Λεπτομερές μοντέλο τριβών 4-χρονων ναυτικών κινητήρων diesel

Abstract

The friction developed on the main components of typical four-stroke marine Diesel engines was investigated in this thesis. Initially, a detailed model was developed capable of predicting the friction force appearing on various engine components. The governing equations of the model were derived using the two-dimensional Reynolds equation, the mass conserving law and Newton’s second law. Previous approaches to this subject were suitably extended in order to incorporate the interactions between the lubricated components and the engine speed variations due to the applied torque fluctuations. Additionally to the detailed model, a simplified friction model was also developed to be used in existing dynamic or thermodynamic engine performance prediction codes. The proposed model keeps the complexity of implementation as low as possible, whereas in the same time considers the dynamic characteristics of lubricating oil films. It also takes into account the interaction between engine components and the oil availability on the friction surfaces. Both models were validated using published experimental data for individual engine components. Additionally, a single-cylinder engine test rig was constructed, several motoring tests were conducted and comparisons with simulated results were performed. After that, the developed models were used in the case of two typical four-stroke marine Diesel engines. The analysis of the simulated results revealed the capability of the developed friction models to adequately predict the friction and lubrication conditions prevailing on the engine critical components.

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή διερευνήθηκε η τριβή που αναπτύσσεται στα κύρια τμήματα ενός τυπικού 4-Χ ναυτικού κινητήρα Diesel. Αρχικά, αναπτύχθηκε ένα λεπτομερές μοντέλο, ικανό να προβλέπει την δύναμη τριβής που ασκείται στα διάφορα μέρη του κινητήρα. Το μοντέλο βασίστηκε στην διδιάστατη εξίσωση Reynolds, την αρχή διατήρησης μάζας και το 2ο νόμο του Νεύτωνα. Προηγούμενες προσεγγίσεις του θέματος τροποποιήθηκαν κατάλληλα, προκειμένου να συμπεριλάβουν την αλληλεπίδραση μεταξύ των λιπαινόμενων μερών του κινητήρα και την ανομοιομορφία της περιστροφικής ταχύτητας, λόγω διακυμάνσεων της ροπής. Συμπληρωματικά με το λεπτομερές μοντέλο, αναπτύχθηκε και ένα απλοποιημένο μοντέλο, προκειμένου να χρησιμοποιηθεί σε υπάρχοντες δυναμικούς ή θερμοδυναμικούς κώδικες προσομοίωσης κινητήρων. Το προτεινόμενο μοντέλο διατηρεί όσο το δυνατόν χαμηλότερη πολυπλοκότητα εφαρμογής, ενώ λαμβάνει υπόψιν του τα δυναμικά χαρακτηριστικά των αναπτυσσόμενων λιπαντικών μεμβρανών. Επίσης θεωρεί την αλληλεπίδραση μεταξύ των λιπαινόμενων μερών του κινητήρα και την διαθεσιμότητα του λιπαντικού στις επιφάνειες τριβής. Αποτελέσματα και από τα δύο μοντέλα συγκρίθηκαν επιτυχώς με δημοσιευμένα πειραματικά αποτελέσματα για διάφορα εξαρτήματα κινητήρων. Επιπλέον, κατασκευάστηκε μια κλίνη δοκιμών μονοκύλινδρου κινητήρα και πραγματοποιήθηκε μια σειρά πειραμάτων ετεροκίνησης (friction motoring tests). Τα πειραματικά αποτελέσματα που προέκυψαν συγκρίθηκαν με τα αποτελέσματα της μαθηματικής προσομοίωσης και διαπιστώθηκε ικανοποιητική σύμπτωση. Η ανάλυση των αποτελεσμάτων της προσομοίωσης επιβεβαίωσε την δυνατότητα των μοντέλων τριβής που αναπτύχθηκαν, να προβλέπουν επαρκώς την τριβή και τις συνθήκες λίπανσης που επικρατούν σε κρίσιμα εξαρτήματα του κινητήρα.