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

Transkrypt

1 Jounal of KNES Intenal Combustion Engines 5, vol. 1, 1- SIMULATIN F THE EFFECT F CNTACT THERMAL RESISTANCE N THERMAL STATE F EXHAUST VALVES DURING THE CLD START F ENGINE Zdzisaw Nagóski Wasaw Univesity of Technology, Institute of Vehicles -54 Waszawa, ul. Nabutta 84 tel.: znak@sim.pw.edu.pl 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 KNTAKTWEG PRU CIEPLNEG NA STAN CIEPLNY ZAWRÓW WYLTWYCH PDCZAS ZIMNEG RZRUCHU 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 kes zimnego ozuchu tokowego silnika spalinowego chaakteyzuje si - opócz emisji szczególnie szkodliwych, niskotempeatuowych poduktów spalania - wystpowaniem znacznych obcie cieplnych w elementach silnika, kontaktujcych si z gocymi spalinami. bcienie cieplne elementu konstukcyjnego wie si z pzepywem nieustalonego stumienia ciepa w mateiale tego elementu. Stumie ten zmienia lokalne watoci enegii wewntznej (jej mia jest lokalna tempeatua), któa wpywa na zmian waciwoci temofizycznych mateiau konstukcyjnego, a ponadto wywouje lokalne gadienty tempeatuy, któe s odpowiedzialne za ozkady nape temomechanicznych i zalenych od nich - odksztace cieplnych elementu. W silniku spalinowym jest szeeg elementów, któych funkcjonowanie w waunkach 65

2 pzepywu zmiennego w czasie stumienia ciepa musi by niezawodne. Do takich elementów nale m. in. zawoy wylotowe [1]. W celu bliszego poznania zalenoci midzy paametami cyklu oboczego i polem tempeatuy w tych zawoach, zbudowano tójwymiaowy model symulacyjny nieustalonego pzepywu ciepa (opisany bliej w efeacie [5]) w dwóch ónych zawoach, poddanych takim samym wymuszeniom cieplnym, wystpujcym podczas tzw. zimnego ozuchu silnika. W modelu [5], zbudowanym metod KM3R [4], uwzgldniono zmienno tempeatuy adunku oboczego i wspóczynników pzejmowania ciepa na powiezchniach zawoów w powtazalnych cyklach pacy oaz niezalene pzebiegi tempeatuy gniazda i powadnicy zawou w funkcji czasu. Uwzgldniono take efekty cieplne, wynikajce ze zmiany pooenia zawoów w powadnicach i gniazdach. Wastwa nagau na pzylgni gniazda lub pzypalonego oleju na powiezchni lizgowej powadnicy tzonka wpywa na intensywno pzepywu ciepa midzy zawoem a tymi powiezchniami. Doby kontakt cieplny midzy tymi elementami uatwia odpowadzenie ciepa z zawou, co spzyja zmniejszeniu jego edniej tempeatuy. W celu oceny kontaktowej wymiany ciepa na powiezchniach zawoów, wpowadzono opcjonalnie waunkiivodzaju Kontaktowy opó cieplny R wastwy o guboci g w i wspóczynniku pzewodzenia ciepa w okela zaleno g R w. (1) pó cieplny odnosi si zwykle do badzo cienkiej wastwy tzeciego mateiau w miejscu styku dwóch innych mateiaów, a jego obecno chaakteyzuje skokowa zmiana tempeatuy (tzw. uskok tempeatuowy). Zwykle mae guboci wastwy g w i watoci wspóczynnika w, daj badzo mae watoci R.. Model symulacyjny pzepywu ciepa w zawoach wylotowych uwzgldniajc kontaktowe opoy cieplne gzybek gniazdo i tzonek powadnica Zaoenie osiowej symetii wymusze cieplnych na powiezchniach zawoów i osiowej symetii zawoów, pozwala oganiczy geometi modelu