Congcong Luo, Minghang Zhao, Song Fu, Yan Zhang, Yan Han, Qingqing Huang, Zhiquan Cui
Ante los desafíos prácticos y las limitaciones asociadas a la realización de experimentos destructivos en grandes motores diésel marinos, la simulación numérica ha surgido como un método crítico para dilucidar los mecanismos de fallo de los anillos de pistón y compensar la escasez de datos experimentales. Centrándose en el sistema compuesto por el anillo de pistón, el pistón y la camisa del cilindro (cylinder liner), este estudio establece un modelo acoplado que integra un dominio de fluido 2D con una estructura de anillo de pistón 3D. La solución tiene en cuenta las interacciones multifísicas que involucran factores térmicos, de fluidos y estructurales. A diferencia de los análisis de fluidos convencionales aislados, este modelo incorpora la viscosidad de los gases dependiente de la temperatura y la presión, el modelo de turbulencia k-ϵ y la deformación estructural del anillo bajo carga en un marco computacional unificado para simular el complejo entorno físico dentro del cilindro.
En primer lugar, al comparar el rendimiento de los anillos de pistón tanto en estado nuevo (sin desgaste) como desgastado, el estudio investiga la evolución de la microdeformación y el campo de flujo de la fuga de gas, explorando a su vez las características no lineales de la dinámica de fluidos. Los resultados de la simulación indican que, incluso en condiciones normales, el perfil transversal del anillo sufre una deformación elástica significativa en el momento de máxima presión de combustión. Cuando se produce desgaste debido a un fallo de lubricación, el ensanchamiento de la holgura por desgaste compromete la estanqueidad; sin embargo, la simulación revela que la velocidad local de fuga de gas y la presión muestran una tendencia descendente, con una tasa de disminución que se desacelera gradualmente. Estos hallazgos se demuestran visualmente mediante contornos de velocidad y presión, proporcionando una nueva perspectiva para comprender los mecanismos de fuga inducidos por el desgaste.
Además, el estudio identifica el pegado de los anillos (piston ring sticking) como una posible causa principal de la elevación anormal de la presión local dentro del cilindro, con un potencial destructivo muy superior al del desgaste. Cuando los depósitos de carbonilla a alta temperatura restringen el anillo dentro de la ranura, impidiendo su libre movimiento, la trayectoria del flujo de gas se obstruye, provocando un brusco aumento de la presión entre anillos. Los datos de simulación muestran que la presión máxima del gas en condiciones de pegado aumenta desde una línea base de 5.27 MPa hasta 11.92 MPa. Tales fluctuaciones drásticas de presión y el aumento de las caídas de presión son factores críticos que contribuyen al fallo de la camisa del cilindro. Esta investigación visualiza el campo de flujo dentro del cilindro, proporcionando datos teóricos preliminares para apoyar el diagnóstico de fallos de los motores diésel marinos.
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},
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booktitle = {2024 International Conference on Industrial Automation and Robotics (IAR)},
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pages = {51--57},
publisher = {ACM},
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