අභ්‍යන්තර දහන එන්ජින්වල තාප හුවමාරු විශ්ලේෂණය
පෙන්ඩහුලුවන්
අභ්‍යන්තර දහන එන්ජිමක් (ICE) යනු දහන කුටියේ දහන ක්‍රියාවලියක් හරහා ඉන්ධනවල රසායනික ශක්තිය යාන්ත්‍රික ශක්තිය බවට පරිවර්තනය කරන ශක්ති පරිවර්තන උපකරණයකි. මෙම ක්‍රියාවලියේදී, තාප හුවමාරුව ප්‍රධාන කාර්යභාරයක් ඉටු කරන්නේ එය එන්ජිමේ කාර්යක්ෂමතාව, ක්‍රියාකාරිත්වය, විමෝචනය සහ විශ්වසනීයත්වය තීරණය කරන බැවිනි. දහනයෙන් ජනනය වන තාපය සම්පූර්ණයෙන්ම දොඹකරයේ ප්‍රයෝජනවත් කාර්යයක් බවට පරිවර්තනය නොවේ; සමහරක් පිටාර වායුවල නැති වී යන අතර සමහරක් සිලින්ඩර බිත්ති, පිස්ටන් සහ සිලින්ඩර හිස් වෙත මාරු කරනු ලැබේ. දාන් ඉන්පසු එය සිසිලන සහ ලිහිසිකරණ පද්ධතියට මුදා හරිනු ලැබේ. එබැවින්, අභ්‍යන්තර දහන එන්ජින්වල තාප හුවමාරුව විශ්ලේෂණය කිරීම වඩාත් බලශක්ති කාර්යක්ෂම, බලවත් සහ කල් පවතින එන්ජින් නිර්මාණය කිරීම සඳහා වැදගත් පදනමකි.
තාප හුවමාරුවේ ප්‍රභවයන් සහ මාර්ග
සාමාන්‍යයෙන්, අභ්‍යන්තර දහන එන්ජිමක තාපය ලැබෙන්නේ වායු-ඉන්ධන මිශ්‍රණයේ දහන ප්‍රතික්‍රියාවෙනි. දහනයෙන් පසු, සිලින්ඩරයේ වායුවේ උෂ්ණත්වය උපරිම තත්වයන් යටතේ 2000 K ට වඩා ළඟා විය හැකි අතර, උණුසුම් වායුව සහ සාපේක්ෂව සිසිල් ලෝහ මතුපිට අතර සැලකිය යුතු උෂ්ණත්ව අනුක්‍රමණයක් නිර්මාණය කරයි. එහි ප්‍රතිඵලයක් ලෙස, තාපය වායුවේ සිට එන්ජින් සංරචක වෙත ප්‍රධාන යාන්ත්‍රණ තුනක් හරහා ගලා යයි: සන්නයනය, සංවහනය සහ විකිරණ.
තාප හුවමාරුවේ ප්‍රධාන මාර්ග පහත පරිදි සාරාංශ කළ හැකිය:
1. උණුසුම් වායුව → දහන කුටීර මතුපිට (සිලින්ඩර බිත්තිය, සිලින්ඩර හිස, පිස්ටන් මතුපිට) සංවහනය සහ විකිරණ හරහා.
2. දහන කුටීර මතුපිට → සන්නයනය හරහා ද්‍රව්‍යයේ අභ්‍යන්තරය.
3. ද්‍රව්‍ය → පරිසරය සංවහනය හරහා සිසිලනකාරකය (රේඩියේටරය) සහ ලිහිසි තෙල් වෙත සහ අවසානයේ අවට වාතය වෙත.
මෙම මාර්ග තේරුම් ගැනීම ඉංජිනේරුවන්ට වඩා හොඳ සිසිලනය හෝ වැඩි උෂ්ණත්වයට ඔරොත්තු දෙන ද්‍රව්‍ය අවශ්‍ය වන තීරණාත්මක ප්‍රදේශ තීරණය කිරීමට උපකාරී වේ.
