Analiza numeryczna przyczyn uszkodzeń głowicy i zaworów silnika o zapłonie samoczynnym

• Autorzy: Hejwowski T. , Dębski H. , Koszałka G.

Warianty tytułu

EN

Numerical analysis of failure to diesel engine head and valves

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

W pracy przedstawiono wyniki obliczeń numerycznych wykonanych metodą elementów skończonych rozkładów naprężeń, temperatury i przemieszczeń. Rozpatrywanym silnikiem był wolnossący silnik o zapłonie samoczynnym typu 4C90. Obliczenia wykonano przy pomocy programu ABAQUS/Standard. Rozważanymi elementami silnika były zawory dolotowy i wylotowy oraz głowica. Wyniki analiz numerycznych identyfikują mechanizm uszkodzenia głowic jako zmęczenie niskocyklowe spowodowane cyklicznym włączaniem i wyłączaniem silnika i poprawnie określają lokalizację pęknięć. Rezultaty obliczeń udowodniły, że występuje znaczny poślizg na powierzchni kontaktu grzybka i gniazda, co jest spowodowane wzajemnym przemieszczeniem gniazd i zaworów i jest przyczyną zużywania adhezyjnego. Wysoka temperatura powierzchni przylgni zaworu wylotowego powoduje intensywną korozję. Przeprowadzone obliczenia numeryczne umożliwiają szczegółową analizę przyczyn uszkodzeń silnika ZS.

EN

In the paper, the results of FEM calculations of stress, temperature and displacement distributions are presented. The considered engine was naturally aspirated diesel engine of 4C90 type. The numerical calculations were performed by means of ABAQUS/Standard software. The considered elements of the engine were cylinder head, inlet and exhaust valves. The results of numerical analysis identify mechanism of failure of cylinder head as low cycle fatigue caused by cyclic switching on and off the engine and provide precisely locations of cracks. Results of calculations proved that there is the considerable slip at the surface of contact of valve with valve insert, which is caused by the relative displacement of valves and inserts. It is the cause of adhesive wear. High temperature of exhaust valve surface accelerates corrosion. The carried out numerical calculations enable to analyze in detail failure causes of diesel engine.

Słowa kluczowe

PL

silnik o zapłonie samoczynnym; metoda elementów skończonych; zawór wylotowy; zawór dolotowy; mechanizmy zużywania

EN

diesel engine; finite element method; inlet valve; exhaust valve; wear mechanisms

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Naukowe Silników Spalinowych
• Czasopismo: Silniki Spalinowe
• Rocznik: 2011
• Tom: R. 50, nr 3
• Opis fizyczny: Pełny tekst na DVD, Bibliogr. 25 poz.

Twórcy

autor

Hejwowski T.

autor

Dębski H.

autor

Koszałka G.

• Wydział Mechaniczny Politechniki Lubelskiej

Bibliografia

• [1] Attard W., Watson H.C., Stryker P.: Design and development of a gasketless cylinder head/block interface for an open deck, multi cylinder, highly turbocharged small engine. SAE Paper 2006-32-0036, 2006.
• [2[ Bayrakceken H., Ucun I., Tasgetiren S.: Fracture analysis of a camshaft made from nodular cast iron. Engineering Failure Analysis vol. 13, pp. 1240-1245, 2006.
• [3] Branco C.M., Infante V., Sousa e Brito A., Martins R.F.: A failure analysis study of wet liners in maritime diesel engines. Engineering Failure Analysis vol. 9, pp. 403-421, 2002.
• [4] Charakterystyki stali. Katowice: Wydawnictwo Śląsk, 1980.
• [5] Chin-Sung C., Ho-Kyung K:. Safety evaluation of the rocker arm of a diesel engine. Materials and Design vol. 31, pp. 940-945, 2010.
• [6] Chyuan S.-W.: Finite element simulation of a twin-cam 16-valve cylinder structure. Finite Elements in Analysis and Design vol. 35, pp. 199-212, 2000.
• [7] 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, pp. 307-315, 1993.
• [8] Gocmez T., Awarke A., Pischinger S.: A new low cycle fatigue criterion for isothermal and out-of-phase thermomechanical loading. International Journal of Fatigue vol. 32, pp. 768-779, 2010.
• [9] Hejwowski T.: Resistance of coatings to elevated temperature erosion. Frontier of Applied Plasma Technology vol. 3, pp. 107-112, 2010.
• [10] Hejwowski T.: Comparative study of thermal barrier coatings for internal combustion engine. Vacuum vol. 85, pp. 610-616, 2010.
• [11] Heynes A.M.: Automotive component failures Engineering Failure Analysis vol. 5, pp. 129-141, 1998.
• [12] Jimenéz Espadafior F., Becerra Villanueva J., Torres Garcia M., Carvajal Trujillo E.: Analysis of a diesel generator cylinder failure. Engineering Fracture Analysis vol. 17 pp. 913-925, 2010.
• [13] Koszałka G.: Modelling the blowby in internal combustion engine. Part I: A Mathematical model. The Archive of Mechanical Engineering vol. LI, No. 2, pp. 245-257, 2004.
• [14] Koszałka G.: Modelling the blowby in internal combustion engine. Part II Primary calculations and verification of the model, The Archive of Mechanical Engineering vol. LI, No. 4, pp. 595-607, 2004.
• [15] Kwaśniowski S., Sroka Z.J., Zabłocki W.: Modelowanie obciążeń cieplnych w elementach silników spalinowych. Wrocław, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, 1999.
• [16] Larson J.M., Jenkins L.F., Narashimhan S.L., Belmore, J.E.: Engine valves-design and material evolution. J. Engn. Gas Turbines and Power vol. 109, pp. 355-361, 1987.
• [17] Lee K.S., Assanis D.N., Lee J., Chun K.M.: Measurements and predictions of steady-state and transient stress distributions in a diesel engine cylinder head. SAE Paper 1999-01-0973, 1991.
• [18] Podrzucki C. Żeliwo. Struktura właściwości i zastosowanie. Kraków, Wyd. ZG STOP, 1991.
• [19] Rakopoulos C.D., Rakopoulos D.C., Mavropoulos G.C., Giakoumis E.G.: Experimental and theoretical study of short term response temperature transients in the cylinder walls of a diesel engine at various operating conditions. Applied Thermal Engineering vol. 24, pp. 679-702, 2004.
• [20] Scott C.G., Riga A.T., Hong H.: The erosion corrosion of nickel-base diesel engine exhaust valves. Wear vol. 181-183, pp. 485-494, 1995.
• [21] Seifert T., Maier G., Uihlein A., Lang K.-H., Riedel H.: Mechanism-based thermomechanical fatigue life prediction of cast iron. Part II: Comparison of model predictions with experiments. International Journal of Fatigue vol. 32, pp. 1388-1377, 2010.
• [22] Shalev M., Zvirin Y., Stotter A.: Experimental and analytical investigation of the heat transfer and thermal stresses in a cylinder head of a diesel engine. Int. J. Mech. Sci. vol. 25, pp. 471-483, 1983.
• [23] Wajand J.A., Wajand J.T.: Tłokowe silniki spalinowe średnio- i szybkoobrotowe. Warszawa, WNT, 1997.
• [24] Weroński A., Hejwowski T.: Thermal fatigue of metals. New York, Marcel Dekker, Inc., 1992.
• [25] Wu Z.W., Xu X.L.: Failure analysis and metallurgical investigation of diesel engine exhaust valves. Engineering Failure Analysis vol. 13, pp. 673-682, 2006.