Билет 32

1)Тепловой баланс поршневого двс.

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 азов и пути повышения экономичности двигателя.

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

Q₀ = Q_e + Q_охл + Q_м + Q_газ + Q_н.с + Q_ост .

Рассмотрим отдельные составляющие теплового баланса:

Q_o— количество теплоты, выделяемой при .сгорании вводи­мого в двигатель топлива за определенное время, например за 1 с (Дж/с): Q_o = Q_нG_т; Q_e — теплота, эквивалентная эффективной работе: Q_e = 1000 N_e; Q_охл — количество теплоты, передаваемой охлаждающей жидкости: Q_охл = G_охл с (t_вых-t_вх)

где G_охл — расход охлаждающей жидкости через систему охлаждения, кг/с; с — теплоемкость охлаждающей жидкости, Дж/(кг•К); t_вх, t_вых — соответст­венно температура охлаждающей жидкости на входе и выходе системы.

Теплоту, передаваемую охлаждающей среде, также опреде­ляют по эмпирическим формулам:

для карбюраторного двигателя: Q_охл = С i D^l+2m n^m (Q_H - Δ Q_H)/(α Q_H); для дизеля: Q_охл = CiD^l+2mn^m(l/α),

где С — коэффициент пропорциональности (для четырехтактных двигателей С=0,45...0,53); i — число цилиндров; D — диаметр цилиндра, см; т — показа­тель степени (для четырехтактных двигателей m = 0,6...0,7); n — частота вра­щения коленчатого вала, об/мин; α — коэффициент избытка воздуха (1,3-1,6)

Q_M— количество теплоты, передаваемой смазочному мате­риалу (вводится при наличии на двигателе теплообменника для охлаждения смазки и определяется аналогично Q_охл)- Обычно Q_M включают в остаточный член теплового баланса Q_ост;

Q _газ — количество теплоты, теряемой с отработавшими газа­ми, так как их температура и теплоемкость выше, чем у свеже­го заряда. В дизеле с турбонаддувом часть теплоты отработав­ших газов используется в газовой турбине:

Q _газ = G_T (М₂ t_r — М₁ t₀),

где G_T —расход топлива двигателя, кг/с; и — соответственно сред­ние молярные теплоемкости отработавших газов и свежего заряда, Дж/(кмоль•К); t_r — температура отработавших газов на выходе из двигате­ля, К; t₀ — температура свежего заряда на впуске в двигатель (для двигате­ля с турбонаддувом вместо t₀ подставляют t_к — температуру заряда после нагнетателя);

Q _н.с— теплота, не выделившаяся в двигателе вследствие не­полноты сгорания. Если двигатели работают на смеси, характе­ризуемой коэффициентом избытка воздуха α >1, то при состав­лении теплового баланса Q_H._C обычно включается в остаточный член баланса Q_ост. Для двигателей, работающих на смеси, характеризуемой α <1, количество теплоты, которое не может вы­делиться из-за недостатка воздуха, определяют по выражению:

Q _хим = Δ Q_H G_т,

где Δ Q_H — количество теплоты, теряемой в связи с неполнотой сгорания из-за недостатка кислорода, кДж/кг; Δ Q_H = 119 950 (1—α) L₀.

При этом теплота, соответствующая разнице между Q_н.c и Q_хим, включается в остаточный член Q_ост: Q_ост = Q₀ — (Q _е + Q _охл + Q_м + Q_газ + Q_{н. с}).

В остаточный член теплового баланса, кроме Q_M, Q_H._C или (Q _{н. с} — Q _хим), включают также теплоту, рассеиваемую в окру­жающую среду внешними поверхностями двигателя и его агре­гатов, а также теплоту, соответствующую кинетической энер­гии обработавших газов.

Анализ составляющих теплового баланса имеет практическое значение. Например, полученные значения Q_охл, Q_м и Q_газ при­меняют при расчете систем охлаждения, наддува и смазочной системы. По значению Q _{н. с} можно судить о степени неполноты сгорания для решения задачи повышения использования тепло­ты в двигателе. Также Q _охл позволяет ориентировочно оценить резервы улучшения теплоиспользования и организовать более рациональное охлаждение деталей.

Тепловой баланс можно, также определить в процентах {табл. 4) по отношению ко всему количеству теплоты, выделен­ной при сгорании введенного в двигатель топлива:

g_e + g_охл + g_м + g_газ + g_н.с + g_ост = 100%,

где g_e = Q_e 100/Q₀; g_охл = Q_охл 100/Q₀; g_M = Q_M 100/Q₀; g_газ = Q_газ 100/Q_oJ; g_н.c = Qh.c 100/Q_o; g_ост = Q_ост 100/Q₀.

Анализ показывает, что на режиме полной нагрузки теплота расходуется наиболее полезно: например, для тракторного дизе­ля с турбонаддувом g_e составляет 38%. При увеличении часто­ты вращения время теплообмена уменьшается, в то же время увеличиваются потери теплоты c отработавшими газами, так как процесс сгорания в большей степени переносится на линию расширения (догорание на такте расширения).

Изменение доли теплоты, передаваемой смазочному мате­риалу, обусловлено влиянием нагрузки и частоты вращения дви­гателя на внутренние потери.