Wyniki wyszukiwania - BazTech

1

Researches on friction force between valve made of tial and its guide made of phosphorous bronze

Siczek K.

Journal of KONES

|

2013

|

Vol. 20, No. 1

295--301

EN

A lightweight valve can be one made of steel but with a drilled stem. Another one can be made of TiAl alloys and its stem can be full or drilled. Lightweight valve can be also ceramic one made of Si3N4. Such valves can mate with guides made of cast iron or of phosphorous bronze in varying conditions in their common contact zone. The aim of researches has been to measure friction force in contact zone between valve stem made of TiAl alloy and its guide made of phosphorous bronze, in the absence of oil. The conditions of room temperature and of the atmosphere pressure have been used during experiment. Mentioned researches have been provided in tester, which design has been presented in the article. The loading of contact zone has varied periodically during serie. The displacement and acceleration of valve and the force during its impact into seat insert have been measured during tests. Additionally the sound level has been measured, either. Tests have been provided for different frequency of driving force. Obtained results of researches has been shown in the article. In all cases the measured sound level have been equal 94 dBA, when sound level of laboratory environment has been equal 40 dBA. Values for coefficient of friction between valve stem and its guide can change from 0.12 to 0.16 and decrease almost linearly with increasing of loading frequency. Values of dry friction coefficient between valve stem made of TiAl alloy and coated by chrome and its guide made of phosphorous bronze can be smaller up to 17% than values obtained in case of valve stem coated by nc-WC/a-C:H mating with a guide made of cast iron.

2

The effect of the design and material parameters on the temperature gradient in lightweight valves in the valvetrains of combustion engines

Siczek K.

Combustion Engines

|

2013

|

R. 52, nr 2

94--100

EN

According to the current trend to reduce the valvetrain movable masses in combustion engines lightweight valves are used increasingly. They can be made of light alloys from the TiAl alloy group or of ceramic materials such as silicon nitride. They are often coated with additional protective layers to reduce the resistance of friction or the wear intensity. They may also be a hollow structure made of steel with internal reinforcing ribs. Compared to traditional full steel valves they are characterized by different temperature gradients when working in a valvetrain. As a result, their working change, particularly the intensity of the heat transfer and wear. The paper presents valve models developed with the FEM technique for several design and material configurations for lightweight intake and exhaust valves operating under conditions similar to those made of steel. Also the temperature gradients of the discussed valves have been included and compared to those of full steel valves.

PL

Zgodnie z obecną tendencją do zmniejszania mas ruchomych rozrządu w silnikach spalinowych stosowane są lekkie zawory. Mogą być one wykonane z lekkich stopów z grupy TiAl lub z materiałów ceramicznych jak azotek krzemu. Często są powlekane dodatkowymi warstwami ochronnymi dla zmniejszenia oporów tarcia lub intensywności zużycia. Mogą to być też zawory stalowe drążone, z ewentualnym zastosowaniem wewnętrznych żeber wzmacniających. W stosunku do klasycznych pełnych zaworów stalowych odznaczają sie one innym rozkładem temperatury podczas pracy w rozrządach. W efekcie zmieniają się ich warunki pracy, a zwłaszcza intensywność odbioru ciepła i zużywania. W artykule przedstawiono opracowane modele zaworu, wykonane przy użyciu MES, dla kilku konfiguracji konstrukcyjnych i materiałowych lekkich zaworów dolotowych i wylotowych, pracujących w zbliżonych warunkach jak pełne zawory stalowe. Zamieszczono też obliczone rozkłady temperatury i porównano je z przypadkiem pełnych zaworów stalowych.

3

Badania i modelowanie procesów tribologicznych zachodzących w układzie gniazdo – lekki zawór – prowadnica w rozrządach tłokowych silników spalinowych

Siczek K.

