|
|
В теории двигателестроения много внимания уделяется газообмену и распределению тепла в процессе работы ДВС. Немаловажный аспект в понимании работы – тепловой баланс двигателя. 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). 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 Если говорить о процентном выражении, то Q – 100% полученного тепла. Процентное соотношение общего количества тепла к каждому виду потерь можно получить по формуле: (QHp = Q) 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. 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. Можно выделить 3 основные способа потери полезной энергии: 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. autolirika.ru Из всего подводимого к двигателю тепла Q1 превращается в полезную работу только часть этого тепла Qе = АLе = ?еQ1.
Остальное тепло в количестве Q1 (1 — ?е) ккал уходит из двигателя в виде различных теплопотерь. Распределение количества затрачиваемой теплоты на полезную работу и на отдельные составляющие соответственно различным потерям, имеющимся в двигателе, называют тепловым балансом двигателя. Если вести подсчет для количества тепла, которое может быть выделено при сжигании 1 кг (нм)3 израсходованного топлива, т. e. по рабочей теплотворности, то тепловой баланс можно представить так: QHp = Qe + Qгаз +Qвод + Qхим + Qост, ккал/кг (ккал/м3), (II, 52) где Qe — количество тепла, преобразованное в эффективную работу, — полезное тепло; Qгаз — потеря с отходящими газами, т. е. физическое тепло выбрасываемых газов; Qвод — потеря охлаждения — тепло, которое уносится водой или воздухом, охлаждающим цилиндр двигателя; Qхим — потеря от химической неполноты сгорания; Qост — прочие потери — остаточный член баланса, в который частично входят потери на трение и в окружающую среду. При определении величин теплового баланса в процентах выражение (II, 52) примет вид 100% = qe + qгаз +qвод + qхим + qост. (II, 53) Здесь каждое слагаемое в правой части равенства представляет собой количество теплоты в процентах от всей располагаемой теплоты QHp т. е. В табл. 10 приведены средние значения отдельных составляющих теплового баланса, выраженные в процентах от теплоты, введенной с топливом. Тепловой баланс для определенного двигателя не является неизменным. По мере уменьшения нагрузки qе уменьшается (а при холостом ходе падает до нуля), qвод и в особенности qгаз растет; так же растет qост— вследствие большого относительного значения потерь на трение и в окружающую среду при малых нагрузках. vdvizhke.ru В теории двигателестроения много внимания уделяется газообмену и распределению тепла в процессе работы ДВС. Немаловажный аспект в понимании работы – тепловой баланс двигателя. 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). 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 Если говорить о процентном выражении, то Q – 100% полученного тепла. Процентное соотношение общего количества тепла к каждому виду потерь можно получить по формуле: (QHp = Q) 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. 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. Можно выделить 3 основные способа потери полезной энергии: 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. neauto.ru Каждому автовладельцу известен такой термин, как тепловой баланс двигателя внутреннего сгорания. Но что конкретно несёт в себе это понятие, как измеряется и на каких принципах основано? Об этом и пойдёт речь сегодня. Не все до конца понимают, что такое тепловой баланс двигателя Если бы можно было приостановить действие некоторых законов физики, человечество уже давно достигло пика своего развития. Но к сожалению, это невозможно. Нам остаётся только использовать их, стараясь извлечь при этом максимальную пользу. С одним из таких «неудобных» законов напрямую связан низкий КПД силовых агрегатов автомобиля. Что же не позволяет нам развивать немыслимую скорость на своих авто? Какие попытки предпринимаются для преодоления этого препятствия? Сейчас мы с вами выясним. Принципы термодинамики — это основа работы всех двигателей внутреннего сгорания. Один из них гласит, что при сгорании топлива часть выделяемого тепла в любом случае поглощается средой происхождения реакции. Видео о том, как работает ДВС: В нашем случае средой является сам двигатель и его системы. Лишь от 20 до 40 процентов вырабатываемой здесь тепловой энергии используется для работы мотора. Остальное утрачено безвозвратно. Но куда девается львиная доля энергии? Давайте разбираться по порядку. Итак, тепловой баланс двигателя — это разделение расхода полученной энергии на полезную отдачу и растрату впустую. Неизменным здесь является равенство или же баланс между полученной энергией тепла и её расходом. Что такое полезная отдача, все мы понимаем. Это движение автомобиля. О расходе впустую — читаем дальше. Существует несколько причин бесполезной растраты энергии тепла. Вот так мы их сформулируем: Количественный показатель этих статей растраты величина непостоянная. А от чего он зависит, мы рассмотрим в следующем разделе. Количество растраты зависит от многих факторов. Вот основные из них: Скорость автомобиля может влиять на растраты энергии Здесь стоит также отметить, что теплопотеря дизельного агрегата, ниже чем у карбюраторного на 10–12%. Измерения ведутся в абсолютных единицах теплопередачи или в процентном соотношении количества полученного тепла к его бесполезной растрате. Всё это принимается во внимание при расчётах, что позволяет достичь извлечения максимальной пользы от горения топлива. Конечно, при таком раскладе, потеря энергии всё ещё остаётся огромной. Но в отрасли постоянно ведутся работы по улучшению результата. Внедряются инновационные методы разработки двигателей внутреннего сгорания. Например, турбонаддувная установка, использующая давление горячих газов из выхлопа. Принцип её работы заключается в том, что выхлопные газы приводят в действие турбину, вращающую лопасти нагнетателя, обогащающего компонента внутрь цилиндров двигателя. Ещё тепло, поглощённое охлаждающей системой, используется для обогрева салона автомобиля. Горячая вода из радиатора подаётся по нагревательным элементам печки. Мы выяснили, что такое тепловой баланс двигателя и какие есть потери энергии тепла. Вывод отсюда следующий — существующие на сегодняшний день двигатели внутреннего сгорания далеки от совершенства. Но разработчики не сидят сложа руки, ведутся постоянные поиски способа обернуть потерю в пользу. И нам остаётся только пожелать им удачи. Внизу можно высказываться по теме. Ждём ваших комментариев. До скорых встреч! 365cars.ru Общее количество тепловой энергии, которое вводится в двигатель с топливом и определяется по низшей теплотворной способности последнего, не используется в двигателе полностью. В лучшем случае только 20…43% от всей располагаемой теплоты превращается в полезную эффективную работу, остальная же часть не используется, уходя в окружающую среду с отработавшими газами и пр. Внешний тепловой баланс оценивает характер и величину потерь теплоты в двигателе на эксплуатационных режимах работы и дает возможность принять необходимые меры для снижения отдельных составляющих потерь теплоты; оценить теплонапряженность наиболее нагретых узлов и деталей; установить целесообразность использования теряемой теплоты в целях повышения КПД двигателя. Тепловой баланс выражают в абсолютных единицах Q, кДж/ч, удельный q, кДж/ч, либо относительных (в процентах к количеству подводимой теплоты). На практике чаще всего пользуются удельным и относительным балансами теплоты. Запишем уравнение теплового баланса qт=qe+qохл+qг+qост, где qт - располагаемая теплота сгоревшего топлива; qe – теплота, эквивалентная эффективной работе двигателя; qохл – теплота, отводимая в охлаждающую среду; qг – теплота, отводимая с выпускными газами; qост – остаточный член баланса (невязка баланса), равный сумме неучтенных потерь. Располагаемую теплоту определяют по эффективному удельному расходу топлива ge,кг/кВт.ч и низшей теплоте сгорания топлива Qн , кДж/кг. Qт=geQн . Теплота, эквивалентная эффективной работе, равна Qe=3600Ne кДж/кг. Отношение Qe/Qт равно эффективному КПД двигателя ηе . Теплота, отводимая в охлаждающую среду, равна Qохл=Qв+Qм= , где Qв – теплота, отводимая в воду; Qм – теплота, отводимая в масло; Gохл– расход жидкости, кг/ч; с – теплоемкость жидкости, кДж/(кг∙оС). Теплота, отводимая в охлаждающую среду, состоит из теплоты, отданной рабочим телом и теплоты, эквивалентной работе трения двигателя. Теплота, израсходованная на потери трения, переходит в основном, в охлаждающую жидкость; теплота трения поршня и поршневых колец отводится через втулку цилиндра в воду, а теплота от трения в подшипниках уносится маслом. Теплоту трения не включают в тепловой баланс, кроме доли трения, не перешедшей в охлаждающую среду (учитывается остаточным членом баланса). Теплота, отводимая выпускными газами, Qг определяется, как разность энтальпий газов и поступающего в цилиндр свежего заряда. Qг=Mge Потери теплоты из-за не полного сгорания топлива незначительны и включаются в остаточный член теплового баланса. Остаточный член теплового баланса qост определяется как разность qост=qт-(qe+qохл+qг) и включает потери теплоты, эквивалентные неполному сгоранию топлива qн.сг., потерям на трение, не перешедшим в охлаждающую среду, кинетической энергии газов, qк.э. (если она не используется), лучеиспусканию двигателя в окружающую среду qл , сумме ошибок от неточности измерения и неучтенных потерь теплоты. ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ 1. Что такое среднее индикаторное и эффективное давления и как они определяются? 2. Что такое механические потери, их источники и составляющие? 3. Как определяется эффективная мощность? 4. Что такое тепловой баланс? 5. Перечислите состав системы питания карбюраторного двигателя. 6. Как осуществляется непосредственный впрыск бензина? 7. Перечислите состав топливной системы дизеля. 8. Перечислите методы повышения мощности двигателя. 9. Для каких целей служит наддув двигателей? 10. Назовите основные конструктивные элементы турбокомпрессора. studfiles.net Cтраница 1 Тепловой баланс двигателя изменяется в зависимости от его конструкции и режима работы. [2] Тепловой баланс двигателя ( табл. 5) заранее не может быть точно определен с помощью аналитических расчетов. Вследствие этого его обычно определяют экспериментальным путем, испытывая двигатель в лаборатории на специально оборудованном стенде. [3] Тепловой баланс двигателя выражают также в процентах. [4] Тепловой баланс двигателя показывает распределение тепла, выделяемого при сгорании топлива. [5] Тепловой баланс двигателя зависит от ряда факторов, среди: которых наибольшее значение имеет нагрузка. С ростом нагрузки возрастает процент тепла, превращенного в полезную работу, и уменьшаются относительные потери на трение и с охлаждающей водой. Как видно из теплового баланса, наиболее значительная часть тепла ( 60 - 70 %) теряется с отработавшими газами и с охлаждающей водой. Экономичность силовой установки может быть значительно увеличена путем уменьшения тепловых потерь. [6] Тепловой баланс двигателя ( табл. 2) показывает, на что расходуется теплота, выделяющаяся при сгорании топлива. [8] Тепловой баланс двигателя ( табл. 5) заранее не может быть точно определен с помощью аналитических расчетов. Вследствие этого его обычно определяют экспериментальным путем, испытывая двигатель в лаборатории на специально оборудованном стенде. [9] Тепловой баланс двигателя определяется экспериментально или рассчитывается на основании данных расчета рабочего цикла двигателя и расчета теплопередачи. [10] Тепловой баланс двигателя определяется на основании данных опытов при испытании двигателя. Однако и в этом случае часть тепловых потерь не поддается учету. [12] Тепловой баланс бес-компрессорного двигателя мощностью 65 л. с. в зависимости от его нагрузки показан в виде диаграммы а рис. 14 - IV. Из этой диаграммы видно, что при полной нагрузке двигателя 32 % подведенного к нему тепла, превращается в работу, около 5 % составляют потери на трение и в окружающую среду, 33 % тепла1 теряется с охлаждающей водой и 30 % с отходящими газами. На рис. 15 - IV графически изображен тепловой баланс компрессорного двигателя. [13] Тепловой баланс двигателя внутреннего сгорания представляет распределение энергии, внесенной в двигатель топливом в виде теплотворной способности, на полезно использованную теплоту и различные потери. [14] Страницы: 1 2 3 www.ngpedia.ru Общее количество теплоты, введенной в двигатель: Q0 = Нu*Gт/3,6= 44000*17,9/3,6 = 218778 Дж/с; Теплота, эквивалентная эффективной работе за 1 с: Qе=1000*Ne=1000*65,2=65200 Дж/с Теплота, передаваемая охлаждающей среде: Qв=c*i*D1+2m*nm*(Нu-Hu)/(*Hu) = = 0,48*4*81+2*0,65*54000,65*(44000-7442)/(0,88*44000) = 57745 Дж/с где с = (0,450,53) – коэффициент пропорциональности; i= 4 – число цилиндров; D– диаметр цилиндра, см; m= (0,60,7) – показатель степени; n= 5400 об/мин – частота вращения коленчатого вала. Теплота, унесённая с отработавшими газами: где табл.3.8. [1]. при = 0,95 иtr=Tr–273 = 1000 –273 = 727C где табл. 3.6. [1] (воздух) при tк=T0– 273 = 288 – 273 = 15C Неучтённые потери теплоты: Qост=Qо-( Qе+Qr+Qв) = 218778 - (65200 + 59319 + 57745) = 36514 Дж/с. Для построения внешней скоростной характеристики двигателя принимаем: nmin= 800 об/мин – минимальная частота вращения коленчатого вала; nн= 5100 об/мин – номинальная частота вращения коленчатого вала; nmax= (1,05…1,2)*nн= 1,1*5800 =5670…6480 об/мин = 6000 об/мин – максимальная частота вращения коленчатого вала. Расчет эффективной мощности ведем по формуле Ne= 65,2 кВт Удельный эффективный расход топлива определим по формуле geH= 274 г/(кВт*ч) Часовой расход топлива Gт=geх*Neх*10-3кг/ч Эффективный крутящий момент Me= 9554*Nex/nx Расчеты сводим в таблицу 6. Таблица 6 Расчет внешней характеристики двигателя Частота вращения коленчатого вала, n, об/мин 7500 11000 21500 32500 43500 54500 65500 6000 Эффективная мощность двигателя, Ne, кВт 16,5 113,9 321,7 437,7 651,9 761,9 764,2 63,5 Удельный эффективный расход топлива, ge, г/(кВт*ч) 2300 2277 2259 2235 2231 2245 2278 2302 Часовой расход топлива, Gт, кг/ч 21,95 43,85 75,62 18.86 111,99 115 218 19,2 Крутящий эффективный момент, Ме, Н*м 1124 1133 1138 1144 1142 1131 1112 101 Радиус кривошипа R=S/2 = 60/2 = 30 мм Принимаем =R/Lш=0,25 Длина шатуна Lш=R/0,25 = 30/0,25 = 120 мм Перемещение поршня определим по формуле Скорость поршня определим по формуле = *nH/30 =*5400/30 = 565 рад/с Ускорение поршня jп = 2*R*[cos*cos(2*)] = 11173*[cos+0,25*cos(2*)] Расчеты сводим в таблицу 7. Таблица 7 Угол поворота кривошипа от В.М.Т., град 0 30 660 990 1120 1150 1180 2210 2240 2270 3300 3330 3360 Перемещение поршня, Sп, мм 0 55,8 220,8 339,4 555,8 666,4 770 666,4 55,8 339,4 220,8 55,8 0 Скорость поршня, п, м/с 0 12,04 219,3 219,8 114,9 87,7 0 --7,7 --14,9 --19,8 --19,3 --12,04 0 Ускорение поршня, jп, м/с2 113966 11072 44190 --2793 --6983 --8279 --8380 --8279 --6983 --2793 44190 111072 139662 studfiles.netКак рассчитывается тепловой баланс ДВС. Тепловой баланс двигателя
Тепловой баланс двигателя автомобиля: уровнение, формула КПД
Базовые понятия
Уравнение
Эффективность двигателя внутреннего сгорания
Борьба с потерями
Тепловой баланс двигателя
Тепловой баланс двигателя машины: уравнение, формула!
БАЗОВЫЕ ПОНЯТИЯ
УРАВНЕНИЕ
ЭФФЕКТИВНОСТЬ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
БОРЬБА С ПОТЕРЯМИ
Тепловой баланс двигателя — что это такое?
Почему я не сокол, отчего не летаю
Формулировка понятия тепловой баланс
Причины