Уравнение внешнего теплового баланса двигателя

Как рассчитывается тепловой баланс ДВС

В теории двигателестроения много внимания уделяется газообмену и распределению тепла в процессе работы ДВС. Немаловажный аспект в понимании работы – тепловой баланс двигателя.

Базовые понятия

Тепловым балансом называют соотношение количества теплоты, выполнившее полезную работу, к теплоте, растраченной впустую. Под напрасной растратой подразумеваются потери теплоты на нагрев элементов окружающей среды. Топливный баланс может быть составлен в процентном соотношении либо в единицах энергии (калориях, джоулях). В зависимости от преследуемых целее, уравнение теплового баланса позволяет подсчитать соотношение общего количества теплоты на 1 час работы, фиксированный цикл, на 1 кг израсходованного вещества либо на единицу получаемой продукции.

В области техники понятие применяется для анализа и изучения различного рода тепловых процессов, происходящих в двигателях внутреннего сгорания, газотурбинных установках, печах и т.д. Полученные из уравнения данные позволяют рассчитать коэффициент полезного действия как всего агрегата в целом, так и отдельных элементов установки. Иными словами, расчет теплового баланса позволяет нам узнать, насколько эффективно внутри двигателя происходит сгорание топливовоздушной смеси (ТПВС).

Уравнение

Тепловой баланс может быть выражен в форме уравнения, одна часть которого будет показывать приход тепла в систему, а вторая – потери и расход. Для лучшего наглядного представления значения легко трансформируются в диаграммы и таблицы.

Левая часть уравнения теплового баланса (Q) — общее количество теплоты, подведенного в двигатель с горючим, вторая часть показывает распределение теплотворной способности топлива, где

• Q_e –количество полезного тепла. Показывает количество теплоты, израсходовавшейся на преобразование возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение коленчатого вала. Это и будет эффективно расходованная энергия.
• Q_охл –тепло, растраченное на обогрев антифриза. В двигателях с воздушным охлаждением этот параметр будет обозначать потери на нагрев воздуха.
• Q_газ–количество теплоты, вышедшее из двигателя вместе с отработавшими газами.
• Q_хим –потери тепла вследствие неполноты сгорания топлива.

• Q_ост –остаточные потери, не учтенные в остальных пунктах.
• Q_м –передавая смазочным материалам теплота.

Если говорить о процентном выражении, то Q – 100% полученного тепла. Процентное соотношение общего количества тепла к каждому виду потерь можно получить по формуле:

Эффективность двигателя внутреннего сгорания

Большая часть теплоты при сгорании топлива уходит на нагрев поршня, стенок цилиндра и ГБЦ, но наибольшие потери происходят при выходе выхлопных газов. Именно поэтому использование выхлопа для раскручивания турбины повышает КПД двигателя внутреннего сгорания. Большая часть полезной работы затрачивается на преодоления трения, сжатия пружин и насосные потери, связанные с перекачиванием технических жидкостей (моторного масла, жидкости ГУР). Под потерями на трение подразумевается не только сопротивление движению поршней, вращению коленчатого и распределительного валов, но и, к примеру, затрачиваемое усилие на вращение шкива генератора.

КПД двигателя рассчитывается как соотношение полезной энергии к общему количеству энергии, высвободившейся в процессе горения ТПВС.

КПД конкретной модели двигателя зависит от многих параметров, но в целом можно сказать, что бензиновые агрегаты имеют эффективность в районе 20-25%, тогда как показатель атмосферных ДВС цикла Дизеля достигает 40%. Установка турбонагнетателя на дизельный двигатель позволяет получить внушительные 50-53% эффективности.

Борьба с потерями

Можно выделить 3 основные способа потери полезной энергии:

• топливная эффективность (порядка 25% всех потерь). Как бы ни старались конструкторы, но сжечь полностью порцию топлива и получить близкую к максимально возможной отдачу на современной стадии двигателестроения невозможно;
• тепловые потери в процентном эквиваленте достигают 35% от общей эффективности;
• механические потери, связанные с трением, насосными потерями (около 20%).

Существует 2 основных способа получения большей отдачи от сгорания ТПВС: увеличить топливную эффективность и уменьшить потери. Чтобы получить большую отдачу от сгорания бензина, ТПВС нужно как можно сильнее сжать. Но в случае с бензиновыми двигателями мы натыкаемся на большую проблему – детонацию. Дизельным моторам детонация не страшна, но увеличение энергии приводит к чрезмерным нагрузкам на коленчатый вал, вкладыши коленвала и т.д. Поддерживать чрезвычайно высокую температуру в камере сгорания двигателя также нет возможности, так как детали ЦПГ, головки блока цилиндров имеют определенный коэффициент расширения. Изготовление деталей из сверхпрочных материалов удорожит себестоимость производства, сделав тем самым изготовление экономически невыгодным. Уменьшение потерь – действенный способ увеличения КПД двигателя. Именно желание уменьшить потери привело современное двигателестроение к облегчению деталей ЦПГ, уменьшению размера поршневых колец, ранней блокировке ГДТ в коробках автомат и тому подобным мерам.

