truyền nhiệt trong động cơ diesel

 Nhiệt tải của xylanh động cơ là nhiệt lượng truyền qua 1m2 bề mặt xylanh cho nước làm mát trong thời gian 1 giờ... Quá trình truyền nhiệt từ khí cháy trong xylanh cho nước làm mát có t

Chương 6 truyền nhiệt trong

động cơ diesel.

nhiệt tải xylanh.

diesel.

trình truyền nhiệt.

6.4 Trường nhiệt độ nhóm piston, xylanh

6.1 Khái niệm về truyền nhiệt và nhiệt tải xylanh

6.1.1 khái niệm về truyền nhiệt.

 Khi động cơ hoạt động, một phần nhiệt lượng tỏa ra từ quá trình cháy nhiên liệu sẽ được truyền cho nước làm mát

 Đây là tổn thất không tránh khỏi của động cơ

 Qua trình truyền nhiệt này cần phải duy trì để:

 Giữ cho nhiệt độ mặt gương xylanh không quá cao có thể gây kết cốc dầu bôi trơn

 Duy trì khe hở cần thiết giữ xylanh và phần dẫn hướng piston

 Giảm ứng suất nhiệt cho nhóm xylanh, nắp xylanh, đỉnh

piston

 Giảm ăn mòn axit cho nhóm xylanh, nắp xylanh, đỉnh

piston…

6.1 Khái niệm về truyền nhiệt và nhiệt tải xylanh

6.1.2 Nhiệt tải xylanh động cơ.

 Nhiệt tải của xylanh động cơ là nhiệt lượng truyền qua 1m2 bề mặt xylanh cho nước làm mát trong thời gian 1 giờ

q= [Kcal/m2h]

Trong đó:

 Q- Nhiệt lượng truyền cho nước làm mát trong thời gian 1 giờ Q=geNeQH.qlm [Kcal/h]

 qlm: Phần trăm tổn thất nhiệt lượng cho nước làm mát [%]

 Đối với động cơ làm mát trực tiếp:

 Không làm mát piston: qlm= 22ữ25%

 Làm mát piston : q = 25ữ30%

F Q

6.1 Khái niệm về truyền nhiệt và nhiệt tải xylanh

q=

 Đối với động cơ làm mát gián tiếp:15ữ20%

 Diện tích truyền nhiệt trong xylanh F =F1+F2+F3

 F1: Diện tích nắp xylanh

 F2:Diện tích đỉnh piston

 F3:Diện tích xylanh tiếp xúc với nước làm mát

 Sau khi thay Q, F vào biểu thức trên ta có: q=

 Khi tăng pe, n, ge thì nhiệt tải xylanh động cơ tăng

e e

H knp g

Q

9 ,

S D

S

D

+

.

F Q

6.2 Truyền nhiệt trong động cơ diesel.

Quá trình truyền nhiệt từ khí cháy trong xylanh cho nước làm mát có thể được chia làm ba pha:

 Truyền nhiệt từ khí cháy đến mặt gương xylanh, đây là quá trình truyền nhiệt tổng hợp gồm hai hình thức trao đổi nhiệt cơ bản là đối lưu và bức xạ

 Truyền nhiệt từ mặt trong xylanh ra mặt ngoài xylanh, đây là hình thức dẫn nhiệt qua vách

 Truyền nhiệt từ mặt ngoài xylanh đến nước làm mát, đây là hình thức tỏa nhiệt đối lưu

6.2.1 Quá trình trao đổi nhiệt của khí cháy với vách xylanh.

a. Trao đổi nhiệt bằng bức xạ [Kcal/m2h]

Trong đó: Tnl: Nhiệt độ phía ngọn lửa.

 T1: Nhiệt độ vách trong xylanh.

 αbx: Hệ số trao đổi nhiệt bức xạ của khí cháy.[Kcal/m2hđộ]





























−













=

4 1 4

100 100

T

T

bx

bx α

6.2.1 Quá trình trao đổi nhiệt của khí cháy với vách xylanh.

b Trao đổi nhiệt bằng đối lưu qdl=αkc.(tkc-t1) [Kcal/m2h] Trong đó: tkc: Nhiệt độ khí cháy

αkc: Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu của khí cháy

[Kcal/m2hđộ]

 Tổng nhiệt lượng trao đổi từ khí cháy với vách trong xylanh:

q1=qbx+qdl [Kcal/m2h]

 Quá trình trao đổi nhiệt bằng bức xạ chỉ chiếm 5ữ15% nên ta chỉ tính nhiệt lượng trao đổi bằng đối lưu

q1=αkc.(tkc-t1) [Kcal/m2h]

6.2.2 Quá trình dẫn nhiệt qua vách.

Nhiệt lượng dẫn qua vách:

