Aspects of lubrication in piston cylinder assemblies

Abstract

The main objective of the project is to characterise piston ring lubrication in reciprocating test rigs and engines in terms of film thickness as a function of oil properties, reciprocating speed and load. A purpose-built test rig, which consists of a moving liner and a fixed piston ring, is used to measure the oil film thickness employing the capacitance and laser induced fluorescence (LIF) techniques. The intensity of the fluorescent light measured as voltage is interpreted as film thickness through calibration. Ring profile fitting is being used as the standard calibration method, but also a dynamic technique has been proposed whereby a groove of known depth on a piston ring specimen is used to provide in-situ dynamic calibration, circumventing the uncertainties of oil film temperature and properties variation during the cycle. A micrometer based static calibration method is compared directly to the dynamic one. The power output of the fibres should be taken into account as well as background noise and resident voltage on the fluorescence detector. Extensive oil parametric studies have been conducted and oil film thickness, LIF, friction and oil film pressure measurements are presented and compared for different speed, load, temperature, lubricant type and piston-ring geometry. The goal of enhancing the repeatability of the parametric study was achieved through the different positioning of the capacitance transducer and through the increased rigidity of the simulation rig. Useful results were drawn and the effect of properties such as viscosity, viscosity index, HTHS, piston – ring curvature and ring “effective width” on film thickness, film pressure and friction could be determined. Viscosity remains an important factor. Oil flow visualisation using a CCD camera allowed observation of cavitation throughout the stroke through a glass liner. At mid-stroke the presence of string cavities was evident, whereas near the dead centres the initiation of cavitation was observed in the form of fern-shaped cavities at the diverging wedge of the piston ring specimen at all times. The cavities take the shape of ferns, grown ferns, fissures, strings and bubbles. The existence of the cavities, previously identified indirectly with the LIF technique, was further supported by measurements using a new aluminium liner which incorporates a miniature pressure transducer used for the first time for oil film pressure measurements and an optical fibre. The oil film pressure measurements provided further support to the interpretation of cavitation at different parts of the stroke. The transition between different cavitating conditions (from Pvapour to Patm) previously identified in the minimum oil film thickness measurement signal was further supported by the addition of the glass liner and the pressure transducer. Eventually, an insight was obtained into the onset and development of cavitation in the piston assembly via the simulation test rig, which will encourage further efforts in modelling cavitation under a much wider range of operating conditions than those examined here. Engine testing under motoring conditions was conducted in a modified single cylinder engine with parts of the liner cut and fitted with quartz windows for visualisation experiments. Comparable cavity forms to the test rig were identified and an approach towards their formation is presented. It became clear that the numerous factors affecting the lubrication between the piston-rings and cylinder liner in the engine are giving a different picture compared to the single-ring test rig where the structures are more uniform and the transition from one cavitation type to another is much clearer. The unavailability of the oil film pressure measurements for the engine, though, does not support as strongly the findings from imaging. The top compression ring operates under starved lubrication conditions. Oil droplets were captured by the camera emerging from the ring side clearances that contribute to oil transport. Higher magnification imaging gave further evidence and was compared with previous engine research on oil transport.The engine study was limited by the unclear images obtained from the CCD camera and the window size which on one hand has the required size for the future firing tests and on another is quite small to provide adequate information about the residence time of the cavities that were identified. Another limiting factor of the study regarding the simulation test rig is that it can only provide data for the case of atmospheric conditions.

