Termo-mechaniczna analiza naprężeń i odkształceń zespołu cylindra silnika spalinowego jako próba wyjaśnienia niekontrolowanego zapłonu mieszanki paliwowo-powietrznej

• Autorzy: Michalski J. , Woś P.

Identyfikatory

DOI

10.24136/atest.2018.143

Warianty tytułu

EN

Thermo-mechanical analysis of stress and deformation of engine cylinder block assembly as the attempt to explain an uncontrolled ignition of air-fuel mixture

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

W pracy przeprowadzono analizę możliwej przyczyny występowania samoczynnego zapłonu mieszanki paliwowo-powietrznej lotniczego silnika spalinowego obciążonego mocą maksymalną podczas badań na hamowni silnikowej. Takie objawy niepoprawnej pracy silnika mogą występować także w locie samolotu i śmigłowca. W celu wyjaśnienia przyczyny niepoprawnej pracy silnika zastosowano nieliniową analizę metodą elementów skończonych. Określono dyskretny model uproszczonego układu zespołu cylindra silnika obejmujący kadłub i tuleję cylindrową. W analizie numerycznej uwzględniono zarówno siłę mechaniczną, wynikającą z obciążenia zaciskiem tulei cylindrowej w kadłubie jak i obciążenie ciśnieniem czynnika roboczego oraz obciążenie nierównomiernym polem temperatury. Przemieszczenia i naprężenia w tulei i kadłubie obliczono metodą elementów skończonych za pomocą systemu PATRAN oraz systemem ABAQUS. Wynikło to z konieczności uwzględnienia silnej anizotropii właściwości tulei cylindrowej z żeliwa szarego podczas rozciągania i ściskania. Geometrię części modelowano elementami płaskimi o topologii czterowęzłowej z elementami kontaktowymi dwuwymiarowymi sprzęgającymi. Analitycznie wyznaczono także naprężenia zginające w zespole cylindra wywołane obciążeniem bocznym tłoka silnika poprzez uwzględnienie ciśnienia czynnika roboczego, sił masowych i siły tarcia. Obciążenie ciśnieniem i temperaturą zespołu cylindra określono w wyniku badań stanowiskowych silnika. Charakterystyki materiałowe żeliwa szarego i żaroodpornego stopu aluminium wyznaczono doświadczalnie. Wyniki nieliniowej analizy statycznej naprężeń i odkształceń dla połączenia tuleja cylindrowa-kadłub wykazały, że w obszarze zwrotu zewnętrznego pierścieni tłokowych wystąpiły wysokie naprężenia i odkształcenie plastyczne tulei cylindrowej, wywołujące brak styku połączenia tych elementów. Zakłóca to przepływ ciepła z tulei cylindrowej do kadłuba i stwarza możliwość niekontrolowanego zapłonu mieszanki paliwowo-powietrznej. W silniku istnieje konieczność stosowania zacisku średnicowego tulei w cylindrze w granicach 0.21÷0.42 mm, co wynika z rozszerzalności cieplnej elementów w warunkach jego pracy z maksymalną prędkością obrotową i obciążenia maksymalną mocą. Połączenie skurczowo-rozprężne tulei z cylindrem dla największego zacisku powoduje odkształcenie plastyczne żeliwa szarego tulei cylindrowej. Wymagana jest zmiana gatunku lub rodzaju żeliwa o wytrzymałości doraźnej powyżej 400 MPa.

EN

The paper analyzes the possible cause of self-ignition of air-fuel mixture in spark-ignition internal combustion engine loaded with maximum power during tests on the engine dynamometer stand. It leads to incorrect engine operation and may also occur during the flight of an aircraft or helicopter. In order to explain the cause of incorrect engine operation, a non-linear analysis using the finite element method was applied. A discreet model of a simplified engine cylinder assembly system comprising a cylinder body and the liner was determined. The numerical analysis includes both the mechanical force resulting from loading the cylinder liner clamp in the body as well as the pressure of the working medium pressure and the load on the non-uniform temperature field taken from engine test-bed measurements. The results of nonlinear static analysis of stresses and strains for the cylinder body-liner connection have shown that in the area of TDC where outer piston ring turns back, high stresses and plastic deformation of the cylinder liner occurr, causing a lack of contact between these elements. This disrupts the heat transfer from the cylinder liner to the cylinder body and creates the possibility of uncontrolled ignition of the fuel-air mixture.

