Seria: T R A N S P O R T z. 46 N r kol. 1571
Piotr G U S T O F
K O M PU T E R O W E W S P O M A G A N IE O B L IC Z E Ń C IE P L N Y C H ZAWORU D O L O T O W E G O I W Y L O T O W E G O SIL N IK A SPA LIN O W EG O Z Z A P Ł O N E M SA M O C Z Y N N Y M
S tre sz c z e n ie . W p racy w y z n a c z o n o o b c ią ż e n ia ciep ln e d la z aw o ru d o lo to w eg o i w ylotow ego silnika sp a lin o w e g o z zap ło n e m sam oczynnym . O b lic z e n ia ciep ln e ty ch elementów p rz e p ro w a d z o n e zo stały z z a sto so w an iem m eto d y e le m e n tó w sk o ń czo n y ch (MES).
COMPUTER S U P P O R T F O R T H E C A L C U L A T IO N O F T H E R M A L PARAM ETERS T H E IN L E T A N D T H E E X H A U S T V A L V E O F D IE S E L PISTON E N G IN E
S u m m a ry . T h e p a p e r d e te rm in e s th e h e a t load fo r th e in let v alv e an d th e e x h au st valve o f D iesel p is to n engin. C o m p u ta tio n o f therm al p aram eters fo r th ese c o m p o n e n t parts has been p erfo rm ed u sin g th e fin ite elem en ts m eth o d (M ES).
1 M O DEL N U M E R Y C Z N Y Z A W O R U D O L O T O W E G O I W Y L O T O W E G O
T ró jw y m iaro w y m o d el g e o m e try c z n y z aw o ru d o lo to w eg o p o d zielo n y z o sta ł na 5 charakterystycznych p o w ie rz c h n i w y m ia n y ciepła, którym to po p o d zielen iu m o d elu sia tk ą elementów (m esh in g ) p rz y p isa n e z o sta ły o k re ślo n e w aru n k i b rz e g o w e (rys. 1).
A n alo g icz n e p o w ie rz c h n ie w y m ia n y cie p ła p rzy jęto d la z aw o ru w y lo to w eg o .
Model num ery czn y z a w o ru d o lo to w e g o i w y lo to w e g o w y k o n an o n a p o d sta w ie ich dan y ch geometrycznych.
D o b u d o w y m o d e lu d y sk re tn e g o z asto so w an o m o d u ł G E O S T A R sy stem u o b lic z e ń numerycznych C O S M O S /M , u m o ż liw ia ją c y u tw o rzen ie m o d elu g e o m e try c z n e g o opisywanego o b iek tu , o p is stały ch term o fizy czn y ch , d y sk re ty z a c ję m o d elu z narzędziam i a u to m a ty c z n e g o d o b o ru siatki e lem en tó w o raz zało ż e n ie w a ru n k ó w brzegowych i obciążeń.
P rzestrzen n y m o d el n u m ery czn y z a w o ru d o lo to w eg o i w y lo to w e g o o p raco w an y z o sta ł z zastosow aniem c z w o ro śc ie n n y c h e le m e n tó w b ry ło w y c h T E T R A 4 , u m o ż liw ia ją c y c h odw zorowanie m o d elu tró jw y m ia ro w e g o z z asto so w an iem funkcji au to m aty czn ej g en eracji siatki elem entów .
R ys. 1. Szkic z a w o ru d o lo to w eg o na tle g ło w icy siln ik a [1 ] Fig. 1. D raw in g o f th e in let v alv e ag ain st th e en g in e head [1]
P o w ierzch n ie: 1- ta le rz y k a z a w o ru od strony k o m o ry spalania, 2- styku p rzylgni zaw o ru z gn iazd em , 3- stopki zaw o ru , 4 - p ro w ad ząca trz o n k a z aw o ru w głow icy, 5- trz o n k a z a w o ru p o n ad g ło w ic ą
D o o b liczeń c ie p ln y ch z a w o ru d o lo to w eg o i w y lo to w eg o p rzy jęto w arunki b rzeg o w e III rodzaju w p o staci p rzeb ieg u te m p e ra tu ry i w sp ó łczy n n ik a p rz e jm o w a n ia ciepła w y zn aczo n e ja k o w arto ści śred n ie z p ełn eg o cyklu p racy siln ik a SW 680 przy prędkości obrotow ej siln ik a n = 2 2 0 0 o ń r/m in i m o cy jVmax = 1 1 4 ,6 k W (ta b l.l).
