Medium-speed four-stroke diesel engine cylinder pressure effect on component dimensioning

• Main Author: Haapakoski, J. (Jonne)
• Format: Dissertation
• Language: English
• Published: University of Oulu 2016
• Subjects: Mechanical Engineering
• Online Access: http://urn.fi/URN:NBN:fi:oulu-201612023172; http://nbn-resolving.de/urn:nbn:fi:oulu-201612023172

The target of this thesis is to examine the W32 four-stroke engine and the four-stroke engine in general, with regard to its different operation modes and their effect on cylinder pressure. The cylinder pressure curves used in this thesis are simulated for the W32 engine using the GT-Power software. Previously, the cylinder pressure curve and the parameters affecting its shape have been partly unknown. This thesis aims to clarify the effect of different parameters on the cylinder pressure curve and investigate further how they affect component dimensioning. The following parameters are investigated: compression ratio, charge air pressure and different valve timings (VIC and Miller). Three components are chosen for this thesis: piston, crankshaft and connecting rod big end bearing (BEB). The crankshaft torsional vibration are calculated using Torsio software and the crankshaft bending has been calculated using the IACS classification software. Bearing calculations, minimum oil film thickness and peak oil film pressure have been calculated using the AVL Excite software. The piston is calculated according to cylinder pressure forces acting on piston crown and piston side. The cylinder pressure curve shape, the width of the maximum pressure and the variation on pressure during gas exchange have influence on component dimensioning. The complete cylinder pressure curve must be taken into consideration in component dimensioning. A piston crown is dimensioned by the maximum cylinder pressure only, but for connecting rod big end (BEB) bearing the whole pressure curve has an effect on the dimensioning. It has been found out that the bearing oil film thickness in gas and diesel operating mode with full load operation is different during gas load even though the maximum pressure is the same in cylinder pressure curves. For crankshaft torsional vibration the power output is important. For bending stress the cylinder pressure curve compression, combustion and expansion stroke has the impact on dimensioning. === Työn tavoitteena on tutkia W32 nelitahtimoottoria ja yleisesti nelitahtimoottorin eri vaihteita ja näiden vaikutusta sylinteripaineeseen. Työssä käytetyt sylinteripainekäyrät on simuloitu W32-moottorille käyttäen GT-Power-ohjelmaa. Luokitukseen vaadittava sylinteripainekäyrä ja siihen vaikuttavat eri ilmiöt ovat olleet aiemmin osittain tuntemattomia. Tässä työssä on pyritty selventämään eri ilmiöiden vaikutusta sylinteripainekäyrään ja edelleen tutkia niiden vaikutusta eri komponentteihin. Seuraavia ilmiöitä tutkitaan: puristussuhde, ahtopaine sekä eri venttiilien ajoitukset (VIC ja Miller). Tähän työhön on koottu kolme eri komponenttia: mäntä, kampiakseli sekä kiertokangen alasilmän laakeri. Kampiakselin vääntövärähtelylaskelmat on laskettu Torsio-ohjelmalla, kampiakselin taipuma on laskettu IACS-luokitustyökalun avulla. Laakerilaskut, öljyfilmin minimipaksuus (minimum oil film thickness) sekä öljyfilmin huippupaine (peak oil film pressure) on laskettu AVL Excite -ohjelmalla. Mäntä on laskettu sylintetripaine voimien mukaan sekä männän lakiin, että männän helmaan kohdistettuna. Sylinteripainekäyrän muoto, huippupainealueen leveys sekä kaasunvaihdonaikainen paineenvaihtelu vaikuttaa komponenttien mitoitukseen. Komponenttien laskussa koko sylinteripainekäyrän muodolla on merkitystä. Siinä missä esimerkiksi männän laki mitoitetaan sylinteripaineen maksimiarvon perusteella, kiertokangen alasilmän laakeri mitoitetaan koko sylinteripainekäyrän perusteella. On huomattu, että täydellä kuormalla laakerin öljyfilmin kaasunpaineen aikainen minimipaksuus kaasu- ja diesel käytössä poikkeaa toisistaan siitä huolimatta, että kaasu- ja diesel sylintetripainekäyrässä on sama maksimipaine. Kampiakselin vääntövärähtelylle tehon suuruus on tärkeä. Kampiakselin taivutusjännitykseen puolestaan puristustahti, palaminen, sekä paisunta vaikuttavat mitoitukseen.