Słowa kluczowe

PL

połączenie skurczowo-rozprężne; zespół cylindra silnika; stan wytężenia tulei; stan wytężenia kadłuba cylindra; silnik lotniczy; zapłon samoczynny; szczelina; pełzanie materiału; model analityczny naprężeń

EN

compression-expansion joint; engine cylinder device; cylinder stress pattern; aircraft engine; compression ignition; gap; creep; analytical stress model

• Wydawca: Instytut Naukowo-Wydawniczy "SPATIUM". sp. z o.o.
• Czasopismo: Autobusy : technika, eksploatacja, systemy transportowe
• Rocznik: 2018
• Tom: R. 19, nr 6
• Strony: 609--618, CD
• Opis fizyczny: Bibliogr. 38 poz., il., tab., wykr.

Twórcy

autor

Michalski J.

• Politechnika Rzeszowska, Wydział Budowy Maszyn i Lotnictwa, Katedra Silników Spalinowych i Transportu

autor

Woś P.

• Politechnika Rzeszowska, Wydział Budowy Maszyn i Lotnictwa, Katedra Silników Spalinowych i Transportu

Bibliografia

• 1. Heywood J. B., Internal Combustion Engine Fundamentals, McGraw - Hill Book Company, New York 1988.
• 2. Kwaśniowski S., Sroka Z. J., Zabłocki W., Modeling of thermal loads in elements of internal combustion engines, Wroclaw University of Technology Publishing House, Wrocław 1999 (in Polish).
• 3. Kowalewicz A., Creation mixture and combustion in spark-ignition engines, WKiŁ, Warszawa 1984 (in Polish).
• 4. Lee Y., Pae S., Min K., Kim E., Prediction of knock onset and the auto-ignition site in spark-ignition engines, Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part D: Journal of Automobile Engineering, 2000, vol. 214, No. 7, pp. 751-763.
• 5. Heyes M., Automotive component failures, Engineering Failure Analysis, 1998, vol. 5, pp. 129-141.
• 6. Zhukovskiy V., Gokhman A., Relation between a linear thermal expansion coefficient and residual stresses, Technical Physics, 2009, vol. 54, No. 4, pp. 535-541.
• 7. Iskra A., Dynamics of piston mechanisms of internal combustion engines, Publisher of Poznan University of Technology, Poznań 1995 (in Polish).
• 8. Wajand J. A., Wajand J. T., Internal combustion engines medium and high speed pistons, WNT, Warszawa 2005 (in Polish).
• 9. Hillier V. A. W., Coombes P., Hillier's Fundamentals of Motor Vehicle Technology, Nelson Thornes Ltd., United Kingdom 2004.
• 10. Emery P., Maroteaux F., Sorine M., Modeling of combustion in gasoline direct injection engines for the optimization of engine management system through reduction of three-dimensional models to (n X one-dimensional) models, Journal of Fluids Engineering, Transactions of the ASME, 2003, vol. 125, No. 3, pp. 520-532.
• 11. Sethian J. A., Level set methods and fast marching methods, Cambridge University Press, Cambridge 1999, UK.
• 12. Zhang F., Yao M-F., Three-dimensional direct numerical simulation of partially premixed combustion in engine-related conditions, Acta Physico-Chimica Sinica, 2016, vol. 32, No. 8, pp. 1941-1949.
• 13. Cygnar M., Budzik G., Grzelka M., Marciniak-Podsadna L., Sendyka B., Samardžić I., Modelling of the injection and combustion processes in the gasoline direct injection engine, Tehnicki Vjesnik, Tech. Gaz., 2014, vol. 21, No. 4, pp. 867-872.
• 14. Jachimowicz J., Wawrzyniak A., Application of MES to the contact of machine elements, Works of the Institute of Fundamentals of Machine Design at Warsaw University of Technology, Warszawa 1999, vol. 19, pp. 69-108 (in Polish).
• 15. Kleiber M., Introduction to the finite element method, State Scientific Publisher, Warszawa – Poznań 1989 (in Polish).
• 16. Zienkiewicz O. C., Taylor R. L., Zhu J. Z., The finite element method: Its basis and fundamentals (Sixth edition), Elsevier Butterworth-Heinemann, 2005.
• 17. Cisek Z., Kunysz J., Lejda K., Michalski J., Pawlus P., Śmieszek M., Ustrzycki A., Zając P., Development of cylinder manufacturing technology ensuring optimal performance of the piston engine, Targeted project Nr 7 T07D 009 95C/2731 contractor at Wytwórnia Sprzętu Komunikacyjnego "PZL-Rzeszów" joint-stock company. Report on scientific and research work, Rzeszów University of Technology, Rzeszów 1996÷1998 (in Polish).
