Tribological design of a top coated compression ring with worn and textured surface in thermal cavitation mixed lubrication

Abstract

The design of top compression rings is an important issue that opens research possibilities for reducing friction in the field of tribology in Internal Combustion (IC) engines. Recent studies show that there is an increasing interest in top compression rings’ tribological performance. It is widely known that the piston assembly is a major contributor to parasitic losses (up to 40%) and that there is a need to understand its lubrication performance and friction mechanisms. In brief, the top compression rings suffer from higher friction and wear due to rapidly changing loads and close contact in cylinder liners (the sealing function). Because the friction and wear issues affect the efficiency of compression rings, it is necessary to investigate the surface topography of the ring-cylinder surfaces and lubrication conditions. The current thesis supports that goal. Compression rings’ tribological characteristics, such as their pressure distribution, lubricant film, friction, power losses and lubricant flow rate, were derived and presented for different engine conditions. We used numerical models to calculate the ring balance, and we considered the fluid flow effects in terms of the Navier-Stokes equations. To include the cavitation, the Half-Sommerfeld condition and Rayleigh-Plesset volume fraction were considered based on a case study. The variation of the lubricant rheological properties due to the pressure and temperature have also been taken into account in the overall modelling. Particularly, for the non-Newtonian lubricant behaviour, we combined the Navier-Stokes approach with the power law model. The interaction of the lubricant film and the ring domain within a piston groove was modelled, and this model is called the Fluid-Structure Interaction (FSI) model. This proposed method allows complete static solutions of the 2D ring-liner lubrication problem involving complex geometries. The effects of the ring face geometry and the lubricant properties were introduced for this analysis. Moreover, CFD models were built, including Navier-Stokes, vapour transport (Rayleigh-Plesset equation), asperity interaction (Greenwood-Tripp contact model) and thermal effects (comprising ring coating properties). The results obtained from the developed 2D models were found to be in good agreement with the experimental and analytical data obtained in previous investigations. The experimental investigations accomplished within this thesis will permit a proper understanding of the piston assembly and compression ring tribodynamics. A test method was constructed in a single-cylinder four-stroke motorbike engine using a foil strain gauge. To measure the engine friction, a challenging technique is developed in this thesis, and its limitations and robustness are fully described. The friction and noise results from the test-rig demonstrate that the contribution of the thin top compression ring to the ring pack friction was dominant. This finding shows that the thin nature of the top compression ring combined with the lubrication conditions of the ring-pack can lead to high total friction, which would induce increased frictional losses and contact wear during cold NEDC conditions. Therefore, a proposal of artificial surface topography on the ring face width is presented and discussed in the present thesis. In practical terms, current challenges for improving the tribological behaviour in compression rings require surface topographies that are effective in different regimes of lubrication to reduce the friction and wear. To solve this problem, we have focused on square-shaped pockets in the ring face-width as the main strategy for minimizing the frictional power losses and wear of sliding surfaces; the goal is to improve the performance of automotive engines. Several different inlets and densities of square pocketed surfaces were analysed using a block on a ring test rig. The findings showed that the denser pocketed surface was responsible for controlling the lubricant film and wear in line contact during mixed lubrication conditions.Based on the results from the experiments with textures, we have made a design proposal, and it includes the specifications of a texture design in full scale. Suggestions for future work include the development of a 3D full simulation framework to support a more detailed ring design process, optimization of measurement techniques (e.g., the strain gauge method), and square-shaped geometry.