[Kcal/m2h] Trong đó: λ: hệ số dẫn nhiệt của vách xylanh [Kcal/m2hđộ]

δ: Độ dày của xylanh có tính đến sai số do quy đổi vách, δ=ϕδ0

Khi d2/d1<1,2 lấy ϕ=1

khi d2/d1 <2 lấy ϕ=1,04

d1: đường kính trong của xylanh

d2 : đường kính ngoài của xylanh

δ0 : độ dày trung bình của xylanh [δ0 =0,5(d2-d1)]

(t1 t2 )

δ λ

6.2.3 Quá trình tỏa nhiệt đối lưu của nước làm mát.

Nhiệt lượng trao đổi đối lưu cho nước mát q3=αn(t2-tn) [Kcal/m2h]

Trong đó: αn hệ số tỏa nhiệt đối lưu của nước làm mát [Kcal/m2hđộ]

Khi quá trình trao đổi nhiệt ổn định thì:

q1=q2=q3=q [Kcal/m2h]

 Sau khi biến đổi công thức ta có:

(3.1)

(3.2)







 + +

=

n

n q t

t

α λ

δ 1

1

λ

δ

q t

t

t = − =

6.2.3 Quá trình tỏa nhiệt đối lưu của nước làm mát.

(3.1) (3.2)

1. Từ công thức (3.1) ta thấy: khi tăng nhiệt độ nước làm mát

tn, nhiệt tải xilanh q, độ dày xilanh δ thì nhiệt độ mặt gư

ơng xylanh t1 tăng

2. Từ công thức (3.2) ta thấy: ứng suất nhiệt xylanh tăng(do

∆t tăng) khi tăng nhiệt tải xylanh q, độ dày δ







 + +

=

n

t t

α λ

1

λ

δ

q t

t

6.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình

truyền nhiệt.

6.3.1 ảnh hưởng của hệ số tỏa nhiêt đối lưu của nước

 Quá trình trao đổi nhiệt từ vách ngoài xylanh cho nước

làm mát diễn ra dưới hình thức tỏa nhiệt đối lưu, cường

độ của quá trình trao đổi nhiệt này(αn) phụ thuộc trực tiếp vào các thông số sau:

1. Tốc độ của dòng nước làm mát

2. áp suất của nước làm mát

3. Nhiệt tải của xylanh

 Sau đây là kết quả thí nghiệm đánh giá ảnh hưởng của

các yếu tố trên đến hệ số tỏa nhiệt đối lưu:

6.3.1.1 ảnh hưởng của tốc độ dòng nước làm mát

đến hệ số tỏa nhiệt đối lưu.

1 Tốc độ của dòng nước làm mát

tăng hệ số tỏa nhiệt đối lưu tăng,

do đó tăng tổn thất nhiệt cho nước làm mát [q 3 = α n (t 2 -t n ).]

2 Tốc độ của dòng nước làm mát

tăng, nhiệt độ vách ngoài xylanh giảm, nên ứng suất nhiệt tăng.

3 Không nên tăng nhiệt độ nước làm

mát quá 90 0 C.

80

100

t20 C

α n

-3 [K cal /m 20 h

6

4

2

50 70 90 tn0 C

ảnh hưởng của tốc đọ nước làm

mát đến αn và nhiệt độ vách ngoài

xylanh 2 t

∆- v =0,065m/s; 0- v = 0,1m/s

X- v =0,164m/s

6.3.1.2 áp suất của nước làm mát đến hệ số tỏa

nhiệt đối lưu.

1 áp suất nước làm mát càng cao thì hệ

số tỏa nhiệt đối lưu của nước làm mát giảm, do đó giảm tổn thất nhiệt cho nước làm mát.

2 Không nên tăng nhiệt độ nước làm

mát quá 90 0 C.

3 áp của dòng nước làm mát tăng,

nhiệt độ vách ngoài xylanh tăng, nên ứng suất nhiệt giảm.

α n

-3 [Kca

2 h

0 C

4 2 6

ảnh hưởng của áp suất nước làm

mát đến αn và nhiệt độ vách ngoài xylanh t 2

0- P=1,2Kg/cm 2 ; x- P= 0,1Kg/cm 2

•P=0,6Kg/cm 2

110 90

70

50 tn0 C

6.3.1.3 Nhiệt tải của xylanh đến hệ số tỏa nhiệt

đối lưu.