Внешний и внутренний тепловой баланс

Эффективность преобразования теплоты сгорания топлива в полезную работу, в тепловой энергетической установке, оценивается с помощью энергетического теплового баланса. Теплота, выделившаяся при сгорании топлива, только частично переходит в полезную эффективную работу на валу двигателя. Значительная её часть уносится с отработавшими газами, передается в систему охлаждения, окружающую среду и т.д. т.е. составляет тепловые потери.

Распределение теплоты, выделившееся при сгорании топлива, на эффективную работу и отдельные виды тепловых потерь называется тепловым балансом.

Различают внешний и внутренний тепловой баланс.

— Распределение теплоты, выделяемой при сгорании топлива, на основные составляющие, определяемые экспериментально по так называемым внешним показателям работы двигателя (эффективная мощность, температура воды, масла и др.) называется внешним тепловым балансом.

— Распределение теплоты, выделяемой пари сгорании топлива, на основные составляющие, определение которых связано со знанием индикаторных (внутренних) показателей двигателя получаемых из индикаторных диаграмм называется внутренним тепловым балансом.

Составление теплового баланса, как заключительного этапа расчета, имеет следующее назначение:

Первое — это вычисление величины тепловых потерь. Зная потери теплоты можно наметить способы их уменьшения за счет использования новых технологий и принципов утилизации теплоты. В результате использования тепловых потерь можно спроектировать установку с более высо­ким коэффициентом полезного действия, чем коэффициент полез­ного действия самого двигателя;

Второе —заключается в том, что знание тепловых потерь даёт основание для проектирования вспомогательных систем двигателя (водяной, масляной и др. систем) и проведения оценки их эффективности. Например, из теплового баланса определяется температура выхлопного газа, необходимая для рас­чета и конструирования турбокомпрессора (при газотурбинном и комбинированном наддуве). Таким образом, составление теплового баланса имеет непосредственно практическое значение;

Третье —чисто расчетное. Составление теплового баланса позволяет проконтролировать правильность расчетов. Расход теплоты должен быть равен приходу. Если баланс не сходится, то это указывает на неправильность в расчете.

Уравнение внешнего теплово­го баланса для комбинированного двигателя с охлаждением воздуха пос­ле компрессора в абсолютных величинах имеет вид.

Уравнение внешнего теплово­го баланса для комбинированного двигателя с охлаждением воздуха пос­ле компрессора в абсолютных величинах .

заменяя

получим

Количество подведенной с топливом располагаемой (хими­ческой) теплоты.

где: — коэффициент эффективного тепловыделения ( показывающий полноту сгорания топлива);

— расход топлива, ;

— низшая теплотворная способность топлива, .

Количество физической теплоты, внесенной с воздухом:

где : — расход воздуха, ;

— средняя массовая удельная теплоемкость воздуха при постоянном давлении, ;

t_к — температура воздуха после компрессора, К (перед охладителем воз­духа).

Количество физической теплоты, внесенной в цилиндр с топли­вом,

— расход топлива, ;

с_Т — средняя массовая удельная теплоемкость топлива , ;

t_Т — температура топлива, К .

В связи с малым относительным количеством подаваемого топлива и низкой его температурой абсолютная вели­чина указанного количества теплоты незначительна и при опреде­лении теплового баланса обычно не учитывается т.е.

Количество теплоты, превращаемой в полезную работу двигателя,

Где: 3600 тепловой эквивалент 1 кВт (1кВт = 3600кДж);

– соответственно эффективная мощность(кВт) и КПД двигателя.

Количество теплоты, отводимой с охлаждающими жидкостями,

,

состоит из теплоты, отведенной:

— в охлаждающую воду

,

.

Здесь — расход воды и масла, кг/ч;

с_в и с_м — удельная теплоемкость воды и масла, кДж/(кг-°С);

— температуры воды и масла на входе и выходе из двигателя, К.

Следует учитывать, что теплота, отведенная с охлаждающими жидкостями, включает теплоту охлаждения цилиндропоршневой группы, передаваемую как за счет теплоотдачи от газа к стенкам, так и за счет механических потерь трения поршня и поршне­вых колец о втулку. Кроме того, теплота, выделяемая при трении подшипников, уносится охлаждающим маслом. В тепло­ту, отданную в систему охлаждения, входит также работа, со­вершаемая водяным и масляным насосами. Для четырех­тактных двигателей учитывается также работа насосных потерь, т.е. работа, затраченная на наполнение цилиндра свежим воздухом и очистку цилиндра от газов.

Остаточный член теплового баланса уравнения наряду с тепловыми по­терями в окружающую среду от наружных нагретых поверхностей двигателя учитывает остальные потери и находится в пределах 2-3 % общего количества подведенной теплоты.