Ο σχεδιασμός των ελατηρίων συμπίεσης είναι ένα σημαντικό ζήτημα που έχει σαν στόχο τη μείωση της τριβής στον τομέα των μηχανών εσωτερικής καύσης. Πρόσφατες μελέτες έδειξαν ότι υπάρχει ένα αυξημένο ενδιαφέρον για τις τριβολογικές επιδόσεις των ελατηρίων συμπίεσης. Είναι ευρέως γνωστό ότι το σύστημα του εμβόλου με τα ελατήρια συνεισφέρει σημαντικά στις απώλειες τριβής (περίπου 40%), και για αυτό τον λόγο υπάρχει η ανάγκη να κατανοηθούν οι μηχανισμοί λίπανσης και οι μηχανισμοί τριβής στο παραπάνω σύστημα. Πιο συγκεκριμένα, τα ελατήρια συμπίεσης υποφέρουν από υψηλή τριβή και φθορά λόγω των μεταβαλλόμενων φορτίων και της στενής επαφής στην επιφάνεια του κυλίνδρου (λόγω της κύριας λειτουργίας του που είναι η στεγανοποίηση). Έτσι, τα ζητήματα της τριβής και της φθοράς επηρεάζουν την απόδοση των ελατηρίων συμπίεσης. Για αυτό τον λόγο, είναι απαραίτητο να διερευνηθεί η επιφανειακή τοπογραφία του ελατηρίου και του κυλίνδρου, καθώς και οι συνθήκες λίπανσης τους. Η παρούσα διδακτορική διατριβή υποστηρίζει αυτόν τον στόχο. Τα τριβολογικά χαρακτηριστικά του ελατηρίου συμπίεσης, όπως η κατανομή της υδροδυναμικής πίεσης στο προφίλ του ελατηρίου, το ελάχιστο πάχος του λιπαντικού, η συνολική τριβή, οι απώλειες ισχύος και ο ρυθμός ροής λιπαντικού, αναλύθηκαν και παρουσιάστηκαν για διαφορετικές συνθήκες λειτουργίας. Πρακτικά, χρησιμοποιήθηκαν αριθμητικά μοντέλα για τον υπολογισμό της ισορροπίας του ελατηρίου μέσα στο διάκενο του εμβόλου. Η ανάλυση της ροής του λιπαντικού στην επαφή ελατηρίου-κυλίνδρου προσομοιώθηκε με την χρήση των εξισώσεων Navier-Stokes. Για το φαινόμενο της σπηλαίωσης, η οριακή συνθήκη Half-Sommerfeld και η εξίσωση των Rayleigh-Plesset για τον υπολογισμό του όγκου των υδρατμών χρησιμοποιήθηκαν στα μοντέλα ρευστομηχανικής. Επιπλέον, η μεταβολή των ρεολογικών ιδιοτήτων του λιπαντικού λόγω της πίεσης και της θερμοκρασίας λήφθηκε υπόψιν κατά την προσομοίωση. Ενδεικτικά, για τη συμπεριφορά των λιπαντικών με πρόσθετα, οι εξισώσεις Navier-Stokes συνδυάστηκαν με ένα μοντέλο ψευδοπλαστικού ρευστού (power law model). Αρχικά, η αλληλεπίδραση του λιπαντικού και του ελατηρίου στο αυλάκι του εμβόλου διαμορφώθηκε με ένα δισδιάστατο μοντέλο αλληλεπίδρασης λιπαντικού-στερεού. Αυτή η προτεινόμενη μέθοδος επέτρεψε την πλήρη στατική λύση του προβλήματος της πλήρης λίπανσης του ελατηρίου συμπίεσης σε δισδιάστατη δομή καθώς και τον έλεγχο της δομικής ακεραιότητας του, περιλαμβάνοντας διάφορες σύνθετες γεωμετρίες είτε στο προφίλ του ελατηρίου είτε στην επιφάνεια του κυλίνδρου. Συγχρόνως, οι ιδιότητες του λιπαντικού λήφθηκαν στατικά κατά την διάρκεια αυτής της ανάλυσης. Στην συνέχεια της παρούσας διατριβής και μετά την πρώτη προσέγγιση δημιουργήθηκαν μοντέλα υπολογιστικής ρευστομηχανικής προσομοιώνοντας την στενή επαφή του ελατηρίου με τον κύλινδρο σε συνθήκες μικτής και υδροδυναμικής λίπανσης με πιο ρεαλιστικές οριακές συνθήκες. Στα προτεινόμενα αυτά μοντέλα λήφθηκαν υπόψιν ταυτόχρονα οι εξισώσεις Navier-Stokes για την προσομοίωση της ροής του λιπαντικού, το φαινόμενο της σπηλαίωσης (εξίσωση Rayleigh-Plesset), η αλληλεπίδραση των τραχυτήτων (Greenwood-Tripp μοντέλο) και οι θερμικές επιδράσεις (που περιλαμβάνουν και τις ιδιότητες των επιμεταλλώσεων στο προφίλ του ελατηρίου). Τα αποτελέσματα που προέκυψαν από τα παραπάνω υπολογιστικά δισδιάστατα μοντέλα έδειξαν καλή ταύτιση με πειραματικές και αναλυτικές προβλέψεις από δημοσιευμένες έρευνες σε διακριτά επιστημονικά περιοδικά.