Тепловий баланс двигуна (самостійно)

Із спільної кількості теплоти, введеної в двигун, тільки частина її (20-40 %) витрачається на здійснення корисної роботи, решта частина теплоти (60-80 %) розсіюється в навколишнє середовище. Розподіл кількості теплоти на корисно використану і на втрачену теплоту характеризується ефективним тепловим балансом. Складові члени теплового балансу можуть бути вказані в теплових одиницях (МДж) на одиницю часу роботи двигуна чи в відсотках по відношенню до всієї кількості теплоти палива. Рівняння теплового балансу в загальному вигляді:

Q_о = Q_е + Q_охол + Q_вг.+Q_м + Q_н.зг +Q_н.в

Розглянемо окремі складові теплового балансу.

Отримана теплота палива Q_о , така кількість теплоти, що підведена з паливом дорівнює: добутку витраченого палива G_п на теплотворну здібність цього палива Н_U

Q_о = Н_U G_п. (МДж)

Ефективна теплота Q_е (кількість теплоти, перетвореної в корисну роботу) визначається ефективною роботою за 1 год. при потужності двигуна р_е, така: Q_е = 3,6 р_е .

Теплота, відведена в систему охолодження Q_охол , визначається температурами охолоджувача, на вході в двигун і на виході із нього, а також витратою охолоджувача через систему охолодження G_охол з врахуванням теплоємності охолоджувача с_охол ,

Q_охол = с_охол (Т_вих + Т_вх )G_охол (МДж)

В теплоту Q_охол входить не тільки теплота, передана робочим тілом протягом циклу, але і основна частина теплоти, затраченої на подолання механічних втрат, а також теплота, отримана від відпрацьованих газів при проходженні їх через випускну систему двигуна.

Кількість теплоти Q_вг , відведеної з відпрацьованими газами, визначається за допомогою калориметру чи розраховується по різниці тепловмісту відпрацьованих газів і свіжого заряду з врахуванням теплоти, внесеної з паливом с_nал ,Т_о G_Т ,

(МДж)

де: М₂ і М₁ – кількість кіломолів відповідно продуктів згоряння і свіжого заряду, що припадає на 1 кг палива; G_п – годинна витрати палива.

Кількість теплоти, відданої масляній системі, складається з теплоти тертя і теплоти, отриманої від внутрішніх поверхонь двигуна. Теплота Q_м підраховується аналогічно Q_охол .

Кількість теплоти, відповідна теоретичній неповноті згоряння палива Q_н.зг , визначається тільки при роботі двигуна, коли α < 1,

Q_н.зг = 120 (1– α)L_oG_п (МДж)

де: L_o – кількість повітря, теоретично необхідне для повного згоряння 1 кг палива.

Теплота Q_ост – це теплові втрати, не враховані першими п’ятьма членами першої частини рівняння

Q_н.зг = Q_o – Q_в – ΣQ_втр (МДж)

До неврахованих витратам відносяться теплота, випромінена зовнішніми поверхнями двигуна; теплота, еквівалентна кінетичній енергії відпрацьованих газів; теплота при неповному згорянні палива і т.п.

При вираженні складових теплового балансу в відсотках маємо

q_в + q_охол + q_в.г + q_м + q_н.зг + q_н.в = 100 % ,

де: q_в = (Q_в + Q_o ) 100% ; q_охол = 100 % і т.п.

Зміна складових теплового балансу для карбюраторних двигунів і дизелів (у відсотках) наведено в таблиці.

Таблиця

Двигун	Складові, %
	qе	qохол	qв.г	qн.зг	qм	qінш
Карбюраторний Дизель: без наддуву з наддувом	21…28 29…42 35…45	12…27 5…35 10…25	30…55 25…45 25…40	0…45 0…5 0…5	3…5 2…3 2…3	3 3 3

Як бачимо, основна маса теплоти відводиться охолоджуваль­ним середовищем і вихлопними газами. Проте ця теплота, яка втра­чається тут, становить ту частину, яка за другим законом термодина­мики повинна бути віддана холодному джерелу теплоти. Хімічна не­повнота згоряння спостерігається при роботі двигунів на багатих сумішах: в карбюраторних при α < 1, дизельних - при димному вихлопі.

Величина окремих складових теплового балансу залежить від різних факторів.

Швидкість обертання. При малих швидкостях обертання зроста­ють втрати в охолоджувальне середовище, тому що на теплообмін відводиться більше часу. Із збільшенням швидкості обертання втрати в охолоджувальне середовище зменшуються, проте зростають втрати з вихлопними газами.

Якщо двигун працює при повністю відкритому дроселі, то зроста­ють втрати від хімічної неповноти згоряння, оскільки економайзер, що починає працювати, забезпечує подачу збагаченої суміші.

Найбільша кількість теплоти перетворюється на ефективну роботу при експлуатації двигуна на середніх швидкостях обертання, при яких сумарні втрати теплоти досягають-мінімуму. Тому для порів­няння різних двигунів тепловий баланс визначають при середніх, швидкостях обертання.

Міра стиснення. Із збільшенням міри стиснення частина теплоти, що перетворюється на ефективну роботу, зростає. Одночасно з цим змен­шуються втрати в охолоджувальне середовище і з вихлопними газами. Тому дизельні двигуни, які мають більшу міру стиснення, економ­ніші, ніж карбюраторні.

Склад суміші. У міру збагачення суміші теплові втрати на охо­лодження і випуск знижуються, зате зростають втрати від хімічної неповноти згоряння. Якщо маса збіднюється, то зменшуються втрати від неповноти згоряння і зростають втрати на охолодження та випуск.

Тому треба намагатися працювати на економічних сумішах (α ~1,1), при яких сумарні теплові втрати досягають мінімуму.