Development of a Piston Ring Pack Model for Internal Combustion Engines

Αντωνόπουλος, Σπυρίδων; Korenti, Anastasia

dc.contributor.author	Αντωνόπουλος, Σπυρίδων	el
dc.contributor.author	Korenti, Anastasia	en
dc.date.accessioned	2018-01-17T09:56:42Z
dc.date.available	2018-01-17T09:56:42Z
dc.date.issued	2018-01-17
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/46210
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.15047
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/gr/	*
dc.subject	Μηχανές Εσωτερικής Καύσεως	el
dc.subject	Ελατήρια Εμβόλου	el
dc.subject	Ναυτικοί κινητήρες	el
dc.subject	Ανάπτυξη Λογισμικού για Προσομοίωση	el
dc.subject	Μοντελοποίηση	el
dc.subject	Internal Combustion Engines	en
dc.subject	Piston Rings	el
dc.subject	Marine Engine	el
dc.subject	Software Model Development	el
dc.subject	Piston Ring Pack	el
dc.title	Development of a Piston Ring Pack Model for Internal Combustion Engines	en
dc.title	Ανάπτυξη Λογισμικού για την Προσομοίωση Ελατηρίων Εμβόλου σε Μηχανές Εσωτερικής Καύσεως	el
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	MARINE ENGINEERING	en
heal.classificationURI	http://data.seab.gr/concepts/3d257f31491bff09371cddeac5c6626dc154db39
heal.language	en
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2017-10-24
heal.abstract	Internal combustion engines are widely used in industry. In the maritime industry, a variety of different combustion engines are used to provide propulsion and electric power. Typically, a conventional cargo ship operates with one large bore 2-stroke marine engine that is directly coupled with the propeller to provide the required thrust, while a set of two or more smaller 4-stroke engines generate the electricity for hotel loads, machinery operation, navigation systems, etc. Strict regulations regarding the emissions of the ships, as well as the need for the minimization of running and maintenance costs are important factors that dictate the development of technologically advanced IC engines. Moreover, reliability is critical, considering that safety at sea is of the utmost importance. The piston ring pack assembly in IC engines plays an essential role as it provides the necessary dynamic seal for the combustion chamber. Energy losses due to friction in the ring pack account for approximately 1.1 to 4 percent of the total energy loss in the engine. Thus, design for minimization of friction in ring packs is meaningful. Furthermore, design for minimization of the blow-by increases the engine’s efficiency while it reduces the unburned hydrocarbon emissions. Another important aspect of piston ring pack design is wear as ring replacement can be very expensive for large bore 2-stroke marine engines. On some occasions, extensive wear can also shorten the engine’s life. In the present study, a two-dimensional model for the simulation of the piston ring pack system has been developed. Physical formulation allows for the ring dynamics and gas dynamics to be coupled in an integrated model. This model is capable of predicting ring movement, gas pressure in both the back of the ring and the inter-ring volumes, and gas flow in the various crevices of the ring pack system. A simplified software model has been implemented for a 4-stroke gasoline engine and has been validated against literature data. In particular, given the land pressures and the ring motion, the present model is capable of calculating the pressure distribution acting on the ring generated by three different phenomena: pressure generation due to the gas in the ring-groove channel, pressure by the oil in the piston groove, and asperity contact pressure between the ring and its groove. The implemented model is also capable of calculating the gas flows through the ring groove channel and the ring gap. The validity of the model has been verified by comparisons with both the outputs of a similar published model and with experimental data.	en
