Congcong Luo, Minghang Zhao, Song Fu, Yan Zhang, Yan Han, Qingqing Huang, Zhiquan Cui
대형 선박용 디젤 엔진에 대한 파괴 실험(destructive experiments)은 현실적인 제약과 한계가 따르기 때문에, 수치 시뮬레이션(numerical simulation)은 피스톤 링의 고장 메커니즘을 규명하고 부족한 실험 데이터를 보완하는 중요한 방법으로 부상했다. 본 연구는 피스톤 링, 피스톤, 실린더 라이너 시스템에 초점을 맞추어 2D 유체 영역과 3D 피스톤 링 구조를 통합한 연성 모델(coupled model)을 수립하였다. 이 해법은 열, 유체, 구조적 요인이 포함된 다중 물리(multi-physics) 상호작용을 고려한다. 기존의 단일 유체 해석과 달리, 본 모델은 가스의 온도 및 압력 의존 점성, k-ϵ 난류 모델, 그리고 하중에 따른 피스톤 링의 구조적 변형을 하나의 통합된 계산 프레임워크에 포함시켜 실린더 내부의 복잡한 물리적 환경을 모사하였다.
첫째, 피스톤 링의 미마모(unworn) 상태와 마모(worn) 상태의 성능을 비교함으로써 미세 변형의 진행 과정과 가스 누설 유동장(flow field)을 조사하고, 유체 역학적 비선형 특성을 탐구하였다. 시뮬레이션 결과, 정상 상태일지라도 최대 연소 압력이 발생하는 순간에는 피스톤 링의 단면 형상(cross-sectional profile)에 상당한 탄성 변형이 일어나는 것으로 나타났다. 윤활 불량으로 인해 마모가 발생하여 틈새가 넓어지면 밀봉 성능은 저하되지만, 시뮬레이션 결과 국부적인 가스 누설 속도와 압력은 오히려 하향 추세를 보이며 그 감소율은 점차 둔화되는 것으로 확인되었다. 이러한 결과는 가시화된 속도 및 압력 등고선(contours)을 통해 시각적으로 입증되었으며, 마모로 인한 누설 메커니즘을 이해하는 새로운 관점을 제시한다.
더 나아가, 본 연구는 피스톤 링 고착(sticking) 현상을 실린더 내 비정상적인 국부 압력 상승의 잠재적 주원인으로 지목하였으며, 이는 마모보다 훨씬 더 큰 파괴적 위험성을 내포하고 있다. 고온의 카본 퇴적물이 그루브(groove) 내에서 피스톤 링을 구속하여 자유로운 움직임을 방해할 경우, 가스 유동 경로가 차단되어 링 간 압력(inter-ring pressure)이 급격히 치솟게 된다. 시뮬레이션 데이터에 따르면, 고착 조건에서의 최대 가스 압력은 기준치인 5.27 MPa에서 11.92 MPa로 급증하는 것으로 나타났다. 이러한 극심한 압력 변동과 증가된 압력 강하(pressure drop)는 실린더 라이너 파손에 기여하는 결정적인 요인이다. 본 연구는 실린더 내부 유동장을 가시화함으로써 선박용 디젤 엔진의 고장 진단을 뒷받침하는 기초 이론 데이터를 제공한다.
참고문헌
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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