1. Nhiệt tải xylanh tăng hệ số

tỏa nhiệt đối lưu của nước làm mát tăng, do đó tổn thất nhiệt cho nước làm mát tăng

2. Không tăng nhiệt độ nước

làm mát quá 900C

3. Nhiệt tải của xylanh giảm,

nhiệt độ vách ngoài xylanh giảm, nên ứng suất nhiệt tăng

100

70

90

t20 C

ảnh hưởng của nhiệt tải của xylanh đến αn và nhiệt độ

vách ngoài xylanh t

- q=3,1.10 4 Kcal/m2hđộ; x- q= 4,3510 4 Kcal/m2hđộ

• q= 6,210 4 Kcal/m2hđộ

α n

-3 [Kca

2 h

0 C

6.3.2 ảnh hưởng của nhiệt độ nước làm mát

 Giả sử nhiệt độ nước làm mát tăng hoặc giảm một đại lượng là ∆ t n , khi đó nhiệt độ vách trong của xylanh tăng hoặc giảm một đại lượng là ∆ t 1 , nhiệt

độ vách ngoài của xylanh tăng hoặc giảm một đại lượng là ∆ t 2 , còn nhiệt tải xylanh sẽ tăng hoặc giảm một đại lượng là ∆ q.

 Từ các công thức tính toán quá trình truyền nhiệt, ta có:

 (a) ∆ t 2 > ∆ t 1 (b).

 Trong đó: [Kcal/m2hđộ] là hệ số truyền nhiệt từ khí cháy đến nước làm mát

K

q

t n = ∆

∆

−

n kc

K

α λ

δ α

1 1

1 + +

=

6.3.2 ảnh hưởng của nhiệt độ nước làm mát

Từ các công thức trên ta rút ra kết luận:

1. Khi tăng nhiệt độ nước làm mát thì giảm được nhiệt tải

xylanh (theo công thức a)

2. Khi thay đổi nhiệt độ nước làm mát mà phụ tải của động cơ không thay đổi, thì nhiệt độ cả hai phía của xylanh cũng thay

đổi theo, nhưng nhiệt độ vách ngoài thay đổi nhanh hơn Điều

đó có nghĩa là khi tăng nhiệt độ nước làm mát thì sẽ giảm đư

ợc độ chênh lệch nhiệt độ giữa vách trong và vách ngoài, do

đó giảm được ứng suất nhiệt cho xylanh ∆ t 2 > ∆ t 1

K

q

t n = ∆

∆

−

6.3.3 ảnh hưởng của phụ tải động cơ khi nhiệt độ nư

ớc làm mát không thay đổi.

 Từ các công thức tính toán quá trình truyền nhiệt, ta có:

 Trong đó: ; γ, γ’ là khối lượng riêng của khí

cháy trước và sau khi tăng phụ tải

 Từ công thức trên ta có thể rút ra kết luận khi tăng phụ tải

của động cơ thì nhiệt độ vách trong xylanh cũng tăng theo

) 1

(

) 2

( )

)(

1

1

kc

kc kc

kc kc

kc

kc kc

kc

T

T A

T T T

T

T A T

T A

T

∆ + +

−

∆ +

∆ +

−

−

=

∆

α δ

λ α

2

1

'









=

kc

hc

A

γ γ

6.4 Trường nhiệt độ của nhóm piston, xylanh.

 Việc nghiên cứu sự phân bố trường nhiệt độ trong nhóm piston, xylanh giup cho việc thiết kế, chế tạo và khai thác

sử dụng động cơ

 Mặc dù động cơ hoạt động ổn định ở một chế độ, nhưng trạng thái nhiệt sẽ thay đổi theo các thông số của khí cháy trong một chu trình làm việc của xylanh

 Tuy nhiên kết quả nghiên cứu thực nghiệm cho thấy sự thay đổi này rất nhỏ, do đó ta có coi sự phân bố nhiệt độ trong piston, xylanh là ổn định Hình vẽ sau cho thấy sự phân bố nhiệt độ trong piston, xylanh

6.4 Trường nhiệt độ của nhóm piston, xylanh.

 Qua hình vẽ trên ta thấy sự phân

bố nhiệt độ trong piston, xylanh

có một số đặc điểm:

1. Nhiệt độ thay đổi theo phương dọc theo thân piston và xylanh

2. Sự thay đổi đáng kể nhất là ở khoảng 1/3 thân piston và xylanh về phía buồng đốt

6.4 Trường nhiệt độ của nhóm piston, xylanh.

3 Sự chênh lệch nhiệt độ giữa piston xylanh đáng kể nhất là khu vực từ xéc măng thứ hai trở lên do đó dòng nhiệt truyền từ khí cháy cho nước làm mát chủ yếu ở khu vực này.

 Từ đặc điểm về sự phân bố nhiệt độ trong nhóm piston, xylanh như trên, người ta đã có một số giải pháp về kết cấu để đảm bảo sự phân bố nhiệt độ trong piston, xylanh đồng đều hơn và

do đó hạn chế được ứng suất nhiệt như giảm tiết diện lưu thông của nước làm mát ở phía gần buồng đốt đối với

xylanh, hoặc dầu nhờn làm mát đối với piston.