Autokombi.ru

Авто-портал
1 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Как рассчитывается тепловой баланс ДВС

Расчет теплового баланса двигателя

Тепловой баланс характеризует распределение тепла, внесенного в цилиндры двигателя с топливом. Его, как правило, определяют экспериментально, но с достаточной степенью точности баланс может быть составлен на основании теоретических расчетов исходя из уравнения теплового баланса:

, (59)

где Q – общее количество теплоты, подведенной в единицу времени, кДж/с;

Qе – количество теплоты, превращенное в эффективную работу двигателя, кДж/с;

Qнс – количество теплоты, не выделившееся вследствие неполноты сгорания топлива, кДж/с;

Qr – количество теплоты, уносимое отработавшими газами, кДж/с;

Qост – неучтенные потери теплоты, кДж/с;

Qж – количество теплоты, переданное охлаждающей жидкости, кДж/с.

Общее количество теплоты, подведенной в единицу времени определяется из выражения

(60)

где Qн – низшая теплотворная способность топлива (берется из формулы (17) в МДж/кг);

Gтн –часовой расход топлива при номинальной мощности двигателя, кг/ч.

Количество теплоты, превращенное в эффективную работу двигателя:

(61)

где ηe – эффективный КПД двигателя.

Количество теплоты, не выделившееся вследствие неполноты сгорания топлива:

для карбюраторных двигателей при α < 1,0

(62)

для дизелей α > 1,0. Поэтому потери вследствие неполноты сгорания являются незначительными и их относят к остаточной части Qост теплового баланса.

Количество теплоты, уносимое отработавшими газами:

(63)

где Cp – средняя теплоемкость отработавших газов при постоянном давлении (принимается Cp = 1,04 кДж/кг . град).

Количество теплоты, переданное охлаждающей жидкости

— для карбюраторного двигателя

(64)

где Dц – диаметр цилиндра, см;

∆Qн – количество теплоты, которое не выделяется вследствие неполноты сгорания, кДж/кг.

Величина ∆Qн рассчитывается по формуле

(65)

— для дизельного двигателя

(66)

Неучтенные потери теплоты определяются следующим образом:

(67)

Как рассчитывается тепловой баланс ДВС

В теории двигателестроения много внимания уделяется газообмену и распределению тепла в процессе работы ДВС. Немаловажный аспект в понимании работы – тепловой баланс двигателя.

Базовые понятия

Тепловым балансом называют соотношение количества теплоты, выполнившее полезную работу, к теплоте, растраченной впустую. Под напрасной растратой подразумеваются потери теплоты на нагрев элементов окружающей среды. Топливный баланс может быть составлен в процентном соотношении либо в единицах энергии (калориях, джоулях). В зависимости от преследуемых целее, уравнение теплового баланса позволяет подсчитать соотношение общего количества теплоты на 1 час работы, фиксированный цикл, на 1 кг израсходованного вещества либо на единицу получаемой продукции.


В области техники понятие применяется для анализа и изучения различного рода тепловых процессов, происходящих в двигателях внутреннего сгорания, газотурбинных установках, печах и т.д. Полученные из уравнения данные позволяют рассчитать коэффициент полезного действия как всего агрегата в целом, так и отдельных элементов установки. Иными словами, расчет теплового баланса позволяет нам узнать, насколько эффективно внутри двигателя происходит сгорание топливовоздушной смеси (ТПВС).

Уравнение

тепловой баланс двигателя формула

Тепловой баланс может быть выражен в форме уравнения, одна часть которого будет показывать приход тепла в систему, а вторая – потери и расход. Для лучшего наглядного представления значения легко трансформируются в диаграммы и таблицы.

Левая часть уравнения теплового баланса (Q) — общее количество теплоты, подведенного в двигатель с горючим, вторая часть показывает распределение теплотворной способности топлива, где

Читайте так же:
Классификация кузовов автомобилей

формула внутреннего теплового баланса двигателя

  • Qeколичество полезного тепла. Показывает количество теплоты, израсходовавшейся на преобразование возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение коленчатого вала. Это и будет эффективно расходованная энергия.
  • Qохлтепло, растраченное на обогрев антифриза. В двигателях с воздушным охлаждением этот параметр будет обозначать потери на нагрев воздуха.
  • Qгазколичество теплоты, вышедшее из двигателя вместе с отработавшими газами.
  • Qхимпотери тепла вследствие неполноты сгорания топлива.
  • Qостостаточные потери, не учтенные в остальных пунктах.
  • Qмпередавая смазочным материалам теплота.

