v. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn
2.2.1.4 Truyền nhiệt và sấy nóng động cơ
Hình 2.3 Sơ đồ truyền nhiệt trong động cơ
Phần này nhằm xác định nhiệt độ của piston, ống lót xylanh và nắp máy trong quá trình khởi động lạnh và chạy ấm máy nhằm phục vụ cho việc tính toán tổn thất nhiệt từ chất khí đến thành buồng đốt trong mô hình nhiệt động học. Sơ đồ các đường truyền nhiệt giữa mỗi thành phần chính trong động cơ xăng được thể hiện trong Hình 2.3. Mô hình truyền nhiệt cho các bộ phận chính của động cơ, được thiết lập theo Kaplan và Heywood [58].
a. Truyền nhiệt cho piston
Trong quá trình làm việc, piston nhận nhiệt từ khí cháy của động cơ, nhiệt sinh ra do ma sát giữa piston và xylanh. Piston mất nhiệt do truyền nhiệt cho xylanh, dầu bôi trơn và thanh truyền. Phương trình cân bằng nhiệt của piston được xác định theo phương trình sau:
( ) ( )
piston piston rings skirt piston oil con
piston con dT Q Q Q Q Q dt mc mc − − − − − = + (2.45)
Trong đó: Tpiston: nhiệt độ của piston.
(mc)piston và (mc)con: lần lượt là nhiệt dung của piston và thanh truyền.
piston
Q : nhiệt lượng truyền nhiệt vào piston bao gồm nhiệt truyền từ khí cháy sang đỉnh piston, được tính từ công thức (2.17) và (2.18) và nhiệt lượng sinh ra từ ma sát giữa piston và thành xylanh. Tuy nhiên, do piston nóng lên nhanh hơn nhiều so với thành xylanh, nên nhiệt năng do ma sát sẽ được truyền chủ yếu vào thành xylanh. Tương tự, nhiệt sinh ra do ma sát chuyển động của piston-chốt-thanh truyền được truyền chủ yếu cho thanh truyền.
piston oil
Q − : nhiệt lượng truyền cho dầu bôi trơn từ bề mặt sau của piston, được tính theo công thức truyền nhiệt đối lưu:
Piston Nắp máy xylanh Qpiston Qhead Qexh Qfriction Qrings Qskirt Qliner Van hằng nhiệt Bộ tản nhiệt
Bình chứa dầu, trục khuỷu và thanh truyền Qoil Qcon Bơm dầu Bơm nước Qout Qout Qout Qout
36
piston-oil ( piston oil)
Q =hA T −T (2.46)
Trong đó h là hệ số truyền nhiệt đối lưu từ piston sang dầu; A là diện tích bề mặt; Toil là nhiệt độ của dầu.
rings skirt
Q +Q : nhiệt lượng truyền từ piston đến thành xylanh qua các xéc măng và mép piston và có thể được tính như sau:
( ) ( )
rings skirt r s piston liner
Q +Q = UA − T −T (2.47) Trong đó Tliner nhiệt độ thành xylanh; U là hệ số truyền nhiệt tổng thể cho các xéc măng và mép piston; A là diện tích truyền nhiệt.
Qcon: nhiệt lượng piston truyền cho thanh truyền và được tính từ công thức: ( ) ( )
0.10 [1 piston con pison]
con piston piston mc mc dT Q Q Q dt + = − (2.48)
b. Truyền nhiệt cho dầu bôi trơn
Dầu bôi trơn nhận nhiệt từ nắp máy, thân máy, pison, thanh truyền và nhiệt do ma sát từ chuyển động của trục khuỷu, bơm dầu đồng thời truyền nhiệt ra ngoài môi trường xung quanh, phương trình cân bằng nhiệt của dầu có thể viết như sau:
( ) ( ) ( ) ( )
piston oil head oil block oil pump crank con
oil
oil crank oil amb oil amb
Q Q Q Q Q Q dT mc hA T T dt − − − + − + + + + + = + − (2.49) Trong đó: piston oil
Q − là nhiệt lượng piston truyền cho dầu bôi trơn được tính theo công thức 2.46
head oil
Q − : nhiệt lượng truyền từ nắp máy sang dầu bôi trơn bằng phương pháp đối lưu được xác định từ công thức
( ) ( )
head oil oil head oil in
Q − = mc T −T − (2.50)
Trong đó: (mc)oillà nhiệt dung riêng của dầu; Thead là nhiệt độ nắp máy, Toil-in
là nhiệt độ dầu vào nắp máy
block oil
Q − : nhiệt lượng truyền từ thân máy sang dầu bôi trơn bằng phương pháp đối lưu và được xác định từ công thức
( ) ( )
block oil oil block oil in
Q − = mc T −T − (2.51)
Trong đó: Tblock là nhiệt độ thân máy
pump
Q và Qcrank: nhiệt lượng dầu nhận được do ma sát trong bơm dầu và trục
khuỷu và có thể ước tính lần lượt là 10% và 11% tổng ma sát của động cơ theo Patton và cộng sự [59]. Trong điều kiện tốc độ động cơ chạy không tải, tổng ma sát của động cơ bằng công thực hiện của chu trình động cơ.
(hA)oil amb− (Toil −Tamb): nhiệt lượng dầu bôi trơn truyền cho môi trường.
Thanh truyền nhận nhiệt từ piston và ma sát chuyển động của trục khuỷu - thanh truyền đồng thời truyền nhiệt cho dầu bôi trơn. Nhiệt lượng truyền từ thanh truyền cho dầu bôi trơn được tính gần đúng bằng nhiệt lượng piston truyền cho thanh truyền Qcon và được tính theo công thức (2.48).
