Τριβολογικός σχεδιασμός ελατηρίου συμπίεσης υπό ελαστικότητα με την καύση υδρογόνου
Loading...
Date
2026-10-15
Authors
Ντάτσος, Ορέστης
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Abstract
Η παρούσα διπλωματική εργασία επικεντρώνεται στην τριβολογική και ρευστομηχανική ανάλυση του πρώτου ελατηρίου συμπίεσης κινητήρα εσωτερικής καύσης, με έμφαση στην επίδραση της ελαστικής παραμόρφωσης, του φαινομένου blow-by και της μετάβασης από καύση βενζίνης σε καύση υδρογόνου. Το πρώτο ελατήριο συμπίεσης αποτελεί κρίσιμο στοιχείο του συστήματος εμβόλου–χιτωνίου, καθώς εξασφαλίζει τη στεγανοποίηση του θαλάμου καύσης, διατηρεί τη συμπίεση και λειτουργεί υπό υψηλές μηχανικές και θερμικές καταπονήσεις. Η διαρροή αερίων μεταβάλλει τις συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας και επηρεάζει άμεσα τη λιπαντική συμπεριφορά, την τριβή και τις μηχανικές απώλειες.
Αρχικά αναπτύχθηκε δισδιάστατο μοντέλο Υπολογιστικής Ρευστοδυναμικής για την περιοχή επαφής ελατηρίου–χιτωνίου, μέσω του οποίου προσδιορίστηκαν η μέγιστη υδροδυναμική πίεση, η δύναμη τριβής και το ελάχιστο πάχος του λιπαντικού φιλμ. Στη συνέχεια αναπτύχθηκε τρισδιάστατο μοντέλο αμφίδρομης αλληλεπίδρασης στερεού–ρευστού, 2-Way FSI, στο περιβάλλον ANSYS Workbench, με σύζευξη των Fluent, Transient Structural και System Coupling. Η προσέγγιση αυτή επέτρεψε τη συνεκτίμηση της αλληλεπίδρασης μεταξύ της πίεσης του λιπαντικού και της ελαστικής παραμόρφωσης του ελατηρίου, η οποία μεταβάλλει δυναμικά τη γεωμετρία και το πάχος της λιπαντικής μεμβράνης. Παράλληλα, ενσωματώθηκαν η επίδραση της επιφανειακής τραχύτητας, η μη Νευτώνεια και θερμοκρασιακά εξαρτώμενη συμπεριφορά του λιπαντικού, καθώς και μεταβαλλόμενες συνοριακές συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας.
Η ανάλυση πραγματοποιήθηκε για βενζίνη και υδρογόνο, με και χωρίς blow-by. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η διαρροή αερίων επιδεινώνει τη λειτουργία του λιπαντικού φιλμ, μειώνοντας την αναπτυσσόμενη υδροδυναμική πίεση και το ελάχιστο πάχος του, ενώ παράλληλα αυξάνει τη δύναμη τριβής. Η επίδραση αυτή εμφανίστηκε εντονότερη στα κρίσιμα τριβολογικά μεγέθη στην περίπτωση του υδρογόνου. Επιπλέον, η καύση υδρογόνου οδήγησε σε εντονότερη και χρονικά διαφοροποιημένη φόρτιση, μεγαλύτερη ελαστική παραμόρφωση του ελατηρίου, μικρότερο πάχος λιπαντικού και αυξημένες απώλειες τριβής σε σχέση με τη βενζίνη.
Συνολικά, η εργασία αναδεικνύει τη σημασία της ταυτόχρονης θεώρησης ρευστοδυναμικών, δομικών και θερμικών φαινομένων για την αξιόπιστη περιγραφή της λειτουργίας του πρώτου ελατηρίου συμπίεσης. Τα αποτελέσματα υποδεικνύουν ότι οι αυξημένες απαιτήσεις της καύσης υδρογόνου καθιστούν αναγκαία την επανεξέταση του σχεδιασμού του ελατηρίου ως προς τη γεωμετρία, τη δυσκαμψία, το υλικό και την επιφανειακή του επικάλυψη, με στόχο τη διατήρηση επαρκούς λιπαντικής μεμβράνης, τον περιορισμό του blow-by και τη μείωση των μηχανικών απωλειών.
Description
Keywords
Ελατήριο συμπίεσης, Καύση υδρογόνου, Υπολογιστική ρευστοδυναμική, Υδροδυναμική λίπανση, Ελάχιστο πάχος λιπαντικού