Zeszyty Naukowe. Rozprawy Naukowe / Politechnika Łódzka

|

2012

|

Z. 439

1--224

PL

W pracy zaproponowano rozwiązanie problemów tribologicznych w układach z lekkimi zaworami w krzywkowych i bezkrzywkowych rozrządach tłokowych silników spalinowych. Pierwszym problemem jest zużycie przylgni zaworu i gniazda. Drugim są opory ruchu i zużycie trzonka i prowadnicy zaworu. Rozwiązanie tych dwóch problemów osiągnięto poprzez rozpoznanie procesów i zjawisk tribologicznych we wspomnianych węzłach ciernych lekkich zaworów wykonanych ze stopów tytanu i z ceramiki, napędzanych krzywkowo i bez-krzywkowo. Przeprowadzono na drodze eksperymentalnej i teoretycznej analizę istotnych zjawisk zachodzących podczas procesu zużywania przylgni gniazda i lekkiego zaworu oraz procesu tarcia mieszanego i zużycia między trzonkiem lekkiego zaworu i jego prowadnicą, przy zmieniającym się udziale tarcia płynnego. W efekcie tej analizy zaproponowano charakterystykę oporów ruchu i zużywania w ramach jednego modelu, z uwzględnieniem zjawisk sprzężonych. Pozwala ona dobierać wolnozmienne parametry geometryczne i materiałowe oraz szybkozmienne wymuszenia w układzie prowadnica-lekki zawór-gniazdo, w sposób warunkujący racjonalny (z możliwością optymalizacji) przebieg pracy lekkiego zaworu podczas przebiegu międzynaprawczego silnika. Jako kryterium optymalizacji zaproponowano minimalizację sumy przepływów mediów między przylgniami zaworu i gniazda oraz w szczelinie między trzonkiem zaworu i prowadnicą, w obrębie ustalonego cyklu roboczego silnika. W pracy dokonano krytycznej oceny opisanych w literaturze modeli tarcia, na podstawie której wybrano dwa, uwzględniające obecność warstwy ochronnej na powierzchniach zaworu i/lub gniazd i prowadnic. Pierwszy model umożliwia wykonywanie symulacji oporów ruchu między trzonkiem zaworu i prowadnicą w warunkach zbliżonych do rzeczywistości, przy małej angażowanej mocy obliczeniowej. Drugi szybki, oparty na sieciach neuronowych, może być wykorzystywany w algorytmie sterowania napędu zaworu, głównie do kompensacji tarcia. Opracowano modułowy model zużywania zaworu, gniazda i prowadnicy uwzględniający istnienie warstwy ochronnej na powierzchniach zaworu i/lub gniazd i prowadnic. Umożliwia on wykonywanie symulacji procesu zużywania w warunkach zbliżonych do rzeczywistości, przy małej angażowanej mocy obliczeniowej. Opracowano sieci jednoznacznych powiązań między modelem oporów ruchu i modelem zużywania elementów układu gniazdo-zawór-prowadnica. Wyznaczono dopuszczalne prędkości osiadania zaworu w jego gnieździe ze względu na zużycie i hałaśliwość pracy. Dobrano racjonalne materiały trzonka i prowadnicy ze względu na ich zużycie przy założeniu ograniczonego smarowania. W pierwszej części pracy wskazano konsekwencje, jakie powstaną w różnych silnikach spalinowych w wyniku zastąpienia klasycznych, pełnych zaworów stalowych przez zawory z lekkich materiałów. W drugiej części pracy podano cel, zakres i tezę pracy. W kolejnej części omówiono układ prowadnica-zawór-gniazdo jako system tribologiczny. Potraktowano go jako obiekt analizy, omówiono elementy składowe, wymuszenia i zachodzące między nimi relacje. Podano zależności matematyczne opisujące te relacje. W kolejnej części pracy omówiono stosowane materiały, powierzchnie ochronne i parametry geometryczne lekkich zaworów oraz współpracujących z nimi prowadnic i gniazd. W następnej części pracy przeprowadzono dyskusję istniejących modeli tarcia, efektem której był wybór jednego z nich do symulacji oporów ruchu trzonka lekkiego zaworu względem prowadnicy, drugiego zaś do kompensacji tarcia w algorytmie sterowania bezkrzywkowego napędu zaworu. W modelach tarcia uwzględniono istnienie warstwy ochronnej na powierzchni zaworu, prowadnicy i gniazda. Podano przykładowe obliczenia oporów ruchu. Omówiono stosowane metody kompensacji tarcia w algorytmach sterowania urządzeń mechatronicznych, do których należy bezkrzywkowy napęd zaworu. Przedstawiono model fizyczny i matematyczny tarcia między trzonkiem lekkiego zaworu i prowadnicą. W kolejnej części pracy omówiono proces zużywania par ciernych systemu HSZG-TSZP ( grzybek zaworu-Smar-Zanieczyszczenie-Gniazdo-Trzonek zaworu-Smar-Zanieczyszczenie-Prowadnica). Omówiono rodzaje zużycia i parametry na nie wpływające. Przeprowadzono dyskusję istniejących modeli zużywania zaworu, prowadnicy i gniazda i w wyniku opracowano własne fizyczne i matematyczne modele zużywania elementów systemu HSZG-TSZP. Opracowano też model uwzględniający występowanie nagana i model poziomu ogólnego hałasu podczas uderzeń zaworu o gniazdo. W kolejnej części pracy omówiono przeprowadzone badania eksperymentalne. Przedstawiono opracowane stanowiska badawcze, obiekt, przebieg badań, uzyskane wyniki i analizę błędów pomiarów. W kolejnej części pracy przedstawiono model symulacyjny oporów ruchu i zużycia elementów systemu HSZG-TSZP. Zamieszczono przykładowe wyniki obliczeń symulacyjnych. W przedostatniej części pracy przedstawiono zależności matematyczne, uzależniające sumę przepływów mediów w szczelinie między trzonkiem zaworu i prowadnicą oraz między przylgniami gniazda i zaworu od zużycia elementów systemu HSZG-TSZP. W ostatniej części przedstawiono wnioski i zalecenia dotyczące przyszłych kierunków badań.

