Jan F IL IP C Z Y K
NUM ERYCZNA A N A L IZA TEM PER ATU R W DENKU TŁOKA Z CERAM ICZNĄ W AR STW Ą O CHRONNĄ
S tre s z c z e n ie . W p ra c y p rz e d sta w io n o w y n ik i b a d a ń sy m u lacy jn y ch p o la te m p e ra tu r w denku tło k a z c e ra m ic z n ą w a rs tw ą o c h ro n n ą. D o o b lic z e ń zasto so w an o m e to d ą elem en tó w skończonych. W y n ik i o b lic z e ń p o ró w n a n o z w y n ik a m i b ad ań ek sp ery m en taln y ch .
NUM ERICAL A N ALY SIS OF TEM PERATUR IN TH E PISTON CROW N WITH CERAM IC PROTECTIVE LAYER
S u m m a ry . S im u latio n test resu lts o f tem p eratu re ch arts o ccured in the p is to n cro w n w ith ceram ic p ro tectiv e lay er h av e b een p resen ted in the paper. A p p lic a tio n o f the B o u n d ary E lem ents M ethod (B E M ) in the n u m erical an aly sis has b een p resen ted in the paper.
1. W P R O W A D Z E N IE
C elem p rz e p ro w a d z o n y c h b a d a ń m o d elo w y ch b y ło o k reślen ie w p ły w u n a n ie sio n y c h n a denko tło k a o ch ro n n y ch p o w ło k cera m ic z n y c h ro z k ła d u te m p e ra tu r w górnej części tłoka.
O bliczenia w y k o n an o z a p o m o c ą sy stem u C O S M O S /M .
P ro b lem aty k a o b c ią ż e ń ciep ln y ch elem en tó w siln ik ó w sp alin o w y ch n a strę c z a w ielu problem ów z p o w o d u n ie d o sk o n a ło śc i m e to d i n arzęd zi o b liczen io w y ch . D la u k ład ó w złożonych, z aró w n o co do k ształtu , w łaściw o ści, ja k i w aru n k ó w b rz e g o w o -p o czątk o w y ch , m ożliw e je s t w y z n aczen ie je d y n ie ro z w ią z a ń p rzy b liżo n y ch , o trz y m a n y c h dzięk i zastosow aniu m e to d n u m ery czn y ch . Z ło ż o n y u k ła d c iąg ły z a stęp o w an y je s t u k ład em dyskretnym o sk o ń czo n ej lic z b ie p u n k tó w (w ęzłó w ). P o n ad to , p rz y jm u je się fu n k cje interpolacyjne (fu n k cje k sz ta łtu ), o p isu jące z m ie n n o ść u k ła d u p o m ięd zy w ęzłam i. K o lejn y m etapem je s t z b u d o w a n ie d y sk retn eg o m o d elu o b liczen io w eg o .
W ro zw iązy w an iu za d a ń p rz e w o d n ic tw a ciep ln eg o za p o d sta w o w e n ie w ia d o m e przyjm uje się w arto ści te m p e ra tu r w w ęzłach . W m e to d z ie elem en tó w sk o ń czo n y ch w ielk o ści w ęzłow e s ą sto p n iam i sw o b o d y fu n k cji ap ro k sy m u ją c y c h p o le te m p e ra tu r w e lem en cie i ich w artości s ą w y z n a c z a n e z m in im a liz a c ji o d p o w ied n ich funkcjonałów .
2. M O D E L G E O M E T R II T Ł O K A
D o b ad ań m o d e lo w y c h w y k o rz y sta n o tło k siln ik a P E R K IN S . N a b azie je g o w y m ia ró w rzeczyw istych stw o rzo n o m o d e l z a m ieszczo n y n a ry su n k u 1. W m o d e lu tym zre z y g n o w a n o z odw zorow ania o sad zen ia sw o rz n ia tło k o w eg o , g d y ż zało ż o n o , że n ie m a o no w p ły w u n a rozkład tem p eratu ry w d en k u tłoka.
