Analýza ustáleného teplotního pole výfukového ventilu E. Dobešová, J.Skácel Anotace: Pri spalování jsou soucásti motoru vystaveny pomerne vysokým teplotám. V hlave válcu je teplotou nejvíce zatížen výfukový ventil. Teplo je do nej privádeno ze spalovacího prostoru a výfukového traktu. Odvádí se prevážne sedlem a z menší cásti i vodítkem do hlavy válcu. Dále je odvádeno chladící smesí, olejem a okolním vzduchem. Tato analýza sleduje rozložení teplot na výfukovém ventilu v závislosti na kvalite nalisování sedla. Je provedena na tríválcovém motoru Škoda. Úloha je rešena metodou konecných prvku a má tepelnou a strukturální cást. Tepelný výpocet je rešen jako stacionární pro ustálený stav motoru pracujícího pri plném zatížení. Summary: During combustion are the engine components exposured to relative high temperatures. The exhaust valve the most loaded component of the cylinder head. Heat flows into this valve from combustion chamber and exhaust tract. It is dissipated mainly by the seat and fewer also by the valve guide first to the cylinder head and then to the cooling liquid, oil and surrounding air. This analysis deals with the distribution of temperature on exhaust valve with respect to changing thermal resistance due to the quality of pressing of the seat into the head. It is conducted on three cylinder engine Skoda. This task is solved as combined thermo mechanical analysis using FE software Ansys 9.0 and it is composed of thermal and structural part. Thermal part of analysis is solved as stationary for steady state of engine which is under full load. 1. Úvod Úcelem této práce je porovnat teploty na výfukovém ventilu u dvou variant sezení sedla v hlave válcu. Pokud sedlo po nalisování sedí v hlave dokonale po celém obvode (ideální prípad), je tepelné zatížení výfukového ventilu po obvode témer rovnomerné. U varianty predstavující nedostatecné sezení sedla v hlave má ventil jednak vyšší teploty a jednak je zatížen nerovnomerne po obvode. Tato analýza má za úkol posoudit, zda je tento vliv významný. Jedná se o sekvencní analýzu, kdy jsou do strukturálního modelu vnášeny výsledky ze separátního tepelného výpoctu. Po zatížení teplotami se model zdeformuje. Nekteré kontakty odlehnou. Odlehlé kontakty jsou odstraneny v modelu pro tepelný výpocet a výslednými teplotami se opet zatíží strukturální model. Zjistí se, jestli ješte nejaké další kontakty odlehly. Prípadne se opet provede separátní tepelný výpocet, který opet zahrnuje tuto zmenu. Znovu se provede i strukturální výpocet s novými teplotami. Postup se opakuje, dokud ve strukturálním výpoctu po zatížení teplotami odléhají kontakty. - 1 -
2. Model Oba modely mají shodnou sít, vmodelu pro tepelný výpocet je navíc uvažováno tesnení. Byl namodelován výrez hlavy válcu, sedla, ventily, vodítka a zjednodušene i svícka. Výrez hlavy je tvoren kvadratickými tetraedry. Ventily, sedla a vodítka jsou modelovány lineárními hexaedry. Tesnení v tepelném výpoctu je z duvodu lepšího zavedení okrajových podmínek. Obr.1: Model 3. Postup výpoctu Nejprve byl proveden tepelný výpocet. Jeho výsledek pak byl použit pro výpocet strukturální. Strukturální výpocet má tri kroky. První krok Sedla jsou nalisována do hlavy. Poté je na nich obrobena dosedací kuželová plocha pro sezení ventilu. Obrobení je dosaženo iteracne pomocí update geometry. Ventily jsou vertikálne ukotveny tak, že se nedotýkají sedel. Druhý krok Ventily jsou zasunuty do sedel a pritlaceny silou od pružiny. Tretí krok Do modelu s nalisovanými sedly a pritlacenými ventily jsou zavedeny teploty jako zatížení do uzlu. Model se vlivem nestejnomerného tepelného zatížení zdeformuje a to zpusobí zmenu kontaktních pomeru mezi sedlem a ventilem. Zmena je zohlednena - 2 -
