הבנת Phenomena ב Combustion Engines עבור Emission Reduction

שכבת הגבול במנוע של הבעירה היא אזור קריטי שבו הפיזיקה של זרימת הנוזלים, העברת חום ותגובות כימיות מתלכדות.סרט דק זה של גז סמוך לקיר גלילי, כתר פיסטון, משטחים שסתום שולטים כיצד כוויות דלק, כיצד חום הוא מתפזר, ובסופו של דבר איך משווקים נוצרים.

מהו שכבת ה Boundary ב-Combustion Engines?

שכבת הגבול היא האזור של נוזל ליד משטח מוצק שבו כוחות מולקווס שולטים. בשל מצב ללא-חול, המהירות הנוזלית בקיר היא אפס, והוא עולה בהדרגה עד שהוא מגיע למהירות זרם חופשי של הגז הגדול.במנוע שלבעירה פנימית, זה קורה לאורך קירות גלילי, ראש הצלינדר, ואת הפנים piston.

שתי שכבות גבול משלימים קיימות בו זמנית: המהירות (או המומנטום) שכבת הגבול התרמית ושכבת הגבול התרמית מוגדרת על ידי טמפרטורת ⁇ מהגז הגדול החמים לקיר הקר יותר. כי קירות המנוע נשמרים בדרך כלל בטמפרטורות בין 200-300 מעלות צלזיוס (בדומה מתחת לטמפרטורת הלהבה של -2500 מעלות צלזיוס), ⁇ תרמיים תלולים מתפתחים.

סוגים של שכבות Boundary

Laminar Boundary Layer

בשכבה גבול laminar, חלקיקים נוזליים נעים בתוך שכבות חלקות, מקבילים עם תערובת מינימלית.פרופיל המהירות הוא parabolic, ואת העברת המומנטום מתרחשת בעיקר דרך מול מול מולקולריות. שכבות Laminar הן דקות ויציבות, אבל הם מציעים חום גרוע ועברה המונית.במנוע, גבול laminar ליד קיר המנדר יכול לעכב את הלהבה ולהשאיר דלק חלקית לא פולשנית, גדל של פחמן שכבת פחמן פחמן פחמן.

המונחים: oundary Layer

שכבת גבול סוערת מאופיינת על ידי תנועה כאוטית, מודיזה שמשפרת את ערבוב. פרופיל המהירות שטוח ליד הקיר, והעברה נשלטת על ידי דימדיות טורחות בקנה מידה גדול.זה מגביר את שיעורי העברת חום והובלת המונים על ידי סדר גודל בהשוואה לזרימת laminar. במנועי תקרה, זעזוע הוא בכוונה למקדמים את המהירות והמהירות ההולכת וגוברת יותר, עם זאת, עם עלייה קלה יותר של חום.

מספר הטרנזיט ו-Ryson Number

המעבר מ laminar לזרימה סוערת תלוי במספר ריינולדס, שהוא היחס של כוחות אינרציה לכוחות מולקווס.עבור גיאומטריה מנועים נתונה ומהירות התפעולית, המעבר מתרחש בדרך כלל כאשר המספר המקומי של ריינולדס עולה על ערך קריטי (בערך 5×105 עבור צלחת חלקה).

חשיבותה של שכבת ה Boundary ב-Combustion Engines

העברה חמה וקיר קונצ'ינג

שכבת הגבול פועלת כהתנגדות תרמית בין גזי הבעירה החמה לבין מבנה המנוע.עברת חום קונסטרוקטיבית דרך שכבה זו נשלטת על ידי מספר Nusselt, אשר בתורו תלוי במצב שכבת הגבול. שכבת גבול סוערת מסירת חום מהר יותר, מורידה את טמפרטורות הגז השיא. בעוד זה יכול להפחית היווצרות NOx תרמי, זה גם מגביר את האנרגיה שאבדה לקורר.

ביקורתי יותר, שכבת הגבול התרמית גורמת ל-FLT:0 [קירה] quenching:1 [כחזית הלהבה מתקרבת לקיר הקר, אזור התגובה קריר מתחת לטמפרטורת הפחתת הנקה, מה שמכבה את הלהבה בתוך שכבת גז דקת – באופן זמני 0.1%-1 מ"מ עבה.זה משאיר מולקולות דלק מחוסמות חלקית, וכתוצאה מכך שכבת דלק לא מזוינת (מ"מ"מ) ומרחק פחמן (מ"מ"מ"מ"מ) מלמטה) מגובה ישירות על ידי פחמן (מ) הוא מגובה על ידי פחמן (מ"מ נמוך יותר).

הלהבות והמחויבות

הלהבה propagation ליד הקיר מושפעת מאוד מפרופיל מהירות שכבת הגבול.בשכבת גבול laminar, מהירות הלהבה ניתן להפחית באופן משמעותי מכיוון מהירות הגז נמוכה יותר ליד הקיר, להאט את התחבורה של רדיקלים וחום. .conversely, שכבת גבול סוערת מספקת שילוב טוב יותר ופיתוח להבה מהירה יותר, שיפור יציבות הבעירה - במיוחד מתחיל בתנאי קור או צרבת.

השפעה על טופס בקשה

Unburned hydrocarbons (HC)

פליטות HC נובעות בעיקר משני מקורות הקשורים לגדר הגבול: להבה היישר אל קירות הצלילינדר וכרכי החרוט (למשל, הפער בין הקרקע העליונה של פיסטון ו cylinder נשא) השכבה הנצנצנצפית מכילה תערובת של דלק ואוויר שמעולם לא עוברים בעירה מלאה. כאשר שסתום הממצה נפתח, תערובת בלתי מגובשת זו של בריחה לתוך שכבת המכפלה או טמפרטורות גבוהות יותר.

פחמן חד-חמצני (CO)

צורות CO כאשר אין מספיק חמצן או זמן מגורים עבור חמצון שלם.בשכבת הגבול, הטמפרטורות הנמוכות ושילוב איטי יותר יכולים להרעיש את התגובה של חמצן. שכבות גבול טורבולנט להפחית את זה על ידי שיפור תערובת דלק אוויר, אבל הם יכולים גם להגדיל את CO אם האש quenching הופכת חמורה יותר עקב אובדן חום גבוה יותר.

Nitrogen Oxides (NOx)

היווצרות NOx היא מאוד רגישה טמפרטורה, שיא מעל 1800 ° C. שכבת גבול עבה יותר מפחיתה את העברת החום לקיר, ומאפשרת גז גדול להישאר חם יותר, אשר מגביר nox תרמי.versely, שכבת גבול סוערת מאוד מורידה את הטמפרטורות שיא אבל יכול גם לקדם הדבקה מהירה יותר, העלאת הטמפרטורה המקומית.

Soot and Particulate Matter (PM)

במנועי דיזל ודלק ישירות, היווצרות soot מתרחשת באזורים עשירים דלק בתוך תא הבעירה. שכבת הגבול ליד קיר גלילי הוא לעתים קרובות קריר ועשיר יותר, מתן תנאים מותאמים לחנקן וצמיחה. לטעון טורבולנט יכול להפחית את soot על ידי שובר כיסים עשירים, אבל אם שכבת הגבול היא קר מדי, sootidation עשוי להיות מכווץ sootic soqueed לפני פילטרים חיוני.

גורמים המשפיעים על התנהגות של שכבת Boundary Layer

משטח

קירות גליל המנוע אינם חלקים לחלוטין.הונדינג מייצר דפוס חוצה-האץ עם גסות פני השטח (Ra) בדרך כלל בין 0.2-0.8 מיקרומטר. קשיחות מקדם מעבר מוקדם יותר להפרעות ומגדיל את הגרור החיכוך.עם הזמן, מרפקות פחמן יכולות להגדיל את החוספסות עוד יותר.

זרימה ומהירות מנוע

מהירויות גבוהות יותר של פיסטון וזרימת צריכת מהירה יותר לייצר מספרים של ריינולדס גבוה יותר, דוחקים את שכבת הגבול לעבר מצב מטריד לחלוטין.במהירויות מנוע נמוכות (דאלה, התחלה קרה), שכבת הגבול נוטה להיות laminar או מעבר, המוביל לפליטות גבוהות יותר של HC ויציבות של בעירה גרועה.

טמפרטורה Gradients

ההבדל הטמפרטורה בין הגז הגדול (עד 2500 מעלות צלזיוס במהלך הבעירה) לבין הקיר (200-300 מעלות צלזיוס) מניע את שכבת הגבול התרמית. Steeper ⁇ s להגדיל את גלי החום אבל גם עבה את שכבת הגבול התרמית. במהלך שבץ ההתפשטות, טמפרטורת הגז טיפות, צמצום ה ⁇ ומאפשר את השכבה כדי לגדול.

לחץ על Gradients

לחץ שלילי (שלילי) מגביר את זרימתם ויכול לדכא את ההפרעות, שמירה על שכבת הגבול laminar. Adverse (חיובי) לחץ ⁇ s, כגון אלה שנוצרו על ידי התרחבות פתאומית בתא הבעירה, לקדם הפרדה וטרחה. מעצבים מנועים משתמשים בגיאומטריה וכושר piston כדי לנהל ⁇ s לחץ ולעודד ערבוב ללא הפסדים מופרזים.

מוצרי דלק ואסטרטגיה לזריקת

התנודתיות של הדלק והחום המאוחר של ה- vaporization משפיעים על הטמפרטורה המקומית ליד הקיר.זריקת ישירה ריסוס מחלחלת על הקיר גלילי יוצרת סרט דלק נוזלי, אשר סופג חום ויכול באופן מקומי לעסמיך את שכבת הגבול התרמית.סרט זה מקור עיקרי של HC ופליטות.התקדמות בעיצוב injector (למשל, multizz noholeles, לחץ גבוה יותר) מסייע להפחית את תנאי הפחתת לחץ ולהפחית את תנאי הפחתת לחץ.

אסטרטגיות ל-Boundary Layer control

משטח משתנה ו-Cotings

ציפויי מחסום תרמי (TBCs) כגון ytria-stabilized zirconia מוחל על כתרים piston וראשי גלילי כדי להפחית את העברת החום לתוך הקיר גבוה יותר, שכבת הגבול התרמית הופכת רזה, צמצום quenching ו HC עם זאת, TBCs יכול להגדיל nox עקב טמפרטורות גבוהות יותר.

טקסט משטח - כגון מיקרו-צמחים הנגרמים לייזר או די בשפע - יכול לקדם את הבלבול במקומות ספציפיים, שיפור ליד הקירור ללא הגדלת החיכוך העולמי.טכניקה זו עדיין בשלב המחקר אבל מראה הבטחה לצמצום הריצוף המקומי.

התקנת Flow

(FLT:0) גנרטורים של Vortex:1hil הם כונני קטן המוצב על ראש גליל או מושבי שסתום שיוצרים מערבולת זרמים, ממריץ את שכבת הגבול ועיכוב הפרדה.במנועי, הם משפרים את תערובת האוויר ליד הקיר, צמצום פליטות HC עד 15% במספר מחקרים.

(FLT:0)Tumble and swirl portFearLT:1) הם נמלי צריכת מעוצבים בקפידה שיוצרים תנועה סיבובית בקנה מידה גדול בשילוח.זה זעזועים מתפשט לתוך שכבת הגבול, שיפור מהירות הלהבה ולהבטיח כי השכבה המצופה היא דקה ככל האפשר.

בית הספר להגיאומטריה

צורתו של קערה וראשי הצלינדר משפיעה מאוד על התפתחות שכבת הגבול. "Squish" אזורים - מהירויות קלות בין הראש piston ו cylinder במרכז מת העליון - ליצור מטוס של גז המטאטא את שכבת הגבול מהקיר, מרענן את תערובת הקיר הקרובה וצמצום הקוביות עם צורות רכות גם ליצור משניות שמקדמות שזרימות קרוב למנועי הקיר המודרניים, כמו גם את התערובת של דיזל מודרני.

המונחים: Valve Actuation (VVA)

על ידי שינוי מעלית ותזמון, מערכות VVA שולטות בעוצמת זרימת in-cylinder.שיסתום צריכת מוקדם יותר להפחית את מהירות הדחיסה והזרימה האפקטיבי, אשר יכול לשמור על שכבת הגבול במשטר נוח בעומסי אור.שיסתום צריכת מאוחרת (מחזור מילר) מקטין את הטמפרטורות השיא ומשנה את העברת החום ל- NOx נמוך יותר.

הזריקה הישירה והזרקת תזמון

הזריקה ישירה בלחץ גבוה (2000–3500 בר ב דיזל מודרני) יוצרת תרסיס מלוטש דק כי חודר מהר יותר ומתאדמות מוקדם יותר, צמצום היווצרות סרט דלק על הקיר. אסטרטגיות הזרקת פיצול (טייס, ראשי, פוסט) מאפשר שכבת הגבול להיות מניפולציה עבור כל אירוע הזריקה.

שיטות מתקדמות ל Boundary Layer Analysis

דינמיקה של נוזל Computational (CFD) היא הכרחית להבנת תופעות שכבת הגבולות במנועי.מודלים כגון:0k-εFLT:1 ו-FLT:2k- ⁇ SSTFLT 3, מודלי זעזועים משמשים לפתרון הגבול עם פונקציות.

אדדי סימלוציה (les) צמח ככלי רב עוצמה ללכידת דינמיקה של שכבת גבול טרנסיפית, במיוחד אינטראקציה לחומה-להבה. les יכול לחזות את המרחק והיווצרות HC עם נאמנות גבוהה, אבל העלות החישובית שלה מגבילה את השימוש שלה למחקר ואופטימיזציה של נקודות הפעלה ספציפיות.

מנגנוני כימיה מפורטים (למשל, עבור דלקים פונדקאית) מתמזגים עם מודלים שכבת גבול כדי לדמות את היווצרות של HC, CO, ו- NOx ליד הקיר.סימולציות אלה מסייעות לזהות טמפרטורות פניות אופטימליות, גסות, ותנאי זרימה עבור פליטות מינימליות.

מקורות חיצוניים כגון:0) בספריית נייר טכני של ⁇ FLT:1, (FLT:2ScienceDirect מאמרים על שכבת הגבול מקבילה של PLT 3: ו-FLT:4 מכון הבעירה:5 מציעים מחקרים נרחבים על נושא זה.

כיוונים עתידיים

בקרת שכבות Active Boundary Layer control

חוקרים חוקרים בודקים חיישנים ומבצעים שיכולים לתמרן באופן פעיל את שכבת הגבול בזמן אמת.לדוגמה, מערך מיקרו-ג'ט על הקיר הגלילי יכול להזריק כמויות קטנות של אוויר או גז ממצה כדי למריץ את שכבת הגבול במהלך שלבים קריטיים של אלגוריתם למידת הבעירה.מכונה יכול לייעל את תזמון ההפעלה והעוצמה בהתבסס על לחץ וטמפרטורה.

דלקים בר קיימא ואינטראקציה עם שכבת Boundary

הידרוגן, אמוניה ודלקים סינתטיים יש מאפיינים שונים של שכבת גבול התנהגות. המהירות הגבוהה של הידרוגן וגבולות רחבים של יכולת הפחתת שכבות, אבל המרחק הכמעט quenching הנמוך שלה מגביר את הסיכון של טרום-חכמה ליד כתמים חמים. Ammonia combustion מייצרת יותר NOx ודורש ניהול טמפרטורה זהירה.

שילוב עם Electrification

מעצורים היברידיים המפעילים את מנוע ההבעירה הפנימית בחלונות מהירים יותר מציגים הזדמנויות עבור בקרת שכבת גבול קבועה, אופטימיזציה אופטימיזציה של שכבת הגבול עם פחות אירועים טרנסיאליים, ציפויים ותכונות גיאומטריות יכולים להיות מותאמים לנקודת הפעלה אחת דומיננטית, למקסם את פוטנציאל הפחתת הפליטה.

מסקנה

שכבת הגבול היא לא רק מושג תיאורטי – זה מנוף מעשי להפחתת פליטות המנועים.על ידי הבנת יחסי המהירות, הטמפרטורה והכימיה באזור זה ליד הקיר, מהנדסים יכולים לעצב מערכות בעירה יעילה יותר.שינויים משטח, שליטה זרימה, גיאומטריה קאמרית, ואסטרטגיות הזריקה מתקדמות כל ניצול פיזיקה גבול כדי לחתוך HC, COx, ותקנות PM כמו גם חדש וחדש, טמפרטורה של דלק, תישארו של התפתחות נקייה של כוח.

לקריאה נוספת, עיין בהנחיות ההפניה של EPA (FLT:0) ו-(FLT:2U.S המחלקה לטכנולוגיה של משרד האנרגיה טכנולוגיות OfficeevolveFLT:3, אשר מממנים מחקר על שכבת גבול בקרת שכבת תחבורה.