heal.abstract	Οι μηχανές εσωτερικής καύσεως χρησιμοποιούνται ευρέως στη βιομηχανία. Στη ναυπηγική, ένα πλήθος διαφορετικών μηχανών εσωτερικής καύσης χρησιμοποιούνται για την παραγωγή πρόωσης και ηλεκτρικής ενέργειας. Συνήθως, ένα συμβατικό φορτηγό πλοίο λειτουργεί με έναν μεγάλο δίχρονο κινητήρα Diesel που συνδέεται άμεσα με την έλικα μέσω ενός άξονα, ενώ δύο οι περισσότεροι μικρότεροι 4-χρονοι κινητήρες βενζίνης παράγουν την απαιτούμενη ηλεκτρική ενέργεια για τους χώρους ενδιαίτησης, τα σύστημα πλοήγησης, τα υδραυλικά συστήματα και τα λοιπά βοηθητικά μηχανήματα. Οι αυστηροί κανόνες για τις εκπομπές ρύπων από τα πλοία, αλλά και η ανάγκη για ελαχιστοποίηση του κόστους λειτουργίας και συντήρησης, είναι σημαντικοί παράγοντες που κάνουν επιτακτική την ανάγκη για την ανάπτυξη τεχνολογικά προηγμένων κινητήρων. Επιπρόσθετα, η αξιοπιστία είναι ένας ακόμη παράγοντας υψίστης σημασίας, δεδομένης της ανάγκης για ασφάλεια στη θάλασσα. Το σύστημα ελατηρίων εμβόλου στις μηχανές εσωτερικής καύσης έχει ως στόχο την δυναμική μόνωση του θαλάμου καύσης. Οι εκροές ενέργειας λόγω τριβών από το σύστημα ελατηρίων ευθύνεται για περίπου το 1.1 με 4.0% των συνολικών απωλειών ενέργειας στον κινητήρα. Συνεπώς, η σχεδίαση με στόχο την ελαχιστοποίηση της τριβής στο σύστημα ελατηρίων αποκτά σημασία. Επιπλέον, η σχεδίαση για την ελαχιστοποίηση εκροών καυσαερίου από τον θάλαμο καύσης αυξάνει τον βαθμό απόδοσης της μηχανής, ενώ ταυτόχρονα μειώνει τις εκπομπές άκαυστων υδρογονανθράκων. Ένας ακόμη σημαντικός παράγοντας για την σχεδίαση του συστήματος ελατηρίων είναι η φθορά, καθώς η αντικατάσταση ελατηρίων είναι ιδιαίτερα ακριβή για μεγάλους δίχρονους ναυτικούς κινητήρες Diesel, ενώ σε ορισμένες περιπτώσεις, η εκτεταμένη φθορά μπορεί να οδηγήσει σε μειωμένο χρόνο ζωής της μηχανής. Στην παρούσα εργασία, αναπτύχθηκε ένα αξονοσυμμετρικό μοντέλο για την προσομοίωση του συστήματος ελατηρίων εμβόλου. Η φυσική διαμόρφωση του μοντέλου επιτρέπει την ζεύξη της δυναμικής των ελατηρίων με τη δυναμική του καυσαερίου στο σύστημα. Το μοντέλο αυτό είναι ικανό να προβλέψει την κίνηση των ελατηρίων, την πίεση του αερίου πίσω από το ελατήριο και στον χώρο μεταξύ δύο διαδοχικών ελατηρίων, και τη ροή μάζας αερίου στα διάφορα κανάλια του συστήματος ελατηρίων, σε κάθε χρονική στιγμή λειτουργίας. Το αναπτυχθέν μοντέλο εφαρμόστηκε τμηματικά σε 4-χρονο κινητήρα βενζίνης και επικυρώθηκε με τη βοήθεια αποτελεσμάτων της βιβλιογραφίας. Πιο αναλυτικά, το εν λόγω μοντέλο, λαμβάνοντας ως εισαγωγή την κίνηση του ελατηρίου και τις πιέσεις στους διάφορους χώρους (πίσω, πάνω, και κάτω από το ελατήριο), είναι ικανό να υπολογίζει την κατανομή πίεσης πάνω στις πλευρές του ελατηρίου λόγω των εξής τριών διαφορετικών φαινομένων: ανάπτυξη πίεσης λόγω της ύπαρξης αερίου στο κανάλι μεταξύ του ελατηρίου και της αυλάκωσης, ανάπτυξη πίεσης από το λιπαντικό φιλμ που είναι εναποτεθημένο πάνω στην αυλάκωση, και ανάπτυξη πίεσης λόγω της επαφής τραχύτητας μεταξύ της πλευράς του ελατηρίου και της αντίστοιχης πλευράς της αυλάκωσης. Το αναπτυχθέν μοντέλο είναι ικανό, επίσης, να υπολογίζει τις ροές μάζας αερίου στο κανάλι μεταξύ του ελατηρίου και της αυλάκωσης και στο άνοιγμα του ελατηρίου. Η ακρίβεια του μοντέλου επικυρώθηκε μέσω σύγκρισης των αποτελεσμάτων του τόσο με αποτελέσματα παρόμοιου μοντέλου, όσο και με πειραματικά δεδομένα.	el
heal.advisorName	Παπαδόπουλος, Χρήστος	el
heal.committeeMemberName	Παπαδόπουλος, Χρήστος	el
heal.committeeMemberName	Καϊκτσής, Λάμπρος	el
heal.committeeMemberName	Παπαλάμπρου, Γεώργιος	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Ναυπηγών Μηχανολόγων Μηχανικών. Τομέας Ναυτικής Μηχανολογίας	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	78 σ.	el
heal.fullTextAvailability	true