ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΟ ΕΚΠΑΙ ΕΥΤΙΚΟ Ι ΡΥΜΑ ΑΘΗΝΩΝ ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΤΜΗΜΑ ΝΑΥΠΗΓΙΚΗΣ ΝΑΥΤΙΚΗ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΙΑ 31 Μαρτίου 29 George Livanos Page 1 Μηχανικές Απώλειες των Κυρίων Στοιχείων Κινηµατικού Μηχανισµού Ναυτικών Μηχανών: Θεωρητική Προσέγγιση, Εφαρµογές και Πειραµατικός Προσδιορισµός ΓΕΩΡΓΙΟΣ Α. ΛΙΒΑΝΟΣ ρ. Ναυπηγός Μηχανολόγος Μηχανικός - ΕΜΠ Μάρτιος 29
Αντικείµενο: 31 Μαρτίου 29 George Livanos Page 2 Παρουσίαση γενικού µοντέλου τριβής κινηµατικού µηχανισµού Μ.Ε.Κ. Μελέτη των συνθηκών λίπανσης Ανάλυση δυναµικής κινηµατικού µηχανισµού εµβόλου διωστήρα στροφάλου. Τριβολογική ανάλυση 4-Χ ναυτικών κινητήρων Diesel Πειραµατικός Προσδιοριµός
ιατύπωση Προβλήµατος: 31 Μαρτίου 29 George Livanos Page 3 Αύξηση του κόστους ναυτικών καυσίµων Περιβαλλοντικά ζητήµατα (µείωση εκποµπών CO2) Βελτίωση του µηχανικού βαθµού απόδοσης των ναυτικών κινητήρων
ιατύπωση Προβλήµατος: 31 Μαρτίου 29 George Livanos Page 4 Καλύτερη κατανόηση και µέτρηση των διαφόρων συνιστωσών τριβής των τµηµάτων της µηχανής Ανάπτυξη λεπτοµερών µοντέλων της τριβής των µηχανών εσωτερικής καύσης
Μοντέλα Τριβών Μ.Ε.Κ. 31 Μαρτίου 29 George Livanos Page 5 Ηµι-εµπειρικά µοντέλα Μαθηµατικά µοντέλα
Ηµι-εµπειρικά µοντέλα: 31 Μαρτίου 29 George Livanos Page 6 Απλές µαθηµατικές εκφράσεις µε εµπειρικούς συντελεστές. Προκύπτουν κυρίως από δοκιµές ετεροκίνησης (motoring) µηχανών (µικρού µεγέθους αυτοκινήτων). Συνήθως υπολογίζουν τη µέση τριβή στη διάρκεια ενός κύκλου λειτουργίας.
Μαθηµατικά µοντέλα: 31 Μαρτίου 29 George Livanos Page 7 Επίλυση των εξισώσεων που διέπουν το φαινόµενο της λίπανσης και τριβής. Υπολογισµός των στιγµιαίων απωλειών τριβής. Ευρύ πεδίο εφαρµογής Μελέτη µεµονωµένων συνιστωσών τριβής Έλλειψη συνολικής µοντελοποίησης του κινηµατικού µηχανισµού του κινητήρα.
