МОДЕЛЮВАННЯ ТЕПЛООБМІННИХ ПРОЦЕСІВ, ЩО ПЕРЕБІГАЮТЬ В ЦИЛІНДРАХ ДВИГУНА ВНУТРІШНЬОГО ЗГОРЯННЯ

Анотація

Досліджуються загальні принципи модельного відображення робочих процесів в двигуні внутрішнього згоряння. Подібно до того, як внутрішньомолекулярний (хімічно дієвий), молекулярний (термодинамічно активний), чи макроскопічний (упорядкований за зовнішнім проявом) рухи в речовинах зумовлюють перенесення маси — дифузію, перенесення імпульсу — в’язкість, так само вони формують перенесення енергії неупорядкованого руху — теплообмін. Пов’язуючи явища перенесення маси, імпульсу та енергії з молекулярним, внугрішньомолекулярним та впорядкованим рухами можна вирізнити відповідно провіднісну, радіаційну та конвекційну складові кожного з цих явищ. Через спільну зумовленість дифузія, в’язкість, теплоперенос є явищами взаємосупутніми і такими, що відіграють у процесах, що перебігають в циліндрах двигуна внутрішнього згоряння, визначальну роль. Тому вони разом повинні були б підпадати під якусь загальну струнку теорію руху й енергообміну, що cпирається на єдині фізико-математичні засади відображення довкілля. Проте сьогодні такої теорії не існує. Через це у вивченні теплообмінних процесів в двигунах внутрішнього згоряння доводиться просуватись, покладаючись в значній мірі на засадиемпіризму.

Незважаючи на загалом надзвичайно складне явище теплообміну, теплопередачі, тепловіддачі все ж в робочому просторі двигуна внутрішнього згоряння складаються такі умови, що дозволяють покладатись на відносно прості модельні описи саме на засадах емпіризму.

Мета роботи — спираючись на принципи теорії подібності, обґрунтувати можливості адекватного відображення та формалізованого узагальнення експериментально ідентифікованої інформації про закономірності перебігу процесів тепловіддачі в двигунах Отто (двигунах швидкого внутрішнього згоряння).

Основним об’єктом емпіричних досліджень пересічно є коефіцієнт тепловіддачі. Тільки змістовою прозорістю і зручністю використання можна пояснити те, що досі це поняття широко використовують, хоча його цілком вмотивовано можна замінити загальнішою безрозмірною характеристикою. Запропоновано вельми багато емпіричних залежностей для обчислення цього коефіцієнта. Кожна з них має свій рівень універсальності та свої межі застосовуваності за адекватністю. Переважно універсальність та адекватність не є взаємосупровідними характеристиками якості емпіричних співвідношень. А тому, вивчаючи певну множину режимів роботи двигуна, бажано залучати до математичного й експериментального апарату дослідження такі аналітично відображувані емпіричні співвідношення, які в межах цієї множини залишались незмінними за структурою та значеннями своїх основних параметрів.

Теплопередача в циліндрі двигуна швидкого внутрішнього згоряння між газом та стінкою простору згоряння виникає переважно внаслідок вимушеної конвекції. Власне в двигунах, що працюють за циклом Отто, теплопередача внаслідок випромінювання під час згоряння пального взагалі є незначною через те, що (на відміну від дизельного двигуна) в просторі згоряння не виникають в значній кількості розжарені частинки кіптяви, а самі по собі гази як випромінювачі в порівнянні з вимушеною турбулентною конвекцією можуть переносити відносно малу кількість теплоти, яку брати до уваги загалом навряд чи є сенс.

Рівняння вимушеної конвекції традиційно засноване на співвідношенні подібності  між критеріями Нусельта (Nusselt) , Рейнольдса (Reynolds) , Прандтля (Prandtl). G. Woschniз’ясував, що прийнятними є значення показників степеня  та . Але загалом виявилося, що хороші результати моделювання можна отримати на основі експериментальної інформації про перебіг тиску і середньої температури в циліндрі двигуна. Наводяться приклади модельного відтворення зміни коефіцієнта тепловіддачі від кута повороту вала двигуна за різних навантажень.