EN

The solution to tribological problems in systems with lightweight valves in cam and camless valvetrain in internal combustion engines has been proposed in the book. The first problem is the seat wear of valve and its seat insert. The second is friction and wear of valve stem and valve guide. The solution to these two problems is achieved by recognition of tribological processes and phenomena in the mentioned friction contact zones for these lightweight valves made from titanium alloys and ceramics, driven by cam and camless drive. It has been performed the experimental and theoretical analysis of the major phenomena that occur during the process of seat wear for lightweight valve and its seat insert and the process of mixed friction and wear between the lightweight valve stem and its guide, at the changing participation of lubricated friction. As a result of the analysis, it has been proposed the models of motion resistance and of wear. It allows to choose the slowly varying geometric and material parameters and rapidly changing force in the system guide - lightweight valve –seat insert, in a way allowing optimal operation of lightweight valve during the inter-repairing period of combustion engine. As the optimization criterion is proposed to minimize the sum of the media flow between the seats of valve and its seat insert and in the gap between the valve stem and its guide, within a fixed cycle engine. It has been done the critical evaluation of models described in the literature of friction. On that basis the models have been developed, taking into account the presence of a protective layer on the surface of the valve and/or its seat insert and guide. The first model is to perform simulations of motion resistance between the stem and the guide in conditions close to reality. The second one being fast, based on neural networks can be used in the control algorithm, valve drive, mostly to friction compensation. It has been developed the modular model for wear of valve, its guide and seat insert taking into account the existence of a protective layer on the surface of the valve and / or its seat insert and guides. It allows to perform simulation of wear process in conditions close to reality. It has been developed the network clearly linking between the wear model and the model of motion resistance for components of the seatvalve-guide assembly. It has been elaborated the acceptable settling velocity of the valve in respect to its seat insert due to the wear and noise emissions. Rational materials have been chosen for valve stem and its guide due to assumed limited use of the lubrication. Experimental studies have been performed. Elaborated research stands, object, research process, obtained results and analysis of measurement errors have been shown in the book. It has been elaborated the simulation model of motion resistance and of wear for the TSZP-HSZG (namely: Valve stem T – grease S – contamination Z – valve guide P – valve head H – grease S – contamination Z – seat insert G) system and of the media flow in the gap between the stem and the guide and between the seats of valve and its seat insert during wear process of TSZP-HSZG system.

4

The researches on the friction properties of nc-WC/a-C : H coating on the lightweight valve stem

Siczek K.