obliczeniowego do dwóch wycinków ( wiatek) kadego z nich. Mateiay tzonków i gzybków zawoów A i B (ys. 1), podobnie jak mateiay gniazd i powadnic PR, mog mie niezalene waciwoci temofizyczne. Wspóczynniki wyównywania tempeatuy a (a = /(c p ), gdzie: wspóczynnik pzewodzenia ciepa, c p ciepo waciwe, gsto) mateiaów tzonków At i Bt wynosz odpowiednio a At i a Bt oaz gzybków a i a Bg. Midzy gniazdami, o wspóczynniku pzewodzenia ciepa, a gzybkami i Bg mog wystpi kontaktowe B opoy cieplne R GGA i R GGB, natomiast midzy powadnicami PR (o znanym PR) a tzonkami At i Bt opoy cieplne R TPA i R TPB. Zaoono, e w miejscu zczenia gzybków z tzonkami jest idealny kontakt cieplny R GT = oaz, e tempeatuy gniazda T i powadnicy T PR s wykadniczymi funkcjami czasu t. Na ysunku pokazano pzebiegi nadwyek tempeatuy gazów T gaz1 (t) i T gaz (t) (nadwyki tempeatuy s ónic tempeatuy biecej i pocztkowej (statowej) zawou, ównej np. 93 K) oaz wspóczynników pzejmowania ciepa 1 (t) i (t), podczas cyklu oboczego silnika czteosuwowego, w któym pzez ok. ¾ cyklu zawó jest zamknity a pzez ¼ cyklu otwaty. Podczas, gdy zawó jest zamknity, czoo talezyka pzejmuje ciepo pzy wspóczynniku 1 (t) od gazu o tempeatuze T gaz1 (t), natomiast powiezchnia stokowa gzybka i odsonita cz tzonka pzejmuje ciepo pzy wspóczynniku (t) od gazu o tempeatuze T gaz (t). Gdy zawó jest otwaty, wszystkie jego odsonite powiezchnie w 66

3 pzejmuj ciepo pzy wspóczynniku 1 (t) (= (t)) od gazu o tempeatuze T gaz1 (t) (= T gaz (t)). Wymienione wielkoci skadaj si na waunki bzegowe III odzaju (Fouiea). Pzebiegi T gaz (t) i (t) w modelowym cyklu oboczym silnika mog by dowolnie ksztatowane. R TPA At PR R GT= Bg Bt T PR (t), PR R TPB T G N(t), Nadwyka Tgaz [K] 1 3 Tgaz1 Tgaz alfa1 alfa Wspóczynnik alfa [W/(mK)] R GGA R GGB t [s] ssanie spanie ozpanie 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 Pzyjte waunki bzegowe wymiany ciepa (zaznaczone odpowiednimi liniami nad powiezchniami zawoów, pokazanych na ys. 3) na powiezchniach zawoów powtazaj si zgodnie z cyklem oboczym silnika (ys. ) i zmieniaj si w zalenoci od pooenia zawoów wzgldem gniazd i powadnic. Na ys. 3a,b pokazano ozmieszczenie podstawowych paametów chaakteyzujcych zmienne w czasie waunki bzegowe w pooeniach otwatych i zamknitych zawoów. Na ys. 3a pokazano ozmieszczenie waunków bzegowych na powiezchniach zawoów w pooeniu otwatym; pzyjto: - na czoach i pzylgniach gzybków, na ich stokowych powiezchniach i odsonitych czciach tzonków zawoów zmienne w czasie waunki bzegowe Fouiea, okelone pzebiegami T gaz1 (t) i 1 (t) (po. ys. ), - na powiezchniach tzonków aktualnie kontaktujcych si z powadnicami waunki bzegowe IV odzaju z kontaktowymi opoami cieplnymi R TPA i R TPB oaz zmienn w czasie tempeatu powadnic T PR (t), - na kocach tzonków waunki Diichleta, okelone zmienn tempeatu T PR (t), - na paszczyznach oganiczajcych wycinki zawoów (ys. 4), w tym take osie zawoów waunki adiabatyczne (zeowy waunek Neumanna oznacza, e lokalne gstoci stumienia ciepa s ówne zeo). W pooeniu zamknitym zawoów (ys. 3b) waunki bzegowe pzyjmuj nastpujce postacie: - na czoach gzybków zmienne w czasie waunki bzegowe Fouiea, nadal okelone 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 zmienn w czasie tempeatu gniazd T(t), - na stokowych powiezchniach gzybków i odsonitych czciach tzonków zmienne w czasie waunki bzegowe Fouiea, okelone pzebiegami T gaz (t) i (t) (po. ys. ), - na powiezchniach tzonków aktualnie kontaktujcych si z powadnicami waunki bzegowe IV odzaju z kontaktowymi opoami cieplnymi R TPA i R TPB oaz zmienn w czasie tempeatu powadnic TPR(t), - na kocach tzonków waunki Diichleta, okelone zmienn tempeatu T PR (t), - na paszczyznach oganiczajcych wycinki zawoów, w tym take osie zawoów waunki adiabatyczne (takie jak dla stanu otwatego). Tempeatuy obydwu gniazd T i obydwu powadnic T PR zawoów s zadanymi, wspózalenymi funkcjami czasu (ich watoci w funkcji miejsca, np. na caej powiezchni gniazda, s takie same) i zmieniaj si wg zalenoci: T T max1 exp,5t, () TPR 6, T 1 exp, 15t. (3) gdzie T max jest zadan watoci maksymalnej tempeatuy gniazda (tu ówn 35 K). a) Zawoy otwate T PR b) Zawoy zamknite 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= R GGA Styk R GT= 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 ukadzie odniesienia o zmiennych: pomieniu, wysokoci z i kcie. Na ys. 4 pokazano sposób dysketyzacji zawoów wycinkami piecieni o guboci = i+1 - i, wysokoci z i kcie ozwacia segmentu. Po pi takich segmentów skada si na model geometyczny kadego wycinka zawou (pzy = 18 o wycinek ma posta wiatki zawou). Tójwymiaowy element bilansowy (komóka pzestzenna oznaczona koloem szaym ys. 4) o tempeatuze T kontaktuje si z szecioma komókami: gón (G), doln (D), wewntzn (W), zewntzn (Z), paw (P) i lew (L) o tempeatuach odpowiednio: T G, T D, T W, T Z, T P i T L. Wymienione wielkoci, znajduj si w wzach, lecych w paszczyznach symetii osiowej segmentów, o ktach ozwacia. W modelach zawoów A i B (ys. 4) wykozystano kilkadziesit odzajów fomu, któych postacie zale od pooenia komóki w modelu (fomuy wewntzne lub bzegowe) 68

5 i odzaju waunków wymiany ciepa 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 T Z z Segement T 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 pzykadu (ys. 4 i 5) pokazano zostanie sposób wypowadzenia fomuy bzegowe z waunkiem IV odzaju z kontaktowym opoem cieplnym R GGA midzy pzylgni gzybka i gniazda zawoowego (pzykady wypowadze ónych fomu znajduj si w opacowaniach [,3,4], a innych fomu dla omawianego modelu w [5]). Bilans nieustalonego stumienia ciepa dla naonikowej komóki bilansowej T w mateiale gzybka ma posta 36 z 36 zc p 36 T G T T W T T LT R T T T T T T D GGA z z T T t z 18 z 18 Z R GGA z z 18 P 18 gdzie: t kok czasu, T tempeatua komóki bilansowej T w biecej chwili t, a T W, T P, T L, T D i T 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 mateiau gzybka i gniazda. Z ównania (4) uzyskuje si bzegow fomu tempeatuow T dla komóki bilansowej, nalecej do mateiau, któa dla dowolnej chwili t ma posta T T 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 mateiau gzybka oaz do wymiau, R GGA m 1, m R R GGA 1 kieunkowe wyóniki kontaktowego opou cieplnego mateiaów gniazda i gzybka zawou A, 69

6 R GGA T G T Z T T W T L T D Rys. 5. Schemat bilansowy dla tójwymiaowej naonikowej fomuy tempeatuowej w komóce "" mateiau, z waunkiem IV odzaju i opoem kontaktowym R GGA Fig. 5. The balance schema fo the cone tempeatue in the "" cell of the mateial with the kind condition and the contact esistance R GGA T P z z z 3618 K k z m n wspóczynniki ksztatu. Dla zadanych watoci, z i wspóczynniki K k R m, R i m s staymi paametami, natomiast wspóczynnik n jest funkcj biecego pooenia komóki, zalenego od pomienia. Na ys. 5, koloem szaym zaznaczono komóki mateiau gniazda, a biaym - komóki mateiau gzybka. Fomua (5) stanowi pzykad fomu wykozystywanych w modelu obliczeniowym, zbudowanym w odowisku MS Excel [4]. Model obliczeniowy skada si z 5. akuszy z fomuami (typu F) oaz 7. akuszy z watociami bzegowymi i biecymi (typu W). W kadym z piciu akuszy F, któe epezentuj pzekoje osiowe segmentów zawoów A i B dla dysketnych watoci kta, znajduje si blisko 55. typów fomu. W modelu, liczba komóek z fomuami dochodzi do 4., a cznie z komókami pzechowujcymi watoci w akuszach typu W, siga ok. 1. Kady model poddano 6 iteacji, co odpowiada pocztkowym 15. cyklom pacy (w pzedziale czasu 1 min.) silnika czteosuwowego pzy pdkoci obotowej 3 ob/min. Poces oblicze nadzoowao tzw. mako, któe skada si z kilkunastu postych polece, steujcych pzepywem i wymian danych midzyiteacyjnych. 3. Badania symulacyjne modeli zawoów z gzybkami paskimi W badaniach wpywu jakoci kontaktów cieplnych gzybek - gniazdo oaz tzonek - powadnica (pzy okelonych zalenociami () i (3) pzebiegach tempeatuy gniazda i powadnicy) na stan cieplny zawoów, wykozystano dane wejciowe, pzedstawione w tablicy 1 oaz waiantowe kombinacje watoci kontaktowych opoów cieplnych gzybek gniazdo R GG i tzonek powadnica R TP, podane w tablicy. Na ys. 6 pokazano pzykady chwilowych pól tempeatuy, dla pzypadków: idealnych kontaktów cieplnych midzy gzybkiem i gniazdem oaz tzonkiem i powadnic zawou A (R GGA = R TPA =, m K/W) oaz nieidealnych kontaktów midzy tymi elementami zawou B (R GGB = R TPB =,1 m K/W). Na wykesach, opócz infomacji o watociach wspóczynników pzewodzenia ciepa, podano take biec tempeatu gniazd T i powadnic T PR. Poównanie pól tempeatuy wykazuje istotne ónice w pzepywie ciepa w tych zawoach, zalene od jakoci styku powiezchni gzybek gniazdo i tzonek powadnica zawoowa. W zawoze zawou B, w poównaniu z zawoem A (o idealnych kontaktach cieplnych), nieidealne kontakty cieplne midzy tymi powiezchniami pzyczyniaj si do znacznego podwyszenia edniej tempeatuy zawou, zwikszenia gadientów tempeatuy, szczególnie w gzybkowej czci zawou, i zmiany kieunku pzepywu ciepa na badziej pionowy. Wida, e nawet niewielkie watoci kontaktowych opoów cieplnych (np. R =,1 m K/W) twoz wastwy dobej izolacji cieplnej, oganiczajce funkcje chodzce gniazd i powadnic. 7

