Вопрос 61. Уравнение теплового баланса двс

7.4. Тепловой баланс двс

Распределение энергии, подведенной с топливом, характеризуется внешним тепловым балансом (рис.43).

Рис. 43 Распределение теплоты в двигателе с наддувом

Внешний тепловой баланс позволяет судить о степени совершенства двигателя, является исходным при проектировании систем охлаждения и смазки и определяет пути наиболее рациональной утилизации тепловых потерь.

Уравнение внешнего теплового баланса (за 1 час работы)

Q_т = Q_е +Q_г + Q_в + Q_м + Q_н.п.,

где Q_т - теплота сгорания введенного в двигателя топлива; Q_е – теплота, эквивалентная эффективной работе двигателя; Q_г – теплота, уносимая выпускными газами; Q_в – теплота, отводимая от двигателя водой; Q_м – теплота, отводимая маслом; Q_н.п. – неучтенные потери (невязка баланса).

Теплота сгорания введенного в двигателе топлива Q_т = В_ч · Q_н,

где В_ч – часовой расход топлива , Q_н - низшая теплота сгорания топлива.

Теплота, эквивалентная эффективной работе двигателя Q_е = 3600 N_e.

К неучтенным тепловым потерям Q_н.п. относят теплоту, отдаваемую от нагретых поверхностей двигателя в окружающую среду, химический недожог и унос топлива с отходящими газами, а также теплоту, соответствующую кинетической энергии выпускных газов. Определяют Q_н.п. как разность между теплотой сгорания введенного в двигателя топлива и известными составляющими теплового баланса.

На рис. 43 показаны также внутренние составляющие теплового баланса: Q_i - теплота, затраченная на индикаторную работу, Q_цпг – теплота, отведенная водой от деталей ЦПГ, Q_гр – теплота, подведенная к турбокомпрессору, Q_тк – теплота, обеспечивающая работу турбины, Q_тр – теплота трения в узлах двигателя, Q_мп – теплота, отведенная маслом от поршней, Q_тр.м – теплота, отведенная маслом от узлов трения двигателя, Q_тк.м- теплота, отведенная маслом от узлов трения турбокомпрессора, Q_к – теплота, отводимая водой от выпускного коллектора двигателя, Q_v – теплота, отводимая водой от корпуса турбокомпрессора, Q_тр.в. – часть работы трения, перешедшая в теплоту и уносимая водой, Q_онв – теплота, отводимая водой от наддувочного воздуха, Q_ком – теплота, полученная в компрессоре, Q_дв – теплота, возвращаемая в цикл с воздухом.

Для возможности сравнения тепловых балансов двигателей различных типов, распределение теплоты по составляющим выражают в относительных единицах (%), относя абсолютные их значения к теплоте Q_т.

Тогда q_т = q_е +q_г +q_в+q_м+q_н.п..

У современных ДВС внешние составляющие теплового баланса в относительных единицах имеют следующие значения: q_е = (38÷54) %; q_г = (25÷45) %; q_в= (12 ÷25)%; q_м = (1÷7)%; q_н.п= (1÷8)%.

Например, двигатель 6ДКРН 60/190, g_е = 0,174 кг/(кВт·час), имеет следующие составляющие теплового баланса q_е = 0,485, q_г =0,260, q_в = 0,074, q_{охл.н.в.}=0,173, q_м = 0,008.

Здесь q_{охл.н.в.}- доля теплоты, отводимая в охладителе наддувочного воздуха.

Таким образом, в судовых ДВС в эффективную работу преобразуется только 38-54 % теплоты, выделяющейся при сгорании топлива. Остальное составляют тепловые потери. Из них часть теплоты уносится отработавшими газами, часть непосредственно через элементы двигателя (детали ЦПГ, клапаны, патрубки, охлаждаемые детали турбокомпрессора и др.) передается в систему охлаждения (воду и масло), некоторая доля теплоты путем сложных преобразований (например, преобразование части теплоты в механическую работу трения в узлах двигателя с последующим переходом ее вновь в тепловую) также поступает в систему охлаждения. Часть теплоты возвращается в цикл с воздухом, подаваемым от турбокомпрессора.