7. Nội dung nghiên cứu
3.1.2. Mô hình tính toán trạng thái nhiệt pít tông
Khi động cơ làm việc, đối với pít tông động cơ xảy ra đồng thời các quá trình trao đổi nhiệt sau:
- Quá trình trao đổi nhiệt đối lưu giữa môi chất công tác với đỉnh pít tông (T1, 1).
- Quá trình trao đổi nhiệt bức xạ của ngọn lửa, của khí tới mặt đỉnh pít tông. - Quá trình truyền nhiệt tiếp xúc động giữa pít tông đến xéc măng và đến xi lanh (T2, 2).
- Quá trình truyền nhiệt tiếp xúc động giữa phần dẫn hướng pít tông với xi lanh (T3, 3).
- Quá trình trao đổi nhiệt đối lưu giữa phần đáy pít tông với chất lỏng làm mát (T4, 4).
Hình 3.2. Các quá trình trao đổi nhiệt của pít tông động cơ V12
Các điều kiện biên
+ Điều kiện biên hình học
T1, 1
T4, 4
T3, 3
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
Để tiện cho việc tính toán, ta coi pít tông động cơ V12 là chi tiết có tính chất đối xứng tròn xoay tuyệt đối qua đường tâm pít tông cả về mặt hình học và cả về mặt tải trọng nhiệt cũng như tải trọng cơ học.
+ Điều kiện biên vật lý
Thể hiện tính chất của vật liệu chế tạo pít tông động cơ V12, các đặc tính của vật liệu chế tạo thể hiện qua các thông số đặc trưng sau [30]:
- Hệ số dẫn nhiệt - VL [W/m.0C]; - Nhiệt dung riêng - C [J/kg.0C]; - Khối lượng riêng - [kg/m3].
Vật liệu chế tạo pít tông động cơ V12 là hợp kim nhôm AK4, các tính chất cơ lý của vật liệu chế tạo pít tông được thể hiện trên bảng 3.1 [30].
Việc tính toán trạng thái nhiệt được tiến hành tại các Bảng 3.1. Tính chất cơ lý của vật liệu chế tạo pít tông động cơ V12, [30]
Tham số 20 100 200 300 370
VL[W/m.0C] 146,5 157 159 167 - Mô đun đàn hồi E
105 [MPa] 0,71 0,67 0,64 0,55 0,39 Hệ số dãn nở nhiệt T 10-6 [1/0C] 21,2 21,8 22,6 24,3 24,6 Giới hạn chảy T [MPa] 315 305 286 142 49
+ Điều kiện biên thời gian
chế độ tương ứng với 100% hành trình thanh răng bơm cao áp (BCA) tại tốc độ vòng quay ứng với công suất định mức 2000 [v/ph].
Ngoài các điều kiện biên vật lý, điều kiện biên hình học và điều kiện biên theo thời gian như trên thì khi tính toán trường nhiệt độ của pít tông cần làm rõ điều kiện biên loại 3 ứng với các bề mặt đặc trưng.
Trong pít tông động cơ V12, cần phân biệt 18 bề mặt riêng biệt của pít tông, tại đó giá trị trao đổi nhiệt của điều kiện biên loại 3 được gắn liền với mỗi bề mặt. Các bề mặt trao đổi nhiệt của pít tông được trình bày trên hình Hình 3.3.
Hình 3.3. Các bề mặt trao đổi nhiệt của pít tông động cơ V12
1. Đỉnh pít tông; 2. Đầu pít tông phía trên xéc măng khí thứ nhất;
3,4,5. Bề mặt rãnh xéc măng khí thứ nhất; 6,7,8. Bề mặt rãnh xéc măng khí thứ hai; 9,10,11. Bề mặt rãnh xéc măng khí thứ ba; 12,13,14. Bề mặt rãnh xéc măng dầu;
15. Bề mặt đai xéc măng; 16. Thân pít tông; 17. Bề mặt bệ chốt; 18. Bề mặt phía dưới đỉnh pít tông.
- Bề mặt đỉnh pít tông 1: trong tính toán coi toàn bộ bề mặt của đỉnh pít ông
có nhiệt độ tương đương trong buồng đốt động cơ [2]:
720 1 0 1 . 720 d [W/m2.K] 720 1 0 1 . 720. T T Td [K]
- Bề mặt đầu pít tông phía trên xéc măng khí thứ nhất: với bề mặt này chọn
theo [2]: α2(i) = 1 ( ) 2 g i W2 . m K T2(i) = 0,8 ( )Tg i [K] 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 14 13 18 17 16 15 15 15 3 4 5 15 15 15
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
Trong đó:
( )
g i
- hệ số trao nhiệt của môi chất với thành xi lanh theo góc quay trục khuỷu;
( )
g i
T - nhiệt độ môi chất công tác theo góc quay trục khuỷu.
Để xác định được hệ số trao đổi nhiệt tại các bề mặt của rãnh xéc măng và thân pít tông cần phân tích được quá trình truyền nhiệt của nhóm xéc măng và thân pít tông tới thành xi lanh.
Ta biết rằng, không phải tất cả nhiệt truyền từ bộ phận lắp ráp trên pít tông truyền tới màng dầu bôi trơn được truyền tới thành xi lanh. Nhiệt được truyền một phần bởi dầu bôi trơn và sau đó tản nhiệt khỏi dầu bôi trơn bởi làm mát trong két làm mát dầu. Tổn thất nhiệt tới nước làm mát trong két làm mát dầu cũng bao gồm nhiệt lấy đi bởi dầu bôi trơn từ các áo làm mát pít tông ở phía dưới đỉnh pít tông và nhiệt từ các nguồn khác trong động cơ (trục khuỷu, cụm tua bin - máy nén,....). Lượng nhiệt này có thể tính toán được từ việc đo dòng làm mát và nhiệt độ đi ra khỏi két làm mát dầu. Tuy nhiên, nó có thể gặp khó khăn để ước lượng chính xác hệ số truyền nhiệt do ma sát từ nhóm pít tông. Hơn nữa, dòng dầu bôi trơn qua cụm xéc măng và thân pít tông là rất nhỏ so với dòng dầu bôi trơn khác. Chính vì vậy, có thể giả thiết rằng toàn bộ lượng nhiệt được truyền tới thành xi lanh.
Tầm quan trọng của dẫn nhiệt từ nhóm xéc măng và từ thân pít tông là hoàn toàn phù hợp như kết luận của Parker et al. (1985), ở đó ta thấy rằng tính dẫn nhiệt thông qua màng dầu bôi trơn là cơ chế chính của truyền nhiệt từ pít tông tới thành xi lanh. Như chỉ ra trong [2], kết luận này hoàn toàn hợp với vị trí giữa thành và vị trí cuối của thành xi lanh. Trong miền này, nhiệt độ trung bình chu trình của khí cháy là thấp hơn nhiều tại thời điểm bắt đầu của mỗi kỳ và cuối cùng nhiệt được truyền trực tiếp từ khí cháy tới thành xi lanh chủ yếu bởi trao đổi nhiệt đối lưu là ít quan trọng. Hơn nữa, thời gian tiếp xúc với khí cháy tại các vị trí như vậy trên thành xi lanh giảm với hành trình pít tông đi xuống.
Theo [2], trong quá trình truyền nhiệt từ khí cháy tới thành xi lanh, trao đổi nhiệt bởi đối lưu và bức xạ nhiệt có ảnh hưởng lớn nhất tới dòng nhiệt tổng tại khu vực đầu của thành xi lanh và cũng đóng góp một phần quan trọng (xấp xỉ 25%) cho phần còn lại của thành xi lanh. Tuy nhiên, sự phân bố dòng nhiệt tại những khu vực giữa và cuối của thành xi lanh chứng minh rằng cơ chế truyền nhiệt chính là dẫn nhiệt từ pít tông. Trong cơ chế này, pít tông đóng vai trò như
một “vũng nhiệt” và sau đó truyền nhiệt bởi dẫn nhiệt thông qua vùng xéc măng
và thân pít tông. Do pít tông di chuyển chậm nhất gần các điểm chết, dòng nhiệt cực đại từ cụm xéc măng và thân pít tông được sinh ra khi pít tông tới gần điểm chết trên và điểm chết dưới. Với những giải thích trên có thể kết luận rằng đa số phân bố dòng nhiệt đối lưu là hàm theo vị trí dọc trục đường tâm xi lanh.