ΜΕΡΟΣ Α: ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΗ ΜΟΝΤΕΛΟΠΟΙΗΣΗ Αναπτυχθέντα Μοντέλα 31 Μαρτίου 29 George Livanos Page 8 Λεπτοµερές Μοντέλο Τριβής 4-χρονου κινητήρα Απλοποιηµένο Μοντέλο Τριβής 4-χρονου κινητήρα υναµικό Μοντέλο Κινηµατικού Μηχανισµού Εµβόλου ιωστήρα - Στροφάλου
Λεπτοµερές Μοντέλο Τριβής (1) θεώρηση του κινητήρα ως σύνολο µονάδων (κυλίνδρων) εµβόλου-διωστήρα-στροφάλου. 31 Μαρτίου 29 George Livanos Page 9 Κάθε µονάδα αποτελείται από: Ελατήρια εµβόλου Σώµα εµβόλου Έδρανα
Λεπτοµερές Μοντέλο Τριβής (2) Στοιχείο Εδράνου 31 Μαρτίου 29 George Livanos Page 1 Εξίσωση Reynolds για έδρανο µε πεπερασµένες διαστάσεις Ισοθερµικές ισοσυνεκτικές συνθήκες υναµική φόρτιση Άκαµπτες επιφάνειες
Λεπτοµερές Μοντέλο Τριβής (3) Στοιχείο Εδράνου 31 Μαρτίου 29 George Livanos Page 11 3 P 2 3 P ( 1+εcosθ ) + Rbearing ( 1+εcosθ) θ θ z z 2 R ( ) C bearing = 12µ εcos θ+ε φ ω sin θ F= Εξίσωση Reynolds Εξίσωση Ισορροπίας υνάµεων του Ρότορα
Λεπτοµερές Μοντέλο Τριβής (4) Συστοιχία ελατηρίων 31 Μαρτίου 29 George Livanos Page 12 Μικτή υδροδυναµική λίπανση µε περιορισµένη τροφοδότηση λιπαντικού Άκαµπτες επιφάνειες Ισοθερµικές ισοσυνεκτικές συνθήκες προσέγγιση µε 2 ελατήρια συµπίεσης και 1 λίπανσης Βαρελοειδές προφίλ ελατηρίου
Λεπτοµερές Μοντέλο Τριβής (5) Συστοιχία ελατηρίων 31 Μαρτίου 29 George Livanos Page 13 Εξισώσεις Reynolds και ισορροπίας δυνάµεων στο ελατήριο = u + x 12µ x 2 x t F= 3 h p 1 h h
Λεπτοµερές Μοντέλο Τριβής (6) Σώµα εµβόλου 31 Μαρτίου 29 George Livanos Page 14 Υδροδυναµική λίπανση Άκαµπτες επιφάνειες Ισοθερµοκρασιακές ισοσυνεκτικές συνθήκες Εγκάρσια ταλάντωση εµβόλου
Λεπτοµερές Μοντέλο Τριβής Σώµα εµβόλου (7) F gas Cg Cp θ= θ =π F 31 Μαρτίου 29 George Livanos Page 15 skirt F fring inertial F piston _ x + F inertial pin _ x F fskirt inertial M piston inertial F M piston _ y skirt + M +M fskirt gp inertial F pin _ y F rod α L θ
Λεπτοµερές Μοντέλο Τριβής (8) Σώµα εµβόλου 31 Μαρτίου 29 George Livanos Page 16 β α β α mpiston 1 + mpin 1 mpiston + mpin L L L L et Ipiston I piston eb β β + mpiston ( α β) 1 + mpiston ( α β) L L L L = F (F + F + F + F + F )tanφ M M M F C F C F C inertial inertial skirt fskirt fring gas pistony piny inertial skirt + fskirt + gp + fring P + gas P pistony g
