Анализ на топлопреноса в двигатели с вътрешно горене
Пендахулуан
Двигателят с вътрешно горене (ДВГ) е устройство за преобразуване на енергия, което преобразува химическата енергия на горивото в механична енергия чрез процес на горене в горивната камера. В този процес топлопреносът играе централна роля, защото определя ефективността, производителността, емисиите и надеждността на двигателя. Топлината, генерирана от горенето, не се преобразува изцяло в полезна работа върху коляновия вал; част от нея се губи в отработените газове, а друга част се прехвърля към стените на цилиндрите, буталата и главите на цилиндрите. дан След това се изпуска в системата за охлаждане и смазване. Следователно, анализът на топлопреноса в двигателите с вътрешно горене е важна основа за проектирането на по-енергийно ефективни, мощни и издръжливи двигатели.
Източници и пътища на топлопренос
Като цяло, топлината в двигателя с вътрешно горене идва от реакцията на горене на сместа въздух-гориво. След горенето, температурата на газа в цилиндъра може да достигне над 2000 K при пикови условия, създавайки значителен температурен градиент между горещия газ и относително по-хладните метални повърхности. В резултат на това топлината преминава от газа към компонентите на двигателя чрез три основни механизма: проводимост, конвекция и радиация.
Основните пътища за пренос на топлина могат да бъдат обобщени, както следва:
1. Горещ газ → повърхност на горивната камера (стена на цилиндъра, глава на цилиндъра, повърхност на буталото) чрез конвекция и радиация.
2. Повърхност на горивната камера → вътрешността на материала чрез проводимост.
3. Материал → околна среда чрез конвекция към охлаждащата течност (радиатор) и смазочното масло, и накрая към околния въздух.
Разбирането на тези пътища помага на инженерите да определят критични области, които изискват по-добро охлаждане или по-устойчиви на температури материали.
Конвекция в цилиндър
Конвекцията е доминиращият механизъм при повечето работни условия на двигателя. Коефициентът конвекционен топлопренос в горивната камера е силно повлияна от турбулентността на газовия поток, скоростта на буталото, формата на горивната камера и условията на горене.
По време на тактовете на компресия и горене, газовият поток става силно турбулентен поради движението на буталото и конструкцията на всмукателния отвор, които предизвикват завихряне и въртене. Тази турбуленция увеличава коефициента на топлопреминаване (h), като по този начин увеличава скоростта на топлопреминаване от газа към стената. Казано по-просто, скоростта на конвекционен топлопреминаване може да се запише като:
\[
\dot{Q}_{conv} = hA(T_g – T_w)
\]
където \(A\) е площта на топлопренасящата повърхност, \(T_g\) е температурата на газа и \(T_w\) е температурата на стената. Тъй като температурата на газа се променя бързо по време на цикъл, реалистичният анализ обикновено е преходен (променящ се с времето/скоростта на коляновия вал).
В изследванията на двигателите , емпиричните корелации (напр. Woschni) често се използват за оценка на (h) въз основа на налягането в цилиндъра, температурата на газа и характерната скорост на потока. Такива корелации са важни, защото потоците в цилиндъра са сложни и трудни за решаване чисто аналитично.
Топлинно излъчване от огън и горещи газове
Освен конвекцията, допринася и радиацията, особено при дизеловите двигатели и при условия на високо натоварване. В дизеловите двигатели дифузионното горене произвежда значително количество сажди, което увеличава емисионната способност на газа, правейки радиацията по-значима. Радиацията се пренася от пламъка и продуктите от горенето към повърхностите на стените на горивната камера.
Скоростта на лъчист топлопренос обикновено следва закона на Стефан-Болцман:
\[
Q_{rad} = ε₁₁₀ A(Tg⁴ – Tw⁴)
\]
където \(\varepsilon\) е ефективната емисионна способност на газа/пламъка и \(\sigma\) е константата на Стефан-Болцман. Тъй като зависи от четвъртата степен на температурата, радиацията се увеличава рязко, когато пиковата температура на горене е висока. На практика обаче оценката на \(\varepsilon\) не е проста, защото се влияе от състава на газа, частиците сажди и геометрията на горивната камера.
Проводимост в машинни компоненти
Топлината, абсорбирана от повърхността на горивната камера, ще се пренесе във вътрешността на материала чрез проводимост. Компонентните материали обикновено са алуминиеви сплави (бутала, някои глави на цилиндри) или чугун и стомана (цилиндрови блокове, втулки, клапани). Проводимостта се изразява със закона на Фурие:
\[
Q_{cond} = -kA\frac{dT}{dx}
\]
където \(k\) е топлопроводимостта на материала. Алуминият има по-висока проводимост от чугуна, което му позволява да разсейва топлината по-бързо, понижавайки локалните пикови температури и намалявайки риска от прегряване. Алуминият обаче има и по-ниска якост при високи температури от някои материали на желязна основа, така че проектите изискват компромис между разсейване на топлината и структурна издръжливост.
Проводимостта е от решаващо значение за буталата: топлината от главата на буталото трябва да се пренесе към буталните пръстени, полата и в крайна сметка към стените на цилиндъра и маслото. Ако пътят на проводимост е неадекватен, буталото може да претърпи прекомерно разширение, бързо износване и дори повреда поради детонация или преждевременно запалване.
Пренос на топлина към охладителни и смазочни системи
Топлината, която достига до стените на цилиндъра и главата на цилиндъра, след това се пренася към охлаждащата течност (водната риза) чрез конвекция. Охлаждащата система поддържа работната температура на двигателя в рамките на оптимален диапазон за стабилен вискозитет на маслото, ефективно горене и компоненти, които не претърпяват термично разграждане.
От друга страна, смазочното масло действа и като охлаждаща среда, особено за бутала (чрез маслени дюзи), лагери и зони с високо триене. Въпреки че охлаждащият капацитет на маслото обикновено е по-нисък от този на охлаждащата течност, неговата роля е от решаващо значение за контролиране на локалните температури и предотвратяване на трибологични повреди (износване и надраскване).
В енергийния анализ на двигателя , топлината обикновено се разделя на: ефективна работа, топлина към охлаждащата течност, топлина към маслото и енталпия на отработените газове. Големината на тези фракции зависи от типа на двигателя, степента на сгъстяване, стратегията на горене и конструкцията на охладителната система.
Ефект на топлопреноса към ефективност
Загубата на топлина към стените на цилиндъра намалява енергията, достъпна за извършване на работа. От термодинамична гледна точка, двигател, който е способен да минимизира преноса на топлина към стените (без да причинява температурни проблеми), има потенциал да има топлинна ефективност Намаляването на топлопреноса обаче не винаги е лесно, тъй като температурите на компонентите трябва да останат под границите на материала и смазването.
Някои подходи, като например покрития с термична бариера върху буталата или главите на цилиндрите, могат да намалят топлинния поток към материала. Тези промени обаче могат да повишат температурата на газовете, което потенциално може да увеличи образуването на NOx в бензиновите и дизеловите двигатели и да увеличи риска от детонация в бензиновите двигатели. Следователно, оптимизирането на топлопреноса винаги включва компромис между ефективност, емисии и издръжливост.
Анализ на преходни процеси и разпределение на температурата
Циклите на двигателя са бързи (например, 2000 оборота в минута означава 33,3 оборота в секунда), така че температурата на газовете се колебае бързо с всеки цикъл. Повърхностите на стените претърпяват по-малки температурни колебания поради топлинната маса на материала. Следователно, анализът на топлопреминаването в двигателите обикновено изисква подход, основан на преходни процеси: температурата на газовете като функция на скоростта на коляновия вал, променящите се коефициенти на конвекция и променливите условия на радиация.
Разпределението на температурата не е равномерно. Зоната близо до изпускателния клапан често е най-горещата точка, защото отработените газове са много горещи и преминават покрай клапана. Тази гореща точка може да причини термично напукване в главата на цилиндъра или изгаряне на клапана, ако охлаждането е недостатъчно. Следователно, дизайнът на водната риза, изборът на материал на клапана и стратегията за охлаждане са от решаващо значение.
Последици от дизайна и стратегии за контрол
Анализът на топлопреминаването е причина за няколко ключови решения за проектиране:
1. Геометрия на горивната камера: влияе върху повърхността, турбуленцията и разпределението на топлината. Горивните камери с голяма повърхност са склонни да увеличават топлинните загуби.
2. Материали и покрития: изберете подходяща топлопроводимост и температурна устойчивост.
3. Адаптивна охладителна система: термостат, променлива електрическа помпа и контрол на потока на охлаждащата течност за поддържане на оптимална температура при различни натоварвания.
4. Управление на горенето: време на запалване/впръскване, EGR и смесена стратегия за балансиране на ефективността и емисии.
5. Оптимизация на смазването: конструкция с маслена струя на буталото и циркулация на маслото за намаляване на температурите на буталото и лагерите.
Заключение
Преносът на топлина в двигател с вътрешно горене е сложно явление, включващо турбулентна конвекция на газове в цилиндъра, излъчване от пламъка и горещите газове и проводимост през компонентите на двигателя към системите за охлаждане и смазване. Добрият анализ позволява на конструктора да разбере загубите на енергия, да контролира температурите на компонентите и... повишаване на ефективността като същевременно се поддържат емисиите и надеждността. С модерните превозни средства, изискващи все по-строги изисквания за разход на гориво и емисии, овладяването на анализа на топлопреминаването става все по-важно, както за конвенционални двигатели и двигатели с най-новата технология на горене.
Ако желаете, мога да допълня тази статия с: (1) прост пример за изчисление на топлинния поток през стената на цилиндъра, (2) типична диаграма на енергийния поток (топлинен баланс) на бензинов спрямо дизелов двигател или (3) списък с препратки към книги/списания за засилване на научната основа.
