ВНЕШНИЙ ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ. Тепловой баланс двигателей


Тепловой баланс двигателя — что это такое

Каждому автовладельцу известен такой термин, как тепловой баланс двигателя внутреннего сгорания. Но что конкретно несёт в себе это понятие, как измеряется и на каких принципах основано? Об этом и пойдёт речь сегодня.Не все до конца понимают, что такое тепловой баланс двигателя

Если бы можно было приостановить действие некоторых законов физики, человечество уже давно достигло пика своего развития. Но к сожалению, это невозможно. Нам остаётся только использовать их, стараясь извлечь при этом максимальную пользу.

С одним из таких «неудобных» законов напрямую связан низкий КПД силовых агрегатов автомобиля. Что же не позволяет нам развивать немыслимую скорость на своих авто? Какие попытки предпринимаются для преодоления этого препятствия? Сейчас мы с вами выясним.

Почему я не сокол, отчего не летаю

Принципы термодинамики — это основа работы всех двигателей внутреннего сгорания. Один из них гласит, что при сгорании топлива часть выделяемого тепла в любом случае поглощается средой происхождения реакции.

Видео о том, как работает ДВС:

В нашем случае средой является сам двигатель и его системы. Лишь от 20 до 40 процентов вырабатываемой здесь тепловой энергии используется для работы мотора. Остальное утрачено безвозвратно. Но куда девается львиная доля энергии? Давайте разбираться по порядку.

Формулировка понятия тепловой баланс

Итак, тепловой баланс двигателя — это разделение расхода полученной энергии на полезную отдачу и растрату впустую. Неизменным здесь является равенство или же баланс между полученной энергией тепла и её расходом.

Что такое полезная отдача, все мы понимаем. Это движение автомобиля. О расходе впустую — читаем дальше.

Причины утраты

Существует несколько причин бесполезной растраты энергии тепла. Вот так мы их сформулируем:
  • преодоление энергией сопротивления при сжатии;
  • отдача тепла двигателем в окружающую среду, по простому его остывание;
  • выход в атмосферу вместе с выхлопными газами;
  • расход некоторой доли энергии на работу охлаждающей системы двигателя и других агрегатов.
Количественный показатель этих статей растраты величина непостоянная. А от чего он зависит, мы рассмотрим в следующем разделе.

Как рассчитывают потери

Количество растраты зависит от многих факторов. Вот основные из них:
  • нагрузка на силовую установку;
  • конструкция двигателя и его систем;
  • скорость, развиваемая автомобилем;
  • состав смеси горючего;
  • температура окружающей среды.
Скорость автомобиля может влиять на растраты энергии

Здесь стоит также отметить, что теплопотеря дизельного агрегата, ниже чем у карбюраторного на 10–12%. Измерения ведутся в абсолютных единицах теплопередачи или в процентном соотношении количества полученного тепла к его бесполезной растрате. Всё это принимается во внимание при расчётах, что позволяет достичь извлечения максимальной пользы от горения топлива.

Извлечение пользы из потери

Конечно, при таком раскладе, потеря энергии всё ещё остаётся огромной. Но в отрасли постоянно ведутся работы по улучшению результата. Внедряются инновационные методы разработки двигателей внутреннего сгорания.

Например, турбонаддувная установка, использующая давление горячих газов из выхлопа. Принцип её работы заключается в том, что выхлопные газы приводят в действие турбину, вращающую лопасти нагнетателя, обогащающего компонента внутрь цилиндров двигателя.Ещё тепло, поглощённое охлаждающей системой, используется для обогрева салона автомобиля. Горячая вода из радиатора подаётся по нагревательным элементам печки.

Подведение итога

Мы выяснили, что такое тепловой баланс двигателя и какие есть потери энергии тепла. Вывод отсюда следующий — существующие на сегодняшний день двигатели внутреннего сгорания далеки от совершенства. Но разработчики не сидят сложа руки, ведутся постоянные поиски способа обернуть потерю в пользу. И нам остаётся только пожелать им удачи.

Внизу можно высказываться по теме. Ждём ваших комментариев. До скорых встреч!

smotr.net

Влияние различных факторов на тепловой баланс двигателя

На распределение теплоты в двигателе оказывают влияние такие факторы как частота вращения коленчатого вала, нагрузка, состав смеси, угол опережения зажигания.