баланс тепла ДВС

Если говорить о процентном выражении, то Q – 100% полученного тепла. Процентное соотношение общего количества тепла к каждому виду потерь можно получить по формуле:

Эффективность двигателя внутреннего сгорания

Большая часть теплоты при сгорании топлива уходит на нагрев поршня, стенок цилиндра и ГБЦ, но наибольшие потери происходят при выходе выхлопных газов. Именно поэтому использование выхлопа для раскручивания турбины повышает КПД двигателя внутреннего сгорания. Большая часть полезной работы затрачивается на преодоления трения, сжатия пружин и насосные потери, связанные с перекачиванием технических жидкостей (моторного масла, жидкости ГУР). Под потерями на трение подразумевается не только сопротивление движению поршней, вращению коленчатого и распределительного валов, но и, к примеру, затрачиваемое усилие на вращение шкива генератора.

расчет кпд двигателя

КПД двигателя рассчитывается как соотношение полезной энергии к общему количеству энергии, высвободившейся в процессе горения ТПВС.

КПД конкретной модели двигателя зависит от многих параметров, но в целом можно сказать, что бензиновые агрегаты имеют эффективность в районе 20-25%, тогда как показатель атмосферных ДВС цикла Дизеля достигает 40%. Установка турбонагнетателя на дизельный двигатель позволяет получить внушительные 50-53% эффективности.

Борьба с потерями

Можно выделить 3 основные способа потери полезной энергии:

  • топливная эффективность (порядка 25% всех потерь). Как бы ни старались конструкторы, но сжечь полностью порцию топлива и получить близкую к максимально возможной отдачу на современной стадии двигателестроения невозможно;
  • тепловые потери в процентном эквиваленте достигают 35% от общей эффективности;
  • механические потери, связанные с трением, насосными потерями (около 20%).

Существует 2 основных способа получения большей отдачи от сгорания ТПВС: увеличить топливную эффективность и уменьшить потери. Чтобы получить большую отдачу от сгорания бензина, ТПВС нужно как можно сильнее сжать. Но в случае с бензиновыми двигателями мы натыкаемся на большую проблему – детонацию. Дизельным моторам детонация не страшна, но увеличение энергии приводит к чрезмерным нагрузкам на коленчатый вал, вкладыши коленвала и т.д. Поддерживать чрезвычайно высокую температуру в камере сгорания двигателя также нет возможности, так как детали ЦПГ, головки блока цилиндров имеют определенный коэффициент расширения. Изготовление деталей из сверхпрочных материалов удорожит себестоимость производства, сделав тем самым изготовление экономически невыгодным. Уменьшение потерь – действенный способ увеличения КПД двигателя. Именно желание уменьшить потери привело современное двигателестроение к облегчению деталей ЦПГ, уменьшению размера поршневых колец, ранней блокировке ГДТ в коробках автомат и тому подобным мерам.

Как рассчитывается тепловой баланс ДВС

В теории двигателестроения много внимания уделяется газообмену и распределению тепла в процессе работы ДВС. Немаловажный аспект в понимании работы – тепловой баланс двигателя.

Читайте так же:
Как открыть капот, если порвался тросик?

Базовые понятия

Тепловым балансом называют соотношение количества теплоты, выполнившее полезную работу, к теплоте, растраченной впустую. Под напрасной растратой подразумеваются потери теплоты на нагрев элементов окружающей среды. Топливный баланс может быть составлен в процентном соотношении либо в единицах энергии (калориях, джоулях). В зависимости от преследуемых целее, уравнение теплового баланса позволяет подсчитать соотношение общего количества теплоты на 1 час работы, фиксированный цикл, на 1 кг израсходованного вещества либо на единицу получаемой продукции.

В области техники понятие применяется для анализа и изучения различного рода тепловых процессов, происходящих в двигателях внутреннего сгорания, газотурбинных установках, печах и т.д. Полученные из уравнения данные позволяют рассчитать коэффициент полезного действия как всего агрегата в целом, так и отдельных элементов установки. Иными словами, расчет теплового баланса позволяет нам узнать, насколько эффективно внутри двигателя происходит сгорание топливовоздушной смеси (ТПВС).

Уравнение

Тепловой баланс может быть выражен в форме уравнения, одна часть которого будет показывать приход тепла в систему, а вторая – потери и расход. Для лучшего наглядного представления значения легко трансформируются в диаграммы и таблицы.

