Congcong Luo, Minghang Zhao, Song Fu, Yan Zhang, Yan Han, Qingqing Huang, Zhiquan Cui
Mengingat tantangan praktis dan keterbatasan dalam melakukan eksperimen destruktif pada mesin diesel kapal berukuran besar, simulasi numerik telah menjadi metode krusial untuk mengungkap mekanisme kegagalan ring piston dan mengatasi kelangkaan data eksperimental. Berfokus pada sistem ring piston, piston, dan cylinder liner, studi ini membangun model terkopling (coupled model) yang mengintegrasikan domain fluida 2D dengan struktur ring piston 3D. Solusi ini memperhitungkan interaksi multi-physics yang melibatkan faktor termal, fluida, dan struktural. Berbeda dengan analisis fluida mandiri (standalone) yang konvensional, model ini menggabungkan viskositas gas yang bergantung pada suhu dan tekanan, model turbulensi k-ϵ, serta deformasi struktural ring piston di bawah beban ke dalam satu kerangka komputasi terpadu untuk mensimulasikan lingkungan fisik yang kompleks di dalam silinder.
Pertama, dengan membandingkan kinerja ring piston dalam kondisi baru dan kondisi aus, studi ini menyelidiki evolusi deformasi mikro dan medan aliran kebocoran gas, sekaligus mengeksplorasi karakteristik non-linear dari dinamika fluida tersebut. Hasil simulasi menunjukkan bahwa, bahkan dalam keadaan normal, profil penampang ring piston mengalami deformasi elastis yang signifikan pada momen tekanan pembakaran maksimum. Ketika terjadi keausan akibat kegagalan pelumasan, melebarnya celah aus akan mengganggu kinerja penyegelan; namun, simulasi mengungkapkan bahwa kecepatan dan tekanan kebocoran gas lokal justru menunjukkan tren menurun, dengan laju penurunan yang melambat secara bertahap. Temuan ini didemonstrasikan secara visual melalui kontur kecepatan dan tekanan, memberikan perspektif baru untuk memahami mekanisme kebocoran yang disebabkan oleh keausan.
Selanjutnya, studi ini mengidentifikasi kemacetan ring piston (ring sticking) sebagai potensi penyebab utama kenaikan tekanan lokal yang tidak normal di dalam silinder, dengan potensi kerusakan yang jauh melebihi dampak keausan biasa. Ketika deposit karbon bersuhu tinggi menahan ring piston di dalam alur (groove) dan menghalangi pergerakan bebasnya, jalur aliran gas menjadi terhambat, sehingga menyebabkan lonjakan tajam pada tekanan antar-ring. Data simulasi menunjukkan bahwa tekanan gas maksimum pada kondisi macet melonjak dari angka dasar 5.27 MPa menjadi 11.92 MPa. Fluktuasi tekanan yang drastis dan peningkatan penurunan tekanan (pressure drops) semacam itu merupakan faktor kritis yang berkontribusi terhadap kegagalan cylinder liner. Penelitian ini memvisualisasikan medan aliran dalam silinder (in-cylinder flow field), menyediakan data teoretis awal untuk mendukung diagnosis kerusakan pada mesin diesel kapal.
Referensi:
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}
}