Частота вращения коленчатого вала

С ростом частоты вращения коленчатого вала абсолютные величины всех составляющих теплового баланса увеличиваются, так как в двигатель за единицу времени поступает большее количество теплоты. Изменение относительных величин теплового баланса в зависимости от частоты вращения коленчатого вала.

Рис. Влияние частоты вращения коленчатого вала на составляющие теплового баланса: а — изменение абсолютных значений; б — изменение относительных величин

С увеличением частоты вращения коленчатого вала величина qохл уменьшается, так как время на теплоотдачу в систему охлаждения сокращается.

Значения qе достигают максимума при частоте вращения коленчатого вала, соответствующей минимальному удельному расходу топлива.

Величина qг увеличивается с ростом частоты вращения коленчатого вала, так как при этом растет температура отработавших газов и недогорание топлива.

Потери на неполноту сгорания qнс остаются почти постоянными, что объясняется примерно одинаковым составом смеси по всему диапазону частоты вращения коленчатого вала.

Нагрузка

С увеличением нагрузки значение qе увеличивается до максимума, когда произведение ni*nm принимает наибольшее значение. Дальнейшее уменьшение де связано с обогащением смеси на полных нагрузках, при этом возрастает доля qнс.

Рис. Влияние нагрузки на составляющие теплового баланса: а — изменение абсолютных значений; б — изменение относительных величин

Наибольшие потери теплоты в охлаждающую среду наблюдаются на холостом ходу, так как на этом режиме вся выделенная теплота идет на совершение работы по преодолению сил трения в двигателе и нагрев окружающей среды.

С увеличением нагрузки возрастает и qг в связи с ростом температуры и теплосодержания отработавших газов.

Потеря теплоты вследствие неполноты сгорания топлива имеет место при малых нагрузках, когда включается система холостого хода карбюратора, а также на полных и близких к ним нагрузках, когда происходит обогащение смеси экономайзером.

Угол опережения зажигания

Наибольшие значения qе соответствуют оптимальному значению угла опережения зажигания. Потери теплоты в систему охлаждения возрастают как при раннем, так и при позднем зажигании, так как сгорание в этих случаях происходит в невыгодных условиях. При позднем зажигании возрастают потери теплоты с отработавшими газами, так как догорание происходит уже в стадии процесса расширения. На потери, связанные с неполнотой сгорания, угол опережения зажигания влияния не оказывает, так как коэффициент избытка воздуха остается при этом неизменным.

Рис. Влияние угла опережения зажигания на составляющие теплового баланса двигателя

Состав горючей смеси

При экономичном составе смеси, когда а равно 1,05—1,1, значения qc становятся максимальными. Потери qохл возрастают при отклонениях в обе стороны от значений а, равных 0,8—0,9, что объясняется увеличением времени сгорания в обоих случаях. Потери qг увеличиваются с изменением коэффициента избытка воздуха аналогично qохл из-за увеличения температуры газов при замедлении скорости сгорания. Кроме того, при а >1 возрастают значения qг из-за роста тепловых потерь с излишним воздухом, участвующим в сгорании.

Рис. Влияние состава смеси на составляющие теплового баланса: а — изменение абсолютных значений: б — изменение относительных величин

ustroistvo-avtomobilya.ru

ВНЕШНИЙ ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Поиск Лекций

2.1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Ознакомление с направлениями использования теплоты в двигателях внутреннего сгорания, принципами проведения теплобалансовых испытаний, численное определение значений уравнения теплового баланса двигателя лабораторной установки.

2.2. ВНЕШНИЙ ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Современный двигатель является комбинированным тепловым двигателем, состоящим из поршневого двигателя внутреннего сгорания, газовой турбины, компрессора и целого ряда устройств для подвода и отвода теплоты, объединенных общим рабочим телом, совершающим единый рабочий цикл.Рабочим телом единого рабочего цикла дизеля являются продукты сгорания, образующиеся в результате реакций окисления топлива.Таким образом, дизель - это такой тепловой двигатель, в цилиндре которого происходят процессы сгорания топлива с выделением теплоты и преобразования тепловой энергии в механическую.Основными отличиями дизеля являются:- высокая степень сжатия;- работа на тяжелом жидком топливе;- внутреннее смесеобразование, т.е. раздельное поступление в цилиндр топлива и воздуха;- самовоспламенение топлива от сжатия.Дизельные двигатели нашли наибольшее распространение на тепловозах и в судовых тепловых установках.Другой наиболее распространенный тип двигателя внутреннего сгорания - карбюраторный. Основные отличия этого теплового двигателя:- низкая степень сжатия воздуха;- работа на легком жидком топливе;- внешнее смесеобразование, т.е. рабочая смесь паров топлива и воздуха образуется в карбюраторе, за пределами цилиндра;- принудительное воспламенение рабочей смеси.Карбюраторные двигатели преимущественно используются на автомобильном транспорте.Тепловая энергия, выделяющаяся при сгорании топлива в цилиндрах двигателя, лишь частично используется для совершения эффективной работы. Значительная часть тепла теряется с выпускными газами, охлаждающей водой и смазочным маслом, вследствие неполноты сгорания и др.Внешним тепловым балансом двигателя внутреннего сгорания называется распределение теплоты, выделяющейся при сгорании топлива в камере сгорания, на отдельные составляющие, включающие как полезно используемую теплоту, так и потери теплоты.Тепловой баланс можно определять на различных режимах работы двигателя. Это позволяет выяснить, как изменяются тепловые потери при изменении нагрузки и числа оборотов. Тем самым появляется возможность оценить характер изменения экономичности в зависимости от режима работы двигателя.Во всех случаях тепловой баланс определяется только на установившихся режимах работы двигателя, когда с течением времени не изменяются температуры охлаждающей воды, смазочного масла и выпускных газов, нагрузка и частота вращения коленчатого двигателя.Для проведения испытаний используется лабораторная установка, схема которой представлена на рис. 2.1.

Рис. 2.1. Схема лабораторной установки: 1 - впускной коллектор; 2 - термометр воздуха, поступающего в дизель; 3 - подводы охлаждающей воды; 4 - термометр охлаждающей воды на входе в дизель; 5 - бачок для определения расхода топлива; 6 - дизель; 7 - выпускной коллектор; 8 - термометр выпускных газов; 9 - отвод охлаждающей воды; 10 - термометр охлаждающей воды на выходе из дизеля; 11 - амперметр генератора; 12 - вольтметр генератора; 13 - бачок охлаждающей воды; 14 - весы для замера расхода охлаждающей воды; 15 - генератор постоянного тока

Целью лабораторной работы является овладение методикой расчета составляющих внешнего теплового баланса на основе проведения испытаний двигателя внутреннего сгорания, овладение навыками пользования измерительной аппаратурой и обработки опытных данных.

2.3. РАСЧЕТ ВНЕШНЕГО ТЕПЛОВОГО БАЛАНСА Внешним тепловым балансом ДВС является распределение общего количества теплоты, внесенной в цилиндр на основные составляющие, на которые расходуется подводимая теплота. Обозначим общее количество теплоты, внесенной в цилиндр за час, , а сумму расходных составляющих , тогда уравнение внешнего теплового баланса будет иметь вид

(2.1)

или , (2.2)

где – общее количество располагаемой теплоты топлива; – количество физической теплоты, внесенной топливом в цилиндр; – количество физической теплоты, внесенной воздухом; – количество теплоты, преобразованной в эффективную мощность дизеля.

При проведении лабораторной работы величинами и можно пренебречь ввиду их малости:

, (2.3)

где В – часовой расход топлива, кг/ч; Ни– теплота сгорания дизельного топлива, Ни= 42700 кДж/кг;

, (2.)

где – эффективная мощность дизеля, кВт.

Во время испытаний , кВт, определяется по выходным параметрам генератора, который приводится в действие дизелем:

(2.5)

где I – сила тока, А; V – напряжение, В; = 0,9 – КПД генератора.

– количество теплоты, которое уносится выпускными газами:

, (2.6)

где – количество выпускных газов, кг/ч; – теплоемкость выпускных газов, кДж/кг  С; – температура выпускных газов,  С.

