Journal o KONES Powertran and Transort, Vol.14, No. 7 THERMAL DEFORMATIONS OF THE S68 ENGINE PISTON DEPENDING ON THE APPLIED COMBUSTION CHAMBER SHAPE Grzegorz Mtuewz, Jerzy Sygnewz Poltehna ódza, Instytut Pojazdów eromsego 116, 9-94 ód tel.: +48 4 631-3-9;+48 4 631-3-99 e-mal: mtu@ntera.l, jsygnew@.lodz.l Abstrat The aer desrbes smulaton model o thermal deormatons o ston o Desel engne wth ombuston hamber laed n ston rown. Results or derent shaes o ombuston hamber are resented and analyzed. For alulatons assumed that thermal deormaton o ston do not vary wthn engne s yle t wors n onstant ondtons. An hand o ressure and temerature harts o S68 engne, heat transer oeent on ston rown surae was dened. Heat transer oeent on the rest ston suraes was dened based on the lterature. Usng nte element method (FEM ode, ston shae was reated, and then the ston body was meshed and loaded aordng to Fourer ondtons. Nodes dslaements let desrbe ston deormaton. The smulaton results allow to nd the otmal shae o ombuston hamber, n reset o ston deormaton, and also an be the base to reate the method o ast very ombuston hamber shae. Results smulaton researh o ston deormatons showed that ston deormatons were onsderably deendent rom ombuston hamber shae. The bggest deormatons ame out or the hamber o small deth and the hgh dameter. Derenes o thermal deormatons o ston srt reah to 5 m Keywords: ombuston engne, ston, thermal deormatons, ombuston hamber ODKSZTACENIA CIEPLNE TOKA SILNIKA S68 ZALENOCI OD KSZTATU ZASTOSOANEJ KOMORY SPALANIA Streszzene artyule rzedstawono model oblzenowy odsztae elnyh toa slna o zaone samozynnym z omor salana umeszzon w jego denu, oraz wyn oblze dla rónyh sztatów omory salana wraz z h analz. Do oblze rzyjto, e odsztaena elne toa s stae w aym ylu ray slna jeel rauje on w ustalonyh warunah. Na odstawe wyresu ndyatorowego slna S68 orelono wsózynn rzejmowana ea na owerzhn dena toa. sózynn rzejmowana ea na ozostayh owerzhnah toa zostay rzyjte na odstawe zaleno odanyh w lteraturze. Za omo rogramu omuterowego wyorzystujego metod elementów sozonyh (MES zamodelowano to, a nastne dysretyzowano jego objto elementam rzestrzennym obonym elne rzy wyorzystanu warunów brzegowyh trzeego rodzaju (Fourera. yznazene rzesuna wzów sat ozwolo na orelene odsztae toa. Uzysane wyn oblze mog stanow unt wyja do wyznazena otymalnego od wzgldem odsztae elnyh sztatu omory salana a tae by odstaw do stworzena metody umolwajej szyb weryaj rzyjtego sztatu omory salana. yn bada symulayjnyh odsztae toa, wsazay, e odsztaena toa s w znaznym stonu zalene od sztatu omory salana. Najwsze odsztaena wysty dla omory o maej gboo duej redny. Róne odsztae elnyh z rowadzej toa sgaj do 5m. Sowa luzowe: sln salnowy, to, odsztaena termzne, omora salana 1. st slnah o zaone samozynnym owetrze dostarzane do ylndra jest srane ta, aby alwo wtrynte do omory salana w ooly GMP ulego samozynnemu zaonow.