Journal of KONES

|

2012

|

Vol. 19, No. 2

493-500

EN

The lightweight valves, especially made of TiAl alloys, are more and more often used in modern combustion engines with cam and camless valvetrain. To increase the wear resistance and to decrease the coefficient of friction between valve steam and valve guide, different kinds of the coating are used. The researched valve has been outlet one made of TiAl6Zr4Sn2Mo2 alloy with the original chrome coating on the valve stem. The nc-WC/a-C:H nanocoating has been deposited on the chromed stem of researched valve, which has mated with the guide made of cast iron. The aim of the present paper is to investigate friction properties of such nc-WC/a-C:H deposited onto the chromed and polished surface of the valve stem. The scheme of research stand has been presented in the paper. On the stand it has been possible to measure values of valve lift and of valve acceleration, the impact force between valve and its seat insert, the friction force between valve stem and its guide, the temperature values for valve guide and for seat insert and a sound level during impacting. Researches have been performed in conditions of room temperature and without oil lubrication in the valve stem - guide contact zone. Basing on the measured values of friction force between valve stem and its guide vs. time and loading frequency, the coefficient of friction has been estimated. Obtained curves of friction force and of friction coefficient vs. time, for different frequency values of valve loading have been presented in the article.

5

The simulation researches on the wear for elements of the seat insert-valve-valve guide assembly

Siczek K., Kuchar M.

Journal of KONES

|

2010

|

Vol. 17, No. 4

431-438

EN

The researches have been carried out, where the object has been the elements of valve trains in the different combustion engines. Those elements have been valve, valve guide and seat insert. The analysed valves have been driven by special camshaft, with the cams of trapezoid shape. The special research stand has been elaborated and its scheme has been presented in the article. The mentioned research stand has been driven by electric motor. The rotational velocity of the camshaft has been controlled and measured. The aim of the researches has been to obtain values of wear for valve, seat insert, valve guide vs. valve lift, and rpm of camshaft. The dynamic parameters have been analyzed for the seat insert - valve - valve guide assembly, experimentally and by simulation either. During researches the values of valve lift, of valve acceleration, of temperature for seat insert and additionally sound level have been measured. The wear of valve, seat insert and valve guide has been measured, basing on their initial and post-research geometry. The results of experimental researches obtained for different materials for valve, valve guide and seat insert have been presented in the article. The simulation model of the analyzed seat insert - valve - valve guide assembly has been elaborated and presented in the article. Such model has been needed to calculate the values o f the settle velocityfor the analyzed valve. The wear of titanium valve has been a little greater than of the steel valve, the wear of cast iron seat insert mating with steel valve has been much greater than for titanium valve case. The wear of valve guides, made of bronze has been several times less than those of cast iron.

6

The researches on the tribological properties of elements of the seat insert-valve-valve guide assembly

Siczek K.

Journal of KONES

|

2010

|

Vol. 17, No. 4

423-430

EN

The researches have been carried out, where the object has been the elements of valve trains in the different combustion engines. Those elements have been valve, valve guide and seat insert. The analysed valves have been driven by special camshaft, with the cams of trapezoid shape. The special research stand has been elaborated and its scheme has been presented in the article. The mentioned research stand has been driven by electric motor. The rotational velocity of the camshaft has been controlled and measured. The aim of the researches has been to obtain values of wear for valve, seat insert, valve guide vs. valve lift, and rpm of camshaft. The dynamic parameters have been analyzed for the seat insert - valve - valve guide assembly, experimentally and by simulation either. During researches the values of valve lift, of valve acceleration, of temperature for seat insert and additionally sound level have been measured. The wear of valve, seat insert and valve guide has been measured, basing on their initial and post-research geometry. The results of experimental researches obtained for different materials for valve, valve guide and seat insert have been presented in the article. The simulation model of the analyzed seat insert - valve - valve guide assembly has been elaborated and presented in the article. Such model has been needed to calculate the values o f the settle velocityfor the analyzed valve. The wear of titanium valve has been a little greater than of the steel valve, the wear of cast iron seat insert mating with steel valve has been much greater than for titanium valve case. The wear of valve guides, made of bronze has been several times less than those of cast iron.

7

The necessity for using of valves made of light materials in camless valve timing of internal combustion engines

Zbierski K., Siczek K.

Journal of KONES

|

2009

|

Vol. 16, No. 4

521-530

EN

The essence of the camless valve timing for combustion engine has been discussed in the article. It has been put the attention on the different criteria of distinction for such valve timings. The characteristic features of the camless electric and hydraulic valve timing has been discussed. Basing on the valve lift course the possibility of changes for values of geometrical parameters for valve timing has been explained. The performance of electric and hydraulic valve timing has been described with the help of schematic diagrams. It has been put the attention on significant differences between them. The specific, possible to generation, values of the loading valve forces have been presented. Next, the problems connecting with the increasing of the force loading valve and with the decreasing of masses for moving elements of valve timing have been discussed. The masses of valves made of steel, of TiAl alloy and of ceramic composites have been compared. It has been proven, basing on the camless magnetoelectrical valve timing case, that the valve mass influences the combustion engine speed. It was found that the use of lightweight valves instead of steel valves in the camless valve timing of combustion engines can give the decreasing of the valve mass about 50% in respect to the steel valve mass. The use of lightweight valves instead of steel valves in the camless valve timing, with the same geometry, allows to obtain the maximal engine speed which is greater about 11% in respect to the case of combustion engine with classic steel valves. Thanks to lightweight valves it is possible to decrease the pressure values ofoperating fluid in the hydraulic systems of the drives.

8

Properties and research direction for lightweight valves of valve timing in combustion engine

Siczek K., Zbierski K.

Journal of KONES

|

2009

|

Vol. 16, No. 4

415-422

EN

It has been pul the attention on the necessity for use of valves made of lightweight material in camless valve train in the article. Such necessity has been explained in the aniele [10]. Such lightweight materials are particularly, the TiAl alloys and ceramic composites. The small mass, in respect to the mass of valves made of steel, is characteristic of the valves made of lightweight material. The masses of valves, depending on the case: valve made of TiAl alloy or valve made of ceramic composite, can be smaller about 50% and more than the mass of valve made of steel. The properties of such lightweight materials have been discussed in detail and the methods of their manufacturing have been mentioned in the article. A lot of place has been devoted to titanium alloys, putting attention on the fact, that such alloys are called the materials of XXI century. The classification of titanium alloys has been presented, the problems of intermetallic phases, of alloy microstructure, of heat resistance, high-temperature creep resistance and other have been raised in the article. Finally the direction of researches, being carried out by authors of the article, including tribology of lightweight valves in valve timing has been presented. The aim of such researches is to identify the tribological processes and phenomena, which take place in the region, where lightweight valves mate with valve guides, in assumed bounded lubrication conditions, and in the region, where valve heads mate with valve seats.

PL

Artykuł koncentruje się na potrzebie użycia zaworów wykonanych ze stopów lekkich w bezkrzywkowym układzie rozrządu. Taka potrzeba została wyjaśniona w artykule [10]. Takie lekkie stopy, to szczególnie stopy TiAl i ceramiczne kompozyty. Mała masa, w porównaniu do masy zaworów wykonanych ze stali, jest charakterystyczna dla zaworów wykonanych ze stopów lekkich. Masy zaworów, zależnie od wypadku: zawór wykonany ze stopu TiAl albo zawór wykonany z ceramicznego kompozytu, mogą być mniejsze o około 50% i więcej niż masa zaworu wykonanego ze stali. Właściwości zaworów wykonanych ze stopów lekkich są dyskutowane szczegółowo, jak również metody ich wytwarzania są wzmiankowane w artykule. Dużo miejsca poświęcono stopom tytanu, kładąc szczególną uwagę na fakt, że takie stopy nazywają się materialami XXI stulecia. Przedstawiona klasyfikację stopów tytanu, jak również problemy faz międzymetalicznych, mikrostruktury stopów, żaroodporności, wysokotemperaturowy opór pełzania oraz inne. W końcu kierunki badań wykonanych przez autorów artykułu, włączając w to problemy tribologiczne zaworów są przedstawione. Celem takich badań jest identyfikacja procesów tribologicznych i zjawisk, które mają miejsce w obszarze, gdzie zawory współpracują z prowadnicami zaworów, w ograniczonych warunkach smarowania i w regionie, gdzie główka zaworu współpracuje z gniazdami zaworu.