• 18. Koliński K., Orkisz M., Prociak R., Charge exchange in four-stroke reciprocating engines, WKiŁ, Warszawa 1991 (in Polish).
• 19. Rychter T., Teodorczyk A., Mathematical modeling of the working piston engine cycle, State Scientific Publisher, Warszawa 1990 (in Polish).
• 20. Sobieszczański M., Modeling of power processes in internal combustion engines, WKiŁ, Warszawa 2000 (in Polish).
• 21. Woś P., Michalski J., Effect of initial cylinder liner honing surface roughness on aircraft piston engine performances, Tribology Letters, 2011, vol. 41, No. 3, pp. 555-567.
• 22. Michalski J., Woś P., The effect of cylinder liner surface topography on abrasive wear of piston-cylinder assembly in combustion engine, Wear, 2011, vol. 271, No. 3-4, pp. 582-589.
• 23. Juszkiewicz G., Nowak T., Comparative study on thin and thick walled cylinder models subjected to thermo-mechanical loading, Composite Structures, 2015, vol. 134, pp. 142-146.
• 24. Covarrubias A., de Jesus P. M., Almanza E., Thermal fatigue behavior of cast irons used in the automotive industry, International Journal of Metalcasting, 2018, vol. 12, No. 1, pp. 182-185.
• 25. Lombardi A., Sediako D., Machin A., Ravindran C., MacKay R., Effect of solution heat treatment on residual stress in Al alloy engine blocks using neutron diffraction, Materials Science and Engineering, A - Structural Materials Properties Microstructure, 2017, vol. 697, pp. 238-247.
• 26. Ganguly A., Agarwal V. K., Santra T., Prediction and reduction of cylinder liner bore deformation for a two wheeler single cylinder gasoline engine, SAE International Journal of Engines, 2015, vol. 8, No. 4, pp. 1913-1923.
• 27. Wiśniewski S., Wiśniewski T. S., Heat transfer, WNT, Warszawa 1997 (in Polish).
• 28. Abu-Nada E., Al-Hint I., Al-Sarkhi A., Akash B., Thermodynamic modeling of spark-ignition engine: Effect of temperature dependent specific heats, International Communications in Heat and Mass Transfer, 2006, vol. 33, pp. 1264-1272.
• 29. Postrzednik S., Żmudka Z., Thermodynamic and ecological conditions for the operation of reciprocating internal combustion engines, Publisher of the Silesian University of Technology, Gliwice 2007 (in Polish).
• 30. Getsov L. B., Semenov A. S., Ignatovich I. A., Thermal fatigue analysis of turbine discs on the base of deformation criterion, International Journal of Fatigue, 2017, vol. 97, pp. 88-97.
• 31. Huang Z., Wang C., Chen J., Tiana H., Optimal design of aeroengine turbine disc based on kriging surrogate models, Computers & Structures, 2011, vol. 89, No. 1-2, pp. 27-37.
• 32. Ambrozik A., Selected problems of thermal processes in piston combustion engines, Publisher Kielce University of Technology, Kielce 2003 (in Polish).
• 33. Hlavňa V., Sojčák D., Heat transfer through the cylinder wall considering radiation, Combustion Engines, 2007-SC2-035 (P07-C035), PTNSS, Bielsko-Biała 2007, pp. 389-392.
• 34. Kneba Z., A comprehensive model of a new generation of engine cooling system, Combustion Engines, 2007-SC1-121 (P07-C121), PTNSS, Bielsko-Biała 2007, pp. 160-169 (in Polish).
• 35. P3/ADVANCED FEA, Application module. User manual, Publication No 90301, Release 1.2, December 1993.
• 36. ABAQUS Version 6.3 User's manual, Hibbitt, Karlsson and Sorensen, Inc., USA 2000.
• 37. Lekhnitskii S. G., Theory of elasticity of an anisotropic body, Nauka Publishers, Moscow 1977 (in Russian).
• 38. Podrzucki Cz., Cast iron, structure, properties, application, vol. 2, Publishing house ZG STOP, Kraków 1991 (in Polish).

Uwagi

Opracowanie rekordu w ramach umowy 509/P-DUN/2018 ze środków MNiSW przeznaczonych na działalność upowszechniającą naukę (2018)