego geometrycznie obiektu, na mniejsze i łatwiejsze w opisie elementy, dla których wykonanie obliczeń jest szybkie i dużo bardziej uproszczone. Została ona również z powodzeniem wykorzystana do przeprowadzenie obliczeń i analizy rozkładu m. in. naprężeń cieplnych, jakie występują w gniazdach zaworowych tłokowego silnika spalinowego w stanie nieustalonym. 1 GNIAZDA ZAWOROWE Gniazda zaworowe znajdują się w głowicy silnika, a sposób ich wykonania zależy w dużej mierze od materiału z jakiego wykonano głowicę. Najczęściej spotyka się gniazda wykonane w materiale rodzimym dla głowic wykonanych z żeliwa stopowego (dla bardziej wysilonych silników wstawiano pierścienie tylko dla zaworów wylotowych) oraz gniazda w formie pierścienia osadzonego w głowicy dla głowic wykonanych ze stopów aluminium. Gniazda zaworów muszą sprostać wielu wymaganiom do których przede wszystkim zaliczamy [5]: utrzymywanie szczelności w możliwie jak najdłuższym okresie eksploatacji silnika, odporność na oddziaływanie wysokich temperatur, szczególnie gniazd zaworów wylotowych, odpowiednio duży współczynnik przewodnictwa cieplnego (gniazda powinny dobrze odprowadzać ciepło, które pochodzi także z kontaktu z przylgnią zaworu), małą rozszerzalność cieplną, dużą odporność na obciążenia udarowe, wynikające z charakterystyki pracy zaworu, odporność na korozję chemiczną, odporność na erozję, małą ścieralność materiału, typową dla mechanizmów tego typu, 1 Politechnika Śląska, Wydział Transportu; Katowice; ul. Krasińskiego 8. Tel: , aleksander.hornik@polsl.pl 2 Politechnika Śląska, Wydział Transportu; Katowice; ul. Krasińskiego 8. Tel: , piotr.gustof@polsl.pl 4509

2 możliwie mały ciężar, brak skłonności do samohartowania, stałość struktury materiału zarówno w wysokich temperaturach pracy, jak i pod względem upływu czasu, dużą twardość, także w wysokich temperaturach pracy. Gniazda zaworowe, a szczególnie gniazda zaworów wylotowych, są jednymi z najbardziej obciążonych cieplnie elementów silnika, co wynika z charakterystyki pracy grupy zaworowej (gniazda, zawory, prowadnice, sprężyny zaworowe). Obciążenia te wiążą się z procesami przewodzenia i wymiany ciepła z innymi elementami komory spalania silnika wynikającymi z różnej rozszerzalności cieplnej materiałów, z jakich zostały wykonane. Gniazdo zaworu dolotowego jest schładzane przez ładunek świeżego powietrza, które dostaje się do cylindra w trakcie cyklu napełniania, znajduje się bliżej kolektora dolotowego, co ma także wpływ na panujące temperatury, współpracuje z zaworem dolotowym, którego temperatura także jest niższa niż zaworu wylotowego, gdyż omywane jest świeżym ładunkiem i z reguły ma większą średnicę, niż gniazdo zaworu wylotowego. To wszystko powoduje, że gniazdo dolotowe powinno charakteryzować się mniejszymi naprężeniami cieplnymi niż gniazdo wylotowe. Z kolei gniazdo wylotowe omywane jest przez spaliny, styka się z zaworem wylotowym, ma mniejszą średnicę i jest bliżej kolektora wylotowego. Efektem powinny być większe naprężenia cieplne w stosunku do gniazda dolotowego. Warto zauważyć, że najbardziej obciążone cieplnie są powierzchnie stykania się gniazda z przylgnią zaworową, a gniazdo swoją niewielką powierzchnią styku z głowicą musi oddać wystarczającą ilość ciepła, by nie ulec uszkodzeniu. Na fotografii 1 przedstawiono widok wstawianego gniazda zaworowego w głowicę silnika Fot. 1. Wstawiane gniazdo zaworowe w głowicę silnika; 1 materiał głowicy, 2 wstawione gniazdo zaworowe, 3 prowadnica zaworowa, 4 trzonek zaworu, 5 grzybek zaworu, 6 przylgnia zaworu W badanym silniku gniazda zaworów wylotowych i dolotowych wykonane były z brązu aluminiowego Cu95Al5. 2 OBIEKT BADAŃ Obiektem badań na którym przeprowadzono analizę rozkładu naprężeń termicznych (gęstości powierzchniowej sił wewnętrznych) wynikających z różnego rozkładu pola temperatury na charakterystycznych powierzchniach gniazd zaworowych był pięciocylindrowy, rzędowy silnik wysokoprężny z bezpośrednim wtryskiem paliwa do komory spalania, wyposażony w turbosprężarkę i chłodnicę powietrza. Dane nominalne silnika zamieszczone zostały w tabeli

