Congcong Luo, Minghang Zhao, Song Fu, Yan Zhang, Yan Han, Qingqing Huang, Zhiquan Cui
เนื่องจากความท้าทายในทางปฏิบัติและข้อจำกัดในการทดสอบแบบทำลายล้าง (Destructive experiments) กับเครื่องยนต์ดีเซลเรือขนาดใหญ่ การจำลองเชิงตัวเลข (Numerical simulation) จึงกลายเป็นวิธีสำคัญในการอธิบายกลไกความเสียหายของแหวนลูกสูบและช่วยชดเชยข้อมูลการทดลองที่ขาดแคลน การศึกษานี้มุ่งเน้นที่ระบบแหวนลูกสูบ ลูกสูบ และกระบอกสูบ (Cylinder liner) โดยสร้างแบบจำลอง Coupled model ที่ผสานโดเมนของไหล (Fluid domain) แบบ 2D เข้ากับโครงสร้างแหวนลูกสูบแบบ 3D การคำนวณนี้คำนึงถึงปฏิสัมพันธ์แบบ Multi-physics ที่ครอบคลุมปัจจัยด้านความร้อน ของไหล และโครงสร้าง ซึ่งแตกต่างจากการวิเคราะห์ของไหลเพียงอย่างเดียวแบบดั้งเดิม โดยแบบจำลองนี้ได้รวมเอาค่าความหนืดของก๊าซที่แปรผันตามอุณหภูมิและความดัน, แบบจำลองความปั่นป่วน (Turbulence model) แบบ k-ϵ, และการเสียรูปของโครงสร้างแหวนลูกสูบภายใต้ภาระโหลด เข้าไว้ในกรอบการคำนวณเดียวกัน เพื่อจำลองสภาพแวดล้อมทางกายภาพที่ซับซ้อนภายในกระบอกสูบ
ในลำดับแรก การศึกษานี้ได้เปรียบเทียบสมรรถนะของแหวนลูกสูบทั้งในสภาพที่ไม่สึกหรอและสึกหรอ เพื่อตรวจสอบวิวัฒนาการของการเสียรูปในระดับไมโคร (Micro-deformation) และสนามการไหลของก๊าซที่รั่วไหล พร้อมทั้งสำรวจคุณลักษณะแบบไม่เชิงเส้น (Nonlinear) ของพลศาสตร์ของไหล ผลการจำลองชี้ให้เห็นว่า แม้ในสภาวะปกติ หน้าตัดของแหวนลูกสูบจะเกิดการเสียรูปอย่างยืดหยุ่น (Elastic deformation) อย่างมีนัยสำคัญ ณ ช่วงเวลาที่มีแรงดันการเผาไหม้สูงสุด เมื่อเกิดการสึกหรอจากการหล่อลื่นล้มเหลว ช่องว่างจากการสึกหรอที่กว้างขึ้นจะลดทอนประสิทธิภาพการซีล อย่างไรก็ตาม ผลการจำลองเผยให้เห็นว่าความเร็วและความดันของก๊าซที่รั่วไหลเฉพาะจุดมีแนวโน้มลดลง โดยอัตราการลดลงจะค่อยๆ ชะลอตัว สิ่งเหล่านี้ถูกแสดงให้เห็นอย่างชัดเจนผ่านภาพคอนทัวร์ (Contours) ของความเร็วและความดัน ซึ่งให้มุมมองใหม่ในการทำความเข้าใจกลไกการรั่วไหลที่เกิดจากการสึกหรอ
นอกจากนี้ การศึกษายังระบุว่าอาการแหวนลูกสูบติดตาย (Piston ring sticking) เป็นสาเหตุหลักที่อาจทำให้ความดันเฉพาะจุดในกระบอกสูบสูงขึ้นผิดปกติ ซึ่งมีศักยภาพในการสร้างความเสียหายรุนแรงกว่าการสึกหรอมาก เมื่อคราบเขม่าคาร์บอนอุณหภูมิสูงจำกัดการเคลื่อนตัวของแหวนลูกสูบภายในร่องแหวน ทำให้ไม่สามารถเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระ เส้นทางการไหลของก๊าซจะถูกขัดขวาง ส่งผลให้ความดันระหว่างแหวนพุ่งสูงขึ้นอย่างรวดเร็ว ข้อมูลการจำลองแสดงให้เห็นว่า ความดันก๊าซสูงสุดในสภาวะที่เกิดการ Sticking จะพุ่งสูงขึ้นจากค่าพื้นฐานที่ 5.27 MPa ไปเป็น 11.92 MPa ความผันผวนของความดันที่รุนแรงและการเพิ่มขึ้นของ Pressure drop นี้เป็นปัจจัยวิกฤตที่นำไปสู่ความเสียหายของกระบอกสูบ (Cylinder liner failure) งานวิจัยนี้ได้แสดงภาพสนามการไหลภายในกระบอกสูบ เพื่อให้ข้อมูลเชิงทฤษฎีเบื้องต้นสำหรับการวินิจฉัยข้อบกพร่องของเครื่องยนต์ดีเซลเรือ
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,
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}
}