Дотоод шаталтын хөдөлгүүрийн дулааны шинжилгээ
Дотоод шаталтын хөдөлгүүрийн (ДШХ) дулааны шинжилгээ нь түлшний химийн энерги хэрхэн механик энерги болж хувирдаг, мөн энэ процессын явцад дулаан хэрхэн тархдаг, ашиглагддаг, алдагддагийг ойлгоход чухал үүрэгтэй. Тээврийн хэрэгсэл, генератор эсвэл үйлдвэрлэлийн хэрэглээнд байгаа дотоод шаталтын хөдөлгүүрүүд нь өндөр температур, даралтын дор ажилладаг тул тэдгээрийн гүйцэтгэл, үр ашиг, ялгаруулалт, эд ангийн найдвартай байдал нь дулааны шинж чанараас ихээхэн хамаардаг. Дулааны шинжилгээгээр дамжуулан инженерүүд шаталтын камерын дизайн, хөргөлтийн стратеги, материалын сонголт, ялгаруулалтын хяналтыг оновчтой болгож чадна.
1. Машин дахь энерги ба дулааны үндсэн ойлголтууд
Үндсэндээ дотоод шаталтын хөдөлгүүр нь түлшний химийн энергийг шаталтын урвалаар дамжуулан дулаан болгон хувиргадаг. Энэ дулаан нь цилиндр доторх хийн дотоод энергийг нэмэгдүүлж, поршенийг түлхэх (харилцан хөдөлгүүрийн хувьд) эсвэл турбиныг хөдөлгөх (хийн турбин хөдөлгүүрийн хувьд) даралтыг бий болгодог. Гэсэн хэдий ч бүх дулаан ашигтай ажил болж хувирдаггүй. Үүний ихэнх нь дараах байдлаар алдагддаг.
1. Яндангийн хий (яндангийн алдагдал): Дулааны энергийг яндангаар дамжуулдаг.
2. Хөргөлтийн систем (хөргөлтийн шингэний алдагдал): Дулааныг цилиндрийн хана, цилиндрийн толгой болон бусад эд ангиудад шингээж аваад дараа нь хөргөлтийн шингэн эсвэл агаарт дамжуулдаг.
3. Гадаад цацраг туяа ба конвекц: Дулаан нь машины гадаргуугаас хүрээлэн буй орчинд ялгардаг.
4. Механик алдагдал: Цэвэр дулааны бус боловч үрэлт нь дулаан үүсгэж, үр дүнтэй ажлыг бууруулдаг.
Дулааны шинжилгээ нь эрчим хүчний тэнцвэрийг бий болгохыг оролддог: түлшний энергийн хэдэн хэсэг нь тоормосны хүч болж хувирдаг, хөргөлтийн шингэнд хэр их алдагддаг, утааны хий болж хэр их алдагддаг, бусад механизмаар хэр их алдагддагийг харуулдаг.
2. Идеал термодинамик цикл ба бодит цикл
Хөдөлгүүрийн дулааны шинж чанарыг ойлгохын тулд хамгийн тохиромжтой мөчлөгийн загварыг ихэвчлэн ашигладаг:
– Бензин хөдөлгүүрт зориулсан Отто цикл (оч асаах).
– Дизель хөдөлгүүрт зориулсан дизель цикл (шахалтын асаалт).
– Отто болон Дизель шинж чанаруудын хослол болох хос циклтэй.
– Хийн турбинуудын хувьд Брэйтон.
Хамгийн тохиромжтой мөчлөг нь дулааны алдагдал, үрэлтгүйгээр буцах боломжтой процесс болон агшин зуурын шаталтыг авч үздэг. Гэсэн хэдий ч бодит хөдөлгүүрт мэдэгдэхүйц хазайлт байдаг, жишээлбэл:
– Шаталт нь цаг хугацаа шаарддаг (хязгаарлагдмал хурдтай шаталт).
– Цилиндрийн хананд дулаан дамжуулалт нэлээд ач холбогдолтой.
– Поршений цагирагнаас гадагш хий гоожиж байна.
– Сорох болон яндангийн процесс нь шахуургын алдагдалд хүргэдэг.
- Хийн дулааны шинж чанар нь температураас хамааран өөрчлөгддөг.
Тиймээс бодит хөдөлгүүрийн дулааны шинжилгээнд эмпирик арга барил, 1D/3D загвар эсвэл туршилтын өгөгдлөөр дамжуулан залруулга шаардлагатай.
3. Цилиндр дэх дулаан дамжуулалт
Шаталтын хийнээс цилиндрийн хананд дулаан дамжуулалт нь гурван механизмаар явагддаг: дамжуулалт, конвекц, цацраг туяа. ICE-д конвекц хамгийн давамгайлдаг, учир нь шаталтын камер дахь турбулент урсгал нь дулаан дамжуулалтыг хурдасгадаг.
Дулаан дамжуулалтад нөлөөлдөг зарим гол хүчин зүйлүүд:
– Хий ба хананы температур: Температурын зөрүү их байх тусам дулаан дамжуулалтын хурд өндөр байна.
– Хуйлралт: Боомтын загвар, поршений хэлбэр, эргэлдэх, эргэлдэх, хөдөлгүүрийн хурд зэргээс хамаарна.
– Хийн даралт ба нягтрал: Шахалт ба шаталтын үед нэмэгдэж, дулаан дамжуулах коэффициент нэмэгдэнэ.
– Шахалтын харьцаа: Ерөнхийдөө дулааны үр ашгийг нэмэгдүүлдэг боловч оргил температурыг нэмэгдүүлдэг тул эд ангиуд дээрх дулааны ачаалал нэмэгддэг.
Цилиндр доторх дулаан дамжуулалтын загварууд нь хөдөлгүүрийн ажиллагааны хувьсагч дээр үндэслэн конвекцийн коэффициентийг тооцоолохын тулд Вошни эсвэл Хоэнберг гэх мэт эмпирик хамаарлыг ихэвчлэн ашигладаг.
4. Чухал бүрэлдэхүүн хэсгийн температурын шинжилгээ
Машины эд ангиуд нь өндөр температурын градиент болон давтагдсан дулааны мөчлөгтэй тулгардаг бөгөөд энэ нь дулааны ядрал, деформаци эсвэл материалын эвдрэлд хүргэж болзошгүй. Чухал бүрэлдэхүүн хэсгүүдэд дараахь зүйлс орно.
– Поршен: Поршений титэм нь шаталтаас шууд дулааныг авдаг. Хөргөлтийг тосны тийрэлтэт хөдөлгүүр, поршений хөргөлтийн галерей, материалын дизайнаар дамжуулан хийдэг.
– Цилиндрийн толгой ба хавхлагууд: Яндангийн хавхлагууд болон тэдгээрийн суудлын эргэн тойрон дахь хэсэг нь халуун хийнээс хамгийн их дулааны ачааллыг авдаг. Халуунд тэсвэртэй материал болон үр дүнтэй хөргөлт нь маш чухал юм.
– Цилиндрийн доторлогоо: Тосолгоогоо хадгалж, гажуудлыг багасгахын зэрэгцээ дулааныг гадагшлуулах ёстой.
– Турбо цэнэглэгч (хэрэв байгаа бол): Турбин нь утааны хийн өндөр температурт ажилладаг; хөргөлтийг анхаарч үзэх, халуунд тэсвэртэй хайлшийг сонгох шаардлагатай.
Бүрэлдэхүүн хэсгийн температурын шинжилгээнд ихэвчлэн хий болон хөргөлтийн конвекцийн хил хязгаартай дамжуулалтын симуляци (жишээлбэл, хязгаарлагдмал элементийн шинжилгээ/FEA) ашигладаг. Зорилго нь хамгийн их температур нь материалын хязгаараас доогуур байгааг баталгаажуулж, дулааны стрессийг багасгах явдал юм.
