A mechanical model of an axial piston-type machine with a so-called wobble plate and Z-shaft mechanism is presented. The overall aim is to design and construct an oil-free piston expander demonstrator as a first step to realizing an advanced and compact small-scale steam engine system. The benefits of a small steam engine are negligible NOx emissions (due to continuous, low-temperature combustion), no gearbox needed, fuel flexibility (e.g., can run on biofuel and solar), high part-load efficiency, and low noise. Piston expanders, compared with turbines or clearance-sealed rotary displacement machines, have higher mechanical losses but lower leakage losses, much better part-load efficiency, and for many applications a more favourable (i.e., lower) speed. A piston expander is thus feasible for directly propelling small systems in the vehicular power range. An axial piston machine with minimized contact pressures and sliding velocities, and with properly selected construction materials for steam/water lubrication, should enable completely oil-free operation. An oil-free piston machine also has potential for other applications, for example, as a refrigerant (e.g., CO2) expander in a low-temperature Rankine cycle or as a refrigerant compressor.   An analytical rigid-body kinematics and inverse dynamics model of the machine is presented. The kinematical analysis generates the resulting motion of the integral parts of the machine, fully parameterized. Inverse dynamics is applied when the system motion is completely known, and the method yields required external and internal forces and torques. The analytical model made use of the “Sophia” plug-in developed by Lesser for the simple derivation of rotational matrices relating different coordinate systems and for vector differentiation. Numerical solutions were computed in MATLAB. The results indicate a large load bearing in the conical contact surface between the mechanism’s wobble plate and engine block. The lateral force between piston and cylinder is small compared with that of a comparable machine with a conventional crank mechanism.   This study aims to predict contact loads and sliding velocities in the component interfaces. Such data are needed for bearing and component dimensioning and for selecting materials and coatings. Predicted contact loads together with contact geometries can also be used as input for tribological rig testing. Results from the model have been used to dimension the integral parts, bearings and materials of a physical demonstrator of the super-critical steam expander application as well as in component design and concept studies.

Die Kolbenstangeninnenkühlung (KSIK) ist eine Kühltechnologie für Kreuzkopfverdichter, die in verschiedenen Experimenten gezeigt hat, dass sie ein beträchtliches Potenzial zur Wärmeabfuhr aus den thermisch beanspruchten Komponenten im Zylinder- und Packungsbereich besitzt. Dass sie in der Praxis noch nicht zum Einsatz kommt, liegt unter anderem daran, dass ihre Wirkungsweise und insbesondere die thermo- und fluiddynamischen Vorgänge des zweiphasigen Kühlfluids im Stangeninneren nicht ausreichend erforscht sind, um die Wärmeabfuhr für verschiedene Verdichter und Förderaufgaben zu quantifizieren. Die vorliegende Arbeit hat daher zum Ziel, einen Teil dieser Wissenslücke für Kreuzkopfverdichter mit vertikaler Ausrichtung der Kolbenstange zu schließen. Um die relevante Wissensbasis zu Kreuzkopfverdichtern zu vermitteln, werden einleitend ihr Aufbau, ihre Funktionsweise und die Thematik ihrer Kühlung behandelt. Dabei wird unter anderem gezeigt, wie sich die Wärmeabfuhr auf die Energieeffizienz und die auftretenden Maximaltemperaturen auswirkt und welche Wärmemengen durch Reibung an den Dichtungselementen entstehen. Anhand einer exemplarischen Betrachtung von Verdichtern unterschiedlicher Druckniveaus und Förderströme wird deutlich, dass die KSIK vor allem bei niedrigen Drücken und für die Abfuhr der Reibleistungen effektiv eingesetzt werden kann. Die Größe bzw. Leistungsklasse erweist sich dabei nicht als limitierender Faktor. Anschließend erfolgt die Darstellung konventioneller Kühlverfahren sowie die ausführliche Vorstellung der KSIK mit den Themenschwerpunkten: Funktionsweise, Einflussgrößen, Stand der Technik und Einsatzgrenzen. Um die Wärmeabfuhr zu quantifizieren, die mit einer innengekühlten Kolbenstange eines stehenden Kreuzkopfverdichters erreicht wird, werden Messungen an einem Versuchsstand mit einer vertikal-oszillierenden Hohlstange vorgestellt. Insbesondere die Wahl des Kühlfluids sowie der eingefüllte Flüssigvolumenanteil beeinflussen den Wärmetransport, sind aber für den Fall der KSIK bislang nicht untersucht worden. Daher erfolgt zunächst eine Vorauswahl der vier bestgeeigneten Fluide anhand ihrer thermodynamischen Eignung für das Einsatzgebiet der Kreuzkopfverdichter. Bei den Messungen zeigt sich Wasser, insbesondere als Reinstoff-Füllung, aber auch als Gemisch mit Luft, als deutlich bestes Kühlfluid. Mit einer Dampf-Wasser-Füllung kann erwartungsgemäß eine bessere Wärmeabfuhr erzielt werden als mit einer Luft-Wasser-Füllung. Hinsichtlich des optimalen Flüssigvolumenanteils zeigte sich in den Messergebnissen mit Dampf-Wasser-Füllung eine optimale Wärmeabfuhr im Bereich zwischen 30 Vol.-%fl und 70 Vol.-%fl. In dieser relativ großen Spanne treten lediglich geringe Unterschiede hinsichtlich des Wärmetransports auf. Für die untersuchte Versuchsstandkonfiguration und im untersuchen Drehzahlbereich (300 min−1 bis 600 min−1) liegen die zugehörigen axialen Wärmestromdichten zwischen ca. 40 W cm−2 und 80 W cm−2 und die Wärmewiderstände zwischen ca. 0,27 K W−1 und 0,37 K W−1. Für eine Luft-Wasser-Füllung stellt sich ein etwas ausgeprägteres Optimum der Wärmeabfuhr bei 25 Vol.-%fl ein, für das sich axiale Wärmestromdichten zwischen ca. 33 W cm−2 und 38 W cm−2 und Wärmewiderstände zwischen ca. 0,7 K W−1 und 1,3 K W−1 ergeben. Da der fluidgebundene Wärmetransport im Innenvolumen der KSIK maßgeblich von der Strömung des zweiphasigen Kühlfluids abhängig ist, schließen sich an die Analyse der Wärmeabfuhr optische Messungen des Strömungsverhaltens einer Dampf-Wasser- sowie einer Luft-Wasser-Füllung mittels Hochgeschwindigkeitskamera an. Hierfür wurde eine optisch zugängliche Hohlstange mit nahezu gleichen Abmessungen, gleicher oszillierender Bewegung, aber ohne Wärmezu- und -abfuhr an den Stangenenden verwendet. Den Aufnahmen der Luft-Wasser-Füllungen ist zu entnehmen, dass sich die Strömung für alle untersuchten Drehzahlen und Flüssigvolumenanteile durch eine gemeinsame Struktur auszeichnet. Hierbei tritt die flüssige Phase stets in zwei hauptsächlichen Erscheinungsformen auf: Zum einen ein Teil am unteren Stangenende, der in der vorliegenden Arbeit als Sumpf bezeichnet wird. Und zum anderen ein zweiter Teil, der durch die oszillierende Stangenbewegung den Sumpf verlässt und sich als Wandfilm im Innenvolumen zunächst nach oben bewegt und nach Erreichen einer maximalen Höhe wieder nach unten zurückfließt. Dieser Teil erhält daher die Bezeichnung Film. Die Bewegung der Luft im Stangeninneren ergibt sich im Wesentlichen durch die Verdrängung der Flüssigkeit. Die Strömung von Sumpf und Film kann auf der Basis vereinfachender geometrischer Annahmen mithilfe von drei zeitabhängigen, charakteristischen Strömungsparametern beschrieben werden: Der Sumpfhöhe, der Filmhöhe sowie der Filmdicke. Diese wurden für verschiedene Füllmengen zwischen 10 Vol.-%fl und 40 Vol.-%fl und im Drehzahlbereich zwischen 300 min−1 und 600 min−1 quantifiziert. Es zeigt sich, dass das Wärmetransportverhalten und die Strömung einer Luft-Wasser-Füllung eng gekoppelt sind und sich die Ergebnisse der optischen Untersuchung bei der Interpretation des thermodynamischen Verhaltens als hilfreich erweisen. Beispielsweise offenbaren sie die Gründe für den optimalen Flüssigvolumenanteil von 25 Vol.-%fl. Darüber hinaus wurde auch die Strömung verschiedener Dampf-Wasser-Füllungen untersucht, die in einigen wesentlichen Aspekten von den Ergebnissen mit Luft-Wasser-Füllung abweicht. Der wichtigste Unterschied zeigt sich in der Möglichkeit des Phasenwechsels zwischen flüssiger und gasförmiger Phase und vice versa, was bei einem Luft-Wasser-Gemisch in keiner Messung festgestellt werden konnte. Neben einer mutmaßlichen Verbesserung der Wärmeübergangskoeffizienten resultiert hieraus auch eine bessere Durchströmung des Innenvolumens sowie eine bessere Durchmischung der gasförmigen und flüssigen Phase, sodass nachvollziehbar wird, warum ein Dampf-Wasser-Gemisch eine bessere Wärmeabfuhr ermöglicht als mit Luft als zusätzlicher Komponente. Um die Berechnung der Strömung von Luft-Wasser-Füllungen in einer vertikal-oszillierenden Hohlstange für beliebige Konfigurationen zu ermöglichen, wurde ein Strömungsmodell entwickelt, mit dem die zeitlich abhängige Verteilung der flüssigen und gasförmigen Phase berechnet werden kann. Dabei sind u. a. die Drehzahl, der Flüssigvolumenanteil sowie der Innendurchmesser und die Länge der Hohlstange frei wählbar. Zur Beschreibung der Verteilung der flüssigen Phase wird die in den optischen Untersuchungen festgestellte Aufteilung in Sumpf- und Filmanteile für das Berechnungsmodell übernommen. Die Grundlage für die Berechnung der Strömung mittels Zeitschrittverfahrens stellt die Bewegungsgleichung für die Flüssigkeit in vertikaler Richtung unter Berücksichtigung verschiedener Beschleunigungsanteile dar, die die Filmbewegung hervorrufen. Die restlichen charakteristischen Strömungsparameter ergeben sich durch die Inkompressibilität der flüssigen Phase und durch die empirische Vorgabe der Filmdicke, sodass dadurch auch die zeitlich abhängige Verteilung des Sumpfs und der gasförmigen Phase ermittelt werden kann. Der Vergleich der Berechnungs- und Messergebnisse für die charakteristischen Strömungsparameter zeigt eine in den meisten Fällen zufriedenstellende Übereinstimmung und bestätigt die Herangehensweise und das Berechnungskonzept des Strömungsmodells.:1 Einleitung 2 Grundlagen der Kreuzkopfverdichter 3 Experimentelle Untersuchungen der Wärmeabfuhr 4 Experimentelle Untersuchungen der Strömung 5 Berechnungsmodell für die Strömung mit Luft-Wasser-Füllung 6 Zusammenfassung A Anhang

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(理学) / 甲第19472号 / 理博第4132号 / 新制||理||1594(附属図書館) / 32508 / 京都大学大学院理学研究科物理学・宇宙物理学専攻 / (主査)教授 佐々 真一, 准教授 藤 定義, 准教授 武末 真二 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Science / Kyoto University / DFAM

In a world with high energy cost, the efficiency of motors becomes increasingly important. Thereby, the understanding of loss mechanics is of great significance and having accurate simulation models for the efficiency of motors is crucial.    Bosch Rexroth Mellansel has developed a new radial piston hydraulic motor with high power, capable of operating at high torque and speed. In this master thesis the newly developed motor will be examined and undergo a lab test to determine its efficiency. The results from this will then be used to improve the current simulation model and aim for a physical model that align with the efficiency results. Furthermore, the loss mechanics of the motor is important and will be studied during this thesis. The loss mechanics in a motor can be split into two parts, hydro-mechanical and volumetric losses. Hydro-mechanical losses refer to the losses due to both friction and hydraulic flow. The losses in the fluid flow are in turn divided into two parts, the major losses and the minor losses which are the friction losses in the fluid and the losses due to geometric changes in the channels respectively. The volumetric losses are on the other hand the losses from internal and external leakage of the hydraulic fluid, and compression flow which is the extra flow that occurs when the fluid changes density.  In order to determine efficiency values from a radial piston hydraulic motor, a test specification was written containing the information needed to perform the test, including two different methods, the pressure and torque method, and the sensors needed to measure the different parameters. For the hydro-mechanical efficiency the uncertainty is 0.1% for the pressure method and 0.15% for the torque method. The test was performed for several different rotational speeds and different pressure points. An improved model was developed from the test results by testing and optimization, and it was found that having the losses due to geometric changes in the channels, depend on Reynolds number agreed better with the test result. However, the improved simulation model does not align as well with the test result for all measured points. Hence a further investigation on the friction model and the dependence on pressure might improve the model further. However, it was found that for a specific sub test, the new model had a mean difference from the pressure method test result of 10^-3. While the mean difference for the unaltered simulation model was 10^-2, hence the new simulation model is an improvement. Therefore, the outcome of this master thesis is an improved simulation model for the newly developed radial piston hydraulic motor QMp 560-560 but also for future motors to come.

京都大学 / 新制・課程博士 / 博士(理学) / 甲第24430号 / 理博第4929号 / 新制||理||1704(附属図書館) / 京都大学大学院理学研究科地球惑星科学専攻 / (主査)准教授 河上 哲生, 教授 下林 典正, 教授 田上 高広 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Science / Kyoto University / DFAM

Piston telemetry research involves monitoring the temperatures at specific internal location points within a combustion engine piston. The temperatures are detected with type K thermocouples as voltages and processed to convert them into temperatures using cold junction compensation methods. The present system uses a specific sensor designed to operate in the high temperature environment within the piston, reading multiple thermocouples. Because of the reciprocating motion of the piston, power generation is intermittent and available only when the piston reaches near bottom dead centre, using inductive coupling to power the sensors and transmit data to an evaluation unit for data processing. The planned system involves designing and building a prototype telemetry unit using ¿off the shelf¿ components that integrate the reading of thermocouple outputs, signal processing and cold junction compensation. Wireless telemetry is adopted for data transmission with an integrated Bluetooth and microcontroller module. The data acquisition module can be adapted for other sensors by adapting the firmware uploaded to the microcontroller. The hardware electronics are envisaged to be encased in thermal insulation to enable operation in high temperature environments. The considered system requires a power supply for the integrated components in the form of a power generator and that it should meet two criteria: to be located within confined spaces and to be permanently available, without having to dismantle systems to change batteries. The selected method is an induction generator constructed from a coil stator connected to the piston connection rod big end and a permanent magnet rotor connected to the crankshaft. The suggested mechatronic system is validated against the present system by comparing both systems to determine whether wireless telemetry can perform within acceptable tolerances and limits for the specified task. Then, for acceptable performances, reduce costs and include flexibility to operate in multiple environments. Bench testing shows that the power generator is capable of driving the sensors and the Bluetooth integrated DAQ system. / EPSRC and University of Bradford

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Le contact Segment-Piston-Chemise (SPC) est essentiel pour la réduction des émissions de CO2 et de polluants dans les moteurs automobile. Pour optimiser ces deux contraintes antagonistes, il est nécessaire d’étudier l’influence de la microgéométrie afin de trouver de nouvelles architectures de ce contact. L’étude expérimentale étant très coûteuse, il est impératif de pouvoir modéliser les performances du contact SPC. Les méthodes multigrilles permettent de réduire considérablement les temps de calcul. Pour le contact SPC, les méthodes multigrilles classiques perdent leur efficacité en présence de texture. Un nouvel algorithme, basé sur des idées développées par Alcouffe et al. a été conçu qui permet l’étude du contact hydrodynamique en présence de texturation importante. Il a été validé par comparaison avec un modèle analytique 1D, ses performances ont été étudiées et une première étude de l’influence des paramètres sur la portance pour une surface striée a été faite. L’algorithme a ensuite été modifié pour imposer la conservation des flux. Un processus de relaxation plus proche de la physique du phénomène est utilisé. Le code obtenu n’atteint pas l’efficacité multigrille optimale. Cependant sa convergence est suffisamment rapide pour étudier l’influence de pores pour le segment plat et montrer l’importance d’une texturation partielle. Pour finir, le terme transitoire de l’équation de Reynolds est pris en compte. Pour un segment parabolique et une chemise striée, l’influence des paramètres des stries (profondeur, largeur, distance et angle des stries) sur la variation moyenne de la hauteur de film par rapport à une surface lisse est analysée. / The piston ring cylinder liner (PRCL) contact is essential in the CO2 and pollutant emission reduction in internal combustion engine. These two constraints being antagonistic, a compromise has to be