සිලින්ඩරයක සංවහනය
බොහෝ එන්ජින් මෙහෙයුම් තත්වයන් යටතේ සංවහනය ප්‍රමුඛ යාන්ත්‍රණයයි. සංගුණකය සංවහන තාප හුවමාරුව දහන කුටිය තුළ වායු ප්‍රවාහයේ කැළඹිලි ස්වභාවය, පිස්ටන් වේගය, දහන කුටියේ හැඩය සහ දහන තත්වයන් මගින් බෙහෙවින් බලපායි.
සම්පීඩන සහ දහන පහරවල් අතරතුර, පිස්ටන් චලනය සහ ඉන්ටේක් පෝට් සැලසුම හේතුවෙන් වායු ප්‍රවාහය ඉතා කැළඹිලි සහිත වන අතර එමඟින් කැරකැවීම සහ පෙරළීම ඇති වේ. මෙම කැළඹීම තාප හුවමාරු සංගුණකය (h) වැඩි කරයි, එමඟින් වායුවේ සිට බිත්තියට තාප හුවමාරු අනුපාතය වැඩි වේ. සරලව කිවහොත්, සංවහන තාප හුවමාරු අනුපාතය මෙසේ ලිවිය හැකිය:
\[
\තිත{Q}_{conv} = hA(T_g – T_w)
\]
මෙහි \(A\) යනු තාප හුවමාරු පෘෂ්ඨීය ප්‍රදේශය, \(T_g\) වායු උෂ්ණත්වය සහ \(T_w\) බිත්ති උෂ්ණත්වය වේ. චක්‍රයක් අතරතුර වායු උෂ්ණත්වය වේගයෙන් වෙනස් වන බැවින්, යථාර්ථවාදී විශ්ලේෂණයක් සාමාන්‍යයෙන් අස්ථිර වේ (කාලය/ක්‍රෑන්ක් වේගය සමඟ වෙනස් වේ).
එන්ජින් අධ්‍යයනයන්හිදී , සිලින්ඩර පීඩනය, වායු උෂ්ණත්වය සහ ලාක්ෂණික ප්‍රවාහ ප්‍රවේගය මත පදනම්ව (h) ඇස්තමේන්තු කිරීමට ආනුභවික සහසම්බන්ධතා (උදා: වොෂ්නි) බොහෝ විට භාවිතා වේ. සිලින්ඩර තුළ ප්‍රවාහ සංකීර්ණ වන අතර සම්පූර්ණයෙන්ම විශ්ලේෂණාත්මකව විසඳීමට අපහසු බැවින් එවැනි සහසම්බන්ධතා වැදගත් වේ.
ගිනි හා උණුසුම් වායූන්ගෙන් තාප විකිරණය
සංවහනයට අමතරව, විකිරණ ද දායක වේ, විශේෂයෙන් ඩීසල් එන්ජින්වල සහ අධික බරක් සහිත තත්වයන් යටතේ. ඩීසල් එන්ජින්වල, විසරණ දහනය සැලකිය යුතු ප්‍රමාණයක් සබන් නිපදවන අතර එමඟින් වායුවේ විමෝචනය වැඩි වන අතර එමඟින් විකිරණ වඩාත් වැදගත් වේ. විකිරණ දැල්ලෙන් සහ දහන නිෂ්පාදනවලින් දහන කුටියේ බිත්ති මතුපිටට මාරු වේ.
විකිරණ තාප හුවමාරු අනුපාතය සාමාන්‍යයෙන් ස්ටෙෆාන්-බෝල්ට්ස්මාන් නියමයට අනුකූල වේ:
\[
\dot{Q}_{rad} = \varepsilon \sigma A(T_g^4 – T_w^4)
\]
\(\varepsilon\) වායුවේ/දැල්ලෙහි ඵලදායී විමෝචනය සහ \(\sigma\) ස්ටෙෆාන්-බෝල්ට්ස්මන් නියතය සමඟ. එය උෂ්ණත්වයේ සිව්වන බලය මත රඳා පවතින බැවින්, උච්ච දහන උෂ්ණත්වය ඉහළ මට්ටමක පවතින විට විකිරණ තියුනු ලෙස වැඩි වේ. කෙසේ වෙතත්, ප්‍රායෝගිකව, \(\varepsilon\) ඇස්තමේන්තු කිරීම සරල නොවේ, මන්ද එය වායු සංයුතිය, සබන් අංශු සහ දහන කුටීර ජ්‍යාමිතිය මගින් බලපාන බැවිනි.
යන්ත්‍ර සංරචකවල සන්නයනය
දහන කුටීර මතුපිටින් අවශෝෂණය වන තාපය සන්නයනය හරහා ද්‍රව්‍යයේ අභ්‍යන්තරයට ගමන් කරයි. සංරචක ද්‍රව්‍ය සාමාන්‍යයෙන් ඇලුමිනියම් මිශ්‍ර ලෝහ (පිස්ටන්, සමහර සිලින්ඩර හිස්) හෝ වාත්තු යකඩ සහ වානේ (සිලින්ඩර් බ්ලොක්, ලයිනර්, කපාට) වේ. සන්නායකතාවය ෆූරියර් නියමය මගින් ප්‍රකාශ වේ:
\[
\තිත{Q}_{cond} = -kA\frac{dT}{dx}
\]
මෙහි \(k\) යනු ද්‍රව්‍යයේ තාප සන්නායකතාවයයි. ඇලුමිනියම් වාත්තු යකඩවලට වඩා ඉහළ සන්නායකතාවයක් ඇති අතර එමඟින් තාපය ඉක්මනින් විසුරුවා හැරීමට ඉඩ සලසයි, දේශීය උච්ච උෂ්ණත්වය අඩු කරන අතර උණුසුම් ලප ඇතිවීමේ අවදානම අඩු කරයි. කෙසේ වෙතත්, ඇලුමිනියම් සමහර යකඩ මත පදනම් වූ ද්‍රව්‍යවලට වඩා අඩු ඉහළ උෂ්ණත්ව ශක්තියක් ද ඇත, එබැවින් සැලසුම් සඳහා තාපය විසුරුවා හැරීම සහ ව්‍යුහාත්මක කල්පැවැත්ම අතර සම්මුතියක් අවශ්‍ය වේ.
පිස්ටන් සඳහා සන්නායකතාවය ඉතා වැදගත් වේ: පිස්ටන් ඔටුන්නෙන් ලැබෙන තාපය පිස්ටන් මුදු, සාය සහ අවසානයේ සිලින්ඩර බිත්ති සහ තෙල් වෙත මාරු කළ යුතුය. සන්නායක මාර්ගය ප්‍රමාණවත් නොවේ නම්, පිස්ටනය අධික ලෙස ප්‍රසාරණය වීම, වේගවත් ඇඳීම සහ පිපිරීම හෝ පූර්ව ජ්වලනය හේතුවෙන් හානි පවා අත්විඳිය හැකිය.
සිසිලන සහ ලිහිසිකරණ පද්ධති වෙත තාප හුවමාරුව
සිලින්ඩර බිත්ති සහ සිලින්ඩර හිස වෙත ළඟා වන තාපය පසුව සංවහනය හරහා සිසිලනකාරකය (ජල ජැකට්) වෙත මාරු කරනු ලැබේ. සිසිලන පද්ධතිය එන්ජිමේ මෙහෙයුම් උෂ්ණත්වය පවත්වා ගනී ස්ථායී තෙල් දුස්ස්රාවිතතාවය, කාර්යක්ෂම දහනය සහ තාප පිරිහීම අත්විඳීමට නොහැකි සංරචක සඳහා ප්‍රශස්ත පරාසය.
අනෙක් අතට, ලිහිසි තෙල් සිසිලන මාධ්‍යයක් ලෙසද ක්‍රියා කරයි, විශේෂයෙන් පිස්ටන් (තෙල් ජෙට් හරහා), ෙබයාරිං සහ ඉහළ ඝර්ෂණ ප්‍රදේශ සඳහා. තෙල්වල සිසිලන ධාරිතාව සාමාන්‍යයෙන් සිසිලනකාරකයට වඩා අඩු වුවද, දේශීය උෂ්ණත්වය පාලනය කිරීමේදී සහ ගෝත්‍රික අසාර්ථකත්වය (ඇඳීම සහ සීරීම) වැළැක්වීමේදී එහි කාර්යභාරය ඉතා වැදගත් වේ.
එන්ජින් ශක්ති විශ්ලේෂණයේ දී , තාපය සාමාන්‍යයෙන් බෙදා ඇත්තේ: ඵලදායී කාර්යය, සිසිලනකාරකයට තාපය, තෙල්වලට තාපය සහ පිටාර වායු එන්තැල්පියයි. මෙම භාගවල විශාලත්වය එන්ජින් වර්ගය, සම්පීඩන අනුපාතය, දහන උපාය මාර්ගය සහ සිසිලන පද්ධති සැලසුම මත රඳා පවතී.
තාප හුවමාරුවේ බලපෑම කාර්යක්ෂමතාව දෙසට
සිලින්ඩර බිත්තිවලට තාපය අහිමි වීම නිසා වැඩ කිරීමට ඇති ශක්තිය අඩු වේ. තාප ගතික දෘෂ්ටි කෝණයකින්, බිත්තිවලට තාප හුවමාරුව අවම කිරීමට (උෂ්ණත්ව ගැටළු ඇති නොකර) හැකි එන්ජිමකට තාප කාර්යක්ෂමතාව කෙසේ වෙතත්, සංරචක උෂ්ණත්වය ද්‍රව්‍ය හා ලිහිසි කිරීමේ සීමාවන්ට වඩා අඩුවෙන් පැවතිය යුතු බැවින් තාප හුවමාරුව අඩු කිරීම සැමවිටම පහසු නොවේ.
පිස්ටන් හෝ සිලින්ඩර හිස් මත තාප බාධක ආලේපන වැනි සමහර ප්‍රවේශයන්, ද්‍රව්‍යයට තාප ප්‍රවාහය අඩු කළ හැකිය. කෙසේ වෙතත්, මෙම වෙනස්කම් වායු උෂ්ණත්වය වැඩි කළ හැකි අතර, පෙට්‍රල් සහ ඩීසල් එන්ජින්වල NOx සෑදීම වැඩි කළ හැකි අතර පෙට්‍රල් එන්ජින්වල තට්ටු කිරීමේ අවදානම වැඩි කරයි. එබැවින්, තාප හුවමාරුව ප්‍රශස්ත කිරීම සැමවිටම කාර්යක්ෂමතාව, විමෝචනය සහ කල්පැවැත්ම අතර හුවමාරුවකට සම්බන්ධ වේ.
තාවකාලික විශ්ලේෂණය සහ උෂ්ණත්ව ව්‍යාප්තිය
එන්ජින් චක්‍ර වේගවත් වේ (උදා: 2000 rpm යනු තත්පරයට විප්ලව 33,3 කි), එබැවින් වායු උෂ්ණත්වය සෑම චක්‍රයක් සමඟම වේගයෙන් උච්චාවචනය වේ. ද්‍රව්‍යයේ තාප ස්කන්ධය හේතුවෙන් බිත්ති මතුපිට කුඩා උෂ්ණත්ව උච්චාවචනයන් අත්විඳියි. එබැවින්, එන්ජින්වල තාප හුවමාරු විශ්ලේෂණයට සාමාන්‍යයෙන් අස්ථිර ප්‍රවේශයක් අවශ්‍ය වේ: දොඹකර වේගයේ ශ්‍රිතයක් ලෙස වායු උෂ්ණත්වය, වෙනස්වන සංවහන සංගුණක සහ විචල්‍ය විකිරණ තත්වයන්.
උෂ්ණත්ව ව්‍යාප්තිය ඒකාකාර නොවේ. පිටාර වායූන් ඉතා උණුසුම් වන අතර කපාටය පසුකර ගලා යන බැවින් පිටාර කපාටය අසල ප්‍රදේශය බොහෝ විට උණුසුම්ම ස්ථානය වේ. මෙම උණුසුම් ස්ථානය සිලින්ඩර හිසෙහි තාප ඉරිතැලීම් හෝ සිසිලනය ප්‍රමාණවත් නොවේ නම් කපාට දැවීම ඇති කළ හැකිය. එබැවින්, ජල ජැකට් නිර්මාණය, කපාට ද්‍රව්‍ය තෝරා ගැනීම සහ සිසිලන උපාය මාර්ගය ඉතා වැදගත් වේ.
