מדע Surface End: How Honing Alters Thermal Conductivity in Engine Cylinders

תהליך של משטחים של מנוע הגילוח הוא הרבה יותר מאשר צעד סופי של מכונאי - זוהי התערבות הנדסית מכוונת השולטת ישירות על ההתנהגות התרמית של תחנת הכוח.על ידי בדיוק מחלחל קיר גליל & #8217; של טופוגרפיה, משחיתתתת את הממשק שבאמצעותו רוב ההבעירה חייב לעבור.

יסודות ההתנהלות הירומית ב-Cylinder Liners

מוליכות תרמית מודדת חומר & #8217; היכולת להעביר חום דרך הרובה.במנועי cylinders, חומר הליניר (בדרך כלל אפור מטיל ברזל או סגסוגת אלומיניום) יש ערך מוליכות פנימית. עם זאת, הביצועים התרמית האפקטיביים של קיר גלילינדר אינו רק נכס - הוא משתנה באופן ביקורתי על ידי מצב פני השטח שנוצר במהלך ההשחה.

נתיבי העברה חמים דרך קיר Cylinder

חום שנוצר על ידי התלקחות נכנס לדוכן, ואז חוצה את חבילת טבעת פיסטון וסרט שמן לפני שמגיעה לקיר גלילינדר משם, זה חייב לפעול דרך הקיר למעיל הקריר.הונד משפיע ישירות על ההתנגדות התרמית בקיר גלילנדר & #8217; משטח פנימי בשלוש דרכים:

  • (ב) שטח פני השטח המשוחרר: 1 (FLT:1) דפוס חוצה-שנאה יכול להגדיל את שטח פני השטח האמיתי על ידי 10-30% בהשוואה לשישה חלקה מושלם, מתן יותר שטח לחום להיכנס.
  • (FLT:0) אויל סרט המלכודת: 1FLT: עמקים ונדודים שומרים שמן שמפריד בין טבעות הפיסטון לבין המתכת.שמן יש מוליכות תרמית בערך 0.15 W/mK, בהשוואה לזרק ברזל ב- 45 W/mK, מה שהופך את הסרט שמן למכשול תרמי משמעותי.
  • (FLT:0) Near-surface micro Structure:FreaLT:1) הפעולה המוחצת של ההשחה יכולה לפענוח את שכבת פני השטח, מה שגורם לעבודה לקשה ולמתח חי.שינויים אלה משנים את מוליכות התרמית של האזור הסמוך-קרקע עד 5% בחומרים מסוימים.

מפתח פרדוקסים המשפיעים על ההתנהגות הירומית

מהנדסים שולטים במספר משתנים במהלך תהליך ההשחה כדי להשיג מרקם משטח הרצוי.כל פרמטר ממלא תפקיד ייחודי בביצוע התרמית המתקבלת.

חסרונות וחיתוך מכניקה

גודל הסוג והגביע של אבני ההוינג קובע את עומק וצורת תכונות פני השטח. Coarse abrasivesives (למשל, 100-180 grit) לייצר עמקים עמוקים וחוספס גבוה, אשר עשוי לשפר את שימור הנפט אבל גם ליצור סרטי שמן עבה כי לעכב את זרימת חום כהה (400-600 גרניט) ליצור משטח חלק יותר אחיד יותר כי הם להפחית את השכבות ולהפחית את השכבות של שמן מודרני; לעתים קרובות לשלב את הקרח הגדול ו- 20 גרם).

Cross-Hatch

הזווית שבה הכלי ההווץ oscillates יחסית ציר גלילי מייצרת את התבנית האופיינית cross-hatch. A רחבה יותר (בדרך כלל 40-60 מעלות) יוצרת יותר שיאים חופפים ועמקים, אזור משטח גדל אך גם קידום המשכיות סרט שמן. Narrower זוויות (20-30 מעלות) לייצר יותר, יותר שריטות מקבילות שעשויות להפחית שמן אבל לאפשר מתכת ישיר יותר למולד 3metal-מטר הראות חום יעילה של תופעות לוואי.

