truyền nhiệt trong động cơ diesel

Chương 6. truyền nhiệt trong
động cơ diesel.
6.1 Khái niệm về truyền nhiệt và
nhiệt tải xylanh.
6.2 Truyền nhiệt trong động cơ
diesel.
6.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá
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
q=
[Kcal/m2h]
F
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
: qlm= 25ữ30%.


6.1 Khái niệm về truyền nhiệt và nhiệt tải xylanh
6.1.2. Nhiệt tải xylanh động cơ.
Q
q=
F
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.
D.S
QH
qlm
knp
g
Sau khi thay Q, F vào biểu thức trên ta có: q=
e e
0,9
D+S
Khi tăng pe, n, ge thì nhiệt tải xylanh động cơ tăng.


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 Qu¸ tr×nh trao ®æi nhiÖt cña khÝ ch¸y víi v¸ch
xylanh.

a.

Trao ®æi nhiÖt b»ng bøc x¹ [Kcal/m2h]
 Tnl  4  T1  4 
qbx = α bx 
 −
 
 100   100  




Trong ®ã: Tnl: NhiÖt ®é phÝa ngän löa.
T1: NhiÖt ®é v¸ch trong xylanh.
αbx: HÖ sè trao ®æi nhiÖt bøc x¹ cña khÝ
ch¸y.[Kcal/m2h®é]


6.2.1 Qu¸ tr×nh trao ®æi nhiÖt cña khÝ ch¸y víi v¸ch
xylanh.

b.





Trao ®æi nhiÖt b»ng ®èi l­u qdl=αkc.(tkc-t1) [Kcal/m2h]
Trong ®ã: tkc: NhiÖt ®é khÝ ch¸y.
αkc: HÖ sè trao ®æi nhiÖt ®èi l­u cña khÝ ch¸y
[Kcal/m2h®é]
Tæng nhiÖt l­îng trao ®æi tõ khÝ ch¸y víi v¸ch trong xylanh:
q1=qbx+qdl
[Kcal/m2h]
Qu¸ tr×nh trao ®æi nhiÖt b»ng bøc x¹ chØ chiÕm 5÷15% nªn ta
chØ tÝnh nhiÖt l­îng trao ®æi b»ng ®èi l­u.
q1=αkc.(tkc-t1) [Kcal/m2h].


6.2.2 Qu¸ tr×nh dÉn nhiÖt qua v¸ch.
NhiÖt l­îng dÉn qua v¸ch:

λ
q = ( t1 − t 2 )
[Kcal/m2h]
δ
Trong ®ã: λ: hÖ sè dÉn nhiÖt cña v¸ch xylanh [Kcal/m2h®é].
δ: §é dµy cña xylanh cã tÝnh ®Õn sai sè do quy ®æi
v¸ch, δ=ϕδ0.
Khi d2/d1<1,2 lÊy ϕ=1
khi d2/d1 <2 lÊy ϕ=1,04.
d1: ®­êng kÝnh trong cña xylanh
d2 : ®­êng kÝnh ngoµi cña xylanh
δ0 : ®é dµy trung b×nh cña xylanh [δ0 =0,5(d2-d1)]

6.2.3 Qu¸ tr×nh táa nhiÖt ®èi l­u cña n­íc lµm m¸t.
NhiÖt l­îng trao ®æi ®èi l­u cho n­íc m¸t q3=αn(t2-tn).
[Kcal/m2h]
Trong ®ã: αn hÖ sè táa nhiÖt ®èi l­u cña n­íc lµm m¸t
[Kcal/m2h®é].
Khi qu¸ tr×nh trao ®æi nhiÖt æn ®Þnh th×:
q1=q2=q3=q
[Kcal/m2h].
 Sau khi biÕn ®æi c«ng thøc ta cã:
(3.1)
δ
1 

t1 = t n + q +
 λ αn 

δ
∆t = t1 − t 2 = q
λ

(3.2)


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


1.

2.

Kết luận:

(3.2)
t = t1 t 2 = q

Từ công thức (3.1) ta thấy: khi tăng nhiệt độ nước làm mát
tn, nhiệt tải xilanh q, độ dày xilanh thì nhiệt độ mặt gư
ơng xylanh t1 tăng.
Từ công thức (3.2) ta thấy: ứng suất nhiệt xylanh tăng(do
t tăng) khi tăng nhiệt tải xylanh q, độ dày .

1 (3.1)

t1 = t n + q +
n


6.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình
truyền nhiệt.



1.
2.
3.


6.3.1 ảnh hưởng của hệ số tỏa nhiêt đối lưu của nước
làm mát ( n)- q3=n(t2-tn).

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(n) phụ thuộc trực tiếp
vào các thông số sau:
Tốc độ của dòng nước làm mát.
áp suất của nước làm mát.
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.
t2 0C
n.
103
[K
cal
/m
2 0
h
C

1.

100

80

6

2.

4

3.
2

50

70

90

tn 0C

ảnh hưởng của tốc đọ nước làm
mát đến nvà nhiệt độ vách ngoài
xylanh 2t
- v =0,065m/s; 0- v = 0,1m/s
X- v =0,164m/s

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. [q3=n(t2-tn).]
Tốc độ của dòng nước làm mát
tăng, nhiệt độ vách ngoài xylanh
giảm, nên ứng suất nhiệt tăng.
Không nên tăng nhiệt độ nước làm

mát quá 900C.


6.3.1.2 áp suất của nước làm mát đến hệ số tỏa
nhiệt đối lưu.

n.103
[Kcal/
m2h0C

1.

6

2.

4
2

50

70

90

110

tn 0C

ảnh hưởng của áp suất nước làm

mát đến nvà nhiệt độ vách ngoài xylanh t2
0- P=1,2Kg/cm2; x- P= 0,1Kg/cm2
P=0,6Kg/cm2

3.

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.
Không nên tăng nhiệt độ nước làm
mát quá 900C.
áp của dòng nước làm mát tăng,
nhiệt độ vách ngoài xylanh tăng, nên
ứng suất nhiệt giảm.


6.3.1.3 Nhiệt tải của xylanh đến hệ số tỏa nhiệt
đối lưu.
1.

100

90

n.103
[Kcal/
m2h0C

t2 0C

2.

70

3.

ảnh hưởng của nhiệt tải của xylanh đến nvà nhiệt độ
vách ngoài xylanh t
- q=3,1.104Kcal/m2hđộ; x- q= 4,35104Kcal/m2hđộ
q= 6,2104Kcal/m2hđộ

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.
Không tăng nhiệt độ nước
làm mát quá 900C
Nhiệt tải của xylanh giảm,
nhiệt độ vách ngoài xylanh
giảm, nên ứng suất nhiệt
tăng.


6.3.2 ảnh hưởng của nhiệt độ nước làm mát
tn khi phụ tải của động cơ không đổi.



Giả sử nhiệt độ nước làm mát tăng hoặc giảm một đại lượng là tn, khi đó

nhiệt độ vách trong của xylanh tăng hoặc giảm một đại lượng là t1, nhiệt
độ vách ngoài của xylanh tăng hoặc giảm một đại lượng là t2, 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:
.
q
t n =
(a) . t2 > t1. (b).



Trong đó:





K

K=

1
1
1
+ +
kc n

cháy đến nước làm mát

[Kcal/m2hđộ] là hệ số truyền nhiệt từ khí

6.3.2 ảnh hưởng của nhiệt độ nước làm mát
tn khi phụ tải của động cơ không đổi.

1.
2.

Từ các công thức trên ta rút ra kết luận:
Khi tăng nhiệt độ nước làm mát thì giảm được nhiệt tải
xylanh (theo công thức a). t n = q
K
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. t2 > t1


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:
Tkc
(2Tkc + Tkc T1 )
Tkc
T

+ A kc (1 + kc )

Tkc

( A 1)(Tkc T1 ) + A
T1 = kc



Trong đó:

'
A = hc
kc





1
2

; , 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.


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.


1.
2.

Qua hình vẽ trên ta thấy sự phân
bố nhiệt độ trong piston, xylanh
có một số đặc điểm:
Nhiệt độ thay đổi theo phương
dọc theo thân piston và xylanh.
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.