Στη συνέχεια της διατριβής, πραγματοποιήθηκαν πειραματικές μετρήσεις σε ένα πραγματικό κινητήρα, με σκοπό την κατανόηση της δυναμικής του εμβόλου και του ελατηρίου συμπίεσης. Πιο αναλυτικά, αναπτύχθηκε μια πρότυπη μη καταστροφική μέθοδος σε έναν μονοκύλινδρο τετράχρονο κινητήρα, τοποθετώντας κατάλληλα επιμηκυνσιόμετρα για να μετρηθεί η τριβή του κινητήρα και του ελατηρίου συμπίεσης. Ταυτόχρονα ένας αισθητήρας ήχου τοποθετήθηκε κατά μήκος της διαδρομής του εμβόλου ώστε να εξεταστεί το φαινόμενο του «χτυπήματος» του εμβόλου (piston slap). Οι περιορισμοί και η αξιοπιστία των μεθόδων μελετήθηκαν πλήρως, προτείνοντας παράλληλα μια νέα μέθοδος μέτρησης τριβής σε κινητήρες εσωτερικής καύσης σε ρεαλιστικές συνθήκες. Η τριβή και ο θόρυβος, που προέκυψαν από τις μετρήσεις, παρουσίασαν ότι η συνεισφορά του λεπτού ελατηρίου συμπίεσης στην συνολική τριβή του συστήματος ήταν κυρίαρχη, κυρίως στην περιοχή της μέγιστης καύσης και της χαμηλής ταχύτητας ολίσθησης. Αυτό το εύρημα έδειξε ότι η λεπτή φύση του ελατηρίου συμπίεσης σε συνδυασμό με τις συνθήκες λίπανσης μπορεί να οδηγήσει σε υψηλή συνολική τριβή, άρα και σε αυξημένες απώλειες τριβής και φθοράς κατά τη διάρκεια κυρίως των συνθηκών εκκίνησης του κινητήρα.Ως εκ τούτου, στην παρούσα διατριβή προτάθηκε και εξετάσθηκε μια τεχνητή επιφανειακή τοπογραφία στην επιφάνεια του ελατηρίου συμπίεσης έχοντας ως στόχο την βελτίωση του. Πρακτικά, όπως προέκυψε από τα αριθμητικά αποτελέσματα και τις πειραματικές μετρήσεις στον κινητήρα, οι τρέχουσες προκλήσεις για τη βελτίωση της τριβολογικής συμπεριφοράς στα ελατήρια συμπίεσης απαιτούν μια κατάλληλα επιφανειακή κατεργασία που θα μπορεί να λειτουργήσει σε διαφορετικές συνθήκες λίπανσης (οριακής, μικτής και υδροδυναμικής) με στόχο την μείωση της τριβής και της φθοράς. Για την επίλυση αυτού του προβλήματος, εστιάσαμε σε τεχνητές μικροτραχύτητες τετραγωνικού σχήματος ως κύρια στρατηγική την ελαχιστοποίηση της τριβής και το έλεγχο της φθοράς των κινούμενων επιφανειών σε ένα κινητήρα, όπως είναι το ελατήριο συμπίεσης. Διαφορετικές πυκνότητες και θέσεις τετραγωνικών μικροτραχυτήτων με επιμεταλλώσεις και χωρίς εξετάσθηκαν χρησιμοποιώντας ένα δοκιμαστήριο τριβής δίσκου–ελατηρίου. Τα ευρήματα έδειξαν ότι η πυκνή τεχνητή επιφάνεια με τετραγωνικές μικροτραχύτητες και με επιμετάλλωση ήταν υπεύθυνη για τον καλύτερο έλεγχο του πάχους του λιπαντικού και της φθοράς σε συνθήκες μικτής λίπανσης.Εν τέλει, μελλοντικές προοπτικές που προέκυψαν από την παραπάνω έρευνα πάνω στο συγκεκριμένο αντικείμενο περιλαμβάνουν τα εξής θέματα: η ανάπτυξη ενός τρισδιάστατου μοντέλου για την υποστήριξη με πιο λεπτομερή τρόπο του σχεδιασμού του ελατηρίου συμπίεσης, η βελτιστοποίηση των μεθόδων μέτρησης (π.χ. μέθοδος με την χρήση επιμηκυνσιομέτρων και η επιρροή της θερμοκρασίας λειτουργίας) και η βελτιστοποίηση της τεχνητής μικροτραχύτητας.