G. Mtuewz, J. Sygnewz Jest to molwe jeel w omorze salana w hwl wtrysu alwa anuje odowedno wysoa temeratura rzerazaja temeratur samozaonu. Charaterystyzne w dla tyh slnów jest to, e rzygotowane meszan odbywa s doero w ylndrze to w ou suwu srana. rzewestwe do slnów o ZI ne otrzebuj one dodatowego róda energ do zanjowana zaonu. Z lteratury dotyzej obe elnyh slnów toowyh wyna, e roesy termodynamzne zahodze w slnu maj stotny wyw na sztat wymary toa. Przerowadzone rzez rónyh autorów [1,3,8] badana toów onentroway s rzede wszystm na roesah rzejmowana ea od goryh gazów rzez deno toa, rzewodzene ea rzez to odrowadzane ea od toa. Otrzymywano równe shematy odsztae elnyh toa. Ne byy one jedna tematem rzewodnm bada. Ksztat omory umeszzonej w tou slna o zaone samozynnym uwarunowany by gówne zaewnenem odowednego zawrowana meszan alwowo owetrznej. Komory salana rzyjmuj w rónego rodzaju sztat n.: ulsty, torodalny, t. Instytue Pojazdów Poltehn ódzej s obene rowadzone rae maje na elu oen wywu sztatu omory salana na odsztaena elne toa, rzedstawone tu rzyadowo dla slna Leyland S68. Badana te wyonano rzy omoy rogramów: ProEngneer Ansys. Praa rzebegaa w nastujyh etaah: 1. orelono warun brzegowe, wyznazaj warto wsózynna rzejmowana ea na denu toa, (na ozostayh owerzhnah toa wsózynn rzejmowana ea orelono na odstawe zaleno najzej sotyanyh w lteraturze;. zamodelowano to rzy omoy rogramu ProEngneer; 3. onwertowano l, ta aby mona je byo otworzy w rograme ANSYS; 4. dysretyzowano objto toów elementam sozonym; 5. oblzono rozad temeratury toa; 6. oblzono odsztaena elne toa.. sózynn rzejmowana ea na oszzególnyh owerzhnah toa elo harateryzuj stoe obena elnego owerzhn otazajyh omor salana jest wsózynn rzejmowana ea g. ; T g t 1 ; T 1 ; T 3 ; T 3 4 ; T 4 5 ; T 5 6 ; T 6 Rys. 1. Shemat toa z oznazenam temeratur wsózynnów rzejmowana ea Fg. 1. The shema the ston wth desgnatons o temeratures and oeents o heat transer Na warto globaln tego wsózynna sada s wsózynn rzejmowana ea rzez onwej oraz wsózynn uwzgldnaje radaj omena r gazu rg [9]. 38
Thermal Deormatons o the S68 Engne Pston Deendng on the Aled Combuston Chamber Shae g. (1 r rg Ostatn sadn w orównanu z dwoma erwszym, jest omjalne may, dlatego mona rzyj: g ( r ( (. ( Do osu rzejmowana ea rzez onwej ( najzej stosowan zaleno, w odnesenu do slnów o zaone samozynnym, jest zaleno oshnego [4] D ( = 17,93,14 w,786 (,786,55 T (, (3 redna ylndra [m], m w redna rdo toa w omorze salana s, ( hwlowe warto nena zynna [MPa], T( hwlowe warto temeratury zynna [K], ( warto ta obrotu wau orbowego [ OK]. Drug z wsózynnów sadowyh r ( wyna z romenowana omena, o jest zwzane z ojawenem s w nm zste sadzy. Zaleno umolwaj wyznazene warto tej welo Ste [1] orel nastujo: C l ( Tl ( ( Ts r (, (4 T ( Ts C - staa romenowana aa dosonale zarnego, C = 5,67 4, l ( - hwlowa warto emsyjno omena [-], T - hwlowa warto temeratury omena [K], ( l T s ( - redna temeratura ane omory salana [K], T - hwlowa temeratura zynna robozego [K]. Emsyjno omena orela wzór [4]:,18 l (, (5 1 ( 1,9 ( ( 1 ( l ( - wzgldna emsyjno omena ( 1 e [-], ( - nene w omorze salana w -tej hwl [MPa], - redna droga omena w omorze salana [m], l l V 3,6 1, (6 F V - objto omory salana [m 3 ], 39
