Effect of thermal barrier coating on temperature and stress distribution in diesel engine

• Autorzy: Hejwowski T. , Dębski H.

Warianty tytułu

PL

Wpływ bariery cieplnej na rozkład temperatur i naprężeń w silniku ZS

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The paper presents results of FEM investigations into the effect of thermal barrier coating (TBC) on stress and temperature distributions in the components of naturally aspirated diesel engine. Calculations were performed by means of Abaqus ver. 6.8-3 computer program. The considered coating was plasma sprayed double-layered TBC consisting 0.15 mm thick NiCrAl bond layer and 0.3 mm ZrO2-8%Y2O3 top coat. TBC reduced the maximum temperature of the cylinder head by 15K compared to uncoated metal head, increased temperature of the outlet channel by 10 K and reduced maximum temperatures in inlet and outlet valves by 2 and 1.2 K, respectively. Although maximum temperature of the pis ton head remained the same after deposition of the coating but the range of temperatures at the piston head was reduced by 23.8%. Application o f TBC considerably reduced stresses in acritical region of outlet valve- the interface of stellite hardfacing /valve. The highest thermal stresses in the TBC were in the bondcoat, which confirms the common localization of damages. Stress concentrations were also found in the metal part at the edges of TBC and at the edges of the recess machined in the piston head. The reduction of metal temperatures and thermal gradients in protected components should have some positive effect on the components' durability.

PL

W pracy przedstawiono rezultaty badań numerycznych wpływu powłoki typu bariery cieplnej (TBC) na rozkład temperatur i naprężeń w elementach wolnossącego silnika ZS. Obliczenia numeryczne zostały wykonane przy pomocy programu Abaqus wer. 6.8-3. Rozważano natryskaną plazmowo powlokę dwuwarstwową składającą się z warstwy podkładowej o gr. 0,15 mm i warstwy ceramicznej ZrO2-8%Y2O3 o grubości 0,3 mm. TBC obniżyła maksymalną temperaturę głowicy silnika o 15 K w porównaniu do głowicy nie pokrytej powłoką oraz obniżyła maksymalne temperatury zaworów wylotowego i dolotowego o 2 K i 1,2 K, odpowiednio. Wprawdzie maksymalna temperatura tłoka pozostała stała ale obniżył się o 23,8% zakres temperatur na powierzchni tłoka. Zastosowanie powłoki znacznie obniżyło wartość naprężeń w krytycznym miejscu zaworu wylotowego- granicy podłoża i warstwy napawanej stellitem Najwyższa wartość naprężeń TBC występowała w warstwie podkładowej co potwierdziło częstą lokalizację pęknięć. Znaleziono również koncentracje naprężeń na krawędzi TBC i krawędzi wybrania w denku tłoka. Obniżenie temperatur metalu i gradientów temperatur w pokrytych elementach powinno wydłużyć trwałość elementów.

Słowa kluczowe

EN

diesel engine; thermal barrier coating; FEM; thermal stress; temperature distribution

PL

silnik ZS; MES (metoda elementów skończonych); bariera cieplna; naprężenie cieplne; rozkład temperatur

• 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: 2009
• Tom: Vol. 16, No. 4
• Strony: 147--154
• Opis fizyczny: Bibliogr. 18 poz., rys.

Twórcy

autor

Hejwowski T.

autor

Dębski H.

• Department of Materials Engineering, Lublin University of Technology Nadystrzycka Street 36, 20-618 Lublin, Poland State Higher School of Vocational Education Akademicka Street 8, 22-400 Zamość, Poland,

Bibliografia

• [1] Charakterystyki Stali, Wyd. Śląsk, Katowice 1980.
• [2] Buyukkaya, E., Thermal analysis of functionally graded coating AlSi alloy and steel pistons, Surface and Coatings Technology, Vol. 202, pp. 3856-3865, 2008.
• [3] Groth, K., Thiemann, W., Beitrag zur Brennraumisolierung bei Viertaktdieselmotoren-Teil 1, MTZ, Vol. 44, Nr. 5, pp. 189-197, 1983.
• [4] Groth, K., Thiemann, W., Beitrag zur Brennraumisolierung bei Viertaktdieselmotoren-Teil 2, MTZ, Vol. 44, No. 7/8, pp. 287-289, 1983.
• [5] Hejwowski, T., Dębski, H., Gardyński, L., Nastaj, T., Analysis of failures to inlet and exhaust valves of 4C90 engine, Journal of Kones, pp. 171-178.
• [6] Hejwowski, T., Studium procesów zużywania erozyjnego, ściernego i zmęczenia cieplnego elementów maszyn oraz kształtowanie struktur o korzystnych właściwościach eksploatacyjnych, Wydawnictwa Uczelniane Politechniki Lubelskiej, Lublin 2003.
• [7] Heyes, A. M., Automotive component failures, Engineering Failure Analysis, Vol. 5, No. 2, pp. 129-141, 1998.
• [8] Koszałka, G., Modelling the blowby in internal combustion engine, Part I: A Mathematical model, The Archive of Mechanical Engineering, No. 2, pp. 245-257, 2004.
• [9] Koszałka, G., Modelling the blowby in internal combustion engine. Part II Primary calculations and verification of the model, The Archive of Mechanical Engineering, No. 4, pp. 595-606, 2004.
• [10] Kozaczewski, W., Konstrukcja złożeń tłok-cylinder silników spalinowych, Wydawnictwa Komunikacji i Łączności, Warszawa 1987.
• [11] Kwaśniowski, S., Sroka, Z. J., Zabłocki, W., Modelowanie obciążeń cieplnych w elementach silników spalinowych, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 1999.
• [12] 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 Technical Paper Series 1999-01-0973.
• [13] Podrzucki, C., żeliwo. Struktura właściwości i zastosowanie, Wyd. ZG STOP, Kraków 1991.
• [14] Shalev, M., Zvirin, Y., Stotter, A., Experimental and analytical investigations of the heat transfer and thermal stresses in a cylinder head of a diesel engine, In. J. Mech. Sci., Vol. 25, pp. 471-483, 1983.
• [15] Wajand, J. A., Wajand, J. T., Tłokowe silniki spalinowe średnio- i szybkoobrotowe, WNT, Warszawa 1997.
• [16] Weroński, A., Hejwowski, T., Thermal fatigue of metals, Marcel Dekker, Inc. New York 1992.
• [17]Wilczkowski, A., Awarie silników spalinowych. Uszkodzenia w układach korbowych, MiW, Łódź 1996.
• [18] Zapf, H., Einfluss der Kuehlmittel- und Zylinderraumoberflachentemperatur auf die Leistung und den Wirkungsgrad von Dieselmotoren, MTZ, Vol. 31, No. 12, pp. 499-505, 1970.