R ys. 1. M o d el tło k a siln ik a P E R K IN S b e z o sad zen ia sw o rzn ia tło k o w eg o Fig. 1. T he p is to n m o d el o f P E R K IN S en g in e w ith o u t p isto n p in b o ss P rzestrzenny m o d el tło k a p rzed staw io n o n a ry su n k u 2.
R ys. 2. P rzestrzen n y m o d el tło k a F ig. 2. T h e 3-d p isto n m odel
3. O K R EŚLEN IE W A R U N K Ó W B R Z E G O W Y C H
Ze w zględu n a tru d n o ści z w iązan e z o k reślen ie m zm ian tem p eratu ry czy n n ik a ro b o czeg o T i w spółczynnika p rz e jm o w a n ia cie p ła a g w k o m o rz e sp alan ia d la k o n k retn eg o siln ik a w pracy przyjęto o d p o w ie d n ie w arto ści T i a g p o d an e w literatu rze [1, 3, 6, 7], W y zn aczo n o i porównano ro z k ła d te m p e ra tu r w m o d e lu tło k a z p o w ło k ą c e ra m ic z n ą n a d en k u i b e z tej powłoki dla p o ró w n y w a ln y c h w aru n k ó w p racy , w zw ią z k u z czy m p rz y ję te w a rto śc i T i a g nie m iały w p ły w u n a ró ż n ic ę ro z k ła d u te m p e ra tu r w m o d elach tłoków .
W arunki b rz e g o w e w p o sta c i p o w ie rz c h n i w y m ian y cie p ła p rzed staw io n o na ry su n k u 3, a odpow iadające im p rzy jęte w a rto śc i T, i cą z am ieszczo n o w tab licy 1.
D la m o d elu tło k a w y k o n a n e g o ze sto p u A K 12 (A lS il2 C u M g N i) o p rz e w o d n o śc i cieplnej 166 [W /m -K ] w y k o n an o p rz y k ła d o w y ro z k ła d te m p e ra tu r p rz e d s ta w io n y n a rysunku 4.
R ys. 3. S zk ic p o w ierzch n i w y m ia n y ciep ła m o d e lu tło k a
F ig. 3. T h e sch em e o f su rface h eat co n v ersio n in th e p isto n m o d el
T ab lica 1 W arto ści a ; i Ti dla p o w ierzch n i m o d elu
N r p o w ie r z c h n i
“ i
r w 1 Ti
[K ]
! ’ *
1 303 1152
2 80 922
3 4200 463
4 0 550
5 3200 463
6 101 613
7 2000 457
8 0 525
9 6000 457
10 101 636
11 2000 457
12 0 525
13 6000 457
14 101 636
Rys. 4. M ap a te m p e ra tu r w m o d elu tło k a b ez p o w ło k i ceram icznej
Fig. 4. T em p eratu re ch art o c c u re d in the p isto n m o d el w ith o u t ceram ic p ro te c tiv e lay er 4. W Y N IK I O B L IC Z E Ń
W arto ści p rzy jętej do o b liczeń p rzew o d n o ści cieplnej d la m ateriałó w zestaw io n o w tablicy 2.
Przew o d n o ść ciep ln a dla m ateriałó w ceram iczn y ch zależy b ard zo silnie od m eto d y , ja k ą w ykonano p o w ło k ę, i tak np. d la Z r0 2 w ah a się o d 1.7 do 3.5 [W /m -K ] dla A I2O3 rozrzut w artości je s t zn aczn ie w ięk szy i n a le ż y do p rzed ziału od 3 do 30 [W /m -K ]. G ó rn e w artości p rzew o d n o ści cieplnej A I2O3 d o ty c z ą m ateriału czy steg o o d u ży m sto p n iu zag ęszczen ia, o m ałej p orow atości, n ato m iast d o ln e w a rto śc i d o ty c z ą p o w ło k n an o szo n y ch m ięd zy innym i takim i m etodam i, ja k L P P S , A PS czy E B PV D . M eto d y te ch arak tery zu je d u ża p o ro w ato ść p o w stały ch p o w ło k z A I2O3, co znaczn ie zm n iejsza p rzew o d n o ść c ie p ln ą [2, 3, 4, 5],
T ab lica 2 P rzew o d n o ść ciep ln a w y b ran y ch m ateriałó w
L p . M a te r ia ł
P r z e w o d n o ś ć c ie p ln a
[— 1
[ m - K j
1 A K 1 2 1 6 6
2 Z r 02 2 .5
3 A I2O 3 4
Obliczenia p rz ep ro w ad zo n o d la p o w ło k o g ru b o śc ia c h 0,13 i 0,50 m m .
