Modelowanie procesów przepływowych w układzie tłok-pierścienie-cylinder silnika spalinowego

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. 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.

---

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 behavior, 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 fl utter 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.