Что такое внешний тепловой баланс двигателя

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!

Источник

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.

Источник

Тепловой баланс двигателя

Теплота, выделяемая при горении топлива, не может быть полностью трансформирована в полезную работу, так как даже в соответствии со вторым законом термодинамики часть ее неизбежно отдается холодному источнику. Расходование теплоты сгорания топлива, внесенного в двигатель за определенней период времени, на полезную работу и различные потери характеризуется тепловым балансом.

С помощью теплового баланса можно определить степень совершенства конструкции и регулировок двигателя и наметить пути улучшения экономичности его работы.

Уравнение теплового баланса:

где Q – теплота сгорания топлива, поступившего в двигатель;

Q_е – теплота, эквивалентная эффективной работе двигателя;

Q_охл – теплота, переданная в охлаждающую среду через стенки цилиндра;

Q_Г – теплота, уносимая с отработавшими газами;

Q_нс – потери теплоты вследствие неполноты сгорания топлива;

Q_ост – остальные, не учтенные ранее тепловые потери.

В относительных величинах (%) уравнение теплового баланса можно записать в виде:

Теплоту сгорания Q (кДж/ч) определяют по часовому расходу топлива G_Т (кг/ч) с учетом его низшей теплотворной способности H_u (кДж/кг):

Количество теплоты Q_е (кДж/ч), эквивалентное эффективной мощности двигателя N_e (кВт):

Зная количество охладителя G_охл (кг/ч), проходящего через систему охлаждения в единицу времени, и температуры его на входе T₁ и выходе из системы T₂, можно определить Q_охл (кДж/ч):

где с_охл – теплоемкость охладителя, кДж/(кг К).

При известном количестве воздуха (горючей смеси) G_см (кг/ч), поступающего в двигатель в единицу времени, его температуре T_см (К) и температуре отработавших газов T_Г (К) количество теплоты (кДж/ч), уносимой с этими газами, находят по формуле:

где c ′′ _p – теплоемкость отработавших газов при постоянном давлении, кДж/(кг град);

c_p – теплоемкость горючей смеси при постоянном давлении, кДж/(кг град).

Потери теплоты вследствие химической неполноты сгорания топлива (кДж/ч) определяются только для карбюраторных двигателей при значении коэффициента избытка воздуха α

В дизелях по сравнению с карбюраторными двигателями большие потери теплоты на преодоление механических сопротивлений вследствие больших сил давления газа и связанных с ними потерь на трение. Однако принципиально неустранимые потери теплоты в дизелях из-за более высокой степени сжатия меньше, чем в карбюраторных двигателях, поэтому эффективный КПД дизелей выше.

9. Виды испытаний автомобильных двигателей. Оборудование, применяемое при испытаниях двигателей.

Испытания двигателей проводят для оценки показателей их работы и сравнения, для определения качества проведенного ремонта, а также для проверки показателей двигателя после проведения необходимых регулировок. Анализ результатов испытаний двигателей позволяет оценить эффективность их конструктивных особенностей, качество изготовления или их техническое состояние.

Основные виды испытаний двигателей можно классифицировать по признакам, определяющим программу и методы их проведения.

По целевому назначению различают испытания поисковые, доводочные, приемочные (государственные, межведомственные), инспекционные (длительные контрольные и краткие, периодические), приемно-сдаточные, ресурсные (на надежность), сертификационные и исследовательские.

По применяемым средствам, условиям и месту проведения испытания подразделяют на стендовые, полигонные, дорожные, эксплуатационные, испытания в особых условиях (высокогорных, тропических и т.д.).

Основные характеристики автомобильных поршневых и роторно-поршневых двигателей внутреннего сгорания определяют методом стендовых испытаний.

Стенд для испытания двигателей содержит массивный бетонный фундамент с заделанными в него чугунными плитами, вертикальные стойки для закрепления двигателя на фундаментной плите, тормозное устройство для имитации нагрузки двигателя, промежуточный редуктор для согласования характеристик двигателя и тормоза, необходимые приборы для проведения измерений и органы управления двигателем. Стенд оборудуется системами питания двигателя топливом, охлаждения двигателя и отвода отработавших газов.

При испытаниях автотракторных двигателей наибольшее применение находят электрические и гидравлические тормоза.

Выбор тормоза производится по максимальным мощности и числу оборотов. Соответствие тормоза двигателю по мощностным и скоростным данным обычно устанавливают путем наложения внешней скоростной характеристики двигателя на внешнюю характеристику тормоза.

Испытательный стенд должен иметь оборудование для измерения следующих показателей: крутящего момента двигателя с точностью; частоты вращения коленчатого вала; расхода топлива, температуры охлаждающей жидкости; температуры масла; барометрического давления; давления масла; угла опережения зажигания или начала подачи топлива; давления наддува.

Частоту вращения можно измерять приборами двух типов: суммарными счетчиками, фиксирующими число оборотов за определенный отрезок времени, и тахометрами, которые дают текущее значение частоты вращения. В зависимости от принципа действия тахометры могут быть центробежными и электрическими.

Расход топлива определяют с помощью устройств, показывающих объемный или массовый расход. Продолжительность опытов должна быть не менее 30 с.

Расход воздуха замеряют с помощью специального расходомера (воздухомера) или устройств, имеющих на впускном тракте измерительную насадку.

Для определения температуры в зависимости от пределов ее изменения и расположения точки, температуру которой необходимо замерить, применяют следующие приборы; жидкостные термометры, термометры сопротивления, термопары и термометры манометрического типа.

Угол опережения зажигания или начала подачи топлива на стенде определяется с помощью стробоскопического устройства.

Условия стендовых испытаний автомобильных двигателей определяются ГОСТ 14846-81.

Источник