Тепловий баланс двигуна

Розподіл теплоти, що виділяється при згорянні палива, на окремі складові (корисно використовувану теплоту і різні види теплових втрат) називається зовнішнім тепловим балансом.

Тепловий баланс двигуна визначається експериментально. Значення окремих складових теплового балансу характеризують досконалість використання тепла, дозволяють вибрати і розрахувати систему охолодження, з'ясувати можливість використання теплоти випускних газів і намітити шляхи поліпшення показників роботи двигуна.

Тепловий баланс можна скласти для різних режимів роботи двигуна. У більшості випадків тепловий баланс складають у відносних величинах (у частках чи відсотках), тобто відносять його складові до кількості підводимої теплоти.

Рівняння теплового балансу ДВЗ має наступний вид:

Q=Q_e+Q_в+Q_г+Q_м+Q_ост,

де Q - теплота згоряння витраченого палива;

Q_e - теплота, еквівалентна ефективній роботі двигуна;

Q_в - теплота, що відводиться від двигуна охолодним середовищем (рідиною чи повітрям);

Q_г - теплота, що відводиться випускними газами;

Q_м – теплота, що відводиться маслом (оливою);

Q_ост – член, що враховує втрати теплоти в результаті променистого і конвективного теплообміну нагрітих частин двигуна з навколишнім середовищем.

Виражаючи тепловий баланс у відсотках його рівняння представиться в наступному вигляді:

q_e+q_в+q_г+q_м+q_ост = 100%.

У даному випадку кожен доданок у лівій частині рівняння являє собою кількість теплоти у відсотках стосовно всієї уведеної теплоти Q. Уведену теплоту Q практично визначають за нижчою теплотою згоряння палива. Теплота, що еквівалентна ефективній роботі двигуна за 1 с, дорівнює його ефективної потужності.

Відношення ефективної теплоти до загальної уведеної визначає частку корисно використаної теплоти в двигуні і чисельно дорівнює ефективному ККД h_е.

Теплота, яка сприймається від робочого тіла внутрішніми поверхнями циліндра, виділяється в навколишнє середовище за допомогою газоподібної чи рідкої речовини - охолоджувача.

З усієї кількості теплоти, що віддається охолоджувачу, найбільша частина (до 65%) сприймається стінками циліндра під час процесів згоряння і розширення, а інша - протягом випуску. Теплообмін під час стиску незначний. Тепловіддача від газів у стінки росте зі збільшенням тиску наддуву і зменшується при підвищенні ступеня охолодження повітря після компресора. Таким чином, теплота, що відводиться від двигуна охолоджувачем, включає:

а) теплоту, яка передана від газів стінкам циліндра під час стиску, згоряння, розширення і випуску;

б) теплоту, яка еквівалентна роботі тертя поршня в циліндрі;

в) теплоту, що відводиться від газів після випуску з циліндра у випускному каналі голівки й у випускному патрубку.

Кількість теплоти, що відводиться охолодним середовищем, визначають, вимірюючи кількість охолоджувача, що проходить за одиницю часу через систему охолодження двигуна, і температуру охолоджувача при вході в систему і виході з неї:

Q_в = G_в(t₂ – t₁)с,

де G_в - витрата охолоджувача через систему в кг/год;

t₂, t₁ - температури охолоджувача відповідно на виході з системи охолодження і вході в неї;

с - теплоємність охолоджувача в кДж/(кг×град).

Кількість теплоти, що відводиться маслом, визначають, вимірюючи кількість масла, що проходить за одиницю часу через систему охолодження масла, і температуру масла при вході в систему і виході з неї:

Q_м = G_м(t_2м – t_1м)с_м,

де G_м - витрата масла через систему в кг/год;

t_2м, t_1м - температури масла відповідно при виході з системи охолодження масла і вході в неї;

с_м - теплоємність масла в кДж/(кг×град).

При наявності у випускних газах продуктів неповного згоряння додатково губиться теплота, що не виділилася внаслідок неповноти згоряння палива.