N a ry su n k ach 5...8 p rz e d sta w io n o o b liczo n e ro z k ła d y te m p e ra tu r z n an iesio n y m i powłokami o c h ro n n y m i o g ru b o śc ia c h 0,13 i 0 ,5 0 m m p rzy tem p eratu rze czy n n ik a ro b o czeg o 1152 K.
R ys. 5. M a p a te m p e ra tu r w tło k u z p o w ło k ą A I2O3 o gru b o ści pow ło k i 0.13 m m F ig. 5. T em p eratu rę ch arts o ccu red in the p isto n w ith
AI2O3
lay er, th ick n ess o f lay er0,1 3 m m
Z asto so w an ie p o w ło k cera m ic z n y c h w y k o n an y ch z m ateriału o p rz e w o d n o śc i cieplnej znacznie m n iejszej od p rz e w o d n o śc i cieplnej sto p u A K 12 tło k a sp o w o d o w ało zw ięk szen ie izolacji term icznej k o m o ry sp alan ia, p rz e z co p o d n io sło te m p e ra tu rę b e z p o śre d n io na p o w ierzch n i p o w ło k i. W z ro s t te m p e ra tu ry je s t zależn y p ro p o rcjo n aln ie o d g ru b o ści p o w ło k i, im g ru b sza p o w ło k a, ty m w y ż sz a te m p e ra tu ra n a p ow łoce.
A n alizu jąc ro z k ła d te m p e ra tu ry w g łąb tło k a zau w ażo n o , że z a sto so w an ie p o w ło k i ob n iża tem p eratu rę części p ie rśc ie n io w e j, p rz e z co m o ż e p o p raw iać w aru n k i p ra c y i sm arow ania.
W ię k sz ą iz o la c ję w y k a z a ła p o w ło k a z ZrC>2, n ato m iast p o w ło k a A I2O3 w m n ie jsz y m stopniu p o d w y ższała te m p e ra tu rę n a p o w ierzch n i.
R ys. 6. M a p a tem p eratu r w tło k u z p o w ło k ą A I2O3 o grubości p o w ło k i 0.50 m m Fig. 6. T em p eratu re ch arts o ccu red in the p isto n w ith AI2O3 layer, th ick n ess o f lay er
0 ,5 0 m m
R ys. 7. R o zk ład tem p eratu ry w tło k u z p o w ło k ą ZrC>2 o g rubości p o w ło k i 0.13 m m F ig. 7. T em p eratu re ch arts o ccu red in the p isto n w ith Z r0 2 layer, th ick n ess o f lay er
0 ,13 m m
Rys. 8. R o z k ła d te m p e ra tu ry w tło k u z p o w ło k ą ZrC>2 o gru b o ści p o w ło k i 0.50 m m Fig. 8. T e m p e ra tu rę ch arts o c c u re d in th e p is to n w ith ZrC>2 layer, th ick n ess o f lay er
0 ,5 0 m m
D la o sz a c o w a n ia b łęd u , ja k i p o p e łn io n o m o d elu jąc m a p ę te m p e ra tu r m e to d ą elem en tó w skończonych p rz y w y k o rz y sta n iu sy ste m u C O S M O S /M , o b liczo n o ro z k ła d y te m p e ra tu r w rzeczyw istych p ró b k a c h z n a n ie sio n y m i p o w ło k am i ceram iczn y m i z A I2O3 i ZrC> 2 i porównano te o b lic z e n ia z w y n ik am i b ad a ń stan o w isk o w y ch [8]. M a te ria łe m b a zo w y m próbek b y ł sto p a lu m in iu m A K 12, a w a rstw a w ią ż ą c a to m o d y fik o w an e A lN i. P aram etry geom etryczne p ró b e k p rz e d s ta w io n o w tab licy 3.