Απλοποιηµένο Μοντέλο Τριβής (1) Απλοποιητική Παραδοχή Στενού Εδράνου 31 Μαρτίου 29 George Livanos Page 17 Ηµιεµπειρικές Συνοριακές Συνθήκες Παραδοχή βαρελοειδούς συµµετρικού προφίλ ελατηρίου Εµπειρικός Προσδιορισµός της περιοχής λίπανσης κατά µήκος του προφίλ του ελατηρίου. Αναλυτική επίλυση Χαµηλό υπολογιστικό κόστος Εύκολη µοντελοποίηση πολυκύλινδρων διατάξεων h = f h,speed, viscocity,load,geometry t ( ) Τριβή
Απλοποιηµένο Μοντέλο Τριβής (2) Συνεργασία µε Θερµοδυναµικούς Κώδικες ιεργασιών Μ.Ε.Κ. 31 Μαρτίου 29 George Livanos Page 18 Engine Speed set point Governor Load Torque fuel Engine Speed Simplified Friction Model In-cylinder pressures In-cylinder temperatures Thermodynamic Code Friction Torque Engine Performance
υναµικό Μοντέλο Κινηµατικού Μηχανισµού (1) T i = (pi p atm)arg( ϕ) 31 Μαρτίου 29 George Livanos Page 19 T T T = J φ+ T + T TS + TD = JL φ L + TL r r1 r2 i f r e S D T = T ( ϕϕ, ) + T ( ϕϕ, ) T(, ϕ ϕ ) = MrG( ϕ)g() ϕ ϕ r1 1 T ( ϕ, ϕ ) = MrG( ϕ)g ( ϕ) ϕ r2 2 T = D ϕ ϕ ( ) T = S ϕ ϕ ( ) D S L L 2
υναµικό Μοντέλο Κινηµατικού Μηχανισµού (2) 31 Μαρτίου 29 George Livanos Page 2
υναµικό Μοντέλο Κινηµατικού Μηχανισµού (3) 31 Μαρτίου 29 George Livanos Page 21 Indicated Torque [Nm] Reciprocating Torque [Nm] Friction Torque [Nm] 5-5.2.4.6.8.1.12.14 time [s] 2 1-1 -2.2.4.6.8.1.12.14 time [s] 2 15 1 5.2.4.6.8.1.12.14 time [s]
υναµικό Μοντέλο Κινηµατικού Μηχανισµού (4) 15 15 1 5.5.1.15.2 time [s] 98 96 94 92 speed of theta [rad/s] theta 1 [rad] 1 5.5.1.15.2 time [s] 98 96 94 92 speed of theta1 [rad/s] theta [rad] 31 Μαρτίου 29 George Livanos Page 22.5.1.15.2 time [s] 9 9.5.1.15.2 time [s]
ΜΕΡΟΣ Β: ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟΣ ΠΡΟΣ ΙΟΡΙΣΜΟΣ Εφαρµογή 1: Απλοποιηµένη Πειραµατική Εγκατάσταση Μικρού Κινητήρα 31 Μαρτίου 29 George Livanos Page 23 Εφαρµογή 2: Κινητήρας Ειδικής (state of the art) Κλίνης Τριβολογικών οκιµών, Πολύ Υψηλής Ακρίβειας, Ινστιτούτου Τριβολογίας του Leeds. Εφαρµογή 3: Ναυτικός Κινητήρας Μικρού Μεγέθους, Γνωστής Γεωµετρίας, Εργαστηριακής Κλίνης οκιµών µε υνατότητα ιεξαγωγής οκιµών motoring (MAN L16/24) Εφαρµογή 4: Ναυτικός Κινητήρας Μεσαίου Μεγέθους, Γνωστής Γεωµετρίας, ευρείας χρήσεως σε εγκαταστάσεις πρόωσης (MAN L32/4)
Εφαρµογή 1: Μονοκύλινδρος Κινητήρας (Ε.Μ.Π.) (1) Torque Arm 31 Μαρτίου 29 George Livanos Page 24 Electric Engine Shaft Coupling Shaft IC Engine Torque Arm
Εφαρµογή 1: Μονοκύλινδρος Κινητήρας (Ε.Μ.Π) (2) 31 Μαρτίου 29 George Livanos Page 25 Τµήµα Ναυπηγικής
Εφαρµογή 1: Μονοκύλινδρος Κινητήρας (Ε.Μ.Π.) (3) Κινηµατικός Μηχανισµός Εµβόλου- ιωστήρα-στροφάλου ΕΜΒΟΛΟ 31 Μαρτίου 29 George Livanos Page 26 ΙΩΣΤΗΡΑΣ ΠΕΙΡΟΣ ΣΦΟΝ ΥΛΟΣ ΣΤΡΟΦΑΛΟΦΟΡΟΣ ΑΞΟΝΑΣ
Εφαρµογή 1: Μονοκύλινδρος Κινητήρας (Ε.Μ.Π.) (4) Πειραµατικός Προσδιορισµός Τριβής 31 Μαρτίου 29 George Livanos Page 27 Electric Engine Shaft Coupling Shaft T measured ϕ 2 e = ϕ ϕ ϕ ϕ 2 e e c1 e c1 ( ) ( ) Je T D S t IC Engine 2 c1 Jc1 ϕ = D ϕ ϕ + S ϕ ϕ D ϕ ϕ S ϕ ϕ 2 t ( ) ( ) ( ) ( ) e c1 e c1 1 c1 c2 1 c1 c2 2 c2 Jc2 ϕ = D ϕ ϕ + S ϕ ϕ D ϕ ϕ S ϕ ϕ 2 t ( ) ( ) ( ) ( ) 1 c1 c2 1 c1 c2 2 c2 m 2 c2 m ϕ 2 m = 2( ϕ ϕ 2 2 ) + 2( ϕ ϕ 2 ) c m c m m Jm D S T t
Εφαρµογή 1: Μονοκύλινδρος Κινητήρας (Ε.Μ.Π.) (5) Πειραµατικός Προσδιορισµός Τριβής IC Engine Absorbed Torque Tm = Tgas + Tr + Tf 31 Μαρτίου 29 George Livanos Page 28 2 2 2 2 ϕ ϕ 1 ϕ 2 ϕ Je e + Jc1 c + Jc2 c + Jm m = T 2 2 2 2 measured T t t t t Electric Motor Developed Torque ϕ ϕ ϕ ϕ Tfriction = Tmeasured Tgas Tr Je Jc Jc Jm t t t t 2 2 2 2 e c1 c2 m 1 2 2 2 2 2 m
Εφαρµογή 1: Μονοκύλινδρος Κινητήρας (Ε.Μ.Π.) (6) Πειραµατική ιάταξη 31 Μαρτίου 29 George Livanos Page 29 Tower PC Load Cell Amplifier - Power Supply Load Cell Signal Ports NI DAQ Board Optical transducer Power Supply Ports AC Motor 1-Cyl. Engine
Εφαρµογή 1: Μονοκύλινδρος Κινητήρας (Ε.Μ.Π.) (7) Πειραµατικά Αποτελέσµατα 31 Μαρτίου 29 George Livanos Page 3 1 Κύκλοι Λειτουργίας ιακύµανση Ροπής Ηλ. Κινητήρα λόγω παλινδροµουσών µαζών Μη Καταγραφή Στιγµιαίας Ταχύτητας Αξιοποίηση Μέσης Ροπής κύκλου (Ροπή Τριβών) Torque [Nm] Torque [Nm] 1.6 1.4 1.2 1.8 Neng= 3 rpm 5.15 5.2 5.25 5.3 5.35 5.4 1.4 Neng= 12 rpm 1.2 1.8.6.4 Cycles 1-1 Average 5.4 5.6 5.8 5.1 Time [s]
Εφαρµογή 1: Μονοκύλινδρος Κινητήρας (Ε.Μ.Π.) (8) 31 Μαρτίου 29 George Livanos Page 31 Πειραµατικά Αποτελέσµατα Ελάχιστη ιακύµανση από κύκλο σε κύκλο Μονότονη Αύξηση σε σχέση µε τη ταχύτητα Οριακή αύξηση τριβής στο εύρος στροφών 18-2 rpm Friction Torque [Nm] Friction Torque [Nm] Friction Torque [Nm] 1.6 1.2.8.4 1.6 1.2.8.4 1.6 1.2.8.4 6 rpm 1 3 5 7 9 11 2 4 6 8 1 12 9 rpm 1 3 5 7 9 11 2 4 6 8 1 12 12 rpm 1 3 5 7 9 11 2 4 6 8 1 12 Cycles Friction Torque [Nm] Friction Torque [Nm] Friction Torque [Nm] 1.6 1.2.8.4 1.6 1.2.8.4 1.6 1.2.8.4 15 rpm 1 3 5 7 9 11 2 4 6 8 1 12 18 rpm 1 3 5 7 9 11 2 4 6 8 1 12 21 rpm 1 3 5 7 9 11 2 4 6 8 1 12 Cycles
Εφαρµογή 1: Μονοκύλινδρος Κινητήρας (Ε.Μ.Π.) (9) 31 Μαρτίου 29 George Livanos Page 32 Average Friction Torque [Nm] 1.4 1.2 1.8.6.4 Πειραµατικά Αποτελέσµατα Measured Detail Model Simplified Model 5 1 15 2 25 3 Engine Speed [rpm]