T ab lica 1 W arunki b rz e g o w e w y m ian y ciep ła z aw o ru d o lo to w eg o i w y lo to w e g o silnika
SW 680 w y z n a c z o n e ja k o w arto ści śred n ie z p ełn eg o cyklu p racy siln ik a [1]
N u m er p o w ierzch n i i
W sp ó łc z y n n ik p rzejm o w an ia ciepła
a { W l ( m 2 - K ) }
T e m p e ra tu ra Ti[K]
Z a w ó r d olotow y
Z a w ó r w y lo to w y
Z a w ó r do lo to w y
Z a w ó r w y lo to w y
1 303,3 303,3 1152,2 1152,2
2 935,8 915,1 330,9 638,3
3 200,0 400,0 295,0 918,1
4 433,4 433,4 358,0 358,0
5 80,0 80,0 348,0 348,0
P rzy jęte w aru n k i b rz e g o w e d la z a w o ru d o lo to w eg o i w y lo to w e g o w y zn aczo n e zo stały w L ab o rato riu m Z ak ład u N a p ę d ó w S p alin o w y ch P o litech n ik i W ro cław sk iej, g d zie p rzep ro w ad zo n o p o m iary ciśn ie n ia in d y k o w an eg o , a n astęp n ie o b liczen ia te m p e ra tu ry i w sp ó łczy n n ik a p rz e jm o w a n ia cie p ła w k o m o rz e spalania.
2. W YNIKI O B L IC Z E Ń
Wyniki o b liczeń p rz e p ro w a d z o n e d la z a w o ru d o lo to w eg o i w y lo to w e g o p rzed staw io n o w postaci ry su n k ó w w arstw ico w y ch .
T [ K ]
Rys.2. R y su n ek w a rstw ic o w y z w y sz c z e g ó ln ie n ie m w ę z łó w w zd łu ż k raw ęd zi ta le rz y k a zaw o ru d o lo to w e g o
Fig. 2. L ine d raw in g in d ic a tin g h eat cen te rs along the ed g es o f th e in let v a lv e ’s disk
R o zk ład te m p e ra tu ry ta le rz y k a z aw o ru d o lo to w eg o p rzed staw io n o n a ry su n k u 2.
Pomimo iż z a w ó r d o lo to w y p racu je w n iższy ch tem p eratu rach niż z a w ó r w y lo to w y , n arażo n y jest on na w ięk sze n a g łe z m ia n y tem p eratu ry . Z je d n e j strony, n arażo n y je s t n a o d d z ia ły w a n ie gorących g a z ó w p o c h o d z ą c y c h z e sp alan ia m ieszan k i p aliw o w o -p o w ietrzn ej, z drugiej zaś wystawiony je s t na d z ia ła n ie sto su n k o w o chło d n y ch g a z ó w d o lo to w y ch w k o le k to rz e ssącym silnika.
T e m p e ra tu ra m a k sy m aln a w y n o sz ą c a 730[K ] dla części środkow ej ta le rz y k a z aw o ru od strony k o m o ry sp a la n ia sp a d a do 350[K ] dla części trz o n k a zaw o ru od stro n y głow icy.
Spadek tem p eratu ry z w ią z a n y je s t z o d p ro w ad zan iem ciep ła z ta le rz y k a z aw o ru p o p rz e z je g o trzonek. R o zk ład te m p e ra tu ry na k raw ęd zi ta le rz y k a z a w o ru d o lo to w eg o p rz e d s ta w io n o na rysunku 3.
x[mm]
R ys. 3. R o zk ład te m p e ra tu r w zd łu ż k raw ęd zi z aw o ru d o lo to w eg o
F ig .3. D istrib u tio n o f te m p e ra tu re s along th e edges o f th e in let v a lv e ’s disk
T e m p e ra tu ra m ak sy m aln a w y n o sząca 730[K ] w części środkow ej ta le rz y k a zaw oru dolo to w eg o sp ad a do w arto ści 705 [K] na k raw ęd zi od strony g n iazd a zaw o ro w eg o . Spadek tem p eratu ry zw ią z a n y je s t z o d p ro w ad zan iem ciep ła przez g n ia z d o zaw o ro w e. W yniki obliczeń w y m ia n y cie p ła dla z a w o ru w y lo to w eg o p rzed staw io n o n a rysu n k u 4.
T [ K ]
R y s.4. R y su n ek w a rstw ic o w y z w y szczeg ó ln ien iem w ę z łó w w zd łu ż kraw ędzi ta le rz y k a zaw o ru w y lo to w eg o
F ig .4. L ine d raw in g sh o w in g heat cen te rs along th e edges o f th e ex h au st v a lv e ’s disk
Z a w ó r w y lo to w y , p racu jący w z n aczn ie cięż szy ch w aru n k ach niż z a w ó r d olotow y, od strony k o m o ry sp alan ia n a ra ż o n y je s t na b ezp o śred n ie o d d ziały w a n ie g o rący ch g azó w spalinow ych.
T e m p e ra tu ra m ak sy m aln a, w y n o sz ą c a 95 5 [K] dla części środkow ej ta le rz y k a zaw oru w y lo to w eg o od stro n y k o m o ry sp alan ia, sp ad a do 370[K ] d la części trz o n k a z aw o ru od strony głow icy. S p ad ek te m p e ra tu ry zw ią z a n y je s t z o d p ro w ad zan iem ciep ła z ta le rz y k a zaw oru p o p rzez je g o trzo n ek . R o zk ład te m p e ra tu ry na kraw ędzi talerzy k a z a w o ru d o lo to w eg o przed staw io n o n a ry su n k u 5.
x [m m ]
R ys. 5. R o zk ład te m p e ra tu r w zd łu ż kraw ędzi ta le rz y k a z aw o ru w y lo to w eg o Fig. 5. D istrib u tio n o f te m p e ra tu re s along th e edges o f th e ex h au st v a lv e ’s disk
T e m p e ra tu ra m a k s y m a ln a o w a rto śc i 95 5 [K ] w części środkow ej ta le rz y k a sp ad a do wartości 920[K ] n a k raw ęd zi od stro n y g n ia z d a zaw o ro w eg o . S p ad ek te m p e ra tu ry z w iązan y jest podobnie ja k w p rz y p a d k u z a w o ru d o lo to w eg o z o d p ro w ad zan iem c ie p ła p rz e z g n iazd o
zaworowe.
3 PO D S U M O W A N IE
Lokalną o cen ę o b c ią ż e n ia c ie p ln eg o m o ż n a u zy sk ać w y łączn ie na p o d sta w ie an alizy pól temperatur części siln ik a o ta c z a ją c y c h k o m o rę spalania. Z n ajo m o ść p o la te m p e ra tu r p o zw ala na określenie m a k sy m a ln y c h w a rto śc i te m p e ra tu r i g ra d ie n tó w te m p e ra tu r d ecy d u ją cy ch o naprężeniach te rm ic z n y c h i o d k ształcen iach . M e to d a e lem en tó w sk o ń czo n y ch , k tó ra zastosowana z o sta ła w p o w y ższej p racy d la ro z w ią z a n ia zad an ia p rz e w o d n ic tw a cieplnego, jest pow szechnie sto so w a n a w an alizie ro z w ią z y w a n ia za d a ń term iczn y ch .
L iteratura
1. K w aśniow ski S., S ro k a Z ., Z ab ło ck i W .: M o d e lo w a n ie o b ciąż eń c iep ln y ch w elem en tach silników sp alin o w y ch . O ficy n a W y d a w n ic z a P o litech n ik i W ro cław sk iej, W ro c ła w 1999.
2. W iśniew ski S.: W y m ia n a ciepła. P a ń stw o w e W y d aw n ictw o N au k o w e, W a rsz a w a 1988.
3. R usiński E .: M e to d a e le m e n tó w skończonych. S y stem C o sm o s/M . W y d aw n ictw o K om unikacji i Ł ą c z n o śc i, W a rsz a w a 1994.
R ecen zen t: P rof. d r hab. inż. Jerzy Jask ó lsk i
A b stract
An e stim a te o f th e local h eat lo ad can on ly be p ro d u ced by a n a ly z in g th e th e rm a l fields o f en g in e c o m p o n e n ts situ a te d aro u n d the c o m b u stio n ch am b er. O nce w e h ave identified th e th erm al field , w e can estab lish m ax im u m te m p e ra tu re s and te m p e ra tu re gradients th a t d eterm in e th e rm a l stress and d efo rm atio n . T he finite c o m p o n e n ts m eth o d w h ich was used in so lv in g th e th e rm a l e q u atio n in th is p ap er is co m m o n ly ap p lied in an aly z in g thermal problem s.
