Внешний тепловой баланс двигателя

Распределение тепла, выделяющегося при сгорании топлива в двигателе, на полезную работу и на различные тепловые потери без учета теплопередачи внутри самого двигателя называют внеш­ним тепловым балансом. Следует различать абсолютный тепло­вой баланс, и удельный тепловой баланс,

 Абсолютный тепловой баланс

Абсолютный тепловой баланс обычно записывают следующим образом:

QТ = Qe + Qохл + Qгф + Qгх + Qнб

(10.29)

где

Q_т - общее количество тепла (располагаемое количество тепла);

Q_e - тепло, эквивалентное эффективной работе двигателя (полезно использованное тепло);

Q_охл - потери тепла в охлаждающую среду;

Q_{г ф} - потери тепла с отработавшими газами;

Q_гх - потери тепла, обусловленные химической неполадкой сгорания топлива;

Q_нб - остаточный член теплового баланса («небаланс»), т. е. потери тепла, учитывающие остальные состав­ляющие теплового баланса.

Удельный тепловой баланс представляют в виде

(10.30)

Часто составляют относительный тепловой баланс в процен­тах или долях единицы:

(10.31)

где             ; ; ;       ;

Располагаемое количество тепла определяется по низшей теп­лотворной способности топлива H_u и часовому расходу топ­лива G_T,

QT=3.6 103HuGT

(10.32)

  

Количество полезно использованного тепла, эквивалентного эффективной мощности двигателя, равно

Q_e=N_e                                                                   (10.33)

Относительная доля полезно использованного тепла численно равна эффективному КПД, т. е. .

Потери тепла в окружающую среду (в охлаждающую жид­кость для двигателей с жидкостной системой охлаждения) опре­деляются по формуле

,

(10.34)

где G_охл — секундный расход охлаждающей жидкости через систему охлаждения;

с_охл - удельная теплоемкость охлаждающей жидкости;

Т₁ и Т₂ —  температура охлаждающей жидкости на входе и на выходе системы охлаждения.

Тепло, уносимое охлаждающей жидкостью, включает в свой состав тепло, непосредственно переданное охлаждающей жидко­сти от высоконагретых деталей (гильз цилиндров, верхней части камер сгорания, впускных и выпускных патрубков, охлаждаемо­го выпускного коллектора, газовой турбины и др.), тепло, уноси­мое маслом от трущихся поверхностей и от деталей, охлаждаемых маслом. Тепло, отводимое маслом в двигателе за счет теплоотда­чи от других деталей, составляет 1,5—3% всего тепла, введенного в цилиндры с топливом.

Рисунок 10.6. Схема теплового баланса двигателя

     Тепло, уносимое отработавшими газами, приближенно опреде­ляют как разность энтальпий газов в выпускном патрубке и га­зов, поступивших в двигатель:

(10.35)

где G_т   — секундный расход топлива;

 и  — средние изобарные мольные теплоемкости продук­тов сгорания и свежего заряда;

М_г и М₁ — количество продуктов сгорания и воздуха;

Т_г и Т₀  — температура продуктов сгорания и воздуха.

 Температуру отработавших газов в двигателях без наддува измеряют непосредственно после выпускного трубопровода дви­гателя, а в двигателях с газотурбинным наддувом — в выпускном патрубке газовой турбины.

Тепло, потерянное из-за химической неполноты сгорания Q_гх для дизелей в наиболее неблагоприятных случаях, например в режиме холостого хода, не превышает 3—5'% от всего распола­гаемого тепла. Тепло неполноты сгорания часто относится к оста­точным потерям небаланса и при необходимости эту величину определяют по результатам анализа отработавших газов.

Другие виды тепловых потерь относят к остаточному члену теплового баланса и определяют как разность:

.

(10.36)

 

В остаточный член теплового баланса включают:

— потери тепла, эквивалентные механическим потерям, не пе­решедшим в охлаждающую жидкость

— потери тепла, отдаваемого в окружающую среду посредст­вом конвекции, теплопроводности и излучения от внешних по­верхностей двигателя и его агрегатов:

— потери тепла, эквивалентные кинетической энергии отрабо­тавших газов;

— потери тепла, не учтенные в результате ошибок измерения и других причин.

Тепловой баланс двигателя наглядно представляется диаграм­мой, на которой все члены внешнего теплового баланса в виде полос выражают в определенном масштабе доли тепла, которое было введено в двигатель с топливом и принято за 100% или за единицу (Рисунок 10.6). Однако такие диаграммы пригодны для изо­бражения теплового баланса на одном режиме работы двигателя.

При испытаниях двигателей на нескольких режимах результаты обработки измерений приводят в виде кривых, построенных, на­пример, по нагрузочной или регулировочной характеристикам. Среднее значение отдельных составляющих внешнего теплового баланса дизелей приведено в таблице 10.1.

Т а б л и ц а 10.1 Средние значения отдельных составляющих теплового баланса

Тип двигателя	Составляющие теплового баланса, %
	qе	qохл	qгф	qгх	qнб
Дизели
Без наддува	29-42	20-35	25-40	0-5	2-7
С умеренным наддувом	35-45	10-25	25-45	0-5	2-7
С высоким наддувом	40-48	10-18	20-40	0-5	2-5
ДсИЗ	20-46	13-27	35-50	0-45	3-3

 

Как видно из таблицы, 50—70% тепла, введенного в двига­тель, составляют тепловые потери, причем основу их составляют потери с отработавшими газами и потери в охлаждающую среду.

Экономичность всей дизельной установки значительно улуч­шается при утилизации тепловых потерь. В крупных стационарных силовых установках с двигателями внутреннего сгорания этот воп­рос решается применением утилизационных котлов. Применение газотурбинного наддува позволяет частично использовать энер­гию отработавших газов и повысить механический КПД дизеля за счет прироста среднего индикаторного давления. Снижение теп­ловых потерь в охлаждающую жидкость может быть достигнуто применением высокотемпературного охлаждения, которое полу­чает все большее распространение в дизельных силовых уста­новках.

5.3. 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 враше-^ния 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 (Рисунок 10.7).

 

                              а)                                                               б)

Рисунок 10.7. Влияние частоты вращения коленчатого вала на составляющие теплово­го баланса: а — изменение абсолютных значений; б — изменение относительных величин

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

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

Рисунок 10.8 Влияние нагрузки на составляющие теплового баланса: t изменение абсолютных значений; б — изменение относительных величин

Нагрузка. С увеличением нагрузки Значение q_e увеличивается до максимума, когда произведение принимает наибольшее зна­чение. Дальнейшее уменьшение q_e, связано с обогащением смеси на полных нагрузках, при этом возрастает доля q_M (Рисунок 10.8). *

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 q_T 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 близких к ним нагрузках, когда| происходит обогащение смеси экономайзером.

 

.

Рисунок 10.9. Влияние угла опереже­ния зажигания на составляющие теплового баланса двигателя

Угол опережения зажигания. льшие значения q_e соответст-Оптимальному значению угла кения зажигания (Рисунок 10.9). теплоты в систему охлажде-возрастают как при раннем, так позднем зажигании, так как ле в этих случаях происходит выгодных условиях.

При позднем зажигании возрастают потери сотработавшими газами, так как догорание происходит уже в процесса расширения..

 

Рисунок 10.10. Влияние состава смеси на составляющие теплового баланса: а — изменение абсолютных значений; б — изменение относительных величия

На потери, связанные с неполнотой сгорания, угол опережения зажига-вдияния не оказывает, так как коэффициент избытка воздуха ся при этом неизменным.

Состав горючей смеси. При экономичном составе смеси, когда а 1,05—1,1, значения q_t становятся максимальными (Рисунок 10.10). q_ow возрастают при отклонениях в обе стороны от значений |р«»ных 0,8—0,9, что объясняется увеличением времени сгорания IX случаях. Потери q_T увеличиваются с изменением коэффици-га Избытка воздуха аналогично q_0XJl из-за увеличения температуры газов при замедлении скорости сгорания. Кроме того, при а >1 воз­растают значения g_r из-за роста тепловых потерь с излишним возду­хом, участвующим в сгорании