Stempelcoating og litt termodynamikk.

Forord: Vi er i gang med å bygge/overhale en Motor som skal gå i 6t løp. Ifb overhalingen er rådebolter skiftet og rådene normalisert så de skal være 100% runde. Det er brukt to typer coating. En for å redusere varme tilførsel til stempel og en for å redusere friksjon. Coatingen er en chrome plating da vi også ønsker å reflektere varmen vekk fra stempelet. Dette for å kunne utnytte varmen tilført mer effektivt. På turbomotorer bruker vi vanlig termisk coating.

Artikkelen kommer ikke til å beskrive alle prosessene i otto-motoren denne gang, men vil beskrive hvorfor termisk coating er et spennende tema.

Innledning til tema: Effektiviteten til en forbrenningsmotor beskrives som hvor godt systemet omdanner potensiell energi til mekanisk energi via en forbrenning. (varme tilført)

I denne prosessen forsvinner endel varme ut i eksosen, til kjølesystemet og som oppvarming av interne deler (stempler, råder, ventiler.

Bildet viser en illustrasjon av de forskjellige prosessene. I virkeligheten er disse polytropiske og ikke adiabatiske fordi det foregår en varmelekkasje og tilførsel. Termisk coating reduserer denne lekkasjen og gjør prosessene mer optimale.

Den termodynamiske effektiviteten til Ottosyklusen kan beskrives som:
(Arbeidet motoren utfører/ Tilført varme ) Matematisk skrives dette η  = W/Q23, der W er work, eller arbeid og Q23 er varme tilført i den kostante volumprosessen mellom kompresjon og forbrenningsyklusen. Q sin fulle notasjon kan skrives som q.inn=mCv(T3-T2) Varme mengden tilført er proposjonal med luftmasse strømning, den spesifikke volumkonstanten og temperaturdifferansen T2 og T3.

Termodynamikken: Den ideelle termiske virkningsgraden. n = arbeid utført/varme absorbert.

= 1-(q.ut/q.inn).

Varmen tilført Q er proposjonal med luftmassen tilført variabelen Cv (spesifikk varme ved konstant volum og polytropeksponenten «n» Disse er ikke ikke konstante i en virkelig prosess på grunn av varme variasjonene i de ulike prosessene.
For eksempel tilføres bensin/luft blandingen varme fra sylinderene i starten av kompresjonstakten, mens sylindrene og stemplene får tilført varme fra gassen i slutten av kompresjonstakten fordi gassen er varmere enn sylinderen.

Ved å hindre noe av denne varmeoverføringen i alle fasene kan man effektivisere motoren noe mer.

q.inn er varme tilført motoren under forbrenningsprosessen.
I praksis mengden drivstoff motoren kan gjøre om til varme PR tid. Varmen tilført er avhengig av hvor godt drivstoffet er blandet med luften og hvor mye oksygen det er tilgjengelig.

Formel:
q.inn=m’Cvi(T3-T2) og
q.ut= m’Cvu(T4-T1)
Temperaturen under denne prosessen kan beskrives med differensialligninger for tilstand og prosess.

Varme tilført/luft masse (kg)*Cv +kompresjonstemperatur.

T3 = q/(m’*Cv) + T1r^n-1 Temperatur ved forbrenning. Første ledd: varme tilført, andre ledd varme tilført pga temp økning fra luften som komprimeres. Der T3 er brenntemperatur. q, er varme tilført, m er massen tilført PR syklus, Cv er spesifikk varme, høyre ledd: T2=T1r^n-1 kompresjonstemperatur. Der T1 er temperaturen på luften inn i motor. r er kompresjonsforholdet og n er polytropeksponenten.

Eksostemperaturen påvirkes også av varmen i forbrenningen og beskrives som: T4 = T3*r^(1-n) Eksostemperaturen er proposjonal med forbrenningstemperaturen og kompresjonsforholdet.

Det er ønskelig å få forbrenningstemperaturen så høy som mulig iforhold til drivstoffmengden som forbrennes. Dette forteller at mye varme har blitt tilført blir tilført og dermed også omgjort til mekanisk energi. Dersom varmedifferansen q.inn og q.ut er stor og vi klarer å unngå at varme lekker til kjølevæske og motorkomponenter har vi en effektiv omgjøring av varme til mekanisk energi.

Materialvekst og klaringer:

I praksis vil varme naturlig lekke ut til mekaniske komponenter, endel til kjølevæske og endel til eksos. Komponentene som vanligvis er laget i ulike metaller vokser proposjonalt med varmeøkningen og vi mister noe av energien vi kan bruke til mekanisk energi. Og vi er nødt til å kjøre motoren med større klaringer. *

Stempelkraften som driver motoren er kraften fra forbrenningen minus kraften som kreves for å drive motoren

Fra fysikken vet vi at kraft F = pA slik at kraften som driver motoren er proposjonal med forbrenningstrykket p. Stempelarealet A er konstant.

P3A = P3[(pi)/4]*D^2 er kraften som virker ned mot råden. P3 er forbrenningstrykket og A er stempelarealet. Arealet for en sirkel er (pi)r^2 = [(pi)/4]d^2, der d er stempeldiameter. P3A er kraften som driver motoren så lenge stempel har passert øvre dødpunkt.

Forbrenningstrykket «P3» er proposjonalt med innsugstrykk P1 kompresjonsforhold og brenn temperatur over innsugstemperaturen.

Det vil si at trykket øker med økende innsugstrykk, økende brenntemp og synkende innsugstemp. P3= P2T3/T1 = (P1r^n* T3)/T1, P2: kompresjonstrykk, T3brenntemperatur,T1 temperatur på luft inn i motoren, P1 lufttrykk inn i motoren r: Kompresjonsforhold, n: polytropeksponenten (variabel ihht varmeoverføring)

Flere faktorer spiller inn når vi snakker om effekt: En annen ting som bestemmer effekten er hvor mye arbeid vi klarer å gjøre i forhold til tid. På en motor vil motorturtall indikere arbeidshastigheten og derfor må vi både ha arbeidskraft og høyt turtall.Med dette turtallet kommer stempelfart.

Farten kan beskrives som 2Sn(m/s) «S» er slag, n er omdreiningstall. Det vil si at stempelhastigheten er proposjonal med stempel bevegelse fra øvre posisjon til nedre og tilbake til øvre, (360graders veivrotasjon) stempelvandringens lengde (slaglengde) og motorens rotasjonsturtall i sekunder.( Antall rotasjoner PR sekund)

Farten til stempelet avhenger av distansen stempelet vandrer og tiden det tar for stempel å vandre denne distansen.

Desto raskere stempelet beveger seg desto mer friksjonskraft blir produsert. For å forhindre dette kan man for eksempel redusere friksjonskoeffisienten eller proposjonalitetskonstanten til denne motkraften. Mindre krafttap til drift av motor gir mer tilgjengelig kraft til å drive motoren. Hvis du vil lese mer om hva effekt er: http://www.racelab.no/?p=2701

*Litt om klaringer forskjellige stempellegeringer, materialvekst og smidd vs støpte stempler: Klikk her.

Konklusjon Effekt er arbeid med hensyn på tid. Arbeidskraften vi har tilgjengelig er den mengden energi vi har klart å konvertere fra potensiell til termisk til mekanisk energi. Ideelt sett så ønsker vi derfor at forbrenningtemperaturen skal være så høy som mulig og eksostemperaturen skal være så lav som mulig slik at varmen blir absorbert i den mekaniske prosessen og blir til arbeid.
Ved bruk at coating med lavere varmeledningsevne vil overflate temperaturen på stempelet være høyere enn bart metall. Fordi den termiske ledeevnen blir lavere. Lab rapporter viser opptil 23.6% Temperatur reduksjon på veivaksel siden av stempelet med den rette coatingen. ( A.Sh. Khusainov and A.A. Glushchenko / Procedia Engineering 150 ( 2016 ) 1363 – 1367 )

Kilder:
International Conference on Industrial Engineering, ICIE 2016 Theoretical Prerequisites for Lowering Piston Temperature in Internal Combustion Engines A.Sh. Khusainova,*, A.A. Glushchenkoa