modelowanie procesów przepływowych w układzie tłok

modelowanie procesów przepływowych w układzie tłok

P R A C E N A U K O W E P O L I T E C H N I K I WA R S Z AW S K I E J
z. 251
Mechanika
2013
Andrzej Wolff
Wydział Transportu PW
MODELOWANIE PROCESÓW PRZEPŁYWOWYCH
W UKŁADZIE TŁOK-PIERŚCIENIE-CYLINDER
SILNIKA SPALINOWEGO
Rękopis dostarczono 14.12.2012 r.
Rozprawa dotyczy procesów przepływowych w układzie tłok-pierścienie-cylinder (TPC) silnika spalinowego. W jednym z początkowych rozdziałów dokonano przeglądu publikacji na temat zjawisk fizycznych towarzyszących funkcjonowaniu pierścieni tłokowych, metod modelowania oraz metod badań empirycznych rozpatrywanych zjawisk. Wnioski wysnute z przeglądu literatury posłużyły
do sformułowania celów oraz zakresu rozprawy.
Z funkcjonowaniem pakietu pierścieni związane są następujące zjawiska fizyczne: przepływ
gazu przez szczeliny złożenia TPC, smarowanie hydrodynamiczne w szczelinie między powierzchnią pierścienia i gładzią cylindrową, tarcie mieszane w układzie pierścień-gładź cylindrowa, przepływ oleju i jego dystrybucja na powierzchni cylindra, kątowe odkształcenia pierścieni, zmiany lepkości oleju spowodowane zróżnicowaniem temperatury gładzi cylindrowej.
W głównej części rozprawy przedstawiono zbudowany przez autora kompleksowy model procesów przepływowych towarzyszących pracy pierścieni tłokowych. Zawiera on dodatkowo zaczerpnięte z literatury modele cząstkowe, takie jak np. opracowany przez Patira i Chenga model
przepływu oleju w szczelinie między chropowatymi powierzchniami oraz model sprężystego kontaktu chropowatych powierzchni zaproponowany przez Greenwooda i Trippa.
Podczas pracy pierścieni tłokowych następuje przepływ dwu różnych płynów: pierścienie ślizgają się po cienkiej warstwie oleju, a ponadto występuje przepływ gazu przez szczeliny układu
tłok-pierścienie-cylinder. Modele przepływu gazu oraz tarcia płynnego i mieszanego są ze sobą
sprzężone. Umożliwia to rozwiązywanie skomplikowanych zagadnień, takich jak osiowe drgania
pierścieni w rowkach tłoka i wynikające z tego zmiany warunków smarowania pierścieni. W rozprawie przedstawiono metody numeryczne rozwiązywania równań różniczkowych (cząstkowych
i zwyczajnych) opisujących wymienione procesy fizyczne.
Opracowano program symulacyjny wykorzystujący przedstawione modele: przepływu gazu,
przepływu oleju oraz oddziaływania chropowatości powierzchni pierścieni i gładzi cylindrowej.
Jest to prawdopodobnie najbardziej uniwersalny program tego typu w Polsce.
4
Spis najważniejszych oznaczeń
Weryfikację modelu symulacyjnego przeprowadzono dla dwóch okrętowych silników spalinowych o zapłonie samoczynnym. Pierwszy z nich (o mniejszych wymiarach) to silnik czterosuwowy,
a drugi – dwusuwowy. Prace te wykonano w ramach kilku staży odbytych przez autora w ośrodku
konstrukcyjnym silników okrętowych Wärtsilä (w Winterthur w Szwajcarii). Wykorzystano wyniki pomiarów nieustalonego ciśnienia gazu w cylindrze silnika, między pierścieniami oraz w skrzyni korbowej. W przypadku silnika czterosuwowego dostępne były ponadto wyniki pomiarów osiowych przemieszczeń pierścieni w rowkach tłoka, a także natężenia przedmuchu gazu do skrzyni
korbowej. Natomiast weryfikacja empiryczna modelu hydrodynamiki pierścieni obejmowała wykorzystanie wyników pomiarów objętości oleju zgarnianego przez dławnicę dwusuwowego silnika
okrętowego. Uzyskano zadowalającą zgodność ilościową i jakościową wyników obliczeń symulacyjnych i badań empirycznych.
Opierając się na serii obliczeń numerycznych, przeprowadzono analizę wpływu wybranych
wielkości fizycznych i geometrycznych złożenia TPC na jego funkcjonowanie. Na podstawie wyników obliczeń uzyskano informacje dotyczące zakresu stosowalności proponowanych modeli.
W podsumowaniu pracy przedstawiono wnioski i wymieniono najważniejsze osiągnięcia własne autora. Wskazano także na kierunki i możliwości prowadzenia dalszych badań. W załączniku 1
podano krótką charakterystykę opracowanych programów symulacyjnych, a w załączniku 2 – opis
opracowanej przez autora animacji komputerowej funkcjonowania pakietu pierścieni tłokowych.
