6. SIMULACE PRACOVNÍHO OBĚHU MOTORU
6.5 Určení tepelného toku do válce
Vzhledem k tomu, že náplň válce není ve stálém kontaktu s vložkou po celém jejím vývrtu, bylo třeba k určení toku přistupovat jinak než v předešlých výpočtech. Tepelný tok do válce se skládá ze čtyř dílčích toků: tepelný tok z náplně válce 𝑸̇𝑔𝑙, který není konstantní po celé délce vývrtu, potom teplo vzniklé třením díky kontaktu pístu, pístní kroužků a válce 𝑸̇𝑓𝑟𝑙. Dále pak teplo, které přestupuje z pístu do vložky 𝑸̇𝑝𝑙. Posledním je teplo odvedené vlivem odpařování paliva ze stěny válce.
Platí tedy:
𝑸̇𝑙= 𝑸̇𝑔𝑙+ 𝑸̇𝑓𝑟𝑙+ 𝑸̇𝑝𝑙+ 𝑸̇𝑣𝑙
Tepelný tok z náplně válce byl vypočten tak, že zdvih válce byl rozdělen na 39 vrstev.
Průběh teploty a součinitele 𝛼 byl rozdělen do 156 kroků (4 doby x 39 vrstev).
Jednotlivé tepelné toky do všech vrstev byly vypočteny tak, že když byla vrstva v daném kroku v kontaktu s náplní válce, přidělila se jí okamžitá teplota a okamžitý součinitel 𝛼. Pokud byla vrstva v daném kroku v zákrytu s pístem, tak se jÍ přidělily hodnoty 𝛼=2000W·m-2·K-1 a teplota 373K. Tyto hodnoty odpovídají tomu, že plochy jsou smáčené olejem. Teplo, které jde do válce díky tření, bylo spočteno v SW Wave, viz strana 39. Podle literatury [12] teplo, které je vedeno z pístu do válce, bylo zjednodušeně určeno tak, že se předpokládá, že teplo které je vedeno do pístu se rozdělí podle poměru ploch, které jsou v kontaktu s válcem a ploch které jsou v kontaktu s olejovou mlhou. Tento poměr je zhruba 0,3. To znamená, že 30 % jde z pístu do válce. Toto teplo bylo rovnoměrně rozděleno po celé délce zdvihu.
Obrázek 28: Průběh tepelného toku po délce vývrtu válce 0
Průběh tepelného toku od náplně,tření a z pístu po délce zdvihu
Díky tomu, že je použito u tohoto motoru palivo metanol, které má vysokou hodnotu výparného tepla, je zde velký chladící účinek. Hodnoty tohoto tepla byly převzaty z [12].
Model válce byl rozdělen na dvě části. První částí vývrtu, je část, na kterou směřují sací kanály a druhou částí je zbytek, viz obrázek 30. V tomto modelu se předpokládá, že až 60 % přivedeného tepla do válce se podílí na odvodu tepla ze stěn válce. Z této hodnoty se 60 % podílí na výseči, kam směřují sací kanály (červeně označená výseč).
Konkrétní hodnoty tepelného toku pro plochu 2 mm široké vrstvy [12] : Více ochlazovaná část válce (výseč 60° - označeno červeně) 103W Méně ochlazovaná část válce (výseč 300°- označeno modře) 68W
Obrázek 29: Válec s vrstvami
Obrázek 30: Rozdělení odvodu tepla [12]
Tabulka 4: Tepelné toky od směsi do partií motoru
𝜶̅ [W/m2 K] 𝑻̅𝒈𝒂𝒔 [K] 𝑻𝒘 [K] 𝑺 [m2] 𝑸̇ [W]
píst
815 1061
553 6.9·10-3 2856
Hlava (spalovací prostor) 423 4.04·10-3 2100
výfukové ventily 1. část 763 1.54·10-3 353
Výfukové ventily jsou rozděleny do dvou částí, jedné, na kterou působí směs během pracovního oběhu a druhá, na kterou působí spaliny, které proudí kolem nich.
Do výpočtu není započítán přestup tepla sáláním a nepočítá se zde s nespáleným palivem, které odchází ve výfukových spalinách.
