Congcong Luo, Minghang Zhao, Song Fu, Yan Zhang, Yan Han, Qingqing Huang, Zhiquan Cui
Diante dos desafios práticos e das limitações associadas à realização de experimentos destrutivos em grandes motores diesel marítimos, a simulação numérica emergiu como um método crítico para elucidar os mecanismos de falha dos anéis de pistão e compensar a escassez de dados experimentais. Focando no sistema composto por anel de pistão, pistão e camisa do cilindro, este estudo estabelece um modelo acoplado que integra um domínio fluido 2D com uma estrutura de anel de pistão 3D. A solução considera interações multifísicas que envolvem fatores térmicos, fluidos e estruturais. Diferentemente das análises de fluidos convencionais isoladas, este modelo incorpora a viscosidade dos gases dependente da temperatura e pressão, o modelo de turbulência k-ϵ e a deformação estrutural do anel de pistão sob carga em uma estrutura computacional unificada, visando simular o complexo ambiente físico dentro do cilindro.
Primeiramente, ao comparar o desempenho dos anéis de pistão em estados sem desgaste e com desgaste, o estudo investiga a evolução da microdeformação e o campo de fluxo do vazamento de gás (gas leakage), explorando também as características não lineares da dinâmica dos fluidos. Os resultados da simulação indicam que, mesmo em estado normal, o perfil da seção transversal do anel de pistão sofre deformação elástica significativa no momento de pressão máxima de combustão. Quando ocorre desgaste devido à falha de lubrificação, o alargamento da folga de desgaste compromete o desempenho da vedação; no entanto, a simulação revela que a velocidade e a pressão locais do vazamento de gás exibem uma tendência de queda, com a taxa de declínio desacelerando gradualmente. Essas descobertas são demonstradas visualmente através de contornos de velocidade e pressão, oferecendo uma nova perspectiva para a compreensão dos mecanismos de vazamento induzidos pelo desgaste.
Além disso, o estudo identifica o travamento do anel de pistão (ring sticking) como uma potencial causa primária de elevação anormal da pressão local dentro do cilindro, com um potencial destrutivo muito superior ao do desgaste. Quando depósitos de carbono a alta temperatura restringem o anel de pistão dentro da canaleta, impedindo o movimento livre, o caminho do fluxo de gás torna-se obstruído, causando um aumento brusco na pressão entre anéis. Os dados da simulação mostram que a pressão máxima do gás sob condições de travamento salta de uma base de 5.27 MPa para 11.92 MPa. Tais flutuações drásticas de pressão e o aumento das quedas de pressão são fatores críticos que contribuem para a falha da camisa do cilindro. Esta pesquisa visualiza o campo de fluxo dentro do cilindro, fornecendo dados teóricos preliminares para apoiar o diagnóstico de falhas em motores diesel marítimos.
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,
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booktitle = {2024 International Conference on Industrial Automation and Robotics (IAR)},
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