היגיינה לחץ והורדת

לחץ מוגזם של ההשחה יכול לגרום נזק תת-קרקעי, כולל microcracks ו עיוות פלסטי, אשר להפחית את מוליכות תרמית מקומית.שליטה משחת נמוך מדכא, לפעמים נקרא & #8220;gentle honing, & #8221; מצמצם פגמים אלה תוך עדיין השגת פני השטח הנדרשת לסיים.

מצוקות על פני השטח ונקודות ההסכמה הארוכותיות שלה

גסות פני השטח היא קוונטית על ידי פרמטרים כגון Ra (ממוצעarithmetic), Rz (גובה מקסימלי), וראק (עומק גסות הליבה) כל פרמטר מתואמים באופן שונה עם התנהגות תרמית.

  • (ב) ⁇ :0) ,(האינדיקטור הכללי שאינו מבחין בין פסגות ועמקים.שני משטחים עם אותו רא יכול להיות בעל עוביים שונים מאוד של שמן והתנהגויות תרמיות.
  • (ב) ⁇ :0 ⁇ :0 ⁇ : ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (FLT:0)Rk:BuildFLT:1 חלק של עקומת שטח Abbott-Firestone, Rk מודד את החוספס של אזור הרמה אשר נוגע טבעות piston. A נמוך Rk (למשל, 0.5-1.5 מיקרומטר) מציין משטח חלק המאפשר התנהגות חלקה יותר יעילה דרך אזור מגע שמן.

ראיות ניסיוניות המקשרות את הנוקשות להתנהלות הירומית

חוקרים מאוניברסיטת שטוטגרט פרסמו מחקר ב-FLT:0Journal of TribologycioFLT:1 (2007) מדד זרימת חום חולנית באמצעות דגימות ברזל עם השלמת משטח משתנה; הם מצאו כי דגימות עם סיום הרמה-honed (Rk= 1.2 מיקרומטר, Rvkinder=0.5 μm) הציגה 12% התנגדות תרמית מאשר דגימות תרמית קונבנציונלית (ר"ל-0.6 = μi) ירידה במשקל של סרטן חום (R=0=0 ליטר) לאחר טיפול ב-p {\displaystyle Rvk=0=0=0=0=0=0=0=0=0=0=0=0.

שיקולים חומריים-המוניים

ההשפעה של ההשחה על מוליכות תרמית משתנה עם חומר גלילי.

ברזל אפור

ברזל מטיל אפור הוא חומר כלי מסורתי בשל ההתנגדות ללבוש טוב שלה מוליכות תרמית מתון (~45-50 W / mK) קשקשים פlakes במיקרו-מבנה לפעול כמו מאגרים סיכה טבעי. Honing חייב להיות מטופל בזהירות כדי למנוע smearing גרפן מעל פני השטח, אשר יוצר מחסום מחלחל.

אלומיניום Alloys

קו אלומיניום או עשבי אלומיניום מצופים יש מוליכות תרמית גבוהה יותר (~ 120-180 W / mK) אבל הם רכים יותר ופרוניים יותר כדי להרסה. Honing אלומיניום דורש אבנים מיוחדות (לעתים קרובות עם abrasive קרמיקה) ולחץ נמוך יותר למנוע נפיחות חומרית.התועלת תרמית של אלומיניום יכול להיות מחלחל חלקית אם ho מייצרת שכבה עבה, מחוספסת עם דגימות מעוקלות כראוי, 000 מוקרן על פני השטח.

מערכות קונדס וקוויד

מנועי ביצועים גבוהים משתמשים לעתים קרובות חוטים מצופה (למשל, פלזמה-עברה קשת חוט, תרסיס תרמי או ניקאסיל) הציפוי עצמו יש מוליכות תרמית שעשויה להיות שונה מהמצע.ההההההה של ציפויים אלה הוא קריטי כי הסרת חומר מוגזמת יכולה לחשוף את הבסיס מתכת, יצירת כתמים חמים מקומיים.

השלכות מעשיות עבור ביצועי מנוע ופעולות

מוליכות תרמית של פני השטח גלילי משפיעה ישירות על כמה מדדי מנוע מפתח.