G. Mtuewz, J. Sygnewz F - owerzhna omory [m ]. Temeratura omena w hwl, odowadajej towemu ooenu wau orbowego : v L t v (1 ( ( Tl ( T (, (7 Lt 1 ( ( ( ( - wsózynn naenena, J - warto oaowa alwa, dla oleju nadowego = 47, g - warto unj ebego, - teoretyzna lzba lomol owetrza otrzebna do salena 1 g alwa, dla oleju mol nadowego,495, g g - masa molowa suhego owetrza,,896, mol - wsózynn nadmaru owetrza, J - eo wawe omena. g K arto unj ebego: 1,7 ( 6,98 ( ( 1 e, (8 - bea warto ta obrotu wau orbowego, 173 43, - t obrotu wau na oztu salana, 173, - t obrotu wau na ou salana, Ceo wawe omena: 43. 3 997,31 (1 156 1 (,65 6 T ( redn temeratur ane omory salana orela wzór:. (9 T (, (1 1- D 3-3 1 D D D T s 35,8-46,7-937,5 + 948,3 t D D D D D - redna omory w tou [m], D - redna toa [m], t - temeratura roda dena toa [K]: t,43 (,5th,8 (3 e 16 t h - temeratura ezy hodzej, [ºC],,D e e 73,, 33
Thermal Deormatons o the S68 Engne Pston Deendng on the Aled Combuston Chamber Shae - stoe srana, e - redne nene uytezne [MPa], D - redna toa [m], - staa termodynamzna, e e 18,41 n, e 747,45 n (136,45 n e 1 obr n - rdo obrotowa slna mn. Przyjmuje s, e redna rdo zynna w omorze salana osga warto trzyrotne wsz n rdo toa, std w 3, (11 m r - redna rdo toa s, S n r, 3 S - so toa [m]. elu uzysana rzebegów zman nena temeratury w omorze salana slna wyorzystano rogram omuterowy, tóry owsta w Instytue Pojazdów Poltehn ódzej. Program wyorzystuje algorytm ebego. yn oblze rzedstawono na rysunu nr. T 5 [K] r 1 [MPa] 8 15 1 5 6 4 18 7 36 45 [OK] 54 Rys.. yres ndyatorowy otwarty Slna Leyland S68 Fg.. Indator dagram o the 68 Leyland Engne yorzystuj algorytm oblze rzedstawony we wzenejszej z artyuu wyznazono warto wsózynnów rzejmowana ea rzez onwej oraz wsózynn uwzgldnajy radaj omena r. /m^k 5 15 1 5 9 18 7 36 45 54 63 7 r OK + r Rys. 3. yres rzebegu zman wsózynnów rzejmowana ea Fg.3. Dagram o the ourse o oeents o heat transer hanges 331
Oblzena byy rowadzone dla warunów ustalonyh, w do oblze rzyjto redn wsózynn rzejmowana ea = 54,76. redn wsózynn rzejmowana ea na owerzhn owyej erwszego erena toowego 1 jest mnejszy n dla dena toa. rzyadu szzeln wsh naley rzyjmowa nsze warto temeratur gazu znazne nsze warto wsózynnów rzejmowana ea n rzy szzelnah szeroh. Przyjto: 1 8. edug newsego [3] redne warto wsózynnów rzejmowana ea od toa do owerzhn boznyh erwszego erena uszzelnajego wynosz: 1 dla górnej owerzhn rowa erenowego, 3 dla dolnej owerzhn rowa erenowego. Przyjto jednaowy wsózynn rzejmowana ea dla obydwu owerzhn:. Pozostae wsózynn rzyjto na odstawe lteratury. arto wsózynnów rzejmowana ea oraz odowadaje m temeratury rzedstawa Tabela 1. Numer owerzhn [ m K ] G. Mtuewz, J. Sygnewz Tab 1. arto rzyjtyh wsózynnów rzejmowana ea temeratur Tab. 1. Values o aled oeents o heat transer and temeratures 1 3 4 5 6 54,76 8 15 1 1 6 T [K] 6 415 45 45 4 4 348 3. yn oblze odsztae elnyh toów slna S68 Oblzena zostay rzerowadzone dla tego samego toa o rónyh sztatah omory salana. Objto wszysth ztereh omór salana bya jednaowa. Oblzena wyonano dla stou alumnum stosowanego rzez rm Mahle o nazwe Mahle 14. Dane materaowe: modu Younga E = 65 [MPa], lzba Possona =,33, gsto g = 7 3 m. 5 *1^-6 /m^k 15 1 5 5 3 35 4 45 5 55 6 65 7 T [K] Rys. 4. Przebeg zman wsózynna rozszerzalno lnowej w unj temeratury [] Fg.4. The ourse o hanges o the lnear thermal exanson oeent versus temerature [] 33