Εφαρµογή 2: Μονοκύλινδρος Κινητήρας (Leeds Univ. UK) (1) 31 Μαρτίου 29 George Livanos Page 33 Single Cylinder Ricardo Hydra Gasoline Engine υνάµεις Αερίων Αδρανειακές υνάµεις ύναµη ιωστήρα ύναµη Τριβής
Εφαρµογή 2: Μονοκύλινδρος Κινητήρας (Leeds Univ. UK) (2) 31 Μαρτίου 29 George Livanos Page 34 Friction Force [N] 4 2-2 -4 1% Load Measured 1% Load predicted (detailed) 1% Load Predicted (simplified) 1 2 3 4 5 6 7 CA [deg] Τριβή Συγκροτήµατος Εµβόλου: Αυξηµένη Τριβή κατά την φάση εκτόνωσης Οριακή Τριβή σε Α.Ν.Σ. και Κ.Ν.Σ. ΥδροδυναµικήΤριβήστοΜέσο ιαδροµής Εµβόλου Ικανοποιητική Σύµπτωση Αποτελεσµάτων
Εφαρµογή 3: Ναυτικός Κινητήρας Diesel MAN 5L16/24 (E.N.M) 31 Μαρτίου 29 George Livanos Page 35 AEG DC electric brake MAN 5L16/24 Test Engine
Εφαρµογή 3: Ναυτικός Κινητήρας Diesel MAN 5L16/24 (2) Μελέτη Περιπτώσεων Λειτουργία µε σταθερή ταχύτητα (Γεννήτρια): 31 Μαρτίου 29 George Livanos Page 36 25% load @ 12 rpm 5% load @ 12 rpm 75% load @ 12 rpm Λειτουργία µε µεταβλητή ταχύτητα (Πρόωση): 26% load @ 756 rpm 51% load @ 952 rpm 86% load @ 1137 rpm
Εφαρµογή 3: Ναυτικός Κινητήρας Diesel MAN 5L16/24 (3) Άνω Ελατήριο Συµπίεσης: Υπολογισµός Ελάχιστου Πάχους Λιπαντικού σε ιάφορα Φορτία 31 Μαρτίου 29 George Livanos Page 37 Αυξηµένο πάχος στο µέσο της διαδροµής Μείωση πάχους λιπαντικού µε το φορτίο Ελάχιστο πάχος λιπαντικού στην περιοχή του Α.Ν.Σ. και Κ.Ν.Σ. hmin [m] 1E-5 8E-6 6E-6 4E-6 2E-6 25% LOAD 5% LOAD 75% LOAD 2 4 6 8 crank angle [deg]
Εφαρµογή 3: Ναυτικός Κινητήρας Diesel MAN 5L16/24 (4) 31 Μαρτίου 29 George Livanos Page 38 Θέση Προσκόλλησης Λιπαντικού: Συνθήκες µερικής λίπανσης Συνθήκες πλήρους λίπανσης Θέση Αποκόλλησης Λιπαντικού: Μικρή λιπαινόµενη επιφάνεια Αυξηµένη λιπαινόµενη επιφάνεια squeeze motion xin [m] xc [m].3.2.1 -.1 -.2 -.3.3.2.1 -.1 -.2 -.3 Expansion Exhaust 25 % LOAD 5% LOAD 75 % LOAD Intake Compression 2 4 6 8 crank angle [deg]
Εφαρµογή 3: Ναυτικός Κινητήρας Diesel MAN 5L16/24 (5) Αποτελέσµατα Προσοµοίωσης: Απώλειες Τριβής Ελατηρίων Εµβόλου Variable speed Constant speed 12 12 1 1 8 8 6 6 4 Power Losses [W] 4 Power Losses [W] 86% 2 75% 2 51% 5% Load Load 26% 25% 31 Μαρτίου 29 George Livanos Page 39 Oil Control Ring 2nd Compression Ring 1st Compression Ring Oil Control Ring 2nd Compression Ring 1st Compression Ring
