Männän öljyjäähdytys keskinopeassa polttomoottorissa

Abstract

The piston in an internal combustion engine has a demanding job. While sliding inside the cylinder it has to seal the combustion chamber and transmit high pressure force to the crankshaft. Same time the piston is exposed to great thermal load. The piston is in touch with hot combustion gases so it must be cooled using lubricating oil to prevent piston from overheating. Too high piston temperature causes a seizure between cylinder liner and piston. Dimensioning a piston is a challenging task where static loading, fatigue, and thermal stresses have to be taken into account. Knowing the temperature field of the piston is a difficult part of this task. In order to find the temperature field very often a laboratory measurement has to be performed which is expensive and time consuming part in a piston development process. Aim of this thesis was to investigate what matters affect the piston cooling. Simulation model for solving the piston temperature field was developed to investigate the significance of different issues. To form a basis for simulation model the theory of heat transfer and existing piston cooling methods were explored. Empirical correlations were introduced to find out the thermal load. The cooling effect of oil was simulated using Particleworks software which is based on MPS-method (moving particle simulation). Finally these boundary conditions were merged and piston temperature field was solved with finite element method. To validate the developed model a series of laboratory measurements was performed on W31SG gas engine. Based on the measurements the model is working well for the engine in question. The model can predict piston temperature field fairly accurately when different cooling oil flow rates and engine loads are used. Difference between simulated and measured temperatures was 21°C on average which can be considered as a good result. This thesis forms a basis for further development of piston thermal analysis methods.

Polttomoottorin männällä on monta vaativaa tehtävää. Sen on sylinteriholkissa liikkuessaan samalla tiivistettävä palotila sekä välitettävä suuri painevoima korkealle lämpökuormalle altistuneena. Mäntä on jatkuvasti kosketuksissa kuumien palamiskaasujen kanssa, joten sitä on jäähdytettävä moottorin voiteluöljyllä, ettei männän lämpötila nousisi yli sallitun rajan. Liian korkea männän lämpötila johtaa männän ja sylinteriholkin väliseen kiinnileikkautumiseen. Männän lujuusmitoitus on vaativa tehtävä, jossa on huomioitava staattinen kuormitus, väsyminen ja lämpöjännitykset. Männän lämpötilakentän tunteminen on merkittävä, mutta vaikeasti selvitettävissä oleva osa tätä mitoitustehtävää. Tätä tarkoitusta varten polttomoottorin kehitystyötä tehtäessä männän lämpötilat joudutaan usein mittaamaan laboratoriossa, mikä on kallista ja vie paljon aikaa. Työn tavoitteena oli tutkia, mitkä eri tekijät vaikuttavat männän jäähdytykseen. Jotta eri tekijöiden vaikutus saadaan selville, työssä luotiin lämpötilakentän ratkaisemiseksi uusi simulointimenetelmä. Simulointimenetelmän perustaksi tutustuttiin ensin lämmönsiirron yleiseen teoriaan ja olemassa oleviin männän jäähdytysratkaisuihin. Laskentamallissa lämpökuorman selvittämiseksi sovellettiin kirjallisuudesta löytyviä kokemusperäisiä korrelaatiokaavoja. Öljyn jäähdytysvaikutus männän jäähdytystilassa simuloitiin uudella MPS-menetelmään (moving particle simulation) perustuvalla Particleworks-ohjelmistolla. Lopulta nämä reunaehdot yhdistettiin ja männän lämpötilakenttä ratkaistiin elementtimenetelmän avulla. Luodun laskentamenetelmän validoimiseksi suoritettiin laboratoriomoottorilla sarja männän lämpötilamittauksia W31SG-kaasumoottorilla. Mittausten perusteella menetelmä toimii hyvin kyseiselle kaasumoottorille. Malli kykenee ennustamaan männän lämpötilakentän melko tarkasti eri jäähdytysöljyn virtausmäärillä ja moottorin eri kuormilla. Ero mitattujen ja simuloitujen lämpötilojen välillä oli keskimäärin 21°C, mitä voidaan pitää hyvänä tuloksena. Työ muodostaa pohjan männän lämmönsiirron simuloinnin jatkokehitykselle.