Випускні гази, що виходять із двигуна, мають порівняно високу температуру і несуть значну кількість теплоти Qг. Цю теплоту приблизно визначають як різницю їхньої ентальпії за випускним трубопроводом і ентальпії повітря, що надходить у двигун, тому у величину теплоти, яка мається в розпорядженні, не включають ентальпію повітря. Температуру випускних газів у двигунах без наддуву вимірюють безпосередньо після випускного трубопроводу двигуна, а в комбінованих двигунах - у випускному патрубку газової турбіни.

Залишковий член теплового балансу, який визначається як різниця між підведеною теплотою і сумою визначених складових теплового балансу,

Q_ост = Q - (Q_e+Q_в+Q_г+Q_м).

Залишковий член теплового балансу включає:

1) теплоту, що відповідає роботі тертя, за винятком теплоти, яка віддана охолоджувачу через стінки циліндра чи віднесена оливою і врахована членом балансу Q_В; ця теплота відводиться в навколишнє середовище внаслідок конвекції і теплопровідності від зовнішніх поверхонь двигуна;

2) теплоту, що відповідає кінетичній енергії випускних газів;

3) теплоту, що втрачається внаслідок випромінювання зовнішніми поверхнями двигуна і його агрегатів;

4) невраховані втрати теплоти.

У таблиці 10.1 приведені середні значення окремих складових зовнішнього теплового балансу, віднесених до теплоти, яка введена з паливом при роботі двигуна на номінальному режимі.

Таблиця 10.1 – Зовнішній тепловий баланс двигунів різних типів у %

Як видно з таблиці 10.1, 70-55% теплоти, яка введена в двигун, складають теплові втрати – в основному, фізична теплота випускних газів і теплота, що відноситься охолоджувачем. Ступінь використання палива збільшується при утилізації теплових утрат (для автотранспортних засобів це система опалення салону, кабіни, обігріву кузова і т.д.). У комбінованих двигунах частка теплоти, що відводиться охолоджувачем, зменшується до 10-18% і зростає кількість теплоти, яка еквівалентна ефективній роботі двигуна. У карбюраторних двигунах теплота, що відводиться з випускними газами через неповноту згоряння, може досягати 45% (див. таблицю 10.1). Таке недогоряння можливе при роботі двигуна зі зменшеним коефіцієнтом надлишку повітря.

Схема внутрішнього теплового балансу ДВЗ приведена на малюнку 10.1, з якого видно, як формуються складові зовнішнього теплового балансу.

Малюнок 10.1 - Схема теплового балансу двигуна

На схемі позначені:

Q_h - нижча теплота згоряння;

Q_i - тепло, що еквівалентне індикаторній роботі;

Q_e - тепло, що еквівалентне ефективній роботі;

Q_oxл – тепло, яке віднесене охолодним агентом;

Q_газ - тепло, віднесене випускними газами за рахунок підвищення ентальпії відпрацьованих газів;

Q_{п. неп}. - тепло, що втрачається від неповноти згоряння;

q_oct - залишковий член теплового балансу;

Q₁ - тепло, що йде на підігрів свіжого заряду перед циліндром двигуна;

Q₂ - тепло, що йде на підігрів свіжого заряду охолодним агентом;

Q₃ - тепло, що йде на підігрів свіжого заряду випускними газами;

Q₄ - тепло, що віддається газами стінкам циліндра;

Q₅ - тепло, віднесене газами через випускний клапан;

Q₆ - тепло від тертя поршнів о дзеркало циліндра;

Q₇ - тепло, що йде від випускних газів до охолодного агенту;

Q₈ - тепло, що утрачається випромінюванням охолодної системи;

Q₉ - тепло, що утрачається випромінюванням випускної системи;

Q₁₀ - тепло, що еквівалентне кінетичній енергії випускних газів;

Q₁₁ - тепло, що еквівалентне механічним втратам

На малюнку 10.2 показана зміна теплового балансу карбюраторного ДВЗ, на малюнку 10.3 - дизеля при роботі за зовнішньою характеристикою.

Малюнок 10.2 Малюнок 10.3

Робота двигуна на часткових режимах приводить до зміни зовнішнього теплового балансу і теплових потоків усередині двигуна.