Słowa kluczowe: pierścienie tłokowe, dynamika gazów, hydrodynamika, chropowatość powierzchni.
SPIS NAJWAŻNIEJSZYCH OZNACZEŃ
A
Ac
atł
B, b
cV, cp
d, D
E1, E2
E′
F
Fc, Fcx
Fgaz
Fh
Ft
Gsp
g
gol
H
h
hmin
hT
hT
– przekrój przepływu
– rzeczywista powierzchnia kontaktu z chropowatościami powierzchni (przypadająca na
jednostkę obwodu)
– przyspieszenie tłoka
– wymiar geometryczny (szerokość)
– ciepło właściwe gazu, odpowiednio przy stałej objętości i stałym ciśnieniu
– średnica wewnętrzna i zewnętrzna, odpowiednio
– moduły sprężystości Younga, odpowiednio materiału pierścienia i gładzi cylindrowej
– złożony moduł sprężystości Younga
– siła jednostkowa (przypadająca na obwód)
– jednostkowa siła normalna i wzdłużna kontaktu z chropowatościami powierzchni, odpowiednio (przypadające na obwód)
– jednostkowa siła gazowa (przypadająca na obwód)
– jednostkowa siła nośna hydrodynamiczna (przypadająca na obwód)
– jednostkowa siła tarcia płynnego (przypadająca na obwód)
– masowe natężenie przedmuchu spalin
– przyspieszenie ziemskie
– jednostkowe masowe natężenie dostarczanego oleju
– wysokość szczeliny olejowej odniesiona do średniego odchylenia kwadratowego nierówności powierzchni
– nominalna grubość filmu olejowego albo wysokość szczeliny olejowej
– minimalna wysokość szczeliny olejowej pierścienia tłokowego
– lokalna grubość filmu olejowego między chropowatymi powierzchniami
– średnia wysokość szczeliny olejowej
202
Summary
182. Yun J.E., Chung Y., Chun S.M., Lee K.Y.: An Application of Simplified Average Reynolds Equation for Mixed Lubrication Analysis of Piston Ring Assembly in an Internal Combustion Engine. SAE Paper, 1995, No 952562.
183. Zhou Q.-B.: The development of the piston ring pack evaluation system. CIMAC Congr., Florence 1991.
184. Zhou Q.-B., Zhu T.-Z., Wang R.-S.: A full lubrication model for rough surface piston rings.
Tribology International, 1988, vol. 21, No 4, s. 211–214.
185. Zottin W., Clemente M., Leite J.M.M.: Predictive Analysis of Lube Oil Consumption for a Diesel Engine. SAE Paper, 1995, No 950520, s. 13–30.
MODELLING OF FLOW PHENOMENA OF THE SYSTEM PISTON-RINGS-CYLINDER
OF AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE
Summary
This work deals with the modelling and simulation of the tribological system piston-rings-cylinder of an internal combustion engine. The initial part of the work includes a relevant bibliography study of piston rings operation and presents methods of its modelling. As a conclusion, the aims
and scope of the work have been formulated.
Many physical phenomena are associated with ring pack operation, such as: inter-ring gas dynamics for blow-by and blow-back behaviour, hydrodynamic action in the gap between the ring land
and cylinder liner, mixed lubrication at the ring face-liner conjunction for friction considerations, oil
transport for distribution of lubricant along the liner, twist motion of rings, liner temperature influence on the oil viscosity.
The main part of this work presents a complex model of piston ring pack operation developed
by the author. Among his own models, it includes several models taken from literature, like: a model
of viscous oil flow between rough gap surfaces formulated by Patir & Cheng and an elastic contact
model of Greenwood & Tripp.
The motion of two different fluids has to be considered. At first, the rings slide on a thin layer
of oil. Independently there exists the flow of exhaust gases through crevices among the piston, rings
and cylinder liner. The models of gas flow, hydrodynamic and mixed lubrication are coupled. It enables to resolve detailed events such as eventual axial ring flutter in piston grooves and also resulting
changes of lubrication phenomena.
Numerical methods of solving (partial and ordinary) differential equations describing the above
mentioned physical phenomena have been discussed. Using accessible to the author results of experimental measurements, the verification of the developed mathematical model and software has
been carried out. Taking into account results of numerical simulations, the influence analysis of chosen physical and geometrical parameters on piston ring pack operation has been done. On the basis
of calculation results, some conclusions concerning the application range of the proposed models
have been presented.
In the summary of the work, final conclusions and main scientific achievements of the author are
presented. Remarks on further possible research work are also given. In the Appendix, a computer
animation of the ring pack operation, developed by the author, is described. The work is closed by
the references which are referred to by the author.
Keywords: piston rings, gas dynamics, hydrodynamics, surface roughness.