Для расчетов можно принять  1,05–1,08 кДж/кг  С.

Количество выпускных газов можно определить по уравнению

(2.7)

или

, (2.8)

где – количество воздуха, поступившего в цилиндр дизеля; – коэффициент избытка воздуха или воздушно-топливное отношение, = 1,7; – коэффициент продувки, = 1,05 – 1,15; – молекулярная масса выпускных газов воздуха, = 28,95 кг/кмоль; – теоретически необходимое количество воздуха для полного сгорания 1 кг топлива. Для дизельного топлива, имеющего следующий элементарный состав:

С = 0,87; Н2 = 0,126; О = 0,004, величина = 0,5 кмоль/кг.

может быть определено экспериментально с использованием расходомерного устройства.

– количество теплоты, уносимое охлаждающей водой:

, (2.9)

где – количество охлаждающей воды, кг; – теплоемкость охлаждающей воды, кДж/кг С, = 4,2 кДж/кг  С; , – температура охлаждающей воды соответственно на входе и выходе из дизеля.

– остаточный член управления типового баланса, включающий неучтенные в эксперименте потери теплоты:

.

2.4. ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

Время проведения испытаний, устанавливается преподавателем. Для записи показателей измерительных приборов и других операций составляют табл. 2.1.

Таблица2.1

Результаты измерений

Для подсчета часового расхода, кг/ч, используется выражение

, (2.10)

где – расход топлива за время в минутах.

Аналогично рассчитывается .

После выполнения расчетов, указанных в п. 2.4, уравнение теплового баланса можно представить в таком виде:

, (2.11)

, (2.12)

, (2.13)

где – относительная доля теплоты, перешедшая в эффективную мощность, , т.е. это есть эффективный КПД; – относительная доля теплоты, унесенная выпускными газами; – относительная доля теплоты, перешедшая в охлаждающую воду; – относительная доля невязки баланса.

На основе анализа полученных данных после выполнения лабораторной работы необходимо сравнить их с данными современных тепловозных дизелей.

Характеристики жидких топлив для двигателей внутреннего сгорания

Топливо Элементарный состав (средний) 1 кг топлива, кг Молекулярная масса, mT, Кг/кмоль Низшая теплота сгорания, hu, MДж/кг
С Н
Автомобильные бензины Дизельное 0.755   0.830 0.245   0.166 –   0.004 110–120   180–200    

 

N= 250 кВт N=B Qн

Для аналитических расчетов теплоты сгорания всех видов твердых и жидких топлив наибольшее применение имеют формулы Д.И. Менделеева (1897г):

QPН = 339,13 ⋅ %CР + 1029,95 ⋅ %HР – 108,86 (%ОР - %SР) –25,12 ⋅ %WР, кДж/кг

Выразим расход кислорода, необходимого для полного горения 1 кг жидкого топлива в м3/кг, с учетом кислорода топлива:

, м3.

В это выражение состав топлива подставляют в %. Чтобы получить размерность расхода кислорода в м3/кг топлива перед скобкой ставят сомножитель 0.01.

Теоретический расход сухого воздуха для полного горения 1 кг топлива

,м3.

Состав и количество продуктов сгорания жидкого топлива.

Из уравнений реакций горения мазута в продуктах полного горения содержатся , водяной пар и азот. При горении 1 к∙моляСобразуется 1 к∙мольСО2,объем которого 22.4 м3. Поэтому на 1 кгС образуется . При горении 1 кг серы S– 0.7 м3SO2(22.4:32). Объем

, м3.

Определим количество влаги в продуктах сгорания. Влага вносится с топливом WP и с воздухом. В случае, если мазут распыливается паром, в продукты сгорания вносится влага, затраченная на распыление мазута WФ. На распыление 1 кг мазута затрачивают 1.24 м3 пара (22.4/18). Если в воздухе содержится g г/м3 пара, то количество влаги, вносимое с воздухом,

, м3.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Что называется внешним тепловым балансом?2. Какие составные части теплового баланса вы знаете?3. В каких пределах измеряется относительная доля теплоты, уносимая выпускными газами?4. Чему равен эффективный КПД дизеля?5. Чему равна относительная доля теплоты, уносимая охлаждающей водой?6. Чему равна теплота сгорания дизельного топлива?7. Какие величины измеряются при проведении лабораторной работы?8. Как подсчитать количество теплоты, вносимой в цилиндр топливом?9.Как определить мощность дизеля?10. Как подсчитать количество теплоты, уносимой выпускными газами?11. Как подсчитать теплоту, уносимую охлаждающей водой?

 

 



poisk-ru.ru

Тепловой баланс двигателя

Общее количество тепловой энергии, которое вводится в двигатель с топливом и определяется по низшей теплотворной способности последнего, не используется в двигателе полностью. В лучшем случае только 20…43% от всей располагаемой теплоты превращается в полезную эффективную работу, остальная же часть не используется, уходя в окружающую среду с отработавшими газами и пр.

Внешний тепловой баланс оценивает характер и величину потерь теплоты в двигателе на эксплуатационных режимах работы и дает возможность принять необходимые меры для снижения отдельных составляющих потерь теплоты; оценить теплонапряженность наиболее нагретых узлов и деталей; установить целесообразность использования теряемой теплоты в целях повышения КПД двигателя.

Тепловой баланс выражают в абсолютных единицах Q, кДж/ч, удельный q, кДж/ч, либо относительных (в процентах к количеству подводимой теплоты). На практике чаще всего пользуются удельным и относительным балансами теплоты. Запишем уравнение теплового баланса

qт=qe+qохл+qг+qост,

где qт - располагаемая теплота сгоревшего топлива;

qe – теплота, эквивалентная эффективной работе двигателя;

qохл – теплота, отводимая в охлаждающую среду;

qг – теплота, отводимая с выпускными газами;

qост – остаточный член баланса (невязка баланса), равный сумме неучтенных потерь.

Располагаемую теплоту определяют по эффективному удельному расходу топлива ge,кг/кВт.ч и низшей теплоте сгорания топлива Qн , кДж/кг.

Qт=geQн .

Теплота, эквивалентная эффективной работе, равна Qe=3600Ne кДж/кг.

Отношение Qe/Qт равно эффективному КПД двигателя ηе .

Теплота, отводимая в охлаждающую среду, равна

Qохл=Qв+Qм= ,

где Qв – теплота, отводимая в воду;

Qм – теплота, отводимая в масло;

Gохл– расход жидкости, кг/ч;

с – теплоемкость жидкости, кДж/(кг∙оС).

Теплота, отводимая в охлаждающую среду, состоит из теплоты, отданной рабочим телом и теплоты, эквивалентной работе трения двигателя.

Теплота, израсходованная на потери трения, переходит в основном, в охлаждающую жидкость; теплота трения поршня и поршневых колец отводится через втулку цилиндра в воду, а теплота от трения в подшипниках уносится маслом. Теплоту трения не включают в тепловой баланс, кроме доли трения, не перешедшей в охлаждающую среду (учитывается остаточным членом баланса).

Теплота, отводимая выпускными газами, Qг определяется, как разность энтальпий газов и поступающего в цилиндр свежего заряда.

Qг=Mge

Потери теплоты из-за не полного сгорания топлива незначительны и включаются в остаточный член теплового баланса. Остаточный член теплового баланса qост определяется как разность

qост=qт-(qe+qохл+qг)

и включает потери теплоты, эквивалентные неполному сгоранию топлива qн.сг., потерям на трение, не перешедшим в охлаждающую среду, кинетической энергии газов, qк.э. (если она не используется), лучеиспусканию двигателя в окружающую среду qл , сумме ошибок от неточности измерения и неучтенных потерь теплоты.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

1. Что такое среднее индикаторное и эффективное давления и как они определяются?

2. Что такое механические потери, их источники и составляющие?

3. Как определяется эффективная мощность?

4. Что такое тепловой баланс?

5. Перечислите состав системы питания карбюраторного двигателя.

6. Как осуществляется непосредственный впрыск бензина?

7. Перечислите состав топливной системы дизеля.

8. Перечислите методы повышения мощности двигателя.

9. Для каких целей служит наддув двигателей?

10. Назовите основные конструктивные элементы турбокомпрессора.

studfiles.net