Как рассчитывается тепловой баланс ДВС

Левая часть уравнения теплового баланса (Q) – общее количество теплоты, подведенного в двигатель с горючим, вторая часть показывает распределение теплотворной способности топлива, где

    Qe –количество полезного тепла. Показывает количество теплоты, израсходовавшейся на преобразование возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение коленчатого вала. Это и будет эффективно расходованная энергия.Qохл –тепло, растраченное на обогрев антифриза. В двигателях с воздушным охлаждением этот параметр будет обозначать потери на нагрев воздуха.Qгаз количество теплоты, вышедшее из двигателя вместе с отработавшими газами.Qхим –потери тепла вследствие неполноты сгорания топлива.

Как рассчитывается тепловой баланс ДВС

Если говорить о процентном выражении, то Q – 100% полученного тепла. Процентное соотношение общего количества тепла к каждому виду потерь можно получить по формуле:

Как рассчитывается тепловой баланс ДВС

Эффективность двигателя внутреннего сгорания

Большая часть теплоты при сгорании топлива уходит на нагрев поршня, стенок цилиндра и ГБЦ, но наибольшие потери происходят при выходе выхлопных газов. Именно поэтому использование выхлопа для раскручивания турбины повышает КПД двигателя внутреннего сгорания. Большая часть полезной работы затрачивается на преодоления трения, сжатия пружин и насосные потери, связанные с перекачиванием технических жидкостей (моторного масла, жидкости ГУР). Под потерями на трение подразумевается не только сопротивление движению поршней, вращению коленчатого и распределительного валов, но и, к примеру, затрачиваемое усилие на вращение шкива генератора.

КПД двигателя рассчитывается как соотношение полезной энергии к общему количеству энергии, высвободившейся в процессе горения ТПВС.

Как рассчитывается тепловой баланс ДВС

КПД конкретной модели двигателя зависит от многих параметров, но в целом можно сказать, что бензиновые агрегаты имеют эффективность в районе 20-25%, тогда как показатель атмосферных ДВС цикла Дизеля достигает 40%. Установка турбонагнетателя на дизельный двигатель позволяет получить внушительные 50-53% эффективности.

Борьба с потерями

Можно выделить 3 основные способа потери полезной энергии:

    топливная эффективность (порядка 25% всех потерь). Как бы ни старались конструкторы, но сжечь полностью порцию топлива и получить близкую к максимально возможной отдачу на современной стадии двигателестроения невозможно;тепловые потери в процентном эквиваленте достигают 35% от общей эффективности;механические потери, связанные с трением, насосными потерями (около 20%).
Читайте так же:
Правила уплаты налога с продажи авто

Существует 2 основных способа получения большей отдачи от сгорания ТПВС: увеличить топливную эффективность и уменьшить потери. Чтобы получить большую отдачу от сгорания бензина, ТПВС нужно как можно сильнее сжать. Но в случае с бензиновыми двигателями мы натыкаемся на большую проблему – детонацию. Дизельным моторам детонация не страшна, но увеличение энергии приводит к чрезмерным нагрузкам на коленчатый вал, вкладыши коленвала и т.д. Поддерживать чрезвычайно высокую температуру в камере сгорания двигателя также нет возможности, так как детали ЦПГ, головки блока цилиндров имеют определенный коэффициент расширения. Изготовление деталей из сверхпрочных материалов удорожит себестоимость производства, сделав тем самым изготовление экономически невыгодным. Уменьшение потерь – действенный способ увеличения КПД двигателя. Именно желание уменьшить потери привело современное двигателестроение к облегчению деталей ЦПГ, уменьшению размера поршневых колец, ранней блокировке ГДТ в коробках автомат и тому подобным мерам.

Тепловой баланс двигателя

Согласно анализу действительного рабочего цикла двигателя внутреннего сгорания получается, что на совершение полезной работы расходуется порядка 20-40% теплоты, а остальной частью являются тепловые потери различного характера.

Тепловой баланс отражает распределение теплоты в двигателе. Он позволяет оценить степень совершенства работы двигателя, а также наметить пути по улучшению его экономичности.

Уравнение теплового баланса (общий вид):

где Qо – общее количество теплоты вследствие сгорания топлива; Qе – теплота, равнозначная эффективной мощности; Qохл – теплота, которая отдана охлаждающей среде; Qг – теплота, которая унесена с отработавшими газами; Qн.с – часть теплоты, которая теряется от неполноты сгорания; Qост – остаточный член, куда включены потери, не учтённые составляющими теплового баланса.