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. Wspóczynnik pzewodzenia ciepa [W/(m K)] Gsto [kg/m 3 ] Ciepo waciwe c p [J/(kg K)] Wspó. wyównywania tempeatuy a [m /s],53,17,7, Dysketny pzyost pomienia [m],1 6. Dysketna wysoko z [m], 7. Dysketny kt segmentu [ o ] 18 Kok czasu modelu: 8. Czas jednego cyklu oboczego t CY [s],4 (pzy 3 ob/min) 9. Kok czasu modelu t [s],1 Waunki ganiczne wymiany ciepa cyklu oboczym: Powadni ca PR Ssanie Spanie Rozpanie Wydech 1. Nadwyka temp. gazu (ys. ) T gaz1 [K] 15 do do 8 7 do 1 1 do Wspó. pzejm. ciepa alfa1 (ys. ) 1 [W/(m K)] Nadwyka temp. gazu (ys. ) T gaz [K] do Wspó. pzejm. ciepa alfa (ys. ) [W/(m K)] Nadwyka tempeatuy gniazda T [K] T = T max. [1-exp(-,5 t)] dla Tgn max = 35 K wg wzou () 15. Nadwyka tempeatuy powadnicy T PR [K] T PR =,6 T. [1-exp(-,15. t)] wg wzou (3) 16. Nadwyka tempeatuy pocztkowej T pocz [K] w caej objtoci 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: gzybek gniazdo: R GG [m K/W] tzonek powadnica: R TP,,,5,1,5,1, x x x x x x,5 x - - x - x,1 x - - x - x,1 x - - x - x 4. Analiza pól tempeatuy w zawoach Celem bada symulacyjnych jest ocena wpywu jakoci kontaktów cieplnych oaz pzebiegów tempeatuy gniazda i powadnicy na ozkad pól tempeatuy w modelach zawoów, podczas zimnego ozuchu silnika. Dla potzeb analizy wybano 5 punktów obsewacji tempeatuy (po 3 w kadym gzybku i po w kadym 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 watoci kontaktowych opoów cieplnych, posuyy do wyznaczenia pzebiegów nadwyek tempeatuy w wybanych punktach pzekojów zawoów, dla czteech kombinacji watoci kontaktowych opoów cieplnych R GG i R TP. Pzebiegi nadwyek tempeatuy, pokazane na ys. 8a, odpowiadaj pzypadkom: - idealnych kontaktów cieplnych gzybek gniazdo oaz tzonek powadnica (kombinacja opoów RGG-TP), - nieidealnych kontaktów cieplnych midzy ww. elementami (kombinacja opoów RGG1-RTP1). 71

8 Mateiaá At Mateiaá Bt Mateiaá 43 Mateiaá Bg R 1R18 1R16 1R14 1R1 1R8 1R1 1R6 1R4 1R 1 1R ĝednica Mateiaá At Mateiaá Bt Mateiaá 43 Mateiaá Bg ĝednica WysokoĞü 3 1R R18 7 T=349 K 1R16 5 WysokoĞü 3 19 LaPR=6 1R14 1 1R1 T=5 K R8 LaPR=6 19 TPR=9 K 1R6 TPR=7 K 15 La=6 1R1 La=6 LaBg=3 1R La= R LaBg=3 LaBt= 1 La=3 LaAt= RGGB=,1 1R RTPB=,1 14 LaBt= 7 RTPA= RGGA= 16 LaAt= 9 18 RGGB=, RTPB=, RTPA= RGGA= t [s] =4, t [s] =5, Rys. 6. Poównanie chwilowych pól tempeatuy (t = 5 i 4 s) w póápzekojach identycznych zawoów A i B, óīniących siċ jakoğcią kontaktów cieplnych: gzybek gniazdo i tzonek powadnica (zawó A ma idealne kontakty cieplne: RGGA = RTPA =, mk/w, a zawó B nieidealne kontakty cieplne: RGGB = RTPB =,1 mk/w), pzy tempeatuach gniazda T i powadnicy TPR, okeğlonych wzoami () i (3) B Fig. 6. The compaison of tempoal tempeatue fields (t = 5 i 4 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: RGGA = RTPA = mk/w, and the valve B has the non-ideal themal kontact: RGGB = RTPB =,1 mk/w G 11 1 H I J K L M N P Q R S T U V W X Y Z AA AB AC z 1z1 1z 1z z z5 1z6 1z7 1 1z8 1z9 1z1 1z11 1z1 1z13 1z14 1z15 1z16 1z17 T5 1z18 1z19 1z 1z1 1z z3 1z4 1z5 1z z7 1z8 1z9 1z3 1z31 1z3 1z33 1z PoáoĪenie otw ate Ma tei aá tzonka P oáoīenie zamkniete T4 1z z36 1z z38 1z39 5 1z4 1z41 1z4 1z43 1z44 1z45 1z46 1z47 1z Mateiaá g zybka G G3 1z49 1z5 G1 1z51 1z5 1z53 66 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 