Varmaflutningsgreining í brunahreyflum
Pendahuluan
Brennsluvél (ICE) er orkuumbreytingartæki sem breytir efnaorku eldsneytis í vélræna orku í gegnum brennsluferli í brennsluhólfinu. Í þessu ferli gegnir varmaflutningur lykilhlutverki því hann ákvarðar skilvirkni, afköst, útblástur og áreiðanleika vélarinnar. Hitinn sem myndast við bruna er ekki að fullu breytt í gagnlega vinnu í sveifarásnum; sumt tapast í gegnum útblásturslofttegundirnar, annað flyst til strokkveggja, stimpla og strokkhausa og síðan losað í kæli- og smurkerfin. Þess vegna er greining á varmaflutningi í brennsluvélum mikilvægur grunnur að hönnun orkusparandi, öflugri og endingarbetri véla.
Uppsprettur og leiðir varmaflutnings
Almennt séð kemur hiti í brunahreyfli frá brunahvörfum loft-eldsneytisblöndunnar. Eftir bruna getur hitastig gassins í strokknum náð yfir 2000 K við hámarksaðstæður, sem skapar verulegan hitahalla milli heita gassins og tiltölulega kaldari málmyfirborða. Fyrir vikið streymir hiti frá gasinu til vélaríhluta í gegnum þrjá meginferla: leiðni, varmaburð og geislun.
Helstu leiðir varmaflutnings má draga saman á eftirfarandi hátt:
1. Heitt gas → yfirborð brunahólfsins (strokkaveggur, strokkahaus, stimpilyfirborð) með varmaburði og geislun.
2. Yfirborð brennsluhólfs → innra lag efnisins með leiðni.
3. Efni → umhverfi með varmaflutningi til kælivökva (ofns) og smurolíu og að lokum til nærliggjandi lofts.
Að skilja þessar leiðir hjálpar verkfræðingum að ákvarða mikilvæg svæði sem krefjast betri kælingar eða efnis sem þola betur hita.
Varmaflutningur í sívalningi
Varmaflutningur er ríkjandi aðferð við flestar rekstraraðstæður véla. Varmaflutningstuðullinn í varmaflutningsklefanum er mjög háður ókyrrð í gasflæði, stimpilhraða, lögun brunaklefans og brunaaðstæðum.
Við þjöppunar- og brennsluslag verður gasflæðið mjög ókyrrt vegna hreyfingar stimpilsins og hönnunar inntaksopsins, sem veldur hvirfli og veltingu. Þessi ókyrrð eykur varmaflutningsstuðulinn (h) og eykur þannig hraða varmaflutningsins frá gasinu að veggnum. Einfaldlega sagt má rita hraða varmaflutningsins við varmaflutning sem:
\[
\dot{Q}_{umbreyting} = hA(T_g – T_w)
\]
þar sem \(A\) er yfirborðsflatarmál varmaflutningsins, \(T_g\) hitastig gassins og \(T_w\) hitastig veggsins. Þar sem hitastig gassins breytist hratt á meðan á hringrás stendur er raunhæf greining venjulega tímabundin (breytist með tíma/sveifarhraða).
Í rannsóknum á vélum eru oft notaðar empirískar fylgniaðferðir (t.d. Woschni) til að meta ∫ út frá þrýstingi í strokkum, hitastigi gassins og einkennandi straumhraða. Slíkar fylgniaðferðir eru mikilvægar vegna þess að straumar í strokkum eru flóknir og erfitt að leysa þá eingöngu með greiningum.
Varmageislun frá eldi og heitum lofttegundum
Auk varmaflutnings stuðlar geislun einnig að þessu, sérstaklega í díselvélum og við mikla álagsaðstæður. Í díselvélum veldur dreifingarbruni verulegu magni af sóti, sem eykur útgeislun gassins og gerir geislunina enn meiri. Geislun flyst frá loganum og brunaafurðunum yfir á veggi brunahólfsins.
Flutningshraði geislunarvarma fylgir almennt lögmáli Stefan-Boltzmanns:
\[
Q_rad = πρυρερη A(T_g^4 – T_w^4)
\]
með _(\varepsilon\) virkri útgeislun gassins/logans og _(\sigma\) Stefan-Boltzmann fastanum. Þar sem hann er háður fjórða veldi hitastigs eykst geislun skarpt þegar hámarkshitastig brunans er hátt. Hins vegar er í reynd ekki einfalt að meta _(\varepsilon\) þar sem það er undir áhrifum gassamsetningar, sótagna og lögun brunahólfsins.
Leiðni í vélhlutum
Varmi sem yfirborð brunahólfsins frásogar berst inn í efnið með leiðni. Efni íhluta eru yfirleitt álfelgur (stimplar, sum strokkahausar) eða steypujárn og stál (strokkablokkir, fóðringar, ventlar). Leiðni er tjáð með lögmáli Fouriers:
\[
\dot{Q}_{cond} = -kA\frac{dT}{dx}
\]
þar sem \(k\) er varmaleiðni efnisins. Ál hefur meiri leiðni en steypujárn, sem gerir því kleift að dreifa hita hraðar, lækkar staðbundna hámarkshita og dregur úr hættu á heitum svæðum. Hins vegar hefur ál einnig minni háhitastyrk en sum járn-byggð efni, þannig að hönnun krefst málamiðlunar milli varmadreifingar og endingarþols burðarvirkis.
Leiðni er mikilvæg fyrir stimpla: hiti frá stimpilkrúnunni verður að berast til stimpilhringjanna, skyrtunnar og að lokum til strokkveggja og olíu. Ef leiðnileiðin er ófullnægjandi getur stimpillinn orðið fyrir mikilli þenslu, hraðri sliti og jafnvel skemmdum vegna sprengingar eða forkveikju.
Varmaflutningur til kæli- og smurkerfa
Hiti sem nær til strokkaveggja og strokkahauss flyst síðan yfir í kælivökvann (vatnshlífina) með varmaflutningi. Kælikerfið heldur rekstrarhita vélarinnar innan kjörsviðs til að tryggja stöðuga seigju olíunnar, skilvirka bruna og koma í veg fyrir varmaskemmdir íhluta.
Hins vegar virkar smurolía einnig sem kælimiðill, sérstaklega fyrir stimpla (í gegnum olíuþotur), legur og svæði með mikla núning. Þó að kæligeta olíu sé yfirleitt minni en kælivökva, þá gegnir hún lykilhlutverki í að stjórna staðbundnum hitastigi og koma í veg fyrir bilun í sprungum (slit og rispur).
Í orkugreiningu véla er varmi almennt skipt í: virka vinnu, varma til kælivökva, varma til olíu og útblástursgasentalpíu. Stærð þessara brota fer eftir gerð vélarinnar, þjöppunarhlutfalli, brennsluaðferð og hönnun kælikerfisins.
Áhrif varmaflutnings á skilvirkni
Varmatap til strokkveggsins dregur úr þeirri orku sem er tiltæk til að framleiða vinnu. Frá varmafræðilegu sjónarmiði geta vélar sem lágmarka varmaflutning til strokkveggsins (án þess að valda hitastigsvandamálum) haft möguleika á meiri varmanýtni. Hins vegar er ekki alltaf auðvelt að draga úr varmaflutningi þar sem hitastig íhluta verður að vera undir efnis- og smurningarmörkum.
Sumar aðferðir, eins og hitavarnarhúðun á stimplum eða strokkahausum, geta dregið úr hitastreymi til efnisins. Hins vegar geta þessar breytingar hækkað hitastig gassins, sem hugsanlega eykur myndun NOx í bensín- og díselvélum og aukið hættuna á höggi í bensínvélum. Þess vegna felur hámarksnýting varmaflutnings alltaf í sér málamiðlun milli skilvirkni, losunar og endingar.
Skammvinn greining og hitastigsdreifing
Vélarhringrásir eru hraðvirkar (t.d. 2000 snúningar á mínútu þýða 33,3 snúningar á sekúndu), þannig að hitastig gassins sveiflast hratt með hverri hringrás. Veggfletir verða fyrir minni hitasveiflum vegna varmamassa efnisins. Þess vegna krefst varmaflutningsgreining í vélum yfirleitt tímabundinnar nálgunar: gashitastig sem fall af sveifarhraða, breytilegum varmaflutningsstuðlum og breytilegum geislunarskilyrðum.
Hitadreifingin er ekki einsleit. Svæðið nálægt útblástursventlinum er oft heitasti staðurinn þar sem útblásturslofttegundirnar eru mjög heitar og streyma fram hjá ventilnum. Þessi heiti staður getur valdið hitasprungum í strokkahausnum eða bruna í ventilnum ef kælingin er ófullnægjandi. Þess vegna eru hönnun vatnshlífar, val á efni í ventilnum og kælingaraðferð mikilvæg.
Áhrif hönnunar og stjórnunaraðferðir
Greining á varmaflutningi leiðir til nokkurra lykilákvarðana í hönnun:
1. Lögun brunahólfs: hefur áhrif á yfirborðsflatarmál, ókyrrð og varmadreifingu. Brunahólf með stórt yfirborðsflatarmál hafa tilhneigingu til að auka varmatap.
2. Efni og húðun: veldu viðeigandi varmaleiðni og hitaþol.
3. Aðlögunarhæft kælikerfi: hitastillir, breytileg rafdæla og kælivökvaflæðisstýring til að viðhalda kjörhita við mismunandi álag.
4. Brennslustjórnun: kveikju-/innspýtingartími, útblásturshiti (EGR) og blöndunaraðferð til að halda jafnvægi á skilvirkni og útblæstri.
5. Smurningabestun: hönnun á olíuþotu stimpla og olíuhringrás til að lækka hitastig stimpla og lega.
Niðurstaða
Varmaflutningur í brunahreyfli er flókið fyrirbæri sem felur í sér ókyrrðarflutning lofttegunda í strokknum, geislun frá loga og heitum lofttegundum, og leiðni í gegnum vélarhluta til kæli- og smurkerfa. Góð greining gerir hönnuðum kleift að skilja orkutap, stjórna hitastigi íhluta og bæta skilvirkni, en viðhalda jafnframt losun og áreiðanleika. Þar sem nútíma ökutæki krefjast sífellt meiri eldsneytisnotkunar og losunar, er þekking á varmaflutningsgreiningu sífellt mikilvægari, bæði fyrir hefðbundnar vélar og þær sem nota nýjustu brunatækni.
Ef þú vilt get ég bætt við eftirfarandi grein: (1) einföldu dæmi um útreikning á varmaflæði í strokkavegg, (2) dæmigerðu orkuflæðisriti (varmajöfnuði) bensín- vs. díselvél, eða (3) lista yfir heimildir í bækur/tímarit til að styrkja vísindalegan grunn.