T a b lic a 3 P aram etry g eo m etry czn e p ró b ek
N r p r ó b k i
M a te r ia ł p o w ło k i
Ś r e d n ic a p r ó b k i b a z o w e j [ m m ]
W y s o k o ś ć p r ó b k i b a z o w e j [m m ]
G r u b o ś ć w a r s tw y w ią ż ą c e j A lN i [ m m ]
G r u b o ś ć p o w ło k i [ m m ]
1 A I2O 3 5 6 8 0 .1 1 + 0 .1 5 0 .2 8
2 Z r 02 6 2 8 0 .0 7 + 0 .1 0 0 .3 5 + 0 .3 6
O dw zorow ano g e o m e trię w sy stem ie C O S M O S /M , zaliczając g ru b o ść w arstw y w iążącej do grubości p ró b k i b azo w ej i n ie p rz y p isu ją c je j odrębnej p rzew o d n o ści ciep ln ej, p rz e z co grubość p ró b k i b azo w ej w z ro sła w o b lic z e n ia c h z 8 do 8.1 m m d la każdej pró b k i. P rzy jęta przew odność ciep ln a p ró b k i b azo w ej to 166 [W /m -K ], a p o w ło k o d p o w ied n io :
AI2O3
- 4 [W/m-K], Z r0 2 - 2.5 [W /m -K ]. P ró b k a w b a d a n ia c h stan o w isk o w y ch b y ła n a p rzem ien n ie ogrzew ana p ło m ie n ie m p a ln ik a i c h ło d z o n a p o w ietrzem . T e m p e ra tu ra p ło m ie n ia to ok. 1525 K, a p o w ietrza ok. 295 K . O d w z o ro w u ją c w aru n k i o to czen ia, zad an o w aru n k i b rzeg o w e i w ygenerow ano w y n ik i w p o sta c i ro zk ład u te m p e ra tu r w p o ło w ie p rz e k ro ju o b y d w u pró b ek , co p rzed staw iają ry su n k i 9 i 10.T emp 7 4 7 . 2 3
'
7 2 8 . 8 4 7 1 0 . 4 6 6 9 2 . 0 7 6 7 3 . 6 8 6 5 5 . 2 9 6 3 6 . 9 0 6 1 8 . 5 1 6 0 0 . 1 3
R ys. 9. M ap a tem p eratu r w p ró b ce 1
Fig. 9. T em p eratu rę charts in sam ple n u m b er 1
T emp - 7 5 2 . 7 2
I
7 2 8 . 3 77 8 4 . 0 3 6 7 8 . 6 8 8 5 5 . 3 4 6 3 0 . 9 9 6 8 8 . 6 4 5 8 2 . 3 8 5 5 7 . 9 5
R ys. 10. O bliczo n y ro zk ład tem p eratu ry w p ró b ce 2 Fig. 10. T em p eratu rę chart in sam ple n u m b er 2
P orów nanie tem p eratu r o b liczo n y ch i z m ierzo n y ch dla p ró b ek p rzed staw ia tab lica 4.
