Congcong Luo, Minghang Zhao, Song Fu, Yan Zhang, Yan Han, Qingqing Huang, Zhiquan Cui
Gitt de praktiske utfordringene og begrensningene knyttet til å utføre destruktive eksperimenter på store marine dieselmotorer, har numerisk simulering fremstått som en kritisk metode for å belyse mekanismer for stempelringsvikt og for å kompensere for mangelen på eksperimentelle data. Med fokus på systemet bestående av stempelring, stempel og sylinderforing, etablerer denne studien en koblet modell som integrerer et 2D-fluiddomene med en 3D-stempelringstruktur. Løsningen tar høyde for multifysiske interaksjoner som involverer termiske, fluid- og strukturelle faktorer. I motsetning til konvensjonelle frittstående fluidanalyser, inkorporerer denne modellen gassers temperatur- og trykkavhengige viskositet, k-ϵ turbulence model, og stempelringens strukturelle deformasjon under belastning i et enhetlig beregningsrammeverk for å simulere det komplekse fysiske miljøet i sylinderen.
Først, ved å sammenligne stempelringenes ytelse i både uslitt og slitt tilstand, undersøker studien utviklingen av mikrodeformasjon og strømningsfeltet for gasslekkasje, samtidig som den utforsker fluid-dynamikkens ulineære egenskaper. Simuleringsresultatene indikerer at selv i normal tilstand gjennomgår stempelringens tverrsnittsprofil betydelig elastisk deformasjon i øyeblikket for maksimalt forbrenningstrykk. Når slitasje oppstår på grunn av smøresvikt, svekker utvidelsen av slitasjegapet tetningsevnen; imidlertid avslører simuleringen at lokal hastighet og trykk for gasslekkasje viser en nedadgående trend, hvor nedgangen gradvis avtar. Disse funnene demonstreres visuelt gjennom hastighets- og trykkonturer, noe som gir et nytt perspektiv for å forstå slitasjeinduserte lekkasjemekanismer.
Videre identifiserer studien fastkiling av stempelringer (piston ring sticking) som en potensiell hovedårsak til unormal lokal trykkøkning i sylinderen, med et skadepotensial som langt overgår slitasje. Når karbonavleiringer ved høy temperatur låser stempelringen i ringsporet og forhindrer fri bevegelse, blokkeres gassens strømningsbane, noe som forårsaker en kraftig økning i trykket mellom ringene. Simuleringsdata viser at det maksimale gasstrykket under fastkilte forhold øker fra en grunnlinje på 5.27 MPa til 11.92 MPa. Slike drastiske trykksvingninger og økte trykkfall er kritiske faktorer som bidrar til svikt i sylinderforingen. Denne forskningen visualiserer strømningsfeltet i sylinderen og gir foreløpige teoretiske data for å støtte feildiagnose av marine dieselmotorer.
Referanser:
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}
}