Εφαρµογή 3: Ναυτικός Κινητήρας Diesel MAN 5L16/24 (6) Εγκάρσια Κίνηση Εµβόλου 6E-5 31 Μαρτίου 29 George Livanos Page 4 θ = θ =π θ (-) (+) et, eb [m] et, eb [m] 4E-5 2E-5-2E-5-4E-5 8E-5 6E-5 4E-5 2E-5 et (b) eb Constant speed eb Propeller Curve 25% LOAD 5% LOAD 75% LOAD -2E-5-4E-5 et 26% LOAD 51% LOAD 86% LOAD 1 2 3 4 5 6 7 crank angle [deg]
Εφαρµογή 3: Ναυτικός Κινητήρας Diesel MAN 5L16/24 (7) Αναπτυσσόµενη Τριβή 31 Μαρτίου 29 George Livanos Page 41 Λειτουργία µε σταθερή ταχύτητα: Μέγιστη τριβή στο µέσο της διαδροµής του εµβόλου Ελάχιστη τριβή σε Α.Ν.Σ και Κ.Ν.Σ. Περιορισµένηεπίδρασητου φορτίου Λειτουργία µε µεταβλητή ταχύτητα: Μεγάλη επίδραση της ταχύτητας Skirt Friction [N] Skirt Friction [N] 4 2-2 -4-6 4 2-2 -4-6 (a) (b) Constant speed Propeller Curve 25% LOAD 5% LOAD 75% LOAD 26% LOAD 51% LOAD 86% LOAD 1 2 3 4 5 6 7 crank angle [deg]
Εφαρµογή 3: Ναυτικός Κινητήρας Diesel MAN 5L16/24 (8) 31 Μαρτίου 29 George Livanos Page 42 Άνω Έδρανο ιωστήρα Λειτουργία µε µεταβλητή ταχύτητα: Ελάχιστο πάχος λιπαντικού κατα τις φάσεις εκτόνωσης-συµπίεσης (increased in-cylinder pressures) Ελάχιστη εξάρτηση απο φορτίο (increased load is compensated by the increased speed) Λειτουργία µε σταθερή ταχύτητα: Υψηλότερη εξάρτηση απο το φορτίο hmin [m] hmin [m].12 8E-5 4E-5.12 8E-5 4E-5 Expansion Stroke Expansion Stroke 25% LOAD 5% LOAD 75% LOAD (a) (b) 26% LOAD 51% LOAD 86% LOAD Compression Stroke Compression Stroke 2 4 6 8 crank angle [deg]
Εφαρµογή 3: Ναυτικός Κινητήρας Diesel MAN 5L16/24 (9) 31 Μαρτίου 29 George Livanos Page 43 Άνω Έδρανο ιωστήρα Λειτουργία µε σταθερή ταχύτητα: Υψηλές απώλειες σε Α.Ν.Σ. και Κ.Ν.Σ. λόγω αυξηµένης ταχύτητας εδράνου Μειωµένη εξάρτηση απο το φορτίο Λειτουργία µε µεταβλητή ταχύτητα: Σηµαντική εξάρτηση απο το φορτίο/ταχύτητα power losses [W] power losses [W] 6 4 2 6 4 2 (a) (b) 25% LOAD 5% LOAD 75% LOAD 26% LOAD 51% LOAD 86% LOAD 2 4 6 8 crank angle [deg]
Εφαρµογή 3: Ναυτικός Κινητήρας Diesel MAN 5L16/24 (1) Αποτελέσµατα Προσοµοίωσης: κάτω έδρανο διωστήρα 31 Μαρτίου 29 George Livanos Page 44 hmin [m].1 8E-5 6E-5 4E-5 2E-5 (a) 25% LOAD 5% LOAD 75% LOAD hmin [m] 6E-5 5E-5 4E-5 3E-5 2E-5 1E-5 26% LOAD 51% LOAD 86% LOAD (b) 2 4 6 8 CA [DEG] Constant speed 2 4 6 8 CA [DEG] Variable speed
Εφαρµογή 3: Ναυτικός Κινητήρας Diesel MAN 5L16/24 (11) Αποτελέσµατα Προσοµοίωσης: έδρανα διωστήρα και στροφαλοφόρου άξονα Constant speed Variable speed 25% 5% 75% 25 2 15 1 5 86% 35 Power Losses [W] 3 25 2 15 1 5 75% Power Losses [W] 31 Μαρτίου 29 George Livanos Page 45 51% 26% Load 5% 25% Load Piston Pin Main Bearing Big End Bearing Piston Pin Main Bearing Big End Bearing