Количество теплоты, отводимой от воздуха после компрессора в охладителе,

где: — средняя массовая удельная теплоемкость воздуха при

давлении, ;

t_к, t_к1 — температуры воздуха до и после воздухоохладителя, К.

Количество теплоты, уносимой отработавшими газами,

где: — средняя массовая удельная теплоемкость ОГ, кДж/(кг·К),

t_Т — температура ОГ в выпускном коллекторе (перед тур­биной), К.

Тепловой баланс и тепловая напряжённость деталей ДВС.

Тепловой баланс двигателя.

Тепловой баланс двигателя. Распределение теплоты, выделяемой при сгорании вводимого в цилиндры двигателя топлива, на полезно используемую и отдельные виды потерь характеризуется внешним тепловым балансом. Характер рас­пределения теплоты сгорания по составляющим внешнего теп­лового баланса определяется особенностями рабочего процесса, а также геометрическими размерами цилиндропоршневой груп­пы, конструкцией деталей и системы охлаждения.

Внешний тепловой баланс в целом и отдельные его состав­ляющие в частности позволяют оценить показатели теплонапряженности деталей двигателя, рассчитать систему охлаждения, определить резервы в использовании теплоты отработавших газов и пути повышения экономичности двигателя.

В общем виде уравнение внешнего теплового баланса в аб­солютных единицах можно представить так:

Qo — Qe + Qохл + Qm + Qгаз + Qh.c + Qoct

Qo — количество теплоты, выделяемой при сгорании вводимого в двигателе топлива за определенное время

Qe —теплота, эквивалентная эффективной работе

Qн.c — теплота, не выделившаяся в двигателе вследствие неполноты сгорания

Qм — количество теплоты, передаваемой смазочному материалу

Qгаз — количество теплоты, теряемой с отработавшими газами, так как их температура и теплоемкость выше, чем у свеже­го заряда.

Qохл — количество теплоты, передаваемой охлаждающей жидкости

Уравнение теплового баланса.

14.2. Анализ составляющих теплового баланса.

14.3. Тепловая напряженность деталей ДВС.

В ДВС в эффективную работу превращается лишь 20-40% от теплоты сгорания топлива. Остальная часть теплоты в виде различных потерь передается окружающей среде через систему охлаждения, с отработанными газами и теплопередачей от наружных поверхностей двигателя.

Для определения возможностей снижения тепловых потерь двигателя и, следовательно, увеличение его экономичности, получения необходимых данных для расчета систем двигателя необходимо знать, как распределяется теплота сгораемого топлива.

Распределение теплоты на эффективную работу и по отдельным видам тепловых потерь, называют внешним тепловым балансом.

Тепловой баланс двигателя определяется экспериментально в зависимости от различных параметров: числа оборотов, нагрузки, состава смеси и т.д.

Уравнение теплового баланса в абсолютных количествах теплоты (ккал/час) имеет вид:

1) Q_т — теплота от сгорания топлива, введенного в двигатель; Q_т = H_и* G_т,(ккал/час), H_и — низшая теплота сгорания топлива. G_т — часовой расход топлива на данном режиме.

2) Q_е — теплота, эквивалентная совершенной эффективной работе двигателя; Q_е = 632* N_е(ккал/час); N_е — эффективная мощность (л.с.)

3)Q_охл -теплота, отданная среде через систему охлаждения. Эта составляющая включает теплоту, переданную через стенки цилиндра, камеры сгорания и выпускные патрубки головки цилиндров за весь рабочий цикл, а также большую часть теплоты, образовавшейся от трения поршня и колец о стенки цилиндра. Остальная часть теплоты от трения и теплопередачи в поршень уносится маслом.

где G_w — количество жидкости, циркулирующей в системе охлаждения в единицу времени; С_v — теплоемкость охлаждающей жидкости ( для воды С_v=1); t_wвых и t_wвх — температура охлаждающей жидкости на выходе и входе из двигателя.

4) Q_гф — физическая теплота, уносимая с отработанными газами. Q_гф определяют на испытаниях, обычно при помощи специальных теплообменников, в которых отработавшие газы отдают часть своей теплоты охлаждающей их воде.

5) Q_н._е — часть теплоты топлива, теряемая из-за химической неполноты сгорания при a 1 величину Q_н._е обычно включают в остаточный член теплового баланса.

6) Q_м — теплота, отводимая масляной системой. Определяется экспериментально масляным теплообменником. Эти потери составляют 1,5-3% от всего тепла топлива, поэтому их часто включают в Q_ост.

7) Q_ост — остаточный член теплового баланса, состоящий из потерь на:

а) работу вспомогательных механизмов;

б) физическую неполноту сгорания при a >1, являющегося результатом недостаточно хорошего смесеобразования;

в) отводом теплоты в масляную систему;

г) теплопередача от наружных поверхностей двигателя;

д) прочие неучтенные потери и неточности теплового баланса.

Для оценки распределения теплоты более наглядным является уравнение теплового баланса, составленное в процентах от теплоты сгораемого топлива: