Congcong Luo, Minghang Zhao, Song Fu, Yan Zhang, Yan Han, Qingqing Huang, Zhiquan Cui
Angesichts der praktischen Herausforderungen und Einschränkungen bei der Durchführung zerstörender Experimente an großen Schiffsdieselmotoren hat sich die numerische Simulation als entscheidende Methode etabliert, um die Versagensmechanismen von Kolbenringen aufzuklären und den Mangel an experimentellen Daten auszugleichen. Mit Fokus auf das System aus Kolbenring, Kolben und Zylinderlaufbuchse wird in dieser Studie ein gekoppeltes Modell erstellt, das einen 2D-Strömungsbereich (Fluid Domain) mit einer 3D-Kolbenringstruktur integriert. Der Lösungsansatz berücksichtigt multiphysikalische Wechselwirkungen, die thermische, strömungsmechanische und strukturelle Faktoren umfassen. Im Gegensatz zu herkömmlichen, isolierten Strömungsanalysen bindet dieses Modell die temperatur- und druckabhängige Viskosität der Gase, das k-ε-Turbulenzmodell sowie die strukturelle Verformung des Kolbenrings unter Last in einen einheitlichen Berechnungsrahmen ein, um die komplexe physikalische Umgebung im Zylinder zu simulieren.
Zunächst untersucht die Studie durch den Vergleich der Kolbenringleistung in unverschlissenem und verschlissenem Zustand die Entwicklung der Mikroverformung sowie das Strömungsfeld der Gasleckage und beleuchtet dabei die nichtlinearen Eigenschaften der Fluiddynamik. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass das Querschnittsprofil des Kolbenrings selbst im Normalzustand im Moment des maximalen Verbrennungsdrucks eine signifikante elastische Verformung erfährt. Tritt Verschleiß infolge von Schmierversagen auf, beeinträchtigt die Aufweitung des Verschleißspalts die Dichtleistung; die Simulation offenbart jedoch, dass die lokale Geschwindigkeit der Gasleckage und der Druck eine abnehmende Tendenz aufweisen, wobei sich die Abnahmerate allmählich verlangsamt. Diese Erkenntnisse werden durch visualisierte Geschwindigkeits- und Druckkonturen veranschaulicht und bieten eine neue Perspektive für das Verständnis verschleißbedingter Leckagemechanismen.
Darüber hinaus identifiziert die Studie das Festbacken der Kolbenringe (Piston Ring Sticking) als eine potenzielle Hauptursache für abnormale lokale Druckerhöhungen im Zylinder, wobei das Schadenspotenzial das von einfachem Verschleiß weit übertrifft. Wenn Hochtemperatur-Kohlenstoffablagerungen den Kolbenring in der Nut blockieren und dessen freie Bewegung verhindern, wird der Gasströmungspfad behindert, was zu einem schlagartigen Anstieg des Zwischenringdrucks führt. Die Simulationsdaten zeigen, dass der maximale Gasdruck unter diesen Bedingungen von einem Basiswert von 5.27 MPa auf 11.92 MPa ansteigt. Solche drastischen Druckschwankungen und erhöhten Druckabfälle sind kritische Faktoren, die zum Versagen der Zylinderlaufbuchse beitragen. Diese Forschungsarbeit visualisiert das zylinderinterne Strömungsfeld und liefert vorläufige theoretische Daten zur Unterstützung der Fehlerdiagnose bei Schiffsdieselmotoren.
References:
Congcong Luo, Minghang Zhao, Song Fu, Yan Zhang, Yan Han, Qingqing Huang, Zhiquan Cui. Numerical simulation of piston rings in marine diesel engines considering thermal-fluid-structure factors: From normal to gas leakage conditions. In 2024 International Conference on Industrial Automation and Robotics (IAR 2024), October 18–20, 2024, Singapore, Singapore. ACM, New York, NY, USA, 7 pages.
https://dl.acm.org/doi/10.1145/3707402.3707412
BibTeX:
@inproceedings{Luo2024,
author = {Congcong Luo and Minghang Zhao and Song Fu and Yan Zhang and Yan Han and Qingqing Huang and Zhiquan Cui},
title = {Numerical simulation of piston rings in marine diesel engines considering thermal-fluid-structure factors: From normal to gas leakage conditions},
booktitle = {2024 International Conference on Industrial Automation and Robotics (IAR)},
year = {2024},
pages = {51--57},
publisher = {ACM},
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