Modeling the Impact of Piston Rings on Oil Consumption of Internal Combustion Engines

Abstract

V rámci této práce byl vyvinut komplexní simulační nástroj, vycházející z výpočtového modelování fyzikálních a chemických dějů, který je doplněn vhodnými matematickými postupy. Výsledný software je schopen stanovit ztrátový výkon sady pístních kroužků pomocí účinků klíčových mechanismů a jejich vzájemné interakce při standardním provozu pístních kroužků. Simulační výstupy byly navrženy v souladu se zájmy průmyslové praxe, např. určení objemového toku plynů pístní skupinou, ztrátové výkony vlivem tření a spotřeba oleje, která je ovlivněna sadou pístních kroužků. Při vývoji simulačního modelu byly technické experimenty vykonány na tříválcovém zážehovém motoru za účelem získání vstupních dat a ověření výsledků. Možnosti navrženého simulačního nástroje jsou na tomto motoru dále demonstrovány v podobě parametrických studií, využitelných zejména při návrhovém procesu. Cílem dizertační práce bylo zaplnit mezeru ve výzkumné oblasti simulačních nástrojů, které mohou účinně propojit výpočtové modelování třecích ztrát a současně i spotřeby oleje, a podpořit tak výrobce pístních kroužků a vývojová oddělení spalovacích motorů.Within the frame of the present work a complex simulation tool was developed, built on strong physical and chemical foundations, supplemented with the appropriate mathematical approaches. The resulting software is capable of determining the performance of a piston ring pack by addressing all key mechanisms and their mutual influence during standard operating conditions of a piston ring. The outputs of the simulation were designed in accordance with industrial interest, like the volumetric gas flow through the piston assembly, the friction power losses and the lubricant oil consumption from the sources, which are affected by the piston ring pack. Besides the development of the simulation model, experiments were conducted with the intention of input data obtainment and results validation on an inline three-cylinder engine. Sample results were shown by applying the model to the parameters of the experimental engine. Possible industrial application of the source code is demonstrated with parameter studies. The work carried out within the frame of this doctoral dissertation was intended to fill the gap in the research area of combined simulation tools, able to support the needs of piston ring manufacturers and engine research centers, to calculate the impact of design parameter changes on friction losses and lubricant oil consumption simultaneously.