Thermal Deormatons o the S68 Engne Pston Deendng on the Aled Combuston Chamber Shae /mk 18 16 14 1 1 8 6 4 5 3 35 4 45 5 55 6 65 7 T [K] Rys. 5. Przebeg zman wsózynna rzewodno elnej w unj temeratury [] Fg.5. The ourse o hanges o the thermal ondutvty oeent versus temerature Przy omoy rogramu ProEngneer wyonano nastuje modele toów róne s geometr omory salana, rzy zaoenu jednaowej jej objto: Komora nr 1 Komora nr Komora nr 3 Komora nr 4 Rys. 6. Modele toów wyonanyh rzy omoy rogramu ProEngneer Fg. 6. Models the ston samles erormed wth the ProEngneer rogram Analzuj wymary lnowe omór salana mona zauway, e rzehodz od omory salana o najmnejszej redny najwszej gboo do omory o najwszej redny najmnejszej gboo uzysano szero zares zman rozadu temeratury ja równe odsztae elnyh toa. 35 38 41 44 47 5 54 57 6 Rys. 7. Rozad temeratury toa dla rónyh sztatów omory salana [K] Fg. 7. Pston ourse temerature or derent ombuston hamber shaes [K] 333
G. Mtuewz, J. Sygnewz a b d e g h 5 1 15 5 3 35 4 Rys. 8. Odsztaena elne toa dla rónyh sztatów omory salana [m] a, b,, d: w aszzyne rostoadej do os sworzna, e,, g, h: w aszzyne równolegej do os sworzn Fg. 8. Thermal deormatons o ston or derent ombuston hamber shaes [m] a, b,, d: n the surae o normal or n axs; e,, g, h: n the surae o erendular or n axs 4. Podsumowane yn wstnyh bada symulayjnyh odsztae toa, rzedstawone na rys. 8, wsazuj, e odsztaena te s w znaznym stonu zalene od sztatu omory salana. Najwsze odsztaena wysty dla omory o maej gboo duej redny (rys. 8d 8h, a najmnejsze dla omory o maej redny duej gboo (rys. 8a 8e. Mona to zaobserwowa ne tylo w ooly dena toa ale równe na jego z rowadzej. Róne odsztae elnyh z rowadzej toa sgaj 5m. Tym samym wyn wstnyh eserymentów otwerdzaj elowo odjtej tematy. Lteratura [1] Gardys, L., eros, A., Stanowso do omarów hwlowyh temeratur dena toa. Materay onerenyjne KONES 97, arszawa1997. [] Petrows, S., Krystalzaja, strutura wawo slumnów toowyh. ydawntwo Poltehn ódzej, ód 1999. [3] Petrows, S., Strutura slumnów toowyh w asee obe mehanznyh elnyh toa. Journal o KONES Vol. No 1. arsaw-poznan, 1995. [4] Ste, G., Heat transer and thermal loadng n nternal ombuston engnes. Aadema Kado, Budaest 1974. [5] Szlahta, Z., Mru, A., Cse, J., yw termozolaj dena toa na wasno slna wysoornego. Interonmot 98, 1998. [6] news. S., Obena elne slnów toowyh. K arszawa 197. [7] oshn, G., Berehnung der andverluste und thermshen Belastung von Deselmotoren. MTZ No. 197. [8] Zabo, M., Badana rozwojowe toowyh slnów salnowyh. Praa zborowa. ydawntwo Poltehn Kraowsej, Kraów Janowe 1979. [9] Kwanows, S., Sroa, Z. J., Zabo,., Modelowane obe elnyh w elementah slnów salnowyh. ydawntwo Poltehn roawsej, roaw 1999. 334