T ab lica 4 T em p eratu ry o b liczo n e i zm ierzo n e dla b ad an y ch p ró b ek
N r p r ó b k i
M a te r ia ł p o w ło k i
T e m p e r a t u r a n a p o w ie r z c h n i p o w ło k i [K ]
T e m p e r a t u r a n a d n ie p r ó b k i [K ]
Z m ie r z o n a O b lic z o n a O b lic z o n a O b lic z o n a
1 a i2o 3 7 3 8 .1 5 7 4 7 .2 3 5 8 3 .1 5 6 0 0 .1 3
2 Z r 02 7 3 8 .1 5 7 5 2 .7 2 5 6 3 .1 5 5 5 7 ,9 5
R ó żn ica tem p eratu r zm ierzo n ej i obliczonej dla p ró b ek nie przek racza 17 K d la pró b k i z p o w ło k ą z A I2O3 i 15 K d la pró b k i z p o w ło k ą Z r 0 2. O dchylenie tem peratury obliczo n ej od zm ierzonej m oże b y ć sp o w o d o w an e m .in. brak iem d o k ład n y ch d an y ch o p rzew o d n o ści cieplnej m ateriałó w w y k o rzy stan y ch w b ad an ia ch stan o w isk o w y ch (szczeg ó ln ie d la pow ło k i
AI2O3,
d la której ro zrzu t w arto ści je s t duży i zale żn y od m eto d y n an ie sie n ia p o w ło k i), p o m in ięciem w o b liczen iach p rzew o d n o ści cieplnej w arstw y w iążącej lub n ied o k ład n y modwzorowaniem w aru n k ó w b rzeg o w y ch w p o staci te m p e ra tu ry i w sp ó łc z y n n ik a
przewodzenia ciepła. ,
Stw ierdzono z a d o w alające p rz y b liż e n ie o b liczeń p rzy w y k o rz y sta n iu sy stem u COSM OS/M z b a d a n ia m i rzeczy w isty m i.
5. PO D S U M O W A N IE
Na p o d staw ie p rz e p ro w a d z o n y c h o b lic z e ń o ra z an alizy w y n ik ó w stw ierdzono:
- system C O S M O S /M u m o ż liw ia m o d elo w an ie ro zk ład u te m p e ra tu r w c zęściach silnika p ok ry ty ch ró żn eg o ro d z a ju p o w ło k am i, a u zy sk an e ro zk ład y te m p e ra tu r o b a rc z o n e są błędem zale ż n y m o d d o k ład n o ści o d w z o ro w a n ia w aru n k ó w b rzeg o w y ch i d o k ład n o ści zad an y ch stały ch m ateriało w y ch ;
- pokrycie p o w ło k a m i c e ram iczn y m i z A I2O3 i Z r0 2 m a w p ły w n a w arto ści te m p e ra tu r w m o d elu tło k a w p o ró w n a n iu z m o d e le m tło k a b e z po w ło k i;
- p o w ło k a Z rO i m a w ięk sze zd o ln o ści do izolacji cieplnej o d p o w ło k i A I2O3, co w ytłu m aczy ć m o ż n a m n ie js z ą p rz e w o d n o śc ią ZrCL;
- w raz ze w zro stem g ru b o ści p o w ło k i ceram iczn ej tem p e ra tu ra n a p o w ierzch n i m o d elu rosła zn acząco , n a to m ia s t w dolnej części m o d e lu tło k a te m p e ra tu ra z w ię k sz a ła się nieznacznie;
- dla n a jcień szy ch p o w ło k o g ru b o ści 0.13 m m z au w ażo n o n a jm n ie jsz y w z ro st tem p eratu ry n a p o w ierzch n i p o w ło k i, co, ja k m o żn a p rzy p u szczać, w n a jm n ie jsz y m stopniu zab u rzy p ro c e s sp alan ia;
- tem p eratu ra części p ierście n io w ej sp ad ała w raz ze w zro stem g ru b o ści po w ło k i ceram icznej, a n ajw ięk sze spadki z au w ażo n o d la p o w ło k i ZrCL;
- stw ierdzono z a d a w alające p rzy b liżen ie w y n ik ó w o b lic z e ń p rzy w y k o rzy stan iu sy stem u C O S M O S /M z w y n ik am i b a d a ń stan o w isk o w y ch p ró b e k z p o w ło k am i ceram iczn y m i,
- zauw ażono, że o d ch y len ie te m p e ra tu ry obliczo n ej o d zm ierzo n ej m o ż e b y ć spow odow ane: b ra k ie m d o k ła d n y c h d an y ch o p rzew o d n o ści cieplnej m a te ria łó w w y k o rzy stan y ch w b a d a n ia c h sta n o w isk o w y ch (szczeg ó ln ie d la p o w ło k i A I2O3, dla której ro z rz u t w a rto śc i je s t d u ży i zale żn y od m eto d y n an ie sie n ia p o w ło k i), p o m in ięciem w o b liczen iach p rzew o d n o ści cieplnej w a rstw y w iążącej lub n ied o k ład n y m o d w z o ro w a n ie m w aru n k ó w b rzeg o w y ch w p o staci te m p e ra tu ry i w sp ó łczy n n ik a p rz e w o d z e n ia ciepła.
Literatura
1. K w aśn io w sk i S., Z ab ło ck i W ., S ro k a Z.J.: M o d elo w an ie o b ciąż eń c ie p ln y ch w elem entach siln ik ó w sp alin o w y ch . O ficy n a W y d aw n icza P o litech n ik i W ro cław sk iej, W rocław 1999.
2. K o b y lań sk a-S zk arad ek K .: S tru k tu ra i w łasn o ści term o fizy czn e tle n k o w y ch p o w ło k ceram iczn y ch o trz y m y w a n y c h n atry sk iem p lazm o w y m . M ateria ły z V II S em in ariu m N a u k o w eg o nt. N o w e te ch n o lo g ie i m a te ria ły w m etalu rg ii i in ży n ierii m a te ria ło w e j, m aj 1999, s. 43-51.
3. Jaskólski J.: B ad an ie p o k ry ć cera m ic z n y c h tło k a m e to d ą sy m u lacji k o m p u tero w ej. Jo u rn al o f K o n e s’94, V ol. 1, N o 1, W a rsa w -L u b lin 1994.
4. M endera K .Z ., S p y ra A .: In flu en ce o f T h erm a l B arrier C o atin g on H eat L o sses o f D iesel E ngine. M ateria ły k o n fe re n c y jn e K O N E S ’97, B ielsk o -B iała 1997.
5. M endera K .Z .: T e rm o iz o la c ja k o m o ry sp alan ia. S iln ik i sp alin o w e w z a sto so w a n ia c h w o jsk o w y ch , W A T . W a rsz a w a 1995.
6. M ru k A.: B ad an ia o p o ru ciep ln eg o w arstw term o izo lacy jn y ch n a ło żo n y c h n a d en k a tło k ó w n a w łaściw o ści siln ik a spalin o w eg o . P A N O d d ział w K rakow ie, K rak ó w 1995.
7. M ru k A.: W łaściw o ści siln ik a z tło k am i p o k ry ty m i p o w ło k am i term o izo lacy jn y m i.
M ateriały k o n feren cji K O N M O T ’94, K raków - R ab a N iż n a 1994.
8. F ilip czy k J.: P ersp ek ty w y sto so w an ia m ateriałó w ceram iczn y ch w tło k o w y c h silnikach spalin o w y ch . V sy m p o zju m n au k o w o -tech n iczn e „S iln ik i sp alin o w e w zasto so w an iach w o jsk o w y ch ” . Ju rata, 17-19 p a ź d z ie rn ik a 2001, s. 223-230.
R ecenzent: Prof. d r hab. inż. B ro n isław S en d y k a A b stra ct
S im u latio n test resu lts o f tem p eratu re charts o ccured in the p is to n cro w n w ith ceram ic p ro tectiv e lay er have b e e n p re se n te d in th e p ap er. A p p licatio n o f the B o u n d ary E lem en ts M ethod (B E M ) in the n u m erical a n aly sis has b een p resen ted in th e paper. T he an ally sis carried o u t has p ro v ed a q u alitativ e co n ccu rren ce o f the o b tain ed resu lts and p o ssib ility o f p ractical ap p licatio n s o f the m odel.
