Analysis of failures to inlet and exhaust valves of 4C90 diesel engine

The paper presents results of MES calculations of temperature, stress and displacement distributions. The considered engine was the actual naturally aspirated one of 4C90. Calculations were performed by means of Abaqus Standard computer program. The engine elements considered were exhaust and inlet valves. This numerical tool used in the calculations enabled the execution of the finite element method calculations in non-linear range on the basis of iterative calculations of the geometrically non-linear issues using Newton - Raphson methods. The elements utilized in model were of C3D8T type, 8th. nodal, hexagonal to paired temperature-distortional analysis with the shape function of the first type. The elements of this type were used to model geometrically straight elements, such as: the valve seats, weld overlay, the valve guides, the valve disks, the valve stems. The remaining parts of engine were modelled with the utilization of C3D4T elements 4th nodal, tetragonal to paired temperature-distortional analysis with the shape function of the first type. The paired temperature-distortional analysis was carried out. The total number of elements was 371095, in this 20698 elements in inlet valve, 15117 elements in exhaust valve, 3264 elements in weld overlay, 2108 of elements in inlet valve seat, 1664 elements in exhaust valve seat, 126233 elements in the head. Obtained results are in fair agreement with similar studies for the other CI engines. Results of experimental studies into wear mechanisms at the valve seat surfaces are presented. Corrosion, adhesion and indentation wear were documented by means of SEM and EDX measurements. Results of numerical calculation proved that significant sliding takes place on the mating surfaces, which was caused by the mutual displacement of valve seat insert and valve stem.

W pracy przedstawiono wyniki obliczeń numerycznych wykonanych metodą elementów skończonych rozkładów naprężeń, temperatur i odkształceń. Rozpatrywanym silnikiem był wolnossący silnik ZS typu 4C90. Obliczenia wykonano przy pomocy programu Abaqus Standard. Rozpatrywanymi elementami silnika były zawory dolotowe i wylotowe. Zastosowane do obliczeń narzędzie numeryczne umożliwiało wykonywanie obliczeń MES w zakresie nieliniowym w oparciu o iteracyjne techniki obliczeń zagadnień geometrycznie nieliniowych z wykorzystaniem metody Newtona - Raphsona. W modelu wykorzystano elementy typu C3D8T 8-węzłowe, heksagonalne do analizy sprzężonej temperaturowo-odkształceniowej z funkcją kształtu 1-rzędu. Elementy tego typu były wykorzystane do zamodelowania elementów prostych geometrycznie, takich jak: gniazda zaworów, napoina, prowadnice zaworów, talerzyki zaworów, trzonki zaworów. Pozostałe części silnika zamodelowano z wykorzystaniem elementów C3D4T 4-węzłowych, tetragonalnych do analizy sprzężonej temperaturowo-odkształceniowej z funkcją kształtu 1-rzędu. Wykonano analizę sprzężoną temperaturowo-odkształceniową. Liczba elementów wynosiła 371095, w tym 20698 elementów w zaworze ssącym, 15117 elementów w zaworze wydechowym, 3264 elementy w napoinie, 2108 elementów w gnieździe ssącym, 1664 elementy w gnieździe wydechowym, 126233 w głowicy. Rezultaty analiz numerycznych są w dobrej zgodności z publikowanymi wynikami dla innych silników ZS. Zostały przedstawione wyniki badań eksperymentalnych mechanizmu zużywania powierzchni przylgni zaworów. Udokumentowano metodami SEM i EDX występowanie korozji, odkształcenia plastycznego oraz zużycia adhezyjnego. Rezultaty obliczeń numerycznych udowodniły, że występuje znaczny poślizg na powierzchni tarcia co jest spowodowane wzajemnym przemieszczeniem gniazd i zaworów.