5. Хөргөлтийн систем ба дулааны менежмент
Хөдөлгүүр хэт халалтаас сэргийлэхийн тулд их хэмжээний дулааныг зайлуулах шаардлагатай тул хөргөлтийн систем нь дулааны шинжилгээний гол элемент болдог. Орчин үеийн хөдөлгүүрүүд дараахь зүйлийг ашигладаг.
– Радиатор, хөргөлтийн насос, термостат болон сэнстэй шингэн хөргөлт (усны бүрхүүл).
– Зарим хөдөлгүүрийн агаар хөргөлт (жижиг хөдөлгүүр, зарим мотоциклийн хөдөлгүүр).
Чухал буулт: хэт түрэмгий хөргөлт нь хөдөлгүүрийн температурыг бууруулж, хөргөлтийн шингэнд илүү их дулаан алдагддаг тул дулааны үр ашгийг бууруулж болзошгүй. Үүний эсрэгээр, хангалтгүй хөргөлт нь тогших (бензинд), асахаас өмнө шатах, тосны задрал, эд ангиудын эвдрэлийн эрсдэлийг нэмэгдүүлдэг.
Орчин үеийн дулааны удирдлагын концепцууд нь хөдөлгүүрийг оновчтой температурт байлгахыг оролддог: үр ашиг болон ялгаруулалтыг хангалттай өндөр байлгахын зэрэгцээ найдвартай байдлыг хангахын тулд хангалттай бага температур. Стратегиуд нь дараахь зүйлийг агуулна.
– Хувьсах хөргөлтийн шингэний насос.
- Электрон термостат.
– Чухал хэсгүүдэд чиглэсэн хөргөлт.
– Шаталтын температур болон NOx-ийг бууруулахын тулд EGR (яндангийн хийн дахин эргэлт) урсгалын хяналт.
6. Дулааны үр ашиг ба эрчим хүчний тэнцвэр
Хөдөлгүүрийн дулааны үр ашиг гэдэг нь цэвэр ажлын түлшнээс орж ирж буй энергийн харьцаа юм. Тээврийн хэрэгсэлд үүнийг ихэвчлэн дараах байдлаар илэрхийлдэг.
– Дулааны үр ашгийг заасан: цилиндр дэх ажилд үндэслэсэн.
– Тоормосны дулааны үр ашиг: гаралтын босоо амны хүч дээр үндэслэсэн.
Уламжлалт хөдөлгүүрийн ердийн энергийн балансаас харахад түлшний энергийн ердөө 25-40% нь ашиглах боломжтой хүчин чадал болж хувирдаг бөгөөд үлдсэн хэсэг нь яндан болон хөргөлтийн замаар алдагддаг. Орчин үеийн, өндөр технологийн дизель хөдөлгүүрт үр ашиг нь хамаагүй өндөр байж болох ч термодинамик (жишээлбэл, Карногийн хамгийн тохиромжтой хязгаар) болон практик хязгаарлалтууд (шаталт, үрэлт, ялгаруулалт, материалын бат бөх чанар)-аас шалтгаалан үндсэн хязгаарлалт хэвээр байна.
Дулааны үр ашгийг дээшлүүлэхэд дараахь зүйлс орно.
– Шахалтын харьцааг нэмэгдүүлэх (тогших/хэвийн бус шаталтын хязгаартай).
– Дулааны бүрхүүлээр дамжин дулааны алдагдлыг бууруулах (дулааны хаалт бүрхүүл).
– Яндангийн хийн энергийг турбо цэнэглэх, турбо нэгдэл үүсгэх эсвэл хаягдал дулааныг сэргээх (жишээ нь, Ранкины цикл) замаар ашиглах.
– Шаталтын хугацаа, AFR (агаар-түлшний харьцаа) болон шахалтын стратегийг оновчтой болгох.
