Numerical and experimental evaluation of surfaces with deterministic textures in connecting rod bearings of a single-cylinder diesel engine

Abstract

This doctoral research presents a comprehensive numerical and experimental study on the influence of deterministic surface texturing on the tribological behavior of connecting rod bearings in internal combustion engines. A hydrodynamic lubrication model based on the Reynolds equation was developed to predict the effects of texture geometry, depth, and spatial distribution on film pressure, friction force, and load-carrying capacity. A parametric optimization was conducted using the Grey Relational Analysis (GRA) method to identify the most efficient texture configurations in terms of friction reduction and enhanced load support. The optimal texture design, defined by circular dimples with controlled density and positioning, was manufactured through precision CNC micromachining and evaluated experimentally on a single-cylinder diesel engine under controlled load and speed conditions. Measurements of torque and friction mean effective pressure (FMEP) demonstrated a reduction of 5.9% and 6.4%, respectively, compared to the untextured bearings. Despite the absence of statistically significant differences in global FMEP values, local torque analysis confirmed that the optimized textured surfaces effectively reduced friction during the high-load phases of the engine cycle. Post-test surface inspections confirmed minimal wear and consistent lubricant film stability, validating the tribological advantages of deterministic texturing under dynamic operation. The close agreement between the numerical predictions and experimental data supports the robustness of the proposed model and optimization methodology. Overall, the study provides a validated framework for the design, fabrication, and evaluation of textured bearings, offering valuable insights for improving mechanical efficiency and fuel economy inmodern engine systems.

Esta investigación doctoral presenta un estudio numérico y experimental exhaustivo sobre la influencia del texturizado superficial determinístico en el comportamiento tribológico de los cojinetes de biela en motores de combustión interna. Se desarrolló un modelo de lubricación hidrodinámica basado en la ecuación de Reynolds para predecir los efectos de la geometría, profundidad y distribución de las texturas sobre la presión del film lubricante, la fuerza de fricción y la capacidad de carga. La optimización de los parámetros de textura se realizó mediante el método de Análisis Relacional Gris (GRA), identificando las configuraciones más eficaces en la reducción de fricción y el incremento de la capacidad portante. El diseño óptimo, compuesto por cavidades circulares con densidad y ubicación controladas, fue fabricado mediante micromecanizado CNC de alta precisión y evaluado experimentalmente en un motor diésel monocilíndrico bajo condiciones controladas de carga y velocidad. Las mediciones de torque y presión media efectiva de fricción (FMEP) evidenciaron reducciones del 6.4% y 5.9% respecto a los cojinetes sin textura. Aunque no se observaron diferencias estadísticamente significativas en los valores globales de FMEP, el análisis local del torque confirmó que las superficies texturizadas optimizadas reducen la fricción durante las fases de mayor carga del ciclo. Las inspecciones posteriores al ensayo mostraron un desgaste mínimo y una película lubricante estable, validando las ventajas tribológicas del texturizado determinístico en condiciones dinámicas. La alta coherencia entre las predicciones numéricas y los resultados experimentales respalda la solidez del modelo propuesto y del enfoque de optimización. En conjunto, el estudio ofrece una metodología validada para el diseño, fabricación y evaluación de cojinetes texturizados, aportando herramientas aplicables a la mejora de la eficiencia mecánica y el rendimiento energético de motores modernos. (Texto tomado de la fuente)