Ka Nānā ʻana i ka Hoʻoili Wela i nā ʻenekini puhi kūloko
Pendahuluan
ʻO ka ʻenekini kuni kūloko (ICE) kahi mea hoʻololi ikehu e hoʻololi i ka ikehu kemika o ka wahie i ikehu mechanical ma o ke kaʻina hana kuni i loko o ke keʻena kuni. Ma kēia kaʻina hana, he kuleana koʻikoʻi ka hoʻoili wela no ka mea e hoʻoholo ai i ka pono, ka hana, nā hoʻokuʻu ʻana, a me ka hilinaʻi o ka ʻenekini. ʻAʻole i hoʻololi piha ʻia ka wela i hana ʻia e ke kuni i hana pono i loko o ka crankshaft; nalowale kekahi ma o nā kinoea hoʻopau, hoʻoili ʻia kekahi i nā paia cylinder, pistons, a me nā poʻo cylinder, a laila hoʻokuʻu ʻia i nā ʻōnaehana hoʻoluʻu a me ka lubrication. No laila, ʻo ka nānā ʻana i ka hoʻoili wela i loko o nā ʻenekini kuni kūloko he kumu koʻikoʻi ia i ka hoʻolālā ʻana i nā ʻenekini ʻoi aku ka pono o ka ikehu, ikaika, a paʻa.
Nā Kumu a me nā Ala o ka Hoʻoili Wela
Ma keʻano laulā, loaʻa ka wela i loko o kahi ʻenekini kuni kūloko mai ka hopena kuni o ka hui ʻana o ka ea-wahie. Ma hope o ke kuni ʻana, hiki i ka mahana o ke kinoea i loko o ka cylinder ke piʻi ma luna o 2000 K ma nā kūlana kiʻekiʻe, e hana ana i kahi gradient mahana koʻikoʻi ma waena o ke kinoea wela a me nā ʻili metala anuanu. ʻO ka hopena, kahe ka wela mai ke kinoea i nā ʻāpana ʻenekini ma o ʻekolu mau ʻano hana nui: conduction, convection, a me ka radiation.
Hiki ke hōʻuluʻulu ʻia nā ala nui o ka hoʻoili wela penei:
1. Kinoea wela → ʻili o ke keʻena kuni (paia cylinder, poʻo cylinder, ʻili piston) ma o ka convection a me ka radiation.
2. ʻIli o ke keʻena kuni → loko o ka mea ma o ke alakaʻi ʻana.
3. Mea → ke kaiapuni ma o ka convection i ka coolant (radiator) a me ka ʻaila lubricating, a ʻo ka hope loa i ka ea a puni.
ʻO ka hoʻomaopopo ʻana i kēia mau ala e kōkua i nā ʻenekinia e hoʻoholo i nā wahi koʻikoʻi e pono ai ka hoʻomaʻalili maikaʻi aʻe a i ʻole nā mea kūpaʻa i ka mahana.
ʻO ka Convection i loko o kahi Cylinder
ʻO ka convection ka mīkini nui ma lalo o ka hapa nui o nā kūlana hana ʻenekini. Hoʻopilikia nui ʻia ke koina hoʻoili wela convection i loko o ke keʻena kuni e ka haunaele kahe kinoea, ka wikiwiki piston, ke ʻano o ke keʻena kuni, a me nā kūlana kuni.
I ka wā o ke kaomi ʻana a me ke kuni ʻana, lilo ke kahe kinoea i mea haunaele loa ma muli o ka neʻe ʻana o ka piston a me ka hoʻolālā ʻana o ka puka komo, kahi e hoʻoulu ai i ka swirl a me ka hiolo. Hoʻonui kēia haunaele i ka coefficient hoʻoili wela (h), no laila e hoʻonui ana i ka wikiwiki o ka hoʻoili wela mai ke kinoea a i ka paia. I ka ʻōlelo maʻalahi, hiki ke kākau ʻia ka wikiwiki o ka hoʻoili wela convection penei:
\[
\dot{Q}_{conv} = hA(T_g – T_w)
\]
kahi ʻo \(A\) ka ʻilikai hoʻoili wela, \(T_g\) ka mahana kinoea, a me \(T_w\) ka mahana o ka paia. ʻOiai ke loli koke nei ka mahana o ke kinoea i ka wā o kahi pōʻaiapuni, he mea maʻamau ka loiloi maoli (e loli ana me ka manawa/wikiwiki o ka crank).
