Congcong Luo, Minghang Zhao, Song Fu, Yan Zhang, Yan Han, Qingqing Huang, Zhiquan Cui
Gezien de praktische uitdagingen en beperkingen die gepaard gaan met het uitvoeren van destructieve experimenten op grote scheepsdieselmotoren, heeft numerieke simulatie zich ontpopt tot een cruciale methode om de faalmechanismen van zuigerveren op te helderen en de schaarste aan experimentele data te compenseren. Deze studie richt zich op het systeem van zuigerveer, zuiger en cilindervoering en stelt een gekoppeld model op dat een 2D-vloeistofdomein integreert met een 3D-zuigerveerstructuur. De oplossing houdt rekening met multi-fysische interacties waarbij thermische, vloeistof- en structurele factoren betrokken zijn. In tegenstelling tot conventionele analyses die zich louter op het fluïdum richten, integreert dit model de temperatuur- en drukafhankelijke viscositeit van gassen, het k-ϵ-turbulentiemodel en de structurele vervorming van de zuigerveer onder belasting in één computationeel kader om de complexe fysieke omgeving binnen de cilinder te simuleren.
Ten eerste onderzoekt de studie, door de prestaties van zuigerveren in zowel onversleten als versleten toestand te vergelijken, de evolutie van microvervorming en het stromingsveld van de gaslekkage, terwijl ook de niet-lineaire karakteristieken van de vloeistofdynamica worden verkend. Simulatieresultaten tonen aan dat, zelfs in normale toestand, het dwarsprofiel van de zuigerveer aanzienlijke elastische vervorming ondergaat op het moment van maximale verbrandingsdruk. Wanneer slijtage optreedt als gevolg van falende smering, tast de verbreding van de slijtagespleet de afdichting aan; de simulatie onthult echter dat de lokale gaslekkagesnelheid en -druk een dalende trend vertonen, waarbij de afnamesnelheid geleidelijk vertraagt. Deze bevindingen worden visueel gedemonstreerd middels snelheids- en drukcontouren, wat een nieuw perspectief biedt voor het begrijpen van door slijtage veroorzaakte lekkagemechanismen.
Verder identificeert de studie het vastzitten van de zuigerveer (piston ring sticking) als een potentiële hoofdoorzaak van abnormale lokale drukstijging in de cilinder, met een destructief potentieel dat dat van slijtage ver overtreft. Wanneer koolstofafzettingen bij hoge temperatuur de zuigerveer in de groef beknellen en vrije beweging verhinderen, wordt het stroompad van het gas geblokkeerd, wat een scherpe piek in de druk tussen de veren veroorzaakt. Simulatiegegevens laten zien dat de maximale gasdruk onder vastzittende omstandigheden stijgt van een basiswaarde van 5.27 MPa naar 11.92 MPa. Zulke drastische drukschommelingen en de toegenomen drukval zijn kritieke factoren die bijdragen aan het falen van de cilindervoering. Dit onderzoek visualiseert het stromingsveld in de cilinder en levert voorlopige theoretische gegevens ter ondersteuning van de foutdiagnose van scheepsdieselmotoren.
Referenties:
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}
}