Development of Friction Measurement Method for Piston Assembly

Abstract

The goal of this master's thesis is to develop a measurement system for piston assembly friction in a medium-speed diesel engine. With reliable friction measurement data the frictional behaviour and friction power losses of a piston assembly can be analysed.

The theoretical part of the thesis concerns piston assembly friction and available methods of measuring it. Among these, the floating liner method was chosen for the thesis measurements. In this method the friction force between piston assembly and cylinder liner is measured by force sensors that also suspend the liner. The development of the method is covered in the middle part of the thesis and the latter part analyses the measurement results.

The floating liner method is continuously improved first by tests on a fully operating engine and later in a purpose-built test rig. Reliable friction measurements are made in the test rig at restricted engine speed and without cylinder pressure.

Results show that piston skirt friction accounts for the majority of friction losses in the piston assembly. The oil viscosity is largely influencing skirt friction and the skirt frictional behaviour resembles plain bearing friction. The ring friction losses seem to be relatively small in medium-speed diesel engines compared to automobile engines.

Tämän diplomityön tavoitteena on kehittää männän ja männänrenkaiden kitkan mittausjärjestelmä keskinopealle dieselmoottorille. Luotettavat kitkanmittaustulokset mahdollistavat männän kitkailmiöiden ja kitkahäviöiden analysoinnin.

Työn teoreettinen osa käsittelee männän ja männänrenkaiden kitkaa ja olemassa olevia kitkan mittausmenetelmiä. Näistä menetelmistä kelluvan sylinteriholkin menetelmä, "floating liner" -menetelmä, valittiin käytettäväksi diplomityön mittauksissa. Menetelmässä voima-anturit mittaavat männän/männänrenkaiden ja sylinteriholkin välistä kitkaa. Holkki kiinnittyy moottoriin ainoastaan anturien välityksellä. Menetelmän kehittelyä käsitellään työn keskiosiossa ja mittaustuloksia analysoidaan työn loppuosassa.

"Floating liner" -menetelmää kehitetään jatkuvasti ensin käyvän moottorin mittauksissa ja myöhemmin tähän tarkoitukseen rakennetussa testirigissä. Rigimittaukset antavat luotettavia tuloksia ainoastaan rajoitetulla pyörimisnopeudella ja ilman sylinteripainetta.

Tulokset kertovat, että männän helma on suurin kitkahäviöiden aiheuttaja männässä. Öljyn viskositeetti vaikuttaa suuresti helman kitkaan ja helman kitkailmiöt muistuttavat liukulaakerikitkaa. Männänrenkaiden kitkahäviöt näyttävät olevan suhteessa pienempiä keskinopeassa dieselmoottorissa verrattuna automoottoreihin.