I nā haʻawina ʻenekini, hoʻohana pinepine ʻia nā pilina empirical (e.g., Woschni) e kuhi i ka \(h\) ma muli o ke kaomi cylinder, ka mahana kinoea, a me ka wikiwiki o ke kahe ʻana. He mea nui kēlā mau pilina no ka mea he paʻakikī nā kahe i loko o ka cylinder a paʻakikī ke hoʻoponopono ma ke ʻano loiloi wale nō.
Ka Pāhawewe Wela mai ke Ahi a me nā Kinoea Wela
Ma waho aʻe o ka convection, hāʻawi pū ka radiation, ʻoi aku hoʻi i nā mīkini diesel a ma lalo o nā kūlana ukana kiʻekiʻe. I loko o nā mīkini diesel, hoʻopuka ka diffusion combustion i kahi nui o ka soot, kahi e hoʻonui ai i ka emissivity o ke kinoea, e hoʻolilo ana i ka radiation i mea nui. Hoʻoili ka radiation mai ka lapalapa a me nā huahana kuni i nā ʻili paia o ke keʻena kuni.
Ma ke ʻano laulā, ua hahai ka nui o ka hoʻoili wela radiant i ke kānāwai Stefan-Boltzmann:
\[
\dot{Q}_{rad} = \varepsilon \sigma A(T_g^4 – T_w^4)
\]
me \(\varepsilon\) ka emissivity kūpono o ke kinoea/lapalapa a me \(\sigma\) ke kūpaʻa Stefan-Boltzmann. No ka mea, hilinaʻi ia i ka mana ʻehā o ka mahana, piʻi nui ka radiation ke kiʻekiʻe ka mahana puhi kiʻekiʻe. Eia nō naʻe, i ka hana maoli, ʻaʻole maʻalahi ka helu ʻana iā \(\varepsilon\) no ka mea ua hoʻopilikia ʻia e ka haku mele kinoea, nā ʻāpana soot, a me ke ʻano o ke keʻena puhi.
Ka hoʻokele ʻana i nā ʻāpana mīkini
ʻO ka wela i omo ʻia e ka ʻili o ke keʻena kuni e hele i loko o ka mea ma o ka hoʻoili ʻana. ʻO nā mea hana ʻāpana he mau mea hoʻohuihui alumini (pistons, kekahi mau poʻo cylinder) a i ʻole ka hao i hoʻolei ʻia a me ke kila (nā poloka cylinder, nā liners, nā valves). Hōʻike ʻia ka hoʻoili ʻana e ke kānāwai o Fourier:
\[
\dot{Q}_{cond} = -kA\frac{dT}{dx}
\]
kahi ʻo \(k\) ka conductivity thermal o ka mea. ʻOi aku ka conductivity o ka alumini ma mua o ka hao i hoʻolei ʻia, e ʻae ana iā ia e hoʻokuʻu koke i ka wela, e hoʻohaʻahaʻa ana i nā mahana kiʻekiʻe kūloko a hōʻemi i ka pilikia o nā wahi wela. Eia nō naʻe, ʻoi aku ka haʻahaʻa o ka ikaika o ka alumini ma mua o kekahi mau mea hao, no laila pono nā hoʻolālā i kahi hoʻohālikelike ma waena o ka hoʻokuʻu ʻana o ka wela a me ke kūpaʻa o ke kūkulu ʻana.
He mea koʻikoʻi ke alakaʻi ʻana no nā pistons: pono e hoʻoili ʻia ka wela mai ka lei piston i nā apo piston, ka ʻaoʻao, a ma ka hopena i nā paia cylinder a me ka ʻaila. Inā lawa ʻole ke ala alakaʻi, hiki i ka piston ke ʻike i ka hoʻonui nui ʻana, ka ʻaʻahu wikiwiki, a me ka hōʻino ʻia ma muli o ka pahū ʻana a i ʻole ka hoʻā mua ʻana.
Hoʻoili Wela i nā ʻōnaehana hoʻoluʻolu a me ka lubrication
A laila hoʻoili ʻia ka wela e hōʻea ana i nā paia cylinder a me ke poʻo cylinder i ka coolant (ʻaʻahu wai) ma o ka convection. Mālama ka ʻōnaehana hoʻoluʻu i ka mahana hana o ka ʻenekini i loko o ka pae kūpono e hōʻoia i ka viscosity aila paʻa, ka puhi pono ʻana, a pale i ka hōʻino ʻana o ka ʻāpana.
Ma ka ʻaoʻao ʻē aʻe, hana pū ka ʻaila lubricating ma ke ʻano he mea hoʻoluʻu, ʻoi aku hoʻi no nā pistons (ma o nā jet ʻaila), nā bearings, a me nā wahi friction kiʻekiʻe. ʻOiai ʻoi aku ka haʻahaʻa o ka hiki ke hoʻoluʻu o ka ʻaila ma mua o ka coolant, he mea koʻikoʻi kona kuleana i ka kaohi ʻana i nā mahana kūloko a me ka pale ʻana i ka hāʻule ʻana o ka tribological (ʻaʻahu a me ka scuffing).
I ka loiloi ikehu ʻenekini, ua māhele ʻia ka wela i: ka hana kūpono, ka wela i ka coolant, ka wela i ka ʻaila, a me ka enthalpy kinoea hoʻopau. ʻO ka nui o kēia mau ʻāpana e pili ana i ke ʻano o ka ʻenekini, ka lakio compression, ka hoʻolālā puhi ʻana, a me ka hoʻolālā ʻōnaehana hoʻoluʻu.
Ka Hopena o ka Hoʻoili Wela ma ka Pono
ʻO ka nalowale ʻana o ka wela i ka paia cylinder e hōʻemi ana i ka ikehu i loaʻa e hana i ka hana. Mai kahi kuanaʻike thermodynamic, ʻo nā ʻenekini e hōʻemi ana i ka hoʻoili wela i ka paia (me ka ʻole o ka hoʻokomo ʻana i nā pilikia mahana) he hiki ke loaʻa ka pono thermal kiʻekiʻe. Eia nō naʻe, ʻaʻole maʻalahi ka hōʻemi ʻana i ka hoʻoili wela no ka mea pono e noho mau nā mahana o nā ʻāpana ma lalo o nā palena o ka mea a me ka lubrication.
Hiki i kekahi mau ʻano hana, e like me nā uhi pale wela ma nā piston a i ʻole nā poʻo cylinder, ke hōʻemi i ke kahe wela i ka mea. Eia nō naʻe, hiki i kēia mau hoʻololi ke hoʻonui i ka mahana o ke kinoea, e hoʻonui ana i ka hoʻokumu ʻana o NOx i loko o nā mīkini gasoline a me diesel a hoʻonui i ka pilikia o ke kīkē ʻana i loko o nā mīkini gasoline. No laila, ʻo ka hoʻomaikaʻi ʻana i ka hoʻoili wela e pili mau ana i kahi kālepa ma waena o ka pono, nā hoʻokuʻu ʻana, a me ke kūpaʻa.
Ka Nānā Kūikawā a me ka Hoʻolaha Mahana
He wikiwiki nā pōʻaiapuni ʻenekini (e.g., ʻo 2000 rpm ke ʻano he 33,3 mau hoʻololi i kekona), no laila e loli wikiwiki ana ka mahana o ke kinoea me kēlā me kēia pōʻaiapuni. ʻIke nā ʻili o ka paia i nā loli mahana liʻiliʻi ma muli o ke kaumaha wela o ka mea. No laila, ʻo ka loiloi hoʻoili wela i nā ʻenekini e koi pinepine i kahi ala transient: ka mahana o ke kinoea ma ke ʻano he hana o ka wikiwiki o ka crank, nā coefficients convection e loli nei, a me nā kūlana radiation loli.
ʻAʻole like ka hoʻolaha ʻana o ka mahana. ʻO ka wahi kokoke i ka valve hoʻopau ka wahi wela loa no ka mea ua wela loa nā kinoea hoʻopau a kahe ma mua o ka valve. Hiki i kēia wahi wela ke hana i ka haki wela i loko o ke poʻo cylinder a i ʻole ka puhi ʻana o ka valve inā ʻaʻole lawa ka hoʻoluʻu ʻana. No laila, he mea koʻikoʻi ka hoʻolālā ʻaʻahu wai, ke koho ʻana i nā mea valve, a me ke ʻano hoʻoluʻu.
Nā Hopena Hoʻolālā a me nā Hoʻolālā Kaohi
Hoʻokele ka loiloi hoʻoili wela i kekahi mau hoʻoholo hoʻolālā koʻikoʻi:
1. Ke ʻano o ke keʻena kuni: hoʻopilikia i ka ʻili, ka haunaele, a me ka hoʻolaha wela. ʻO nā keʻena kuni me nā ʻili nui e hoʻonui pinepine i ka pohō wela.
2. Nā mea hana a me nā uhi: koho i ka conductivity thermal kūpono a me ke kūpaʻa mahana.
3. ʻŌnaehana hoʻoluʻu hoʻololi: thermostat, pamu uila loli, a me ka kaohi kahe coolant e mālama i ka mahana kūpono ma nā ukana like ʻole.
4. Hoʻokele kuni: ka manawa hoʻā/hoʻokomo, EGR, a me ka hoʻolālā hui ʻana e kaulike i ka pono a me nā hoʻokuʻu ʻana.
5. Hoʻonui i ka lubrication: hoʻolālā ʻaila piston a me ke kaʻapuni ʻaila e hōʻemi i ka mahana piston a me ka bearing.
Ka hopena
ʻO ka hoʻoili wela i loko o kahi ʻenekini kuni kūloko he hanana paʻakikī e pili ana i ka convection turbulent o nā kinoea i loko o ka cylinder, ka radiation mai ka lapalapa a me nā kinoea wela, a me ka hoʻokele ʻana ma o nā ʻāpana ʻenekini i nā ʻōnaehana hoʻoluʻu a me ka lubrication. Hiki i kahi loiloi kani ke hoʻomaopopo i nā pohō ikehu, kaohi i nā mahana o nā ʻāpana, a hoʻomaikaʻi i ka pono me ka mālama ʻana i nā hoʻokuʻu a me ka hilinaʻi. Me nā kaʻa hou e koi nui nei i ka hoʻohana ʻana i ka wahie a me nā hoʻokuʻu ʻana, ke lilo nei ka ʻike loea i ka loiloi hoʻoili wela i mea nui, no nā ʻenekini maʻamau a me nā mea me nā ʻenehana kuni hou loa.
Inā makemake ʻoe, hiki iaʻu ke hoʻopau i kēia ʻatikala me: (1) kahi laʻana maʻalahi o ka helu ʻana o ka wai wela o ka paia cylinder, (2) kahi kiʻikuhi kahe ikehu maʻamau (kaulike wela) o kahi ʻenekini gasoline vs. diesel, a i ʻole (3) kahi papa inoa o nā kuhikuhi puke/puke pai e hoʻoikaika i ke kumu ʻepekema.
