Analysis of failure causes of 4C90 diesel engine head

• Autorzy: Gardyński L. , Dębski H. , Hejwowski T. , Weroński A. , Nastaj T.

Warianty tytułu

EN

Analiza przyczyn uszkodzeń głowic silników diesla 4C90

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Warunki pracy głowic silników można określić jako ciężkie ze względu na występujące obciążenia mechaniczne i cieplne. Istotnym czynnikiem jest również nierównomierność nagrzewania się głowic silników. Głowice silników ze względu na swój skomplikowany kształt są wykonywane w technologii odlewniczej a najczęściej stosowanymi stopami są żeliwa stopowe i siluminy. Konstrukcja głowicy zależy od przyjętego systemu spalania, usytuowania zaworów i wałka rozrządu oraz liczby zaworów przypadających na cylinder. Powierzchnia głowicy pomiędzy gniazdami zaworów należy do najbardziej obciążonych cieplnie miejsc głowicy. W pracy przedstawiono przyczyny uszkodzeń głowic silnika 4C90. Podano rezultaty badań metalograficznych. Lokalizacja pęknięć była związana z rozkładami temperatur i naprężeń. Obliczenia numeryczne rozkładów temperatur i naprężeń były wykonane za pomocą programu MES Abaqus Standard. Pęknięcia pojawiały się w miejscach występowania najwyższych temperatur i naprężeń. Zwykle powstaje kilka pęknięć, z których jedno formuje złom. Obliczenia numeryczne MES określają rejon mostka międzyzaworowego jako miejsce najbardziej narażone na uszkodzenie, w którym występuje największe naprężenie, około 250 MPa. Miejscem podatnym na pękanie jest również mostek pomiędzy zaworem wylotowym i wkładką żarową. Ze względu na występujące wartości naprężeń, można scharakteryzować mechanizm uszkadzania powierzchni ogniowej głowicy jako zmęczenie niskocyklowe. Obliczone wartości temperatury i naprężeń są w dobrej zgodności z opublikowanymi pracami. Wyniki badań eksperymentalnych potwierdzają rezultaty obliczeń numerycznych.

EN

The work conditions of IC engines heads can be defined as heavy, considering the occurring mechanical and thermal loads. The essential factor is also inequality of warming of the engine heads. Considering their complicated shape, the heads of engines are manufactured in the casting process, and material most often applied is alloy iron or silicon aluminum alloy. The construction of head will depend of the assumed combustion system, valve and camshaft placement and the number of valves in the single cylinder. The head surface between the valve inserts is the most heavily thermally loaded head place. The paper reviews causes of failure to naturally aspirated 4C90 diesel engine heads. Results of metallographic examinations of scrapped engine heads are given. Locations of cracks were connected with stress and temperature distributions. Numerical analysis of temperatures and stresses developed in the engine head was performed by means of Abaqus Standard finite element program. Cracks origins appeared in regions of high temperature and stress levels. Usually a few cracks originated and one of them developed, forming fracture. Finite element method numerical calculations define inter-valve bridge region as the place most susceptible to the damage, in which the largest stresses, valued about 250 MPa are appearing. The place also susceptible on cracking is the bridge between exhaust valve and glow insert. Considering the values of stresses occurring, it is possible as to characterize the mechanism of the igneous head surface damage as a low cycle wear. The computed values of the temperature and the stresses are in the good conformability with values published in the literature. The results of experimental investigations confirm the results of numerical calculations.

Słowa kluczowe

PL

silnik ZS; MES (metoda elementów skończonych); głowica silnika; zmęczenie niskocyklowe; zmęczenie cieplne

EN

diesel engine; MES; cylinder head; low-cycle fatigue; thermal fatigue

• Wydawca: Łukasiewicz Research Network - Institute of Aviation ; European Science Society of Powertrain and Transport KONES Poland ; Wydawnictwo Instytutu Technicznego Wojsk Lotniczych
• Czasopismo: Journal of KONES
• Rocznik: 2008
• Tom: Vol. 15, No. 3
• Strony: 179--185
• Opis fizyczny: Bibliogr. 11 poz., rys.

Twórcy

autor

Gardyński L.

autor

Dębski H.

autor

Hejwowski T.

autor

Weroński A.

autor

Nastaj T.

• Lublin University of Technology, Department of Materials Engineering ul. Nadbystrzycka 36, 20-618 Lublin, Poland tel.: [phone], fax:[phone],

Bibliografia

• [1] Chyuan, S.-W., Finite element simulation of a twin-cam 16-valve cylinder structure. Finite Element in Analysis and Design, Vol. 35, s. 199-212, 2000.
• [2] Gilbert, I. P., Heath, A. R., Johnstone, I. D., Multi-valve high-speed direct injection diesel engines-the design challenge, Proc. Instn. Mech. Engrs, Vol. 207, s. 307-315,1993.
• [3] Hejwowski, T., Dbski, H., Gardyski, L., Nastaj, T., Analysis of failures to inlet and exhaust valves of 4C90 diesel engine, Kones 2008.
• [4] Heyes, A. M., Automotive component failures. Engineering Failure Analysis, Vol. 5, No. 2, s. 129-141, 1998.
• [5] Kwaśniowski, S., Sroka, Z. J., Zabłocki, W., Modelowanie obciążeń cieplnych w elementach silników spalinowych, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 1999.
• [6] Lee, S. K., Assanis, D. N., Lee, J., Chun , M., Measurements and predictions of steady-state and transient stress distributions in diesel engine cylinder head, SAE Technical Paper Series 1999-01-0973.
• [7] Meyer, T. R., White, R. A., The effects of cylinder head deformation and assymetry on exhaust valve thermo-mechanical stresses, SAE Technical Paper Series 981034.
• [8] Oanta, E., Taraza, D., Experimental investigation of the strains and stresses in the cylinder block of a marine diesel engine, SAE Technical Paper Series 2001-01-0520.
• [9] Shayler, P. J., Chick, J. P., Hayden, D. J., Yuen, H. C. R., Ma, T., Progress on modelling engine thermal behaviuor for VTMS applications, SAE Paper 971852.
• [10] Wajand, J .A., Wajand, J. T., Tłokowe silniki spalinowe średnio - i szybkoobrotowe, WNT, Warszawa 1997.
• [11] Weroski, A., Hejwowski, T., Thermal fatigue of metals. Marcel Dekker, Inc. New York 1992.