Εφαρµογή 3: Ναυτικός Κινητήρας Diesel MAN 5L16/24 (12) Συνολικές Απώλειες Κινηµατικού Μηχανισµού 31 Μαρτίου 29 George Livanos Page 46 F.M.E.P. [bar] F.M.E.P. [bar] 3 2 1 3 2 1 (a) Constant speed 2 4 6 8 (b) Variable speed Proposed Model Winterbone Millington Chen-Flynn Measured 2 4 6 8 1 LOAD [%]
Εφαρµογή 4: Ναυτικός Κινητήρας Diesel: MAN L32/4 (1) 31 Μαρτίου 29 George Livanos Page 47 1 ο ελατήριο συµπίεσης 2 ο ελατήριο συµπίεσης ελατήριο ελέγχου λιπαντικού Variable speed hmin [m] hmin [m] hmin [m] hmin [m] 6E-6 4E-6 2E-6 6E-6 4E-6 2E-6 6E-6 4E-6 2E-6 6E-6 4E-6 2E-6 (a) (b) (c) (d) Load 5% Load 75% Load 1% 1 2 3 4 5 6 7 CA [deg]
Εφαρµογή 4: Ναυτικός Κινητήρας Diesel: MAN L32/4 (2) 31 Μαρτίου 29 George Livanos Page 48 Θέση προσκόλλησης λιπαντικού στρώµατος στο προφίλ του ελατηρίου Variable speed xin [m] xin [m] xin [m] xin [m].4.2 -.2 -.4.4.2 -.2 -.4.4.2 -.2 -.4.4.2 -.2 -.4 Load 5% Load 75% Load 1% (a) (b) (c) (d) 1 2 3 4 5 6 7 CA [deg]
Εφαρµογή 4: Ναυτικός Κινητήρας Diesel: MAN L32/4 (3) 31 Μαρτίου 29 George Livanos Page 49 xc [m] Θέση αποκόλλησης λιπαντικού στρώµατος στο προφίλ του ελατηρίου Variable speed xc [m] xc [m] xc [m].4.2 -.2 -.4.4.2 -.2 -.4.4.2 -.2 -.4.4.2 -.2 -.4 Load 5% Load 75% Load 1% (a) (b) (c) (d) 1 2 3 4 5 6 7 CA [deg]
Εφαρµογή 4: Ναυτικός Κινητήρας Diesel: MAN L32/4 (4) 31 Μαρτίου 29 George Livanos Page 5 Ροπή τριβών συστοιχίας ελατηρίων Ροπή τριβών ποδιάς εµβόλου Friction Torque [Nm] Friction Torque [Nm] 16 8 4 2 Load 5% Load 75% Load 1% 1 2 3 4 5 6 7 CA [deg] Load 5% Load 75% Load 1% 1 2 3 4 5 6 7 CA [deg]
Εφαρµογή 4: Ναυτικός Κινητήρας Diesel: MAN L32/4 (5) 31 Μαρτίου 29 George Livanos Page 51 Ροπή τριβών εδράνου άνω άκρου διωστήρα Ροπή τριβών εδράνου κάτω άκρου διωστήρα Ροπή τριβών κυρίων εδράνων (στροφαλοφόρου άξονα) Frict. Torque [Nm] Frict. Torque [Nm] Frict. Torque [Nm] 8 4-4 -8 24 2 16 12 8 4 2 16 12 8 4 Load 5% Load 75% Load 1% (a) (b) (c) 1 2 3 4 5 6 7 CA [deg]
Συµπεράσµατα Εφαρµογών: Πρόβλεψη µε ικανοποιητική ακρίβεια των συνολικών 31 Μαρτίου 29 George Livanos Page 52 απωλειών τριβής κινηµατικού µηχανισµού εµβόλουδιωστήρα-στροφάλων κινητήρα µικρού µεγέθους (Εφαρµογή 1: ΕΜΠ) Πρόβλεψη µε ικανοποιητική ακρίβεια της τριβής του συγκροτήµατος εµβόλου, συγκριτικά µε δηµοσιευµένες µετρήσεις από κινητήρα κλίνης τριβολογικών δοκιµών (Εφαρµογή2: Leeds Univ.)
Συµπεράσµατα Εφαρµογών: 31 Μαρτίου 29 George Livanos Page 53 Ικανοποιητική εκτίµηση της µεταβολής της τριβής 4- χρονου ναυτικού κινητήρα Diesel µε το φορτίο, συγκριτικά µε ηµι-εµπειρικά µοντέλα και αποτελέσµατα δοκιµών motoring (Εφαρµογή 3: ΕΜΠ) Λογικά επίπεδα προβλεπόµενων απωλειών τριβής 4-χρονου ναυτικού κινητήρα Diesel, µεσαίου µεγέθους (Εφαρµογή 4: ΜΑΝ)
Γενικά Συµπεράσµατα: Πρόβλεψη στιγµιαίων τριβών κινητήρα 31 Μαρτίου 29 George Livanos Page 54 Θεώρηση της γενικής γεωµετρίας του κινητήρα δυνατότητα παραµετρικών µελετών Πρόβλεψη συνθηκών λίπανσης: ελάχιστο πάχος λιπαντικού, έκταση κτλ. Ταυτόχρονη επίλυση του πεπλεγµένου συστήµατος εξισώσεων του κινηµατικού µηχανισµού εµβόλου-διωστήρα-στροφάλων υνατότητα συνεργασίας µε θερµοδυναµικούς κώδικες
Πρωτοτυπία: 31 Μαρτίου 29 George Livanos Page 55 Απλοποιηµένο Μοντέλο: Εισάγει τη φυσική του µηχανισµού της λίπανσης και της τριβής, περιορίζοντας τον εµπειρικό του χαρακτήρα µόνο στις συνοριακές συνθήκες. Λεπτοµερές Μοντέλο: Εξετάζει τη συνολική αλληλεπίδραση των κυριότερων τµηµάτων του κινηµατικού µηχανισµού εµβόλου-διωστήρα-στροφάλων (τα υπάρχοντα µοντέλα περιορίζονται σε µεµονωµένα εξαρτήµατα). Αποτελέσµατα: Κατανόηση του µηχανισµού λίπανσης 4- χρονων ναυτικών κινητήρων: υδροδυναµικές συνθήκες λίπανσης, περιορισµένηξηρήτριβή, αυξηµένα πάχη λιπαντικού (περαιτέρω δυνατότητες καταπόνησης του κινητήρα).
Προτάσεις Μελλοντικής Εργασίας: 31 Μαρτίου 29 George Livanos Page 56 Πειραµατική εργασία και ειδικότερα µετρήσεις της στιγµιαίας τριβής του συγκροτήµατος εµβόλου ναυτικού κινητήρα Diesel Τριβολογική διερεύνηση µεταβατικής απόκρισης κινητήρα σε συνεργασία µε θερµοδυναµικούς κώδικες και σύγκριση µε πειραµατικά δεδοµένα Εφαρµογή σε 2-χρονους ναυτικούς κινητήρες Diesel
31 Μαρτίου 29 George Livanos Page 57 Ευχαριστώ Πολύ για την Προσοχή σας
Μοντέλο Τριβής Κινητήρα σε Simulink 31 Μαρτίου 29 George Livanos Page 58
Μοντέλο Τριβής Κινητήρα σε Simulink 31 Μαρτίου 29 George Livanos Page 59