37
c. Truyền nhiệt khối xylanh
Xylanh nhận nhiệt từ khí cháy và nhiệt do ma sát giữa piston, xéc măng với lót xylanh đồng thời truyền nhiệt cho nước làm mát, dầu bôi trơn và môi trường xung quanh. Phương trình truyền nhiệt của khối xylanh được tính theo công thức:
1
[ ( ) ( )]
( )
block
block block oil blc block block amb
block dT
Q Q Q hA T T
dt = mc − − − − − (2.52) Trong đó: (mc)blọk là nhiệt dung riêng của thân máy;
block
Q : nhiệt lượng truyền cho khối xylanh bao gồm nhiệt lượng từ khí cháy truyền cho xylanh được tính theo công thức (2.17) và (2.18) và nhiệt sinh ra từ ma sát giữa lót xylanh và piston; ma sát này chiếm 53% tổng ma sát của động cơ [59];
block oil
Q − : nhiệt lượng xylanh truyền cho dầu bôi trơn và được tính theo (2.51)
blc
Q : sự nhiệt lượng truyền từ khối xylanh đến dung dịch làm mát. Phương trình truyền nhiệt tổng thể của chất làm mát trong khối xylanh là:
1 [ ]( ) ( ) cbl blc cf blc dT Q Q dt = mc − (2.53) ( ) ( )
cf cool cool in cool out
Q = mc T − −T − (2.54)
(hA)block(Tblock−Tamb): nhiệt lượng truyền từ khối xylanh ra môi trường.
Trong đó: (h, A)blọck lần lượt là hệ số truyền nhiệt và diện tích truyền nhiệt từ thân máy đến mô trường.
Khi động cơ làm việc ổn định mất nhiệt từ thân máy sang môi trường xung quanh là đáng kể. Tuy nhiên, trong giai đoạn khởi động lạnh và chạy ấm máy, do nhiệt độ động cơ còn thấp nên phần mất nhiệt cho môi trường xung quanh là không đáng kể và có thể bỏ qua. Do đó, khi động cơ khởi động lạnh phương trình truyền nhiệt cho khối xylanh (công thức 2.52) có thể viết lại như sau.
1
[ ]
( )
block
block block oil blc block
dT
Q Q Q
dt = mc − − − (2.55)
d. Truyền nhiệt nắp máy
Nắp máy nhận nhiệt từ khí cháy trong xylanh và khí thải trên đường thải đồng thời truyền nhiệt cho nước làm mát, dầu bôi trơn và môi trường xung quanh. Phương trình truyền nhiệt của nắp máy được viết như sau:
ad ad ad
1
[ ( ) ( )]
( )
head
head exhaust hdc he oil he he amb
head dT
Q Q Q Q hA T T
dt = mc + − − − − − (2.56) Trong đó:
(mc)head: nhiệt dung riêng của nắp máy.
head
Q : nhiệt lượng truyền từ khí trong xylanh sang nắp máy, được tính từ phương trình. (2.17) và (2.18);
exhaust
Q : nhiệt truyền từ khí thải đến nắp máy tại cửa thải và có thể được tính từ công thức: Qexhaust =hportAport(Tg −Tport) (2.57)
38
trong đó Aport là diện tích bề mặt bên trong của ống thải; Tg và Tport lần lượt là nhiệt độ khí và tường tại cửa thải; hport là hệ số truyền nhiệt trung bình giữa khí và ống thải và có thể được tính như sau [60]:
0.25 0.75
port evo evc
h = h + h (2.58)
trong đó hevo và hevclần lượt là hệ số truyền nhiệt giữa khí và thành cửa thải trong quá trình mở và đóng xupap thải và có thể được tính toán từ công thức [60]:
0.6 Nu evo 0.4 Re evo g h d k = = (2.59) 0.8 Nu evc 0.022Re evc g h d k = = (2.60)
Trong đó Nuevo và Re lần lượt là số Nusselt và số Reynolds của khí tại cửa thải trong quá trình mở xupap thải; Nuevc và Re lần lượt là số Nusselt và số Reynolds trung bình tại cửa thải trong quá trình đóng xupap thải; d là đường kính cửa thải; kg
là độ dẫn nhiệt của chất khí.
hdc
Q : nhiệt lượng truyền từ nắp máy vào nước làm mát. Phương trình truyền nhiệt tổng thể của chất làm mát trong nắp máy là:
dc d dc 1 [ ]( ) ( ) h h c cf h dT Q Q dt = mc − (2.61) ( ) ( )
cf cool cool in cool out
Q = mc T − −T − (2.62)
ad ad
(hA)he (The −Tamb): nhiệt lượng truyền từ khối xylanh ra môi trường xung quanh. Tương tự như thân máy, khi động cơ khởi động lạnh và chạy ấm máy, nhiệt độ nắp máy còn thấp nên mất nhiệt cho môi trường là không nhiều và có thể bỏ qua. Khi đó phương trình (2.56) có thể viết lại như sau:
ad
1
[ ]
( )
head
head exhaust hdc he oil
head dT
Q Q Q Q
dt = mc + − − − (2.63)
Các phương trình cân bằng nhiệt của tất cả các thành phần, tạo thành một tập hợp các phương trình vi phân thông thường thuần nhất. Phương pháp phần tử hữu hạn được sử dụng để giải hệ phương trình này, cho nhiệt độ của từng bộ phận động cơ, từ trạng thái ban đầu (điều kiện nhiệt độ môi trường). Nhiệt độ được giả định là ổn định trong một bước thời gian và được cập nhật ở mỗi bước thời gian tiếp theo.