සැලසුම් ඇඟවුම් සහ පාලන උපාය මාර්ග
තාප හුවමාරු විශ්ලේෂණය ප්‍රධාන සැලසුම් තීරණ කිහිපයක් සඳහා මඟ පෙන්වයි:
1. දහන කුටි ජ්‍යාමිතිය: මතුපිට වර්ගඵලය, කැළඹිලි ස්වභාවය සහ තාප ව්‍යාප්තිය කෙරෙහි බලපායි. විශාල මතුපිට ප්‍රදේශ සහිත දහන කුටි තාප අලාභය වැඩි කිරීමට නැඹුරු වේ.
2. ද්‍රව්‍ය සහ ආලේපන: සුදුසු තාප සන්නායකතාවය සහ උෂ්ණත්ව ප්‍රතිරෝධය තෝරන්න.
3. අනුවර්තන සිසිලන පද්ධතිය: විවිධ බර පැටවීමේදී ප්‍රශස්ත උෂ්ණත්වය පවත්වා ගැනීම සඳහා තාප ස්ථාය, විචල්‍ය විද්‍යුත් පොම්පය සහ සිසිලන ප්‍රවාහ පාලනය.
4. දහන කළමනාකරණය: ජ්වලන/එන්නත් කාලය, EGR, සහ කාර්යක්ෂමතාව සමතුලිත කිරීම සඳහා මිශ්‍ර උපාය මාර්ගය සහ විමෝචනය.
5. ලිහිසිකරණ ප්‍රශස්තිකරණය: පිස්ටන් සහ බෙයාරින් උෂ්ණත්වය අඩු කිරීම සඳහා පිස්ටන් තෙල් ජෙට් සහ තෙල් සංසරණ නිර්මාණය.
නිගමනය
අභ්‍යන්තර දහන එන්ජිමක තාප හුවමාරුව යනු සිලින්ඩරයේ ඇති වායූන්ගේ කැළඹිලි සහිත සංවහනය, දැල්ලෙන් සහ උණුසුම් වායූන්ගෙන් විකිරණ සහ එන්ජින් සංරචක හරහා සිසිලන සහ ලිහිසිකරණ පද්ධති වෙත සන්නයනය ඇතුළත් සංකීර්ණ සංසිද්ධියකි. හොඳ විශ්ලේෂණයක් මඟින් නිර්මාණකරුට බලශක්ති අලාභ තේරුම් ගැනීමට, සංරචක උෂ්ණත්වයන් පාලනය කිරීමට සහ කාර්යක්ෂමතාව වැඩි කිරීම විමෝචනය සහ විශ්වසනීයත්වය පවත්වා ගනිමින්. නවීන වාහනවලට වැඩි වැඩියෙන් දැඩි ඉන්ධන පරිභෝජනය සහ විමෝචනය ඉල්ලා සිටින බැවින්, තාප හුවමාරු විශ්ලේෂණයේ ප්‍රවීණත්වය වඩ වඩාත් වැදගත් වෙමින් පවතී. සාම්ප්‍රදායික එන්ජින් සහ නවතම දහන තාක්ෂණය සහිත එන්ජින් සඳහා.
ඔබට අවශ්‍ය නම්, මට මෙම ලිපිය පහත පරිදි සම්පූර්ණ කළ හැකිය: (1) සිලින්ඩර බිත්ති තාප ප්‍රවාහ ගණනය කිරීමේ සරල උදාහරණයක්, (2) පෙට්‍රල් එදිරිව ඩීසල් එන්ජිමක සාමාන්‍ය ශක්ති ප්‍රවාහ රූප සටහනක් (තාප තුලනය), හෝ (3) විද්‍යාත්මක පදනම ශක්තිමත් කිරීම සඳහා පොත්/සඟරා යොමු ලැයිස්තුවක්.
