Congcong Luo, Minghang Zhao, Song Fu, Yan Zhang, Yan Han, Qingqing Huang, Zhiquan Cui
大型舶用ディーゼル機関（マリンディーゼルエンジン）において破壊実験を行うことは、実用上の課題や制約が多いため、ピストンリングの故障メカニズムを解明し、実験データの不足を補う上で、数値シミュレーションが重要な手法となっている。本研究では、ピストンリング、ピストン、シリンダライナからなるシステムに着目し、2次元流体領域と3次元ピストンリング構造を統合した連成モデルを構築した。この解法は、熱、流体、構造要因を含むマルチフィジックス（多重物理）相互作用を考慮している。従来の単一的な流体解析とは異なり、本モデルではガスの温度・圧力依存性粘度、k-ε乱流モデル、および負荷下でのピストンリングの構造変形を統一された計算フレームワークに組み込み、シリンダ内の複雑な物理環境を再現している。
まず、未摩耗状態と摩耗状態のピストンリングの性能を比較することで、微小変形の進展とガス漏れ（吹き抜け）流れ場を調査し、さらに流体ダイナミクスの非線形特性についても検討を行った。シミュレーション結果によると、正常な状態であっても、最大燃焼圧力の瞬間にピストンリングの断面プロファイルが大きな弾性変形を起こすことが示された。潤滑不良により摩耗が発生すると、摩耗による隙間の拡大がシール性能を低下させる。しかし、シミュレーションでは、局所的なガス漏れ速度と圧力が低下傾向を示し、その低下率が徐々に緩やかになることが明らかになった。これらの知見は、速度および圧力の可視化コンター図（等高線図）を通じて視覚的に示されており、摩耗による漏れメカニズムを理解するための新たな視点を提供している。
さらに、本研究では、ピストンリングのスティック（固着）がシリンダ内での異常な局所圧力上昇の主要因となる可能性があり、その破壊的な影響は摩耗をはるかに上回ることを特定した。高温のカーボンデポジット（堆積物）が溝内のピストンリングを拘束し、自由な動きを妨げると、ガスの流路が遮断され、リング間圧力が急激に上昇する。シミュレーションデータによると、スティック条件下での最大ガス圧力は、ベースラインの5.27 MPaから11.92 MPaへと急増していることが示された。このような激しい圧力変動と圧力降下の増大は、シリンダライナ破損の要因となる重要な要素である。本研究はシリンダ内流れ場を可視化し、舶用ディーゼル機関の故障診断を支援するための予備的な理論データを提供するものである。
参考文献:
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},
doi = {10.1145/3707402.3707412}
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