52. Уравнение теплового баланса двигателя

В абсолютных величинах уравнение теплового баланса имеет следующий вид

,

где Q — общее количество теплоты, введенное в двигатель с топливом за определенный отрезок времени; Q_e — количество теплоты, перешедшее в эффективную работу; Q_охл — количество теплоты, передаваемое охлаждающей жидкости; Q_м — количество теплоты, передаваемое в смазочный материал; Q_газ — потери теплоты в отработавших газах; Q_нс — потери теплоты вследствие неполноты сгорания топлива; Q_ост — остаточные потери теплоты, не учтенные остальными составляющими теплового баланса.

Общее количество теплоты Q определяется по низшей теплотворной способности топлива Н_u и его часовому расходу G_т:

.

Количество полезно используемой теплоты, эквивалентное эффективной работе двигателя за 1 ч, определяется по формуле

.

Потери теплоты в охлаждающей жидкости определяются по формуле

,

где с_охл — теплоемкость охлаждающей жидкости; G_охл — расход охлаждающей жидкости; t_вых и t_вх — температуры охлаждающей жидкости на выходе и входе системы охлаждения соответственно.

Потери теплоты в смазочном материале определяются при наличии на двигателе масляного радиатора, в противном случае Q_м включают в остаточные потери теплоты. Потери в смазочном материале определяются аналогично Q_охл.

Потери теплоты в отработавших газах определяются по упрощенной формуле, предположив, что количество газов G_газ равно сумме количеств поступившего воздуха G_в и топлива G_т:

,

где с_р — средняя теплоемкость отработавших газов при постоянном давлении; t_г — температура отработавших газов; t₀ — температура окружающей среды.

Потери вследствие неполноты сгорания топлива определяются только для карбюраторного двигателя при коэффициенте избытка воздуха α< 1:

.

Остаточные потери теплоты определяют следующим образом:

На величину Q_ост влияют погрешности при определении составляющих теплового баланса. Кроме того, к остаточным потерям теплоты относят: теплоту, передаваемую наружной поверхностью двигателя; теплоту, соответствующую кинетической энергии отработавших газов; теплоту лучеиспускания; теплоту, эквивалентную работе трения.

Теплоту Q_охл и Q_м используют при расчете систем охлаждения, смазочного материала и наддува.

По величине Q_нс можно судить о степени неполноты сгорания и определить пути повышения теплоиспользования.

Количество теплоты по составляющим теплового баланса подсчитывают в кДж за единицу времени. Однако наиболее распространено составление теплового баланса в относительных величинах. где каждая составляющая выражена в процентах к введенному количеству теплоты с топливом. В этом случае уравнение теплового баланса имеет вид:

,

где q_е = (Q_e/Q) • 100; q_охл = (Q_охл/Q) • 100; q_M = (Q_м/Q) • 100 и т. д.

Одним из способов использования тепловых потерь является применение турбонаддува, где нагнетатель приводится в действие за счет энергии отработавших газов.

53. Влияние различных факторов на тепловой баланс двигателя

На распределение теплоты в двигателе оказывают влияние такие факторы как частота вращения коленчатого вала, нагрузка, состав смеси, угол опережения зажигания.

Частота вращения коленчатого вала. С ростом частоты вращения коленчатого вала абсолютные величины всех составляющих теплового баланса увеличиваются, так как в двигатель за единицу времени поступает большее количество теплоты. Изменение относительных величин теплового баланса в зависимости от частоты вращения коленчатого вала.

С увеличением частоты вращения коленчатого вала величина q_охл уменьшается, так как время на теплоотдачу в систему охлаждения сокращается.

Значения q_e достигают максимума при частоте вращения коленчатого вала, соответствующей минимальному удельному расходу топлива.

Величина q_г увеличивается с ростом частоты вращения коленчатого вала, так как при этом растет температура отработавших газов и недогорание топлива.

Потери на неполноту сгорания q_нс остаются почти постоянными, что объясняется примерно одинаковым составом смеси по всему диапазону частоты вращения коленчатого вала.

Нагрузка. С увеличением нагрузки значение q_e увеличивается до максимума, когда произведение η_i • η_м принимает наибольшее значение. Дальнейшее уменьшение q_e связано с обогащением смеси на полных нагрузках, при этом возрастает доля q_нс.

Наибольшие потери теплоты в охлаждающую среду наблюдаются на холостом ходу, так как на этом режиме вся выделенная теплота идет на совершение работы по преодолению сил трения в двигателе и нагрев окружающей среды.

С увеличением нагрузки возрастает и q_г в связи с ростом температуры и теплосодержания отработавших газов.

Потеря теплоты вследствие неполноты сгорания топлива имеет место при малых нагрузках, когда включается система холостого хода карбюратора, а также на полных и близких к ним нагрузках, когда происходит обогащение смеси экономайзером.

Угол опережения зажигания. Наибольшие значения q_e соответствуют оптимальному значению угла опережения зажигания. Потери теплоты в систему охлаждения возрастают как при раннем, так и при позднем зажигании, так как сгорание в этих случаях происходит в невыгодных условиях. При позднем зажигании возрастают потери теплоты с отработавшими газами, так как догорание происходит уже в стадии процесса расширения. На потери, связанные с неполнотой сгорания, угол опережения зажигания влияния не оказывает, так как коэффициент избытка воздуха остается при этом неизменным.

Состав горючей смеси. При экономичном составе смеси, когда α равно 1,05—1,1, значения q_e становятся максимальными. Потери q_охл возрастают при отклонениях в обе стороны от значений α, равных 0,8—0,9, что объясняется увеличением времени сгорания в обоих случаях. Потери q_г увеличиваются с изменением коэффициента избытка воздуха аналогично q_охл из-за увеличения температуры газов при замедлении скорости сгорания. Кроме того, при α > 1 возрастают значения q_г из-за роста тепловых потерь с излишним воздухом, участвующим в сгорании.