Табл. 1. Примерные значения составляющих теплового баланса на режиме максимальной мощности.

ДвигателиСоставляющие теплового баланса (%)
qеqохлqгqн.сqост
Карбюраторные20-3015-2530-550-303-10
Дизельные30-4015-2525-450-52-5

Составляющие теплового баланса зачастую определяются экспериментально либо рассчитываются.

Общее количество израсходованной в течение 1 с теплоты:

Количество теплоты, равнозначной эквивалентной мощности:

Теплота, которая отдана охлаждающей среде:

где Qохл – количество прошедшей через двигатель охлаждающей жидкости (кг/ч); Cохл – теплоёмкость охлаждающей среды (кДж/кг•К); tвых, tвх – температура охлаждающего вещества на входе и выходе из двигателя (град. Цельсия) при расчёте переводится в К (град. Кельвина).

Теплота, унесённая отработавшими газами:

Потери теплоты от неполноты сгорания, как правило, включаются в остаточный член (Qост). Для карбюраторных двигателей при работе с α<1 невыделившееся количество теплоты от неполноты сгорания подсчитывается по формуле:

где ΔHu – теплота, которая потеряна вследствие неполного сгорания (кДж/кг).

Остаточный член теплового баланса включает в себя все неучтённые потери:

В процентном отношении уравнение теплового баланса может иметь вид:

Тепловой баланс двигателя

Теплота, выделяемая при горении топлива, не может быть полностью трансформирована в полезную работу, так как даже в соответствии со вторым законом термодинамики часть ее неизбежно отдается холодному источнику. Расходование теплоты сгорания топлива, внесенного в двигатель за определенней период времени, на полезную работу и различные потери характеризуется тепловым балансом.

Читайте так же:
Разновидности автомобильных ламп

С помощью теплового баланса можно определить степень совершенства конструкции и регулировок двигателя и наметить пути улучшения экономичности его работы.

Уравнение теплового баланса:

где Q – теплота сгорания топлива, поступившего в двигатель;

Qе – теплота, эквивалентная эффективной работе двигателя;

Qохл теплота, переданная в охлаждающую среду через стенки цилиндра;

QГ теплота, уносимая с отработавшими газами;

Qнс потери теплоты вследствие неполноты сгорания топлива;

Qост – остальные, не учтенные ранее тепловые потери.

В относительных величинах (%) уравнение теплового баланса можно записать в виде:

где qе = (Qе / Q) 100% , qохл = (Qохл / Q) 100% и т.д.

Теплоту сгорания Q (кДж/ч) определяют по часовому расходу топлива GТ (кг/ч) с учетом его низшей теплотворной способности Hu (кДж/кг):

Количество теплоты Qе (кДж/ч), эквивалентное эффективной мощности двигателя Ne (кВт):

Зная количество охладителя Gохл (кг/ч), проходящего через систему охлаждения в единицу времени, и температуры его на входе T1 и выходе из системы T2, можно определить Qохл (кДж/ч):

где сохл теплоемкость охладителя, кДж/(кг К).

При известном количестве воздуха (горючей смеси) Gсм (кг/ч), поступающего в двигатель в единицу времени, его температуре Tсм (К) и температуре отработавших газов TГ (К) количество теплоты (кДж/ч), уносимой с этими газами, находят по формуле:

где c ′′ p теплоемкость отработавших газов при постоянном давлении, кДж/(кг град);

cp теплоемкость горючей смеси при постоянном давлении, кДж/(кг град).

Потери теплоты вследствие химической неполноты сгорания топлива (кДж/ч) определяются только для карбюраторных двигателей при значении коэффициента избытка воздуха α < 1 по уравнению:

Остальные теплопотери Qост = Q – (Qе + Qохл + QГ + Qнс ) включают потери теплоты на преодоление трения, потери излучением нагретых внешних поверхностей двигателя, потери на привод вспомогательных механизмов и др.

Слагаемые теплового баланса изменяются в зависимости от нагрузки, теплового состояния, скоростного режима работы двигателя и ряда других факторов.

При повышении степени сжатия увеличивается доля теплоты, преобразованной в полезную работу.

По мере уменьшения нагрузки двигателя при постоянном скоростном режиме доля теплоты, преобразуемой в полезную работу, уменьшается, а потери увеличиваются и составляют 100% при работе двигателя без нагрузки.