RGG1-RTP). NadwyĪka tempeatuy gniazda T oaz powadnicy T PR dla omawianych pzypadków, zmieniaáa siċ wg funkcji () i (3), któe gwaantują stabilizacjċ tempeatuy gniazda po ok. s, a powadnicy po ok. 3 s. Pzebiegi T i TPR naniesiono na wykesach. W pzypadku idealnych kontaktów cieplnych (RGG-RTP, linie ciągáe na ys. 8a) stabilizacja tempeatuy w zawoze nastċpuje po ok. 4 s, a w pzypadku kontaktów nieidealnych (RGG1-RTP1, linia pzeywana na ys. 8a) - po ponad 6 s. MoĪna wiċc pzyjąü, Īe dla modelowych waunków wymiany ciepáa stabilizacja tempeatuy w zawoze nastċpuje po czasie -kotnie wiċkszym, niī stabilizacja tempeatuy gniazda oaz powadnicy. Tempeatua (np. Ğednia) zawou w funkcji czasu badzo wyaĩnie zaleīy od jakoğci omawianych kontaktów cieplnych. Potwiedzają 7

9 na ys. 8a. W osi zawou (pzebiegi w punktach G1) nadwyka tempeatuy, w pzypadku kontaktów nieidealnych jest o ok. 4% wiksza (67 i 95 K), ni dla kontaktów idealnych, natomiast w pobliu kawdzi talezyka (pzebiegi w punktach G) nieidealne kontakty cieplne powoduj wzost tempeatuy o pawie 6% (66 i 13 K). Po stabilizacji nadwyki tempeatuy gniazda T = 35 K, ónica tempeatuy midzy gzybkiem (punkt G) a gniazdem, pzy nieidealnych kontaktach cieplnych, siga pawie 7 K i ponad 3 K pzy kontaktach idealnych. 15 a) 15 b) T [K] RGG1-RTP1 RGG-RTP G1 G G3 T4 T5 G1 G G3 T4 T5 T [K] RGG1-RTP RGG-RTP1 G1 G G3 T4 T5 G1 G G3 T4 T5 1 T TPR 1 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 RGG-RTP) lub nieidealnych (kombinacja RGG1- RTP1) kontaktów cieplnych: gzybek gniazdo oaz tzonek powadnica, b) mieszanych, idealnych i nieidealnych kontaktów cieplnych: gzybek gniazdo i tzonek powadnica (kombinacja RGG1-RTP i kombinacja RGG-RTP1) 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 (RGG-RTP) o non-ideal (RGG1-RTP1) 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 RGG1-RTP and RGG-RTP1) Pzebiegi tempeatuy, pokazane na ys. 8b, daj odpowied na pytanie, jaki jest wpyw kadego z kontaktów cieplnych: gzybek gniazdo oaz tzonek powadnica na pzebiegi i ozkad tempeatuy w zawoze. Na ys. 8a i 8b widoczne jest due podobiestwo pzebiegów nadwyek tempeatuy w zawoach o ónej jakoci kontaktów cieplnych. Pzebiegi oznaczone liniami cigymi na obydwu wykesach, odpowiadajce kombinacjom RGG- RTP i RGG-RTP1, pozwalaj poówna zawó z idealnymi kontaktami cieplnymi gzybek gniazdo i tzonek powadnica, z zawoem o idealnym kontakcie gzybek gniazdo i o nieidealnym kontakcie tzonek powadnica. Podobiestwo pzebiegów tempeatuy w zawoach o idealnym kontakcie cieplnym gzybek gniazdo i ónych kontaktach cieplnych tzonek powadnica pozwala wnioskowa, e o polu tempeatuy w gzybku decyduje kontakt cieplny gzybek gniazdo (wynika std, e jako kontaktu cieplnego tzonek powadnica ma niewielki wpyw na pole tempeatuy w gzybku zawou). To spostzeenie potwiedza take podobiestwo pzebiegów tempeatuy dla nieidealnego kontaktu cieplnego gzybek gniazdo (kombinacja RGG1-RTP1, linie pzeywane na ys. 8a) i idealnego kontaktu tzonek powadnica (kombinacja RGG1-RTP, linie pzeywane na ys. 8b). Najwiksze tempo pzyostu tempeatuy i najwiksze nadwyki tempeatuy w zawoze s obsewowane w pocztkowej fazie zimnego ozuchu silnika, na kawdzi gzybka, pzy nieidealnym kontakcie cieplnym gzybek gniazdo. Zmiana kontaktu cieplnego tzonek powadnica w zakesie kontakt idealny nieidealny wywouje w czci tzonkowej zawou 73

10 powadnica w zakesie kontakt idealny nieidealny wywouje w czci tzonkowej zawou (T4 i T5), ónice tempeatuy mniejsze od 1 K. 5. Podsumowanie Pzedstawiono fagment bada symulacyjnych stanu cieplnego zawoów wylotowych podczas zimnego ozuchu silnika. Celem tych bada byo poznanie wpywu jakoci kontaktowych opoów cieplnych pa: gzybek gniazdo i tzonek powadnica na stan cieplny zawou. Tójwymiaowy model nieustalonego pzewodzenia i wymiany ciepa w pópzekojach dwóch zawoów osadzonych w walcowym ukadzie odniesienia, pozwala na bezpoednie poównywanie pól tempeatuy, pzy ónych watociach wielkoci wejciowych. Modele zawoów, zbudowane metod KM3R [4] w odowisku MS Excel, pozwalaj: - zadawa wasnoci temofizyczne mateiaów gzybków, tzonków, gniazda i powadnicy, - zadawa cyklicznie zmienne waunki wymiany ciepa na powiezchniach zawoów, zalene od paametów adunku oboczego w cyklu oboczym oaz pooenia zawoów wzgldem gniazd i powadnic, - zadawa watoci opoów cieplnych pa: gzybek gniazdo i tzonek powadnica. pis modelu, pzedstawionego peniej w efeacie [5], oganiczono do opisu modyfikacji, zwizanej z wpowadzeniem waunków bzegowych IV odzaju. Badania symulacyjne wpywu jakoci kontaktów cieplnych na pzepyw ciepa w zawoach wylotowych podczas zimnego ozuchu silnika wykazay istotn zaleno jakoci omawianych kontaktów na pole tempeatuy w zawoach. Szczególny wpyw na to pole ma jako kontaktu cieplnego gzybek gniazdo. Jednym z celów tej publikacji jest take populayzacja iteacyjnej metody KM3R [4] w zastosowaniu do budowy modeli zjawisk fizycznych w obiektach technicznych. Aplikacja jej do zbudowania i ozwizania do zoonego modelu symulacyjnego pzepywu ciepa w zawoach, suy m. in. pokazaniu moliwoci oaz waloów metody. Powszechny dostp do akuszy kalkulacyjnych w opogamowaniu PC oaz szybko i atwo budowania modeli, pefeuje metod KM3R pzede wszystkim do wykozystania w nauczaniu modelowania ónych zjawisk fizycznych (nie tylko wymiany ciepa) w zagadnieniach inynieskich. Liteatua [1] Wisniewski S., bcienia cieplne silników tokowych. WKi, 197. [] Nagóski Z., Metoda KM3R w zastosowaniu do oblicze stanu cieplnego elementów silników spalinowych (cz. I). Poblemy Eksploatacji - Zeszyty Naukowe Instytutu Technologii Eksploatacji, n (5), st , Radom, [3] Nagóski Z., Modelowanie pzepywu ciepa w elementach silników spalinowych. Teka Komisji Naukowo-Poblemowej Motoyzacji PAN o/kaków, zeszyt 1, Kaków,., st (Mateiay Konfeencji Konmot-Autopogess, Politechnika Kakowska, Zakopane), padzienik. [4] Nagóski Z., Modelowanie pzewodzenia ciepa za pomoc akusza kalkulacyjnego, MRS + Excel = KM3R (ISBN ). ficyna Wydawnicza Politechniki Waszawskiej, Waszawa, st. 4, 1. [5] Nagóski Z., Modelowanie tójwymiaowej nieustalonej wymiany ciepa w zawoach silników tokowych metod KM3R. Refeat pzyjty na Konges PTNSS 5 pod n P5-C67, Szczyk,