3 Tab. 1. Dane techniczne badanego silnika Parametr Wartość Pojemność skokowa 2390[cm 3 ] Moc nominalna 115(85) KM(kW) przy 4000[min -1 ] Maksymalny moment obrotowy 265[Nm] przy 1900[ min -1 ] Liczba cylindrów 5 Układ Rzędowy Ilość zaworów na cylinder 2 Stopień sprężania 20.2:1 Średnica cylindra 82,0[mm] Skok tłoka 90,4[mm] Długość korbowodu 145,0[mm] Średnica zaworu dolotowego 36,0[mm] Średnica zaworu wylotowego 31,5[mm] Wznios zaworów 9,0[mm] Wysokość talerzyka zaworów 0,5[mm] Średnica trzonka zaworów 8,0[mm] Zewnętrzna średnica gniazda zaworu dolotowego 37,2[mm] Zewnętrzna średnica gniazda zaworu wylotowego 33,2[mm] Wysokość gniazd 10[mm] Biorąc pod uwagę istotę modelowania obciążeń cieplnych gniazd zaworowych, należy uwzględnić dane dotyczące faz rozrządu badanego silnika, ponieważ ma to związek z wymianą ciepła pomiędzy gniazdem i zaworem w poszczególnych fazach pracy układu rozrządu. W modelu uwzględniono przepływ świeżego powietrza i spalin przez grupę zaworową. Każdy silnik posiada określone czasy wzniosu zaworów, które wyrażono w stopniach obrotu wału korbowego [ o OWK] względem górnego martwego położenia tłoka (GMP). W tabeli 2 przedstawione zostały poszczególne cykle faz układu rozrządu badanego silnika. Tab. 2. Fazy rozrządu Parametr Zawór dolotowy Zawór wylotowy Kąt otwarcia zaworu 8 [ o OWK] 503 [ o OWK] Kąt zamknięcia zaworu 208 [ o OWK] 710 [ o OWK] Czas trwania otwarcia zaworu 200 [ o OWK] 207 [ o OWK] Czas trwania zamknięcia zaworu 520 [ o OWK] 513 [ o OWK] Część parametrów potrzebna do zamodelowania naprężeń w gniazdach zaworowych została opracowana w trakcie przeprowadzonych badań stanowiskowych. Dodatkowe informacje o parametrach pracy silnika zamieszczono w tabeli 3. Tab. 3. Uzyskane podczas badania parametry pracy silnika Parametr Wartość Prędkość obrotowa silnika 4250[min -1 ] Średnie ciśnienie użyteczne 10[bar] Moc silnika 115,2(84,7) [KM(kW)] Dawka wtryśniętego paliwa na 1 cykl (w 1 cylindrze) 39,4[mm 3 ] Współczynnik nadmiaru powietrza λ 1,69 Godzinowe zużycie paliwa 24,15[kg/h] Jednostkowe zużycie paliwa 249,8[g/kWh] Zużycie paliwa łącznie dla 5 cylindrów 7804[l/min] Przedmuchy łącznie dla 5 cylindrów 59[l/min] Temperatura przed cylindrem 52[ o C] Ciśnienie przed cylindrem 0,933[bar] Temperatura otoczenia 24[ o C] Temperatura czynnika chłodzącego przed silnikiem 80[ o C] Temperatura czynnika chłodzącego za silnikiem 88[ o C] Ciśnienie otoczenia bezwzględne 966,7[mbar] 4511

