Theoretical and Experimental Evaluation of Performance of a CNG Engine and the Pistons Fatigue Lives Employing Modified Fatigue Criteria

Abstract

Представлена систематизированная методика теоретической оценки рабочих характеристик газового двигателя внутреннего сгорания и параметров усталостного разрушения его поршней и выполнена ее экспериментальная верификация путем натурных испытаний двигателя. Методика включает в себя моделирование процессов внутреннего сгорания и теплопередачи, кинематический и динамический анализы движущихся частей двигателя, анализ переходного термоупругого процесса и усталостного разрушения при комплексном термомеханическом нагружении. Расчетные значения давления и температуры для различных углов поворота кривошипно-шатунного механизма хорошо согласуются с экспериментальными данными. Результаты расчета характеристик теплопередачи подтверждаются данными экспериментальных измерений с помощьютермодатчиков Templugs. Движущаяся система считается не дискретной, а непрерывной с точно моделируемыми нелинейными многоточечными контактными реакциями. При расчетах усталостной долговечности используются модифицированные критерии Мак-Диармида и Финдли для многоцикловой усталости, предложенные одним из авторов этой работы. Выполнена их верификация с помощью экспериментальных данных. Методика может использоваться для оценки целесообразности преобразования бензинового двигателя в газовый. Расчетные данные о различных усталостных характеристиках, полученные при термомеханическом нагружении, подтверждают точность предложенных критериев усталости и показывают, что срок службы поршня двигателя внутреннего сгорания существенно уменьшается, если вместо бензина используется природный газ.

Представлено систематизовану методику теоретичної оцінки робочих характеристик газового двигуна внутрішнього згоряння і параметрів утомного руйнування його поршнів та виконано її експериментальну верифікацію шляхом натурних випробувань двигуна. Методика включає моделювання процесів внутрішнього згоряння і теплопередачі, кінематичний і динамічний аналізи рухомих частин двигуна, аналіз перехідного термопружного процесу й утомного руйнування при комплексному термомеханічному навантаженні. Розрахункові значення тиску і температури для різних кутів повороту кривошипношатунного механізму добре узгоджуються з експериментальними даними. Результати розрахунку характеристик теплопередачі підтверджуються даними експериментальних вимірювань за допомогою термодатчиків Templugs. Рухома система вважається не дискретною, а неперервною з точно модельованими нелінійними багатоточковими контактними реакціями. При розрахунках утомної довговічності використовуються модифіковані критерії Мак Діарміда і Фіндлі для багатоциклової утоми, запропоновані одним з авторів работи. Виконано їх верифікацію за допомогою експериментальних даних. Методику можна використовувати для оцінки доцільності перетворення бензинового двигуна в газовий. Розрахункові дані щодо різних утомних характеристик, отримані в умовах термомеханічного навантаження, підтверджують точність запропонованих критеріїв утоми і показують, що термін служби поршня двигуна внутрішнього згоряння суттєво зменшується, якщо замість бензину використовувати природний газ.