При работе двигателя с полной нагрузкой лучшее теплоиспользование имеет место на средних скоростных режимах, когда суммарные тепловые потери в охлаждающую среду, с отработавшими газами и механические потери минимальны (Рис. 14.1, а) ).

Изменение состава смеси существенно влияет на теплоиспользование в двигателе вследствие изменения теплоты сгорания и скорости сгорания смеси (Рис. 14.1, б) ). Работа на обогащенных смесях характеризуется уменьшением эффективности использования теплоты из-за неполноты сгорания топлива, хотя тепловые потери в охлаждающую среду и с отработавшими газами при этом несколько снижаются. По мере обеднения смеси потери от неполноты сгорания уменьшаются, но возрастают потери в охлаждающую среду и с отработавшими газами.

Читайте так же:
Как не испортить сцепление автомобиля, трогаясь с места

В дизелях по сравнению с карбюраторными двигателями большие потери теплоты на преодоление механических сопротивлений вследствие больших сил давления газа и связанных с ними потерь на трение. Однако принципиально неустранимые потери теплоты в дизелях из-за более высокой степени сжатия меньше, чем в карбюраторных двигателях, поэтому эффективный КПД дизелей выше.

«Автомобильные двигатели»

9. Виды испытаний автомобильных двигателей. Оборудование, применяемое при испытаниях двигателей.

Испытания двигателей проводят для оценки показателей их работы и сравнения, для определения качества проведенного ремонта, а также для проверки показателей двигателя после проведения необходимых регулировок. Анализ результатов испытаний двигателей позволяет оценить эффективность их конструктивных особенностей, качество изготовления или их техническое состояние.

Основные виды испытаний двигателей можно классифицировать по признакам, определяющим программу и методы их проведения.

По целевому назначению различают испытания поисковые, доводочные, приемочные (государственные, межведомственные), инспекционные (длительные контрольные и краткие, периодические), приемно-сдаточные, ресурсные (на надежность), сертификационные и исследовательские.

По применяемым средствам, условиям и месту проведения испытания подразделяют на стендовые, полигонные, дорожные, эксплуатационные, испытания в особых условиях (высокогорных, тропических и т.д.).

Основные характеристики автомобильных поршневых и роторно-поршневых двигателей внутреннего сгорания определяют методом стендовых испытаний.

Стенд для испытания двигателей содержит массивный бетонный фундамент с заделанными в него чугунными плитами, вертикальные стойки для закрепления двигателя на фундаментной плите, тормозное устройство для имитации нагрузки двигателя, промежуточный редуктор для согласования характеристик двигателя и тормоза, необходимые приборы для проведения измерений и органы управления двигателем. Стенд оборудуется системами питания двигателя топливом, охлаждения двигателя и отвода отработавших газов.

При испытаниях автотракторных двигателей наибольшее применение находят электрические и гидравлические тормоза.

Выбор тормоза производится по максимальным мощности и числу оборотов. Соответствие тормоза двигателю по мощностным и скоростным данным обычно устанавливают путем наложения внешней скоростной характеристики двигателя на внешнюю характеристику тормоза.

Испытательный стенд должен иметь оборудование для измерения следующих показателей: крутящего момента двигателя с точностью; частоты вращения коленчатого вала; расхода топлива, температуры охлаждающей жидкости; температуры масла; барометрического давления; давления масла; угла опережения зажигания или начала подачи топлива; давления наддува.

Частоту вращения можно измерять приборами двух типов: суммарными счетчиками, фиксирующими число оборотов за определенный отрезок времени, и тахометрами, которые дают текущее значение частоты вращения. В зависимости от принципа действия тахометры могут быть центробежными и электрическими.

Расход топлива определяют с помощью устройств, показывающих объемный или массовый расход. Продолжительность опытов должна быть не менее 30 с.

Расход воздуха замеряют с помощью специального расходомера (воздухомера) или устройств, имеющих на впускном тракте измерительную насадку.

Для определения температуры в зависимости от пределов ее изменения и расположения точки, температуру которой необходимо замерить, применяют следующие приборы; жидкостные термометры, термометры сопротивления, термопары и термометры манометрического типа.

Угол опережения зажигания или начала подачи топлива на стенде определяется с помощью стробоскопического устройства.

Условия стендовых испытаний автомобильных двигателей определяются ГОСТ 14846-81.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию