26 research outputs found
Effect of Coating and Low Viscosity Oils on Piston Ring Friction under Mixed Regime of Lubrication through Analytical Modelling
No full textThis paper presents the impact of coating topography in piston ring-liner conjunction under mixed regime of lubrication using low viscosity oils. The study provides a time efficient analytical model including mixed-hydrodynamics regime of lubrication under different contact conditions. The method modified the expressions of the contact load and area of Greenwood-Tripp model in order to capture the real asperities interaction into contact. The model represents the tribological behavior of a thin top ring at Top Dead Centre, where boundary and mixed conditions are predominant. Electroplated CrN and PVD TiN coated rings were studied to predict the ring friction. The results are compared with an uncoated steel ring. The CrN coating shows slighter coefficient of friction, due to the coating morphology and roughness parameters. The TiN coating presents thicker lubricant films and higher coefficient of friction because the surface topography is quite rough with high peaks. This can be explained because of the major contribution of the roughness parameter and asperity slope in the boundary friction prediction
Τριβολογικός σχεδιασμός ελατηρίου συμπίεσης με επικαλύψεις, τεχνητή τραχύτητα και φθορά σε θέρμο-σπηλαιωμένη μικτή λίπανση
No full textThe design of top compression rings is an important issue that opens research possibilities for reducing friction in the field of tribology in Internal Combustion (IC) engines. Recent studies show that there is an increasing interest in top compression rings’ tribological performance. It is widely known that the piston assembly is a major contributor to parasitic losses (up to 40%) and that there is a need to understand its lubrication performance and friction mechanisms. In brief, the top compression rings suffer from higher friction and wear due to rapidly changing loads and close contact in cylinder liners (the sealing function). Because the friction and wear issues affect the efficiency of compression rings, it is necessary to investigate the surface topography of the ring-cylinder surfaces and lubrication conditions. The current thesis supports that goal. Compression rings’ tribological characteristics, such as their pressure distribution, lubricant film, friction, power losses and lubricant flow rate, were derived and presented for different engine conditions. We used numerical models to calculate the ring balance, and we considered the fluid flow effects in terms of the Navier-Stokes equations. To include the cavitation, the Half-Sommerfeld condition and Rayleigh-Plesset volume fraction were considered based on a case study. The variation of the lubricant rheological properties due to the pressure and temperature have also been taken into account in the overall modelling. Particularly, for the non-Newtonian lubricant behaviour, we combined the Navier-Stokes approach with the power law model. The interaction of the lubricant film and the ring domain within a piston groove was modelled, and this model is called the Fluid-Structure Interaction (FSI) model. This proposed method allows complete static solutions of the 2D ring-liner lubrication problem involving complex geometries. The effects of the ring face geometry and the lubricant properties were introduced for this analysis. Moreover, CFD models were built, including Navier-Stokes, vapour transport (Rayleigh-Plesset equation), asperity interaction (Greenwood-Tripp contact model) and thermal effects (comprising ring coating properties). The results obtained from the developed 2D models were found to be in good agreement with the experimental and analytical data obtained in previous investigations. The experimental investigations accomplished within this thesis will permit a proper understanding of the piston assembly and compression ring tribodynamics. A test method was constructed in a single-cylinder four-stroke motorbike engine using a foil strain gauge. To measure the engine friction, a challenging technique is developed in this thesis, and its limitations and robustness are fully described. The friction and noise results from the test-rig demonstrate that the contribution of the thin top compression ring to the ring pack friction was dominant. This finding shows that the thin nature of the top compression ring combined with the lubrication conditions of the ring-pack can lead to high total friction, which would induce increased frictional losses and contact wear during cold NEDC conditions. Therefore, a proposal of artificial surface topography on the ring face width is presented and discussed in the present thesis. In practical terms, current challenges for improving the tribological behaviour in compression rings require surface topographies that are effective in different regimes of lubrication to reduce the friction and wear. To solve this problem, we have focused on square-shaped pockets in the ring face-width as the main strategy for minimizing the frictional power losses and wear of sliding surfaces; the goal is to improve the performance of automotive engines. Several different inlets and densities of square pocketed surfaces were analysed using a block on a ring test rig. The findings showed that the denser pocketed surface was responsible for controlling the lubricant film and wear in line contact during mixed lubrication conditions.Based on the results from the experiments with textures, we have made a design proposal, and it includes the specifications of a texture design in full scale. Suggestions for future work include the development of a 3D full simulation framework to support a more detailed ring design process, optimization of measurement techniques (e.g., the strain gauge method), and square-shaped geometry.Ο σχεδιασμός των ελατηρίων συμπίεσης είναι ένα σημαντικό ζήτημα που έχει σαν στόχο τη μείωση της τριβής στον τομέα των μηχανών εσωτερικής καύσης. Πρόσφατες μελέτες έδειξαν ότι υπάρχει ένα αυξημένο ενδιαφέρον για τις τριβολογικές επιδόσεις των ελατηρίων συμπίεσης. Είναι ευρέως γνωστό ότι το σύστημα του εμβόλου με τα ελατήρια συνεισφέρει σημαντικά στις απώλειες τριβής (περίπου 40%), και για αυτό τον λόγο υπάρχει η ανάγκη να κατανοηθούν οι μηχανισμοί λίπανσης και οι μηχανισμοί τριβής στο παραπάνω σύστημα. Πιο συγκεκριμένα, τα ελατήρια συμπίεσης υποφέρουν από υψηλή τριβή και φθορά λόγω των μεταβαλλόμενων φορτίων και της στενής επαφής στην επιφάνεια του κυλίνδρου (λόγω της κύριας λειτουργίας του που είναι η στεγανοποίηση). Έτσι, τα ζητήματα της τριβής και της φθοράς επηρεάζουν την απόδοση των ελατηρίων συμπίεσης. Για αυτό τον λόγο, είναι απαραίτητο να διερευνηθεί η επιφανειακή τοπογραφία του ελατηρίου και του κυλίνδρου, καθώς και οι συνθήκες λίπανσης τους. Η παρούσα διδακτορική διατριβή υποστηρίζει αυτόν τον στόχο. Τα τριβολογικά χαρακτηριστικά του ελατηρίου συμπίεσης, όπως η κατανομή της υδροδυναμικής πίεσης στο προφίλ του ελατηρίου, το ελάχιστο πάχος του λιπαντικού, η συνολική τριβή, οι απώλειες ισχύος και ο ρυθμός ροής λιπαντικού, αναλύθηκαν και παρουσιάστηκαν για διαφορετικές συνθήκες λειτουργίας. Πρακτικά, χρησιμοποιήθηκαν αριθμητικά μοντέλα για τον υπολογισμό της ισορροπίας του ελατηρίου μέσα στο διάκενο του εμβόλου. Η ανάλυση της ροής του λιπαντικού στην επαφή ελατηρίου-κυλίνδρου προσομοιώθηκε με την χρήση των εξισώσεων Navier-Stokes. Για το φαινόμενο της σπηλαίωσης, η οριακή συνθήκη Half-Sommerfeld και η εξίσωση των Rayleigh-Plesset για τον υπολογισμό του όγκου των υδρατμών χρησιμοποιήθηκαν στα μοντέλα ρευστομηχανικής. Επιπλέον, η μεταβολή των ρεολογικών ιδιοτήτων του λιπαντικού λόγω της πίεσης και της θερμοκρασίας λήφθηκε υπόψιν κατά την προσομοίωση. Ενδεικτικά, για τη συμπεριφορά των λιπαντικών με πρόσθετα, οι εξισώσεις Navier-Stokes συνδυάστηκαν με ένα μοντέλο ψευδοπλαστικού ρευστού (power law model). Αρχικά, η αλληλεπίδραση του λιπαντικού και του ελατηρίου στο αυλάκι του εμβόλου διαμορφώθηκε με ένα δισδιάστατο μοντέλο αλληλεπίδρασης λιπαντικού-στερεού. Αυτή η προτεινόμενη μέθοδος επέτρεψε την πλήρη στατική λύση του προβλήματος της πλήρης λίπανσης του ελατηρίου συμπίεσης σε δισδιάστατη δομή καθώς και τον έλεγχο της δομικής ακεραιότητας του, περιλαμβάνοντας διάφορες σύνθετες γεωμετρίες είτε στο προφίλ του ελατηρίου είτε στην επιφάνεια του κυλίνδρου. Συγχρόνως, οι ιδιότητες του λιπαντικού λήφθηκαν στατικά κατά την διάρκεια αυτής της ανάλυσης. Στην συνέχεια της παρούσας διατριβής και μετά την πρώτη προσέγγιση δημιουργήθηκαν μοντέλα υπολογιστικής ρευστομηχανικής προσομοιώνοντας την στενή επαφή του ελατηρίου με τον κύλινδρο σε συνθήκες μικτής και υδροδυναμικής λίπανσης με πιο ρεαλιστικές οριακές συνθήκες. Στα προτεινόμενα αυτά μοντέλα λήφθηκαν υπόψιν ταυτόχρονα οι εξισώσεις Navier-Stokes για την προσομοίωση της ροής του λιπαντικού, το φαινόμενο της σπηλαίωσης (εξίσωση Rayleigh-Plesset), η αλληλεπίδραση των τραχυτήτων (Greenwood-Tripp μοντέλο) και οι θερμικές επιδράσεις (που περιλαμβάνουν και τις ιδιότητες των επιμεταλλώσεων στο προφίλ του ελατηρίου). Τα αποτελέσματα που προέκυψαν από τα παραπάνω υπολογιστικά δισδιάστατα μοντέλα έδειξαν καλή ταύτιση με πειραματικές και αναλυτικές προβλέψεις από δημοσιευμένες έρευνες σε διακριτά επιστημονικά περιοδικά.Στη συνέχεια της διατριβής, πραγματοποιήθηκαν πειραματικές μετρήσεις σε ένα πραγματικό κινητήρα, με σκοπό την κατανόηση της δυναμικής του εμβόλου και του ελατηρίου συμπίεσης. Πιο αναλυτικά, αναπτύχθηκε μια πρότυπη μη καταστροφική μέθοδος σε έναν μονοκύλινδρο τετράχρονο κινητήρα, τοποθετώντας κατάλληλα επιμηκυνσιόμετρα για να μετρηθεί η τριβή του κινητήρα και του ελατηρίου συμπίεσης. Ταυτόχρονα ένας αισθητήρας ήχου τοποθετήθηκε κατά μήκος της διαδρομής του εμβόλου ώστε να εξεταστεί το φαινόμενο του «χτυπήματος» του εμβόλου (piston slap). Οι περιορισμοί και η αξιοπιστία των μεθόδων μελετήθηκαν πλήρως, προτείνοντας παράλληλα μια νέα μέθοδος μέτρησης τριβής σε κινητήρες εσωτερικής καύσης σε ρεαλιστικές συνθήκες. Η τριβή και ο θόρυβος, που προέκυψαν από τις μετρήσεις, παρουσίασαν ότι η συνεισφορά του λεπτού ελατηρίου συμπίεσης στην συνολική τριβή του συστήματος ήταν κυρίαρχη, κυρίως στην περιοχή της μέγιστης καύσης και της χαμηλής ταχύτητας ολίσθησης. Αυτό το εύρημα έδειξε ότι η λεπτή φύση του ελατηρίου συμπίεσης σε συνδυασμό με τις συνθήκες λίπανσης μπορεί να οδηγήσει σε υψηλή συνολική τριβή, άρα και σε αυξημένες απώλειες τριβής και φθοράς κατά τη διάρκεια κυρίως των συνθηκών εκκίνησης του κινητήρα.Ως εκ τούτου, στην παρούσα διατριβή προτάθηκε και εξετάσθηκε μια τεχνητή επιφανειακή τοπογραφία στην επιφάνεια του ελατηρίου συμπίεσης έχοντας ως στόχο την βελτίωση του. Πρακτικά, όπως προέκυψε από τα αριθμητικά αποτελέσματα και τις πειραματικές μετρήσεις στον κινητήρα, οι τρέχουσες προκλήσεις για τη βελτίωση της τριβολογικής συμπεριφοράς στα ελατήρια συμπίεσης απαιτούν μια κατάλληλα επιφανειακή κατεργασία που θα μπορεί να λειτουργήσει σε διαφορετικές συνθήκες λίπανσης (οριακής, μικτής και υδροδυναμικής) με στόχο την μείωση της τριβής και της φθοράς. Για την επίλυση αυτού του προβλήματος, εστιάσαμε σε τεχνητές μικροτραχύτητες τετραγωνικού σχήματος ως κύρια στρατηγική την ελαχιστοποίηση της τριβής και το έλεγχο της φθοράς των κινούμενων επιφανειών σε ένα κινητήρα, όπως είναι το ελατήριο συμπίεσης. Διαφορετικές πυκνότητες και θέσεις τετραγωνικών μικροτραχυτήτων με επιμεταλλώσεις και χωρίς εξετάσθηκαν χρησιμοποιώντας ένα δοκιμαστήριο τριβής δίσκου–ελατηρίου. Τα ευρήματα έδειξαν ότι η πυκνή τεχνητή επιφάνεια με τετραγωνικές μικροτραχύτητες και με επιμετάλλωση ήταν υπεύθυνη για τον καλύτερο έλεγχο του πάχους του λιπαντικού και της φθοράς σε συνθήκες μικτής λίπανσης.Εν τέλει, μελλοντικές προοπτικές που προέκυψαν από την παραπάνω έρευνα πάνω στο συγκεκριμένο αντικείμενο περιλαμβάνουν τα εξής θέματα: η ανάπτυξη ενός τρισδιάστατου μοντέλου για την υποστήριξη με πιο λεπτομερή τρόπο του σχεδιασμού του ελατηρίου συμπίεσης, η βελτιστοποίηση των μεθόδων μέτρησης (π.χ. μέθοδος με την χρήση επιμηκυνσιομέτρων και η επιρροή της θερμοκρασίας λειτουργίας) και η βελτιστοποίηση της τεχνητής μικροτραχύτητας
Rethinking the border security force
Get PDFThis opinion piece engages critically with the status of the peer-reviewed article and the role of the peer reviewer as a central feature of established academic practice. It situates the peer-review process in the development of academic practice, both generally and in the specific context of South Asian Studies, and asks how it may be developed to reflect the concerns and rapidly changing parameters of contemporary academics. The piece was written as a result of involvement in a one-day round-table meeting organized by the editor of South Asian History and Culture on the theme of ‘Journals as actors in the academic world. Existing and changing roles’. The author is the editor of the journal Contemporary South Asia (CSA), but the views expressed here are the personal opinions of the author. They do not reflect the editorial position of CSA.</p
Measurement of friction and noise from piston assembly of a single-cylinder motorbike engine at realistic speeds
No full text This paper presents a thorough experimental study of piston assembly friction and noise in a single-cylinder motorbike engine operating at low speeds. The friction of the piston ring pack is evaluated using a foil strain gauge with minimal cylinder modification on the thrust side. The technique involves transmitting deformations through the cylinder bore and recording reflections from the lubricated interface as the piston assembly passes. Under these conditions, the piston side forces and the thermal deformations on the output side of the strain gauge sensor are critical. Therefore, the proposed methodology is designed under controlled operating conditions. The overall deformation of the piston assembly is analysed to measure the primary reflection due to friction between the piston assembly and the cylinder wall. Simultaneously, the piston assembly noise is recorded on the thrust side of the engine block using a microphone. Taking measured noise data into account, possible piston slap events resulting from varied engine speeds are taken into account using continuous wavelet signal analysis. The calibration procedure for both tests is also illustrated. The measured friction results show that the strain gauge technique is a challenging work in providing realistic results to enhance current technology. For low engine speeds, a higher contribution is noted by boundary friction at the top dead centre reversal, extending to the position of maximum combustion pressure in the power stroke. Furthermore, the main contribution of the piston slap is estimated at the thrust side when the piston assembly passes at the beginning of the combustion stroke. These results can also be attributed as data to validate piston ring models in terms of friction and piston slap. </jats:p
Computational fluid dynamics analysis of top compression ring in mixed lubrication
No full textThe top compression ring design of an internal combustion engine has an impact on ring in-plane motion and its lubrication conditions at the ring-cylinder liner contact. In this paper, the geometrical dimensions of the top compression piston ring-cylinder system were obtained from an actual four-stroke motorbike engine. The top ring tribological behaviour was characterized by a Computational Fluid Dynamics (CFD) simulation including the effects of asperity contact. Based on the numerical solution of the Navier–Stokes equations and taking into account realistic engine running conditions, the effect of the in-plane top ring motion in quasi-static equilibrium was determined. The simulation model was validated by the numerical and experimental results of similar investigations of other researchers. Good predictions were achieved by solving the Navier-Stokes equations because the pressure gradient into the lubricant film was accounted for. The effects of ring curvature at the ends of the stroke were studied. The results show that a flatter ring profile has a sufficient minimum lubricant thickness at reversal points, showing reasonably lower boundary friction than that of the higher curvature. Higher heights of the curvature profile promote significantly mixed lubrication, in which the power losses and the burning of excess lubricating oil are increased. The proposed simulation model can be expanded to any set of compression rings where a minimum simulation time is required
Effects of Monograde and Multigrade Oils on the Friction Force in Four-Stroke Motor Engine: An Experimental and Analytical Approach
No full textA Comparative Analysis of Friction and Energy Losses in Hydrogen and CNG Fueled Engines: Implications on the Top Compression Ring Design Using Steel, Cast Iron, and Silicon Nitride Materials
No full textOptimizing the design of the top compression ring holds immense importance in reducing friction across both traditional Internal Combustion (IC) engines and hybrid power systems. This study investigates the impact of alternative fuels, specifically hydrogen and CNG, on the behavior of top piston rings within internal combustion (IC) engines. The goal of this approach is to understand the complex interplay between blow-by, fuel type, material behavior, and their effects on ring friction, energy losses, and resulting ring strength. Two types of IC engines were analyzed, taking into account flow conditions derived from in-cylinder pressures and piston geometry. Following ISO 6622-2:2013 guidelines, thick top compression rings made from varying materials (steel, cast iron, and silicon nitride) were investigated and compared. Through a quasi-static ring model within Computational Fluid Dynamics (CFD), critical tribological parameters such as the minimum film and ring friction were simulated, revealing that lighter hydrogen-powered engines with higher combustion pressures could potentially experience approximately 34.7% greater power losses compared to their heavier CNG counterparts. By delving into the interaction among the fuel delivery system, gas blow-by, and material properties, this study unveils valuable insights into the tribological and structural behavior of the top piston ring conjunction. Notably, the silicon nitride material demonstrates promising strength improvements, while the adoption of Direct Injection (DI) is associated with approximately 10.1% higher energy losses compared to PFI. Such findings carry significant implications for enhancing engine efficiency and promoting sustainable energy utilization
Simulation of piston ring tribology with surface texturing for internal combustion engines
No full textComparison of Hertzian and JKR theories with a finite element model in boundary lubrication conditions between a compression ring and a cylinder
No full textThis study focuses on the creation of an isothermal elastic model to highlight, through stresses, the occurrence of plastic deformation in certain crank angles under extreme dry conditions inside an internal combustion engine. The stresses that are exported from this analysis are pointing out not only the necessity for an elastoplastic model to be created, but also the importance of predicting the correct friction coefficient, as pointed out by both the contact surface stress and those in depth of the two bodies in contact. A comparison between two coefficients of frictions and one frictionless case is conducted. The comparison between the finite element model and the adhesion mathematical model of Johnson, Kendall and Roberts (JKR), seals the importance of the interaction forces, acting on the common solid surface, in the pursuit of defining a propriate contact patch. Furthermore, a three-dimensional model is proposed for further investigation, highlighting the importance of modelling surface’s micro asperities for a solid stress analysis
Comparison of Hertzian and JKR theories with a finite element model in boundary lubrication conditions between a compression ring and a cylinder
No full textThis study focuses on the creation of an isothermal elastic model to highlight, through stresses, the occurrence of plastic deformation in certain crank angles under extreme dry conditions inside an internal combustion engine. The stresses that are exported from this analysis are pointing out not only the necessity for an elastoplastic model to be created, but also the importance of predicting the correct friction coefficient, as pointed out by both the contact surface stress and those in depth of the two bodies in contact. A comparison between two coefficients of frictions and one frictionless case is conducted. The comparison between the finite element model and the adhesion mathematical model of Johnson, Kendall and Roberts (JKR), seals the importance of the interaction forces, acting on the common solid surface, in the pursuit of defining a propriate contact patch. Furthermore, a three-dimensional model is proposed for further investigation, highlighting the importance of modelling surface’s micro asperities for a solid stress analysis