4 Temperatura spalin za cylindrem numer 1 574[ o C] Temperatura spalin za cylindrem numer 2 596[ o C] Temperatura spalin za cylindrem numer 3 597[ o C] Temperatura spalin za cylindrem numer 4 588[ o C] Temperatura spalin za cylindrem numer 5 578[ o C] Początek wtrysku paliwa -13[ o OWK] Koniec wtrysku paliwa 18[ o OWK] Okres trwania wtrysku paliwa 31[ o OWK] Maksymalne ciśnienie wtrysku 778[bar] 3 ROZKŁAD NAPRĘŻEŃ CIEPLNYCH W GNIAZDACH ZAWOROWYCH Na potrzeby przeprowadzenia obliczeń, wykorzystano opracowany przez autorów dwustrefowy model procesu spalania dla pełnego cyklu pracy silnika z zapłonem samoczynnym z uwzględnieniem przebiegu procesu wtrysku paliwa do komory spalania [2]. Obliczenia oparto na podstawie uzyskanych danych i przeprowadzonych wcześniej obliczeń obciążeń cieplnych gniazd zaworowych [3,4]. Następnie metodę tę przeanalizowano pod kątem możliwości przeprowadzenia obliczeń naprężeń termicznych. W efekcie uzupełniono model o niezbędne dane umożliwiające przeprowadzenie dalszych obliczeń związanych z wyznaczeniem naprężeń termicznych, jakimi poddawane są gniazda zaworowe od momentu uruchomienia zimnego silniku do chwili upłynięcia 60 sekund od jego rozruchu. Użyta metoda obliczeń oparta została na następujących założeniach: czynnik roboczy zachowuje się jak gaz półdoskonały, komora spalania dzieli się na strefę świeżego ładunku i strefę spalin, strefy w komorze spalania oddzielone są od siebie nieskończenie cienkim frontem płomienia, wartości temperatury w strefach są jednorodne, z frontu płomienia następuje przepływ strumienia cieplnego do niespalonej mieszanki, temperatura frontu płomienia jest równa temperaturze spalin, spaliny znajdują się w stanie równowagi chemicznej, każda ze stref opiera się na I zasadzie termodynamiki; równaniach stanu, kalorymetrycznych i zachowania masy. Do analizy naprężeń termicznych gniazd zaworowych badanego silnika wykorzystano warunki brzegowe III rodzaju. Warunki te charakteryzuje przebieg zmian temperatury czynnika roboczego w cylindrze oraz współczynnik wnikania ciepła. Przebieg zmian czynnika w cylindrze wyznaczono dla pełnego cyklu pracy silnika oraz pozostałe przemiany termodynamiczne. Przebieg wyznaczonej temperatury czynnika roboczego na podstawie zarejestrowanego ciśnienia indykatorowego dla mocy znamionowej silnika w funkcji kąta obrotu wału korbowego przedstawiono na rysunku

5 Rys. 1. Przebieg zmian temperatury i ciśnienia czynnika roboczego w cylindrze silnika Założenia przyjęte do wykonania obliczeń obejmowały: wykonanie obliczeń przebiegu obciążeń cieplnych z krokiem, co 50 [ms] z zapisywaniem otrzymanych wyników, co 500 [ms], ujednolicenie wyników obciążeń cieplnych, przeprowadzenie obliczeń naprężeń termicznych dla uzyskanych wcześniej wyników obliczeń obciążeń cieplnych, ujednolicenie wyników, przetworzenie i analizę wyników. Obliczenia wykonano dla założonych wcześniej parametrów pracy silnika: symulacji od momentu rozruch zimnego silnika, którego elementy oraz czynnik chłodzący miały temperaturę otoczenia równą T 0 =296 [K], zasysane przez silnik powietrze charakteryzowało się ciśnieniem atmosferycznym p atm = 0,1303 [MPa] oraz temperaturą T=301 [K] i pojemnością cieplną c=1, [J/(kg K)], prędkości obrotowej silnika n=4250 [min -1 ], współczynnika nadmiaru powietrza λ=1,69; rejestrowaniu wyników obliczeń odpowiadających położeniu wału korbowego w punkcie 5 [ o OWK] po GMP tłoka. Otrzymane na podstawie przeprowadzonych obliczeń wyniki rozkładu temperatury i naprężeń cieplnych w gniazdach zaworowych zamieszczono dla czasu pracy silnika wynoszącego odpowiednio 0,5 [s], 30 [s] i 60 [s] w tabelach 4,5 i

6 Tab. 4. Rozkład temperatury i naprężeń w gniazdach zaworowych dla 0,5 [s] pracy silnika Czas od momentu rozruchu silnika: 0,5 [s] Rozkład temperatury Rozkład naprężeń 4514

7 Tab. 5. Rozkład temperatury i naprężeń w gniazdach zaworowych dla 30 [s] pracy silnika Czas od momentu rozruchu silnika: 30 [s] Rozkład temperatury Rozkład naprężeń 4515

8 Tab. 6. Rozkład temperatury i naprężeń w gniazdach zaworowych dla 60 [s] pracy silnika Czas od momentu rozruchu silnika: 60 [s] Rozkład temperatury Rozkład naprężeń 4516

9 W celu prawidłowego opisu występujących naprężeń cieplnych gniazdo zaworu wylotowego zostało podzielone na dwie części. Obszar A dotyczy części przylgni gniazda, natomiast obszar B miejsca styku górnej części gniazda z głowicą. Podział ten przedstawiony został na rysunku 2. Rys. 2. Przekrój gniazda wylotowego z podziałem na obszary A i B W wyniku przeprowadzonej symulacji komputerowej stwierdzono, że temperatura maksymalna dla gniazda zaworu wylotowego wyniosła około 580[K], a dla gniazda zaworu dolotowego 510[K]. Z kolei wartość maksymalnych naprężeń cieplnych dla powierzchni A gniazda wylotowego wyniosła ponad 130[MPa], a dla powierzchni B ponad 210[MPa]. Natomiast dla gniazda dolotowego wartość maksymalnych naprężeń oscylowała w granicach około 160[MPa]. WNIOSKI W wyniku przeprowadzonych obliczeń oraz dokonanej analizy uzyskanych wyników stwierdzono, że: przeprowadzone obliczenia wskazują na dużą zależność między rozkładem temperatury, a naprężeniami termicznymi w gniazdach zaworowych. gniazdo zaworu wylotowego szybciej ulega nagrzaniu, wskutek omywania go gorącymi spalinami; rozkład temperatury gniazda wylotowego obejmuje dużo większą część tego elementu, niż w przypadku gniazda dolotowego; charakterystyka przebiegu rozkładu temperatury i naprężeń w miejscu styku z przylgnią jest podobna dla obu gniazd; w przeciwieństwie do wartości średnich temperatur, gniazda zaworów wylotowych w miejscu przylgni charakteryzują się mniejszymi wartościami naprężeń, co ma związek z gradientem temperatury wynikającym z mniejszej powierzchni wymiany ciepła; największa wartość temperatury i naprężeń termicznych występuje w gnieździe zaworu wylotowego, co wynika z większego obciążenia cieplnego tego gniazda; Streszczenie W niniejszej pracy dokonano wyznaczenia naprężeń cieplnych gniazd zaworowych doładowanego silnika z zapłonem samoczynnym w stanie nieustalonym. Obliczenia numeryczne oparto na podstawie uzyskanych danych o własnościach materiałowych oraz fizycznych materiału z którego wykonano gniazda, jak również przeprowadzonych wcześniej badaniach eksperymentalnych silnika. Obliczenia zostały przeprowadzone przy zastosowaniu dwustrefowego modelu procesu spalania, warunków brzegowych III rodzaju oraz metody elementów skończonych (MES) za pomocą programu Cosmos/M dla początkowego okresu pracy silnika liczonego od momentu jego uruchomienia. Analizie poddano charakterystyczne powierzchnie gniazd zaworu dolotowego i wylotowego. Wyniki obliczeń numerycznych potwierdzają możliwość korzystania z przyjętego sposobu modelowania procesu spalania i przyjętych wcześniej założeń do analizy wartości i rozkładu powstających naprężeń cieplnych na różnych powierzchniach gniazd zaworowych. 4517

10 Determination of thermal stresses valve seats in supercharged diesel engine in the nonstationary state Abstract In this paper were designated the thermal stresses of the valve seats supercharged diesel engine in the nonstationary state. Numerical calculations were carried out based on the obtained data on the physical properties of materials and material of the socket, as well as experimental studies earlier conducted on the engine. Calculations were performed using the two-zone model of the combustion process, the boundary conditions III type and the finite element method (FEM) using the program Cosmos/M for the initial operating period counted from the moment of its launch. We analyzed the characteristic of the valve seat surfaces of the intake and exhaust. The results of numerical calculations confirm the possibility of using the method of modeling the combustion process as well as adopted earlier assumptions to the analysis and decomposition of thermal stresses for various surfaces of the valve seats. BIBLIOGRAFIA 1. Dębski H., Jonak J., Analiza numeryczna MES elementów silnika ZS. Acta Mechanica et Automatica, vol.3 no Gustof P., Analiza możliwości zastosowania modelu dwustrefowego do badania procesu spalania w silniku o zapłonie samoczynnym. Rozprawa doktorska, Politechnika Śląska, Gliwice Gustof P., Hornik A., The influence of the engine load on value and temperature distribution in the valve seats of turbo Diesel engine. Problemy Transportu, 2009, Tom 4, Zeszyt Hornik A., Modelowanie obciążeń cieplnych złożenia gniazdo-zawór doładowanego silnika ZS. Rozprawa doktorska, Politechnik Śląska, Katowice Informator techniczny AMP Paradowscy, Katalog zaworów silnikowych. Materiały informacyjne firmy AMP Paradowscy Mon T., Mamat R., Kamsah N., Thermal analysis of SI-Engine using Fine Element Model. World Congress of Engineering, London Roylance D., Fine Elements Analysis. MiT Cambridge Resources