Ο κύριος σκοπός του ερευνητικού προγράμματος είναι ο χαρακτηρισμός της λίπανσης σε εμβολοφόρες μηχανές εσωτερικής καύσης. Οι μετρήσεις οι οποίες πραγματοποιούνται είναι το πάχος του λιπαντικού φιλμ μεταξύ του ελατηρίου του εμβόλου και του χιτωνίου ως συνάρτηση των φυσικών και χημικών ιδιοτήτων του λιπαντικού, της ταχύτητας παλινδρόμησης, του φορτίου και της θερμοκρασίας του. Μια απλοποιημένη πειραματική διάταξη προσομοίωσης της λίπανσης, η οποία αποτελείται από ένα κινούμενο χιτώνιο που παλινδρομεί και ένα τμήμα ελατηρίου εμβόλου, που είναι σταθερό, χρησιμοποιείται για τις μετρήσεις του φιλμ του λιπαντικού με ηλεκτρικές και οπτικές (LASER INDUCED FLUORESCENCE-LIF) μεθόδους. H ένταση του φθορίζοντος φωτός μετριέται ως τάση και έπειτα ερμηνεύεται ως πάχος φιλμ λιπαντικού μέσω της κατάλληλης βαθμονόμησης. Η βαθμονόμηση αυτή μπορεί να είναι στατική (με μικρόμετρο) ή δυναμική (με σχισμή στο ελατήριο του εμβόλου). Οι δύο μέθοδοι βαθμονόμησης συγκρίνονται απευθείας. Πραγματοποιήθηκε επίσης παραμετρική μελέτη και οι μετρήσεις του φιλμ, μετρήσεις με LASER (LIF), μετρήσεις δύναμης τριβής και πίεσης του φιλμ, οι οποίες συγκρίνονται για διαφορετική ταχύτητα, φορτίο, θερμοκρασία, τύπο λιπαντικού και γεωμετρία (προφίλ καμπυλότητας) του ελατηρίου πιστονιού. Η οπτικοποίηση του φιλμ πραγματοποιείται με CCD κάμερα, η οποία επέτρεψε την παρατήρηση της σπηλαίωσης μέσω ενός ειδικά κατασκευασμένου γυάλινου χιτωνίου στην απλοποιημένη πειραματική διάταξη προσομοίωσης. Στο μέσο της διαδρομής του χιτωνίου, η παρουσία σπηλαίωσης με τη μορφή γραμμών που εκτείνονται μέχρι την άκρη του ελατηρίου του εμβόλου ήταν εμφανής, ενώ κοντά στα νεκρά σημεία (ΑΝΣ και ΚΝΣ) η αρχή της σπηλαίωσης παρατηρήθηκε με τη μορφή φυλλωσιών. Η παρουσία της σπηλαίωσης η οποία είχε ταυτοποιηθεί εμμέσως από τις μετρήσεις του LIF, υποστηρίχθηκε περαιτέρω με μετρήσεις πίεσης μέσω ενός μίνι - μεταλλάκτη πίεσης. Αυτές οι μετρήσεις πιέσεως παρείχαν περαιτέρω τεκμήρια και βοήθησαν στην ολοκληρωμένη ερμηνεία του φαινομένου στα διάφορα σημεία της διαδρομής του εμβόλου.Σε έναν τροποποιημένο μονοκύλινδρο εμβολοφόρο κινητήρα DIESEL, πραγματοποιήθηκαν επίσης πειράματα οπτικοποίησης του φιλμ του λιπαντικού. Στο χιτώνιο του κινητήρα κοπήκαν τμήματα στα οποία τοποθετήθηκαν παράθυρα σε όλο το μήκος της διαδρομής του εμβόλου ώστε να οπτικοποιηθεί το φιλμ του λιπαντικού. Συγκρίσιμες μορφές σπηλαίωσης με αυτές που είχαν ταυτοποιηθεί στην απλοποιημένη πειραματική διάταξη ήταν εμφανείς και στο κινητήρα. Φωτογραφίες με πολύ υψηλή μεγέθυνση έδωσαν περαιτέρω ενδείξεις και λεπτομέρειες και συγκρίθηκαν με προηγούμενες εργασίες πάνω στη μεταφορά του λιπαντικού στο κύλινδρο, μεταξύ ελατηρίων εμβόλου και χιτωνίου. Η διδακτορική εργασία πραγματοποιήθηκε στο Εργαστήριο ΜΕΚ του IMPERIAL COLLEGE, Thermofluids Section, και του Kέντρου Έρευνας για την Ενέργεια και το Περιβάλλον του CITY UNIVERSITY London, υπό την επίβλεψη του καθηγητή κ. Κωνσταντίνου Αρκουμάνη, μετέπειτα αντιπρύτανη του City University London. Το ερευνητικό πρόγραμμα χρηματοδοτήθηκε από το Ίδρυμα Κρατικών Υποτροφιών (Ι.Κ.Υ.), χρησιμοποιήθηκαν λιπαντικά της εταιρίας CASTROL/ΒΡ για τα πειράματα, η απλοποιημένη πειραματική διάταξη μελέτης των λιπαντικών είναι ειδική κατασκευή του Εργαστηρίου ΜΕΚ του Imperial College και οι δύο εμβολοφόροι κινητήρες που χρησιμοποιήθηκαν για τα πειράματα είναι: α) Lister Petter PHW1 (μονοκύλινδρος DIESEL άμεσου ψεκασμού) με ειδικές τροποποιήσεις στο κορμό του κινητήρα για να υποδεχτεί α) οπτικές ίνες για τα πειράματα LIF και β) παράθυρα για την οπτικοποίηση της λίπανσης και β) AVL LIST MAN (μονοκύλινδρος υπερσυμπιεζόμενος κινητήρας DIESEL άμεσου ψεκασμού) για τα πειράματα λίπανσης και απορροής λιπαντικού από συγκεκριμένες θέσεις κατά τη διαδρομή και περιφέρεια του κυλίνδρου της μηχανής.