Hình 3.4. Mô hình tổng thể buồng cháy
Như mô tả trên hình 3.4, nhiệt được truyền từ khí cháy tới đỉnh pít tông và sau đó được dẫn nhiệt tới các bề mặt khác của pít tông. Tiếp theo nhiệt được truyền tới các phần khác của buồng cháy từ các bề mặt của pít tông chẳng hạn cụm xéc măng và thân pít tông. Để mô tả quá trình truyền nhiệt (dẫn nhiệt) từ cụm xéc măng và thân pít tông tới thành xi lanh, tác giả sử dụng phương pháp "mạch nhiệt trở" [2] được trình bày trên hình 3.5 với những giả thiết sau:
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
- Giữa cụm xéc măng và thành xi lanh, giữa thân pít tông và thành xi lanh được điền đầy bởi dầu bôi trơn và không có hiện tượng sủi bọt.
- Xéc măng không xoay trong rãnh.
Hình 3.5. Quá trình truyền nhiệt từ xéc măng tới thành xi lanh
Các nhiệt trở nhiệt trên hình 3.5 (a) được xác định như sau [2]:
R1 = ln / 2 1 2 1 r r H kring - Nhiệt trở xéc măng, [K/W]; R2 = ln / 3 2 2 2 r r H k oil
- Nhiệt trở của dầu bôi trơn, [K/W];
R3 = ln / 4 3 2 3 xl r r H k - Nhiệt trở thành xi lanh, [K/W]; R4 = 1 .A n s
- Nhiệt trở của áo nước làm mát, [K/W].
trong đó:
+ r1, r2,r3, r4: lần lượt là bán kính trong của xéc măng, bán kính ngoài của xéc măng, bán kính xi lanh và bán kính trong của áo nước, [m];
+ H1, H2, H3: lần lượt là chiều dày đường truyền nhiệt của xéc măng, dầu bôi trơn và ống lót xi lanh, [m];
+ kring, koil, kxl: lần lượt là hệ số dẫn nhiệt của xéc măng, dầu bôi trơn và ống lót xi lanh, [W/m.K];
+ n: hệ số trao đổi nhiệt đối lưu của nước làm mát, [W/m2.K];
+ AS: diện tích bề mặt phía ngoài ống lót tiếp xúc với nước làm mát, [m2];
Nhiệt trở của lớp màng dầu bôi trơn nhỏ so với các nhiệt trở khác, chính vì vậy biến thiên của chiều dầy màng dầu bôi trơn và ảnh hưởng của chuyển động pít tông tới truyền nhiệt đối lưu trong màng dầu được bỏ qua.
Mô hình hóa quá trình truyền nhiệt từ xéc măng khí số 1 được trình bày trên hình 3.5 (b). Hệ số truyền nhiệt từ bề mặt lưng xéc măng khí số 1 tới thành xi lanh được tính theo công thức [2]:
xm1 = 1 . 1 R F p xm [W/m2.K]; trong đó: + R - Nhiệt trở nhiệt tổng, R = R1 + R2 + R3 + R4;
+ Fp-xm1 - là bề mặt pít tông tiếp xúc với xéc măng khí số 1.
Trong một vài kỳ của chu trình công tác, nhóm xéc măng tiếp xúc với bề mặt trên của rãnh xéc măng. Trong suốt giai đoạn còn lại của chu trình, nhóm xéc măng tiếp xúc với bề mặt dưới của rãnh xéc măng. 30% chu trình công tác, nhiệt được truyền từ bề mặt trên của rãnh xéc măng, và 68% chu trình công tác, nhiệt được truyền từ bề mặt dưới của rãnh xéc măng [2].
Chính vì thế đối với rãnh xéc măng khí thứ nhất ta có: tr
xm1 = xm1 x 0,32 [W/m2.K]; d
xm1 = xm1 x 0,68 [W/m2.K];
Đối với các xéc măng còn lại, được mô hình hóa tương tự như xéc măng khí số 1. Phương pháp tương tự được sử dụng để mô hình hóa quá trình truyền nhiệt từ thân pít tông tới thành xi lanh trong đó R1 = 0.
- Hệ số truyền nhiệt đối lưu đối với vùng giữa các xéc măng (bề mặt số 15 trên hình 3.3) chọn theo [2] là 115 [W/m2.K] và nhiệt độ tại khu vực này là nhiệt độ của dầu bôi trơn 383 [K].
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
- Bề mặt phía trong của các rãnh xéc măng (bề mặt trao nhiệt số 4, 7, 10, 13 trên
hình 3.3) được coi là đoạn nhiệt. - Bề mặt phía dưới đỉnh pít tông 18: được chọn theo [2]:
18 = (60 290) [W/m2.K] T18 = (333 363) [K]