انتقال حرارت گذار

مقدمه
انتقال حرارت گذرا از گاز به دیواره های محفظه احتراق و دیوارهای دریچه تأثیر قابل ملاحظه ای روی تعویض گاز و عملکرد موتور IC می گذارد . به علاوه ، درستی اطلاعات انتقال حرارت در این قسمتها ، برای اعمال شرایط مرزی به منظور آنالیز ساختاری امری ضروری است.

در تئوری ، بازده حجمی که در طول شبیه سازی فرایند تعویض گاز محاسبه می شود براساس برنامه های یک بعدی اغلب کار مشکلی می باشد . شکل ۱ مثالی از وابستگی بازده حجمی به شرایط انتقال حرارت در طول مرحله تعویض گاز می باشد . شکل نشان دهنده تأثیر انتقال حرارت در دریچه ورودی هم و تأثیر انتقال حرارت در محفظه احتراق در طول مرحله ورود گاز می باشد . بر اساس معادلات انتقال حرارت با توجه به روابط Woschni و Zapf ، انتقال حرارت با ضرایب ۷/۰ تا ۸/۱ در محفظه احتراق و دریچه ورودی کاهش یا افزایش پیدا کرده است . محاسبات بر روی یک موتور تک سیلندر آزمایشی ( DI دیزل ، قطر mm 124 ، طول کورس mm 165 ) در دور موتورrpm 1080 و بار %۵۰ انجام شده است .
شکل ۱

اگر چه تأثیر انتقال حرارت در دریچه ورودی برای این نوع موتور در شرایط اشاره شده در بالا ، پایین است ، بازده حجمی به مقدار زیادی به انتقال حرارت در محفظه احتراق وابسته است . ( بیشتر %۳ در افزایش ۸۰ درصدی انتقال حرارت ) این مسأله در مورد تشکیل NOX نیز صادق است . ( افزایش %۱۱ ) به سبب سطح دمای تغییر یافته در محفظه احتراق . محاسبه NOX خروجی به طور قابل ملاحظه ای تحت تأثیر انتقال حرارت آنی در طول مرحله فشار زیاد می باشد . شکل ۲ تأثیر این امر را با مقایسه مقادیرNOX در زاویه میل لنگ های مختلف و با دو پیشروی متفاوت انتقال حرارت ، در دور ۱۴۷۰ rpm و بار کامل را نشان می دهد . از یک سمت محاسبات انتقال حرارت از معادلات Woshchni انجام شده و در سمت دیگر

محاسبات براساس شبیه سازی CFD سه بعدی انجام شده است . محاسبه نرخ تشکیل NOX بر طبق مکانیزم توسعه یافته Zeldovich در دو منطقه دمایی ( سوخته و غیر سوخته ) ، برنامه شبیه سازی عملکرد موتور در دو منطقه دمایی انجام می شود . بنابراین نرخ آزاد سازی حرارت ثابت نگه داشته شده . مقایسه مقادیر پیوسته NOX نشان دهنده کاهش % ۱۴ درصدی براساس نتایج CFD می باشد . بنابراین تطابق بیشتری با نتایج اندازه گیری داشته .

شکل ۲ ( a و b )
اصول پایه در روش دمای سطح :
حوزه دما در دیواره محفظه احتراق می تواند توسط معادلات دیفرانسیلی فوریه در مورد هدایت حرارت بیان شود . با فرض یک جریان حرارت یک بعدی در دیواره های محفظه احتراق ، فقط گرادیان دمایی در جهت x ، عمود بر سطح دیواره وجود دارد . معادله کلی به صورت معادله زیر در می آید که t زمان و ‏Tw دمای دیواره است :
۱)
در این رابطه ضریب نفوذ حرارتی دیواره می باشد . که از سه پارامتر تشکیل شده است .
ضریب هدایت حرارتی =
ظرفیت حرارتی = C چگالی =

انتقال حرارت گذرا از گرادیان دما و ضریب هدایت حرارتی مشخص می شود .
۲)
معادله بالا می توانند برای عملکرد سیکل با بسط دادن آن به صورت سری حل شوند . با فرض اینکه دیواره به صورت یک صفحه نامحدود است . حل مناسب به صورت زیر می باشد :
۳ )
و
۴)
به علاوه ، انتقال حرارت یک فاکتور قطعی برای تنش های حرارتی در قسمتهای نزدیک محفظه احتراق تشکیل می دهد . نقش مهم در اینجا توسط میانگین زمانی و تحلیل فضایی چگالی شارحرارتی بازی می شود . در (۲) نشان داده شده که افزایش %۱۰ درصدی شار حرارتی دیواره سمت گاز باعث افزایش ›۸۰ دما در valve bridge بین سرپاپ ورود و خروج گاز می شود . چنین تغییرات درجه حرارتی باعث کاهش قابل ملاحظه مقاومت اجزاء در مقابل تنش های زیاد می شود . بنابراین لازم است که شرایط مرزی حرارتی را برای بهینه سازی اجزاء ، مشخص کنیم .

اندازه گیری شار حرارتی : ( توسط سنسورها )
استانداردها برای سنسورهای اندازه گیری شار حرارتی در سمت گاز در موتورهای احتراق داخلی خیلی بالا هستند . این امر مخصوصا برای اندازه گیری در محفظه احتراق درست است ، علاوه بر اینکه سنسورها باید در زمان کوتاهی شرایط را تحلیل کنند ، و دقت بالایی داشته باشند می بایست در مقابل دما و شار حرارتی خیلی کم آسیب پذیر باشند و می بایست در کوچکترین اندازه ممکن باشند و مقاومت کافی داشته باشند . در اصل دو روش اندازه گیری مختلف برای اندازه گیری شار حرارتی لحظه ای درموتورهای IC وجود دارد .
۱- سنسور براساس روش دمای سطح قرار داده می شوند .

۲- سنسورها براساس اندازه گیری دما در لایه مقاومت حرارتی قرار گرفته اند .

جدول ۱ خلاصه ارزیابی انواع مختلف سنسورها :

+good
o …limitations
…… poor
TRL S T M
HFM LCRTS RTS B A
o o o + +
+ + + o o
+ + + o _
+ + + o O خروجی
_ + o + + ابعاد خارجی
_ + o + o مقاومت دربار کامل

جدول ۲ : کاربرد روش مختلف اندازه گیری :
‏TRL STM
o + فشار زیاد – محفظه احتراق
o o فشار پائین – محفظه احتراق
+ _ ورودی گاز
+ + خروجی گاز

انتقال حرارت داخل سیلندر در مرحله تراکم و احتراق :
معادلات انتقال حرارت که به کار برده می شوند بر مبنای اصول نیوتونی می باشند ، بر این اساس چگالی شار حرارتی دیواره از ضریب انتقال حرارت و اختلاف دمای مؤثر بین گاز و دیواره سرچشمه می گیرد . این معادلات که ضرایب انتقال حرارت را بیان می کنند می توانند به دو گروه بی بعد و بعد دار تقسیم شوند .