v separátním tepelném výpoctu novým nastavením kontaktu sedlo-ventil a tretí krok strukturálního výpoctu je opakován s novým tepelným zatížením. Takto je dosaženo souladu okrajových podmínek, viz Obr.2: Schéma výpoctu. Sedla nalisována do hlavy a obrobena LS* 1 Model s dokonale nalisovanými sedly Ventil pritlacen do sedla LS* 2 Tepelný výpocet LS* 3 Zatížení teplotami strukturální výpocet tepelný výpocet * LS (load step) = zátežný stav neúcastnené kontaktní elementy odebrány ANO odléhá ventil od sedla? NE Vyhodnocení Obr.2: Schéma výpoctu 4. Okrajové podmínky Kontakt mezi sedlem a hlavou Jedná se o porovnání dvou variant nalisovaných sedel, kdy : A) sedla sedí v hlave válcu celým obvodem po celé výšce B) sedla zcásti v hlave nesedí - kontaktní elementy mezi sedlem a hlavou odebrány To platí pro tepelnou i strukturální cást výpoctu. sací ventil z 0 výfukový ventil svícka z [mm] 0 obvod sedla [ ] 360 nezmenené elementy odebrané elementy Obr.3: Odebrané kontaktní elementy mezi výfukovým sedlem a hlavou u varianty B - 3 -
Okrajové podmínky tepelného výpoctu Zadávané teploty a tepelné charakteristiky materiálu, prestupových ploch a konvekcí byly odborne odhadnuty z podobných výpoctu a prepracovány na podmínky tríválcového motoru. Plochy rezu jsou uvažovány adiabatické. Na plochách omývaných olejem, vodou, ci vzduchem je výmena tepla zajištena konvekcí. Pro vodu je použito promenlivého koeficientu prestupu tepla v závislosti na proudení. Cást hlavy, ventilu a sedel jsou soucástí spalovacího prostoru. Soucinitel prestupu je zde zjednodušene rozdelen do dvou oblastí. Pro ostatní plochy je použit konstantní soucinitel. Teplotní príspevek od bloku válcu je realizován teplotami tesnení. Protilehlou plochou je tesnení pevne spojeno s hlavou. Tesnení je modelováno pouze u tepelného výpoctu. Ve strukturálním se s ním nepocítá. Tepelný príspevek pusobící na tesnení ze strany bloku motoru je rozdeleno do nekolika oblastí dle toho, jestli je v kontaktu s blokem, olejem ci vodou. V oblasti, kde je hlava soucástí spalovacího prostoru, je teplo privedeno odpovídající konvekcí. Svícka je pevne spojena s hlavou. Mezi ostatními telesy jsou kontakty s odpovídajícím prestupem tepla. Okrajové podmínky strukturálního výpoctu Jedná se výrez hlavy nad prostredním válcem. Každá plocha rezu má svázaný podélný posuv všech uzlu. Podélne je hlava ukotvena presne mezi sedly. Je to lepší pro obrobení kuželové plochy obou sedel. Ve vertikálním smeru je hlava ukotvena na horní strane, u Síla pružiny Vodítko : Radiální posuvy ventilu svázány s vodítkem Kontakt vodítko-hlava: bonded Kontakt Kontakt sedlo-hlava radiální presah víka. Sedla ventilu pak jsou touto okrajovou podmínkou minimálne ovlivnena. Prícné uchycení je provedeno na okrajích u tesnení ve dvou místech, aby se zabránilo prípadné rotaci modelu. Vodítka jsou stejne jako svícka, pevne spojena s hlavou. Ventil je ve vodítku veden kinematickou vazbou. Ventil se muže vertikálne posouvat. Kontakt se sedlem je zajišten silou od pružiny zavedenou na horní cást dríku ventilu. Sedlo je uloženo v hlave s presahem, mezi ventilem a sedlem je standartní kontakt. Kontakt sedlo-ventil Obr.4: Spojení teles pro strukturální výpocet - 4 -
5. Výsledky Následující obrázky znázornují teploty po délce ventilu od stredu talírku po horní konec dríku. Jsou vyneseny ctyri rady oznacené dle polohy, viz obr.6: 60, 165, 262,5 a 322 - úhel od mustku mezi sedly. y x 60 165 262,5 322,5 teplota [ C] sedlo spal. prostor výfukový trakt vodítko olej olej y vzdálenost od talírku ventilu [mm] x Obr.5: Tepelné zatížení výfukového ventilu v nekolika místech po jeho obvode Varianta A 60 165 262,5 322,5 165 60 teplota [ C] 262,5 322,5 sedlo spal. prostor výfukový trakt vodítko olej y vzdálenost od talírku ventilu [mm] Obr.6: Tepelné zatížení výfukového ventilu v nekolika místech po jeho obvode Varianta B x - 5 -
Ventil u ideálne sedícího sedla varianta A - je tepelne po obvodu témer rovnomerne zatížen. U varianty B, kde sedla nejsou po celém obvode zcela v kontaktu, byly zjišteny nerovnomerné teploty po obvode ventilu. Teploty v oblasti kontaktu se sedlem vzrostly až o 30%. Ve skutecnosti by takové rozdíly teplot mohly zpusobit podobne zvýšené a nerovnomerné zatížení ventilu po obvode. To by mohlo zpusobit zvýšené pnutí v materiálu a následne vést až k trhlinám. V porovnání s variantou A dochází také k vetšímu odléhání ventilu od sedla. V tomto modelovém výpoctu se vule mezi ventilem a sedlem u varianty B zvýšila v nekterých místech až trikrát. Tento výpocet dává približnou predstavu o vlivu sledovaného aspektu. Zpusob nalisování sedel do hlavy má významný vliv na rozložení teplot výfukového ventilu. - 6 -