Rozdělení tepelných toků bylo také vypočteno pomocí SW Wave. Model byl použit stacionární. U tohoto výpočtu je spalovací prostor reprezentován soustavou tepelných odporů (analogie přenosu náboje). V tomto modelu platí následující:
Píst, hlava, válec a ventily jsou definovány vlastnostmi jednotlivých materiálů a jejich rozměry.
Teplo vstupující ze směsi do ventilů je částečně vedeno do hlavy a částečně je vedeno konvekcí do nasávané směsi u sacích ventilů nebo do výfukových plynů u výfukových ventilů.
Teplo vedené do hlavy je vedeno do ventilů a do chladicího média.
Teplo vedené do vložky válce je dále vedeno do chladicího média.
Teplo vedené do pístu je dále vedeno do oleje, který píst chladí nástřikem, a dále je vedeno skrz plášť do vložky válce.
Vložka válce a hlava jsou od sebe tepelně izolovány.
Dále jsou uvažovány tepelné toky do pístu a vložky díky tření, které vzniká právě mezi nimi. Hodnota tohoto toku je dána podílem z celkové ztráty třením. Hodnotu tohoto podílu zadává uživatel procentuální hodnotou. Uvádí se, že z celkových třecích ztrát
má 75% podíl právě tření pláště pístu, pístních kroužků a vložky. Proto byla zvolena hodnota 0,37 pro píst a 0,37 pro vložku. Model zobrazuje následující obrázek.
Parametry, které byly zadávány, shrnují následující tabulky.
Tabulka 5: Parametry pro válec, píst a hlavu
jednotky píst vložka válce hlava
Průměrná tloušťka mm 5 6 8
Tepelná vodivost W•m-1·K-1 170 170 170
Celkový objem mm3 31808.6 133342 505893.8
Objemová tepelná kapacita J·m-3·K-1 2.43·106 2.43·106 2.43·106 Plocha na straně chlazení mm2 12000 255000 310000 Tepelný odpor píst – vložka K·W-1 0,005
Tabulka 6: Parametry pro ventily
jednotky Sací ventil Výfukový ventil
Tloušťka talířku mm 7 7
Tloušťka stěny sedla mm 3 3
Tepelná vodivost W·m-1·K-1 47 47
Objemová tepelná kapacita J·m-3·K-1 4.03·106 4.03·106
Obrázek 31: Model přestupu tepla [11]
Tabulka 7:Parametry pro chlazení
jednotky hodnoty
Teplota oleje K 380
Koeficient přestupu tepla olej – píst W·m-2·K-1 1170
Teplota chladicího média u hlavy K 298
Koeficient přestupu tepla hlava – chladicí médium W·m-2·K-1 200
Teplota chladicího média u válce K 298
Koeficient přestupu tepla válec – chladicí médium W·m-2·K-1 200 Podíl tepla z celkového tření jdoucí do pístu - 0.37 Podíl tepla z celkového tření jdoucí do vložky válce - 0.37
Tabulka 8: Výsledky výpočtu SW Wave
Tepelný do hlavy 𝑸̇𝒉 1533 W
Tepelný tok z náplně do pístu 𝑄̇𝑝 3987 W
Tepelný tok do sacích ventilů 𝑸̇𝑒𝑝 1482W
Tepelný tok do výfukových ventilů 𝑸̇𝑖𝑝 944W
Tepelný tok od tření vstupující do pístu 𝑄̇𝑓ℎ 2078 W
Tepelný tok do vložky válce 𝑸̇𝑙 3934 W
Tepelné toky se od sebe liší. Je to dáno zadanými parametry pro výpočet. V prvém výpočtu se počítalo pouze s jednoduchým modelem, kde se odhadovala teplota stěny.
Tam můžou být nepřesnosti dány zvolenými teplotami stěn. V druhém případě se počítá i s vnějšími podmínkami (součinitel přestupu tepla na straně okolí, teplota okolí atd.), součinitel přestupu tepla závisí na mnoha faktorech a tak mohou vznikat nepřesnosti, které vedou k rozdílným výpočtům. Pro přesné určení tepelných toků by bylo třeba experimentální měření.