تحلیل ترمو مکانیکی پیستون موتور SI با استفاده از مدل ساده دمای دیواره

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 نویسنده مسئول و کارشناس ارشد مهندسی مکانیک، دانشگاه علم و صنعت ایران، کارشناس فنی شرکت ایران خودرو،

2 استادیار دانشکده مهندسی خودرو، دانشگاه علم و صنعت ا

چکیده

تحلیل حرارتی و محاسبه توزیع دما در پیستون برای کنترل تنش­های حرارتی و تغییر شکل­ها در محدوده مجاز، اهمیت دارد. در این تحقیق ابتدا انتقال حرارت در پیستون موتور احتراق جرقه­ای محاسبه شده، سپس با تعیین شرایط مرزی حرارتی و مکانیکی و اعمال آنها، تحلیل تنش پیستون با استفاده از روش اجزا محدود انجام شده است. برای محاسبه انتقال حرارت، از یک مدل مقاومتی ساده برای تعیین دمای دیواره­ها استفاده شده، بدین ترتیب که برای هر یک از دیواره­ها یعنی پیستون، سیلندر و سرسیلندر، یک دمای مجهول در نظر گرفته شده و معادلات انتقال حرارت مربوطه با مدل احتراق دو ناحیه­ای به صورت همزمان حل شده است. مجموعه این عملیات به وسیله کدی که در نرم افزار MATLAB نوشته شده، انجام شده و درستی نتایج با داده­های تجربی موتور EF7.TC مقایسه شده است. برای محاسبه تنش­های حرارتی و مکانیکی و مقایسه آنها با هم، نتایج بدست آمده از قسمت قبل برازش منحنی شده و توسط نرم­افزار ANSYS فراخوانی و بر پیستون اعمال شده است. برای بررسی درستی نتایج، نتایج شبیه­سازی با نمونه­های واقعی پیستون آسیب دیده مقایسه شده و نشان داده شده که نواحی بحرانی مشخص شده، برابری خوبی با نواحی شکست در نمونه­های واقعی دارد.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Thermo-mechanical Analysis of SI Engine Piston using Concise Wall Temperature Model

نویسندگان [English]

  • Javad Gharloghy 1
  • َAmir Hosein Kakaee 2
چکیده [English]

It is important to calculate the piston temperature distribution in order to control the thermal stresses and deformations within acceptable levels. In this study, the SI engine piston heat transfer is calculated and the piston is thermo-mechanically analyzed using finite element method. In order to calculate the heat transfer, a concise resistor model for wall temperature prediction is used. For each of the walls (piston, cylinder and cylinder head), the relevant heat transfer equations simultaneously with two zone combustion model is solved considering three unknown temperature. The simulations were done by a MATLAB code and the result validated with the experimental data of the EF7.TC engine. The above results have been curve fitted and imported by the commercial ANSYS code to loading the piston. To evaluate properly of results, stress analysis results is compared with real samples of damaged piston and it has been shown that Critical identified areas, match well with areas of failure in the real samples.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Engine piston
  • two zone combustion model
  • Stress Analysis
  • Thermal fatigue
  • mechanical fatigue

مراجع

[1] Silva. F.S., “Fatigue on Engine Pistons–A Compendium of Case Studies”, Journal of Engineering Failure Analysis, No, 13, pp. 480–
492, 2006.
[2] B. A. Boley and J. Weiner, “Theory of Thermal Stresses”, Stanford University, August, 1960.
[3] A. P. Boresi and Chong, “Elasticity in Engineering Mechanics”, Elsevier Science Publishing Co., 1974.
[4] Esfahanian. V., Javaheri A., Ghaffarpour. M., “Thermal Analysis of an SI Engine Piston Using Different Combustion Boundary Condition Treatments”, Applied thermal engineering, No. 26,pp. 277-287, 2006.
[5] Mohammadi. A., Yaghoubi. M. and Rashidi. M., “Analysis of Local Convective Heat Transfer in a Spark Ignition Engine”, Journal of Engineering Failure Analysis, No. 13, pp. 480–492, 2006.
[6] Hywood. J. B., “Internal Combustion Engine Fundamentals”, Mc Grow-Hill, New York, 1988.
[7] Bohac. S. V., Baker. D. M. and Assanis. D. N., “A Global Model for Steady State and Transient S.I.Engine Heat Transfer Studies”, SAE Paper, No.960073, 1996.
[8] Kreith. F., “Principle of Heat Transfer”, International Text Book Co. Scranton,Pennsylvania, 2nd Printing, 1959.
[9] Wanli. Y., Guohua. CH., Chunfa. W. and Xiaoming. Y., “Simulation of Transient Heat Transfer for Coupling 3-D Moving Component System Within Internal Combustion Chamber”,SAE Paper, No. 01-0617, 2003.
[10] Harigaya. Y., Toda. F., and Suzuki. M., “Local Heat Transfer on a Combustion Chamber Wall of a Spark-Ignition Engine”, SAE Paper, No. 931130,1993.
[11] M.Valdes, J. Casanova and A. Rovira, “Design of Carbon Pistons Using Transient Heat Transfer and Stress Analyses”, SAE Paper, No. 01-3217, 2001.
[12] Annand W. J. D, “Geometry of Spherical Flame Propagation in a Disc-Shaped Combustion Chamber”, Journal of mechanical engineering science, No. 12(2), pp.146-149, 1970.
[13] Catania. A.E., Misul. D., Mittica. A. and Spessa. E., “A Refined Two-Zone Heat Release Model for Combustion Analysis in SI Engines”, The Fifth International Symposium on Diagnostics and Modeling of Combustion in Internal Combustion Engines, July 1-4, 2001, Nagoya.
[14] Benson. R. S., Annand. W. J. D and Baruah. P. C. , “A Simulation Model Including Intake and Exhaust Systems for a Single Cylinder Four-Stroke Cycle Spark Ignition Engine”, Int. J. mech. Sci.Pergamon Press., vol.17, pp. 97-124, 1975.
[15] Erduranli. P., Koca. A. and Sekmen. Y., “Performance Calculation Of A Spark Ignition Engine According To The Ideal Air-Fuel Cycle Analysis”, G.U. Journal of Science, No. 18(1), pp.103-114, 2005.
[16] Stone. R. "Introduction to Internal Combustion Engines", Third edition, Mc Millan, 1999.
[17] Maher A. R. Sadigh Al-Baghdadi, “A Simulation Model for a Single Cylinder Four-Stroke Spark Ignition Engine Fueled with Alternative Fuels”,Mechanical and Energy Department, Higher Institute of Mechanical Engineering, Turkish J.Eng. Env. Sci, No. 30, pp.331-350, 2006.
[18] Ferguson. C. R. and Kirkparrick. A. T.,”Internal Combustion Engine, Applied Thermosciences”Second Edition, John Wiley & Sons, Inc, New York, 1986.
[19] Torregrosa. A., Olmeda. P., Degraeuwe. B. and Reyes. M., “A Concise Wall Temperature Model for DI Diesel Engines”, Journal of Applied Thermal Engineering, No. 26, pp. 1320–1327,2006.
[20] Buyukkaya. E., “Thermal Analysis of Functionally Graded Coating AlSi Alloy and Steel Pistons”,Journal of Surface & Coatings Technology, No.202, pp. 3856–3865, 2008.

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار