Aspects of lubrication in piston cylinder assemblies
Authors: Δελλής Πολυχρόνιος 
Published: December 2021

Ο κύριος σκοπός του ερευνητικού προγράμματος είναι ο χαρακτηρισμός της λίπανσης σε εμβολοφόρες μηχανές εσωτερικής καύσης. Οι μετρήσεις οι οποίες πραγματοποιούνται είναι το πάχος του λιπαντικού φιλμ μεταξύ του ελατηρίου του εμβόλου και του χιτωνίου ως συνάρτηση των φυσικών και χημικών ιδιοτήτων του λιπαντικού, της ταχύτητας παλινδρόμησης, του φορτίου και της θερμοκρασίας του. Μια απλοποιημένη πειραματική διάταξη προσομοίωσης της λίπανσης, η οποία αποτελείται από ένα κινούμενο χιτώνιο που παλινδρομεί και ένα τμήμα ελατηρίου εμβόλου, που είναι σταθερό, χρησιμοποιείται για τις μετρήσεις του φιλμ του λιπαντικού με ηλεκτρικές και οπτικές (LASER INDUCED FLUORESCENCE-LIF) μεθόδους. H ένταση του φθορίζοντος φωτός μετριέται ως τάση και έπειτα ερμηνεύεται ως πάχος φιλμ λιπαντικού μέσω της κατάλληλης βαθμονόμησης. Η βαθμονόμηση αυτή μπορεί να είναι στατική (με μικρόμετρο) ή δυναμική (με σχισμή στο ελατήριο του εμβόλου). Οι δύο μέθοδοι βαθμονόμησης συγκρίνονται απευθείας. Πραγματοποιήθηκε επίσης παραμετρική μελέτη και οι μετρήσεις του φιλμ, μετρήσεις με LASER (LIF), μετρήσεις δύναμης τριβής και πίεσης του φιλμ, οι οποίες συγκρίνονται για διαφορετική ταχύτητα, φορτίο, θερμοκρασία, τύπο λιπαντικού και γεωμετρία (προφίλ καμπυλότητας) του ελατηρίου πιστονιού. Η οπτικοποίηση του φιλμ πραγματοποιείται με CCD κάμερα, η οποία επέτρεψε την παρατήρηση της σπηλαίωσης μέσω ενός ειδικά κατασκευασμένου γυάλινου χιτωνίου στην απλοποιημένη πειραματική διάταξη προσομοίωσης. Στο μέσο της διαδρομής του χιτωνίου, η παρουσία σπηλαίωσης με τη μορφή γραμμών που εκτείνονται μέχρι την άκρη του ελατηρίου του εμβόλου ήταν εμφανής, ενώ κοντά στα νεκρά σημεία (ΑΝΣ και ΚΝΣ) η αρχή της σπηλαίωσης παρατηρήθηκε με τη μορφή φυλλωσιών. Η παρουσία της σπηλαίωσης η οποία είχε ταυτοποιηθεί εμμέσως από τις μετρήσεις του LIF, υποστηρίχθηκε περαιτέρω με μετρήσεις πίεσης μέσω ενός μίνι - μεταλλάκτη πίεσης. Αυτές οι μετρήσεις πιέσεως παρείχαν περαιτέρω τεκμήρια και βοήθησαν στην ολοκληρωμένη ερμηνεία του φαινομένου στα διάφορα σημεία της διαδρομής του εμβόλου.Σε έναν τροποποιημένο μονοκύλινδρο εμβολοφόρο κινητήρα DIESEL, πραγματοποιήθηκαν επίσης πειράματα οπτικοποίησης του φιλμ του λιπαντικού. Στο χιτώνιο του κινητήρα κοπήκαν τμήματα στα οποία τοποθετήθηκαν παράθυρα σε όλο το μήκος της διαδρομής του εμβόλου ώστε να οπτικοποιηθεί το φιλμ του λιπαντικού. Συγκρίσιμες μορφές σπηλαίωσης με αυτές που είχαν ταυτοποιηθεί στην απλοποιημένη πειραματική διάταξη ήταν εμφανείς και στο κινητήρα. Φωτογραφίες με πολύ υψηλή μεγέθυνση έδωσαν περαιτέρω ενδείξεις και λεπτομέρειες και συγκρίθηκαν με προηγούμενες εργασίες πάνω στη μεταφορά του λιπαντικού στο κύλινδρο, μεταξύ ελατηρίων εμβόλου και χιτωνίου. Η διδακτορική εργασία πραγματοποιήθηκε στο Εργαστήριο ΜΕΚ του IMPERIAL COLLEGE, Thermofluids Section, και του Kέντρου Έρευνας για την Ενέργεια και το Περιβάλλον του CITY UNIVERSITY London, υπό την επίβλεψη του καθηγητή κ. Κωνσταντίνου Αρκουμάνη, μετέπειτα αντιπρύτανη του City University London. Το ερευνητικό πρόγραμμα χρηματοδοτήθηκε από το Ίδρυμα Κρατικών Υποτροφιών (Ι.Κ.Υ.), χρησιμοποιήθηκαν λιπαντικά της εταιρίας CASTROL/ΒΡ για τα πειράματα, η απλοποιημένη πειραματική διάταξη μελέτης των λιπαντικών είναι ειδική κατασκευή του Εργαστηρίου ΜΕΚ του Imperial College και οι δύο εμβολοφόροι κινητήρες που χρησιμοποιήθηκαν για τα πειράματα είναι: α) Lister Petter PHW1 (μονοκύλινδρος DIESEL άμεσου ψεκασμού) με ειδικές τροποποιήσεις στο κορμό του κινητήρα για να υποδεχτεί α) οπτικές ίνες για τα πειράματα LIF και β) παράθυρα για την οπτικοποίηση της λίπανσης και β) AVL LIST MAN (μονοκύλινδρος υπερσυμπιεζόμενος κινητήρας DIESEL άμεσου ψεκασμού) για τα πειράματα λίπανσης και απορροής λιπαντικού από συγκεκριμένες θέσεις κατά τη διαδρομή και περιφέρεια του κυλίνδρου της μηχανής.