Congcong Luo, Minghang Zhao, Song Fu, Yan Zhang, Yan Han, Qingqing Huang, Zhiquan Cui
Med tanke på de praktiska utmaningar och begränsningar som är förknippade med förstörande provning av stora marina dieselmotorer, har numerisk simulering blivit en avgörande metod för att klargöra mekanismerna bakom kolvringsbrott och kompensera för bristen på experimentella data. Med fokus på systemet bestående av kolvring, kolv och cylinderfoder, etablerar denna studie en kopplad modell som integrerar en 2D-flödesdomän med en 3D-struktur av kolvringen. Lösningen tar hänsyn till multifysikalisk växelverkan som involverar termiska, flödesmekaniska och strukturella faktorer. Till skillnad från konventionella fristående flödesanalyser införlivar denna modell gasers temperatur- och tryckberoende viskositet, k-ϵ-turbulensmodellen samt kolvringens strukturella deformation under belastning i ett enhetligt beräkningsramverk för att simulera den komplexa fysiska miljön inuti cylindern.
Först undersöks utvecklingen av mikrodeformationer och flödesfältet vid gasläckage genom att jämföra kolvringarnas prestanda i både oslitet och slitet tillstånd, samtidigt som fluidens icke-linjära dynamiska egenskaper utforskas. Simuleringsresultaten indikerar att kolvringens tvärsnittsprofil, även i normalt tillstånd, genomgår betydande elastisk deformation vid tidpunkten för maximalt förbränningstryck. När slitage uppstår på grund av smörjfel försämras tätningsförmågan genom att slitagegapet vidgas; simuleringen visar dock att den lokala hastigheten för gasläckage och trycket uppvisar en nedåtgående trend, där minskningstakten gradvis avtar. Dessa fynd åskådliggörs genom visualiserade hastighets- och tryckkonturer, vilket ger ett nytt perspektiv för att förstå mekanismerna bakom slitageinducerat läckage.
Vidare identifierar studien att kolvringen fastnar (s.k. ring sticking) som en potentiell huvudorsak till onormal lokal tryckökning i cylindern, med en skadepotential som vida överstiger den vid slitage. När kolavlagringar vid hög temperatur låser kolvringen i spåret och förhindrar fri rörlighet, blockeras gasflödesvägen, vilket orsakar en kraftig tryckökning mellan ringarna. Simuleringsdata visar att det maximala gastrycket när ringen fastnat stiger kraftigt från baslinjen 5.27 MPa till 11.92 MPa. Sådana drastiska tryckfluktuationer och ökade tryckfall är kritiska faktorer som bidrar till haverier i cylinderfodret. Denna forskning visualiserar flödesfältet i cylindern och tillhandahåller preliminära teoretiska data som stöd för feldiagnostik av marina dieselmotorer.
Referenser:
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}
}