7. Дулааны шинжилгээ ба ялгаралтын хоорондын хамаарал
Шаталтын температур нь ялгаруулалт үүсэхэд ихээхэн нөлөөлдөг:
– NOx нь оргил температур болон хүчилтөрөгчийн илүүдэл өндөр үед нэмэгддэг.
– Хэрэв шаталт бүрэн бус эсвэл температур хэт бага байвал CO болон HC нэмэгдэнэ.
– Ялангуяа дизель түлшний тоосонцор (тортог) нь орон нутгийн холилдолт болон температураас хамаардаг.
Тиймээс дулааны шинжилгээг ялгарлын хяналтын стратегиас салгаж болохгүй. Жишээлбэл, EGR нь оргил температурыг бууруулж, улмаар NOx-ийг дарангуйлдаг боловч зохих холих, исэлдүүлэх замаар тэнцвэржүүлээгүй бол тортог ихэсгэж болзошгүй.
8. Шинжилгээний аргууд: Туршилт ба симуляци
Дулааны шинжилгээг дараахь аргуудын хослолоор гүйцэтгэдэг.
1. Хөдөлгүүрийн туршилт
Хөргөлтийн шингэн, тос, яндангийн хий болон эд ангийн температурыг хэмжих (термопар, хэт улаан туяаны камер эсвэл тусгай мэдрэгч ашиглан). Энэ өгөгдөл нь загварыг баталгаажуулахад зайлшгүй шаардлагатай.
2. 1 хэмжээст симуляци (хөдөлгүүрийн мөчлөгийн симуляци)
Цилиндр доторх процессууд, оролт/яндангийн урсгал болон дэлхийн шаталтыг загварчилдаг. Гүйцэтгэлийн параметрүүд болон дулааны тэнцвэрийг үнэлэхэд хурдан.
3. CFD 3D шаталтын камер
Хуйлралт, холилт, дөл болон температурын тархалтын нарийн ширийн зүйлийг судалдаг. Шаталтын камер болон форсункийн загварыг оновчтой болгоход маш хэрэгтэй.
4. Дулааны бүтцийн FEA
Бүрэлдэхүүн хэсгүүд, ялангуяа поршень, цилиндрийн толгой, коллектор болон турбо цэнэглэгч дээрх температурын тархалт болон дулааны стрессийг тооцоол.
Эдгээр аргуудыг нэгтгэснээр үр ашигтай, найдвартай дизайн бий болно.
Дүгнэлт
Дотоод шаталтын хөдөлгүүрийн дулааны шинжилгээ нь өндөр температурын ажиллах орчинд үр ашгийг дээшлүүлэх, ялгарлыг бууруулах, эд ангийн найдвартай байдлыг хангахад чухал үүрэг гүйцэтгэдэг. Цилиндр доторх дулаан дамжуулалт, эрчим хүчний баланс, хөргөлтийн менежментийг ойлгосноор инженерүүд шаталтын камерын геометр, материалаас эхлээд хөргөлтийн систем, хөдөлгүүрийн ажиллагааны хяналт хүртэл илүү мэдээлэлтэй дизайны шийдвэр гаргах боломжтой. Симуляцийн технологийн (CFD/FEA) болон хэмжилтийн мэдрэгчийн дэвшил нь аналитик чадварыг улам сайжруулж, өнөөгийн эрчим хүчний үр ашиг, ялгаруулалтын зохицуулалтын шаардлагыг хангахын тулд илүү хурдан, илүү нарийвчлалтай оновчлолыг бий болгож байна.
Хэрэв та хүсвэл би энэ өгүүллийг илүү эрдэм шинжилгээний (үндсэн тэгшитгэл, лавлагаа, тооцооллын аргын дэд бүлгүүдтэй хамт) эсвэл даалгавар/дипломын ажлын зорилгоор илүү тохиромжтой байдлаар өөрчилж болно.