found and it is necessary to study the microgeometry influence in order to find new PRCL contact architectures. As experimental study can be very expensive, modeling PRCL contact performance becomes crucial. Multigrid methods allow a huge reduction of the computational time. Unfortunately, in presence of texture, classical multigrid efficiency decays significantly and are not usable. A new algorithm based on an approach developed by Alcouffe et al. was designed that allows the study of the hydrodynamic lubrication of this contact even in the case of a highly varying geometry due to the texture. The obtained code was validated by comparison with a 1D analytical model, its performance was evaluated and a first study of an analytic cross hatched geometry parameter influence on the load carrying capacity was completed. The code was modified to include flow conservation. A relaxation process based closer to the physics phenomenon is used. The code efficiency is not the one that is expected from multigrid technics. However it convergence is sufficiently fast to study the dimple influence for the oil control ring and show the importance of partial texturing. Finally the transient term of the Reynolds equation is accounted for. In the case of a parabolic ring and for a cross hatched liner, the influence of the groove parameters ( depth, width, distance and groove angle) on the average minimum film thickness with respect to the smooth case is analyzed.

Le moteur à combustion, utilisé dans l’automobile est en perpétuelle évolution pour des raisons économiques et écologiques. Pour parvenir à de faibles consommations de carburant et émissions polluantes, l’un des axes étudiés est la réduction des pertes mécaniques par frottement du moteur qui constituent 15 à 20% de la consommation totale d’énergie du moteur. 50% de ces frottements proviennent des contacts Segment-Piston- Chemise et de la liaison Maneton-Bielle-Coussinet. De ce fait la compréhension de la tribologie de ce contact, l’optimisation de la lubrification et le vieillissement des lubrifiants deviennent primordiaux. L’objectif de cette thèse est d’étudier les mécanismes de lubrification de ces contacts segment/chemise et maneton/coussinet, et en particulier de comprendre l’influence du couplage additif, surface et matériau dans les différentes régimes de lubrification. Il s’agira de répondre à la question : comment maîtriser le frottement et l’usure en contrôlant la chimie du lubrifiant, la topographie et le matériau ? La démarche expérimentale choisie s’appuie sur l’analyse du comportement tribologique de deux additifs modificateurs de frottement sans cendres d’une part, puis sur l’impact du matériau et enfin sur l’influence de la topographie d’autre part. L’analyse de la cinétique d’évolution du coefficient de frottement et des traces d’usure en régime limite ont notamment permis d’identifier les mécanismes de réduction de frottement induits par les deux modificateurs étudiés. / The combustion engine used in automotive industry is constantly changing for economic and ecological reasons. To achieve low fuel consumption and pollutants emissions, one of research axes studied is the reduction of the mechanical friction loss of the motor which constitute 15-20 % of the total energy consumption of the engine. 50% of these come from friction contacts cylinder /piston rings and conrod bearing. Thereby understanding of tribology of the contact, optimizing lubrication and lubricants aging become paramount. The objective of this thesis is to study the mechanisms of lubrication of these contact (piston ring/cylinder and conrod bearing), and in particular to understand the influence of the additive coupling surface and material in the different lubrication regimes. This will answer the question : how to control the friction and wear by controlling the chemistry of the lubricant, the topography and the material ? The experimental approach chosen is based on the analysis of the tribological behavior of two friction modifiers additives ashless at first time, and on the impact of material and finally the influence of topography on the second time. XPS Analysis of the evolution of the coefficient of friction and wear track under boundary regime have enabled to identify mechanisms to reduce friction induced by the two modifiers studied.