שקיפות ו Knock Margin

שיפור העברת חום דרך קיר גליל מוריד את הטמפרטורה של הגז האחרון ללא צרבת בתא הבעירה, צמצום הסבירות של המנוע לדפוק.במנועי טורבו, שבו טמפרטורות גליל גבוהות יותר נפוצים, משטח מוכובש כראוי יכול להניב ירידה של 8-12% בטמפרטורת האוויר הנדרשת כדי לדכא (כפי שדווח ב-FLT:0SA International Journal of Rands, 10:1, ו- 10:1.

צריכת נפט ופיצול

הונדינג משפיע ישירות על הפצת עובי הסרט שמן. A פני השטח עם יותר מדי עמקים עמוקים (גבוה Rvk) יכול ללכוד שמן מופרז, המוביל צריכת שמן גבוהה יותר ופקדות מוגברת בתא הבעירה. ולהיפך, משטח שהוא חלק מדי (נמוך Rk) עשוי לא לשמור מספיק שמן עבור סיכה, מתחמי חום ודור חום.

עייפות תרמית וסדקים

רכיבה תרמית חוזרת יכולה לגרום סדקים משטח בקיר גלילי. מדגישים שאריות מושרה יכול גם להפחית או להחמיר את הבעיה הזאת.לחץ חיסוני מדכא (היווצר על ידי משחת תחת לחץ מבוקר) לעזור microcracks קרובים ולשפר את עמידות עייפות תרמית. Tensile מדגיש, מצד שני, יכול להאיץ את הפחתת הפחתת הסדקים המודרנית להשתמש במערכות מבוקרות כדי לשמור על לחץ עקבי, לחץ אחיד, דחוס על פני השטח.

טכניקות מתקדמות לאופטימיזציה של Thermal

יצרני המנוע פיתחו מספר שיטות מיוחדות להשחית ביצועים תרמיים משובחים.

רמה

טכניקה זו כוללת שני שלבים: ראשית, מחווטים עם אבני כפירה כדי ליצור את צלב-האצ'ץ הבסיסי, ואחריו מעבר עם אבנים דקות כי חותך רק את השיאים.המשטח וכתוצאה מכך יש רמות שטוחות הנושאות טבעות עם עובי מינימלי של שמן, בעוד העמקים נשארים כמו מאגרים שמן.

מברשת הונדינג

המברשת Brush משתמשת מצחצוצים גמישים במקום אבנים קשיחות.טכניקה זו יוצרת משטח חלק מאוד (Ra < 0.2 μm) עם נזק subsurface מינימלית.זה משמש לעתים קרובות כצעד גמר לאחר ההשחה קונבנציונלי.משטח החלק מאוד מקטין עובי סרט שמן באופן משמעותי, למקסם את העברת חום.עם זאת, זה דורש שליטה זהירה של אספקת שמן כדי למנוע נפיחות Brush הוא נפוץ ביצועים גבוהים של כל אחד של חומרים מצמצם של כל אחד של חומרים.

לייזר Structuring

טכנולוגיה מתפתחת היא השימוש בלייזרים מומסים כדי ליצור תכונות משטח מדויקות על קירות גלילי לאחר ההשחה לייזר יכול לייצר דיונים ⁇ סטים או ערוצים השולטים בזרימת שמן בכיוונים ספציפיים.על ידי הסרת רק השכבה העליונה של מתכת, עיבוד לייזר יכול ליצור תכונות קירור שמן ללא השפעה על מוליכות תרמית של חומר בבסיס.

מדד ואופי של התנהגות תרמית

מהנדסים משתמשים במספר שיטות כדי להעריך את ההשפעות התרמיות של ההשואה.

  1. (FLT:0) מדפסות חום של המדינה: אנדרל 1 (Steady-state חום פלוקס מדידות: ⁇ ) בדיקת קופונים עם סיומי ציד ידועים ממוקמים בין מקור חום לשקוע.הטמפרטורה נמדדת, והתנגדות תרמית מחושבת.
  2. (FLT:0) שיטת חוט חם חוט: FLT:1; חוט מוטבע בקיר גלילי מודד את קצב עליית הטמפרטורה לאחר דופק חום קצר.זה מספק את מוליכות תרמית של שכבת ליד-surface.זה רגיש לשינויים בתוך 0.5 מ"מ הראשונים של פני השטח.
  3. (FLT:0) תרמוגרפיה אינפרא אדום: 1FLT פועל מנוע על מבחן עומד עם מצלמות הדמיה תרמיות מאפשר התבוננות בזמן אמת של טמפרטורות קיר גלילי. שיטה זו מתואמים את פני השטח עם היווצרות חם מקום ומשמשת לפיתוח מפרטים משחה עבור מנועי ייצור.
  4. (FLT:0) חישובי מודלים: FLT:1 אנליזה של יסוד פינטיט (FEA) של קיר גלילי, עם פרמטרים של מגרעות פני השטח של תנאי גבול תרמיים, יכול לחזות זרימת חום.מודלים אלה מסייעים למהנדסים לייעל פרמטרים של ההשחה ללא בדיקות פיזיות נרחבות.

סטנדרטים בתעשייה והפרקטיקה הטובה ביותר

כמה ארגונים מפרסמים הנחיות לתהליכי השחה, אשר שוקלים ביצועים תרמיים.

  • (FLT:0)SAE J2232:FLT:1 "Surface Texture Classification of Engine Cylinder Bores" מספק Rk, Rvk, ו Rpk טווחים עבור סוגים שונים של מנוע.הסטנדרט מכיר כי ביצועים תרמיים הוא גורם מפתח בבחירת הפרמטרים האלה.
  • (FLT:0)ISO 13565 (חלקים 1-3): ההרחבה הזו מגדירה את הפרמטרים של עקומת שטח הנושא (Rk, Rpk, Rvk, מר1, מר2) אשר משמשים באופן אוניברסלי כדי לציין משטחים מהוויים. Compliance with ISO135 מבטיח התנהגות תרמית עקבית על פני ערכות ייצור.
  • (FLT:0)Ford Motor Specification WSS-M99P99-A:03FLT:1 סטנדרט פנימי המפרט נהלים של מנועי בלוק אלומיניום.הוא כולל דרישות ל מוליכות על פני השטח נמדדת על ידי השיטה הטרנסנדנטלית-חוטית, עם ערך מקובל מינימלי המבוסס על תכונות חומריות גדולות.

אחריות לסטנדרטים אלה מסייעת להימנע ממכשולים נפוצים כגון שימור שמן מוגזם המוביל לירידה במשקל של ביצועים תרמיים או משטחים חלקה מדי גורם נפיחות ואובדן של סיכה.

כיוונים עתידיים: תהליכים חכמים והסתגלות

הדור הבא של צילינדר ההוינג עובר לעבר שליטה הסתגלות בזמן אמת.כלים הונדחים עם חיישנים (למשל, פליטה אקוסטית, כוח וטמפרטורה) יכולים להתאים את הלחץ, המהירות, ומבחר חודרני על זבוב כדי לשמור על פני השטח האופטימלי.מערכות אלה יכולות להגיב לריאציות בחומרים חומריים או זרימה קרירה, להבטיח שכל גליל בייצור יש תכונות תרמיות.

בנוסף, מחקר ב-FLT:0surface טקסט עם בינה מלאכותית של בינה מלאכותית FLT ( 1:1) בוחן כיצד אלגוריתמי למידת מכונה יכולים לחזות את מוליכות התרמית של משטח נתון לסיים מהנתונים הדמוגרפיים שלה.מודלים כאלה עשויים לאפשר למהנדסים לציין ביצועים תרמיים יעד ולתת למערכת ההשחית לקבוע את התהליך הנדרש באופן אוטונומי.

מסקנה

ההשפעה של ההשחה על מוליכות תרמית של משטחים של המנוע היא אינטראקציה מורכבת של טופוגרפיה, תכונות חומריות, ותנאי תפעול.על ידי שליטה פרמטרים גסים, זווית חוצה-האץ, ולחץ תהליכים, מהנדסים יכולים להפחית את ההתנגדות התרמית בקיר גלילי על ידי 10-15% בהשוואה לסימורים קונבנציונליים. שיפור זה מתורגם ישירות ליעילות של התלקחות מוגברת, רגישות מופחתת, ומרכיב ארוך יותר כמו טכניקות מורכבות, כדי להתאים את היכולת הפנימית כדי להתאים את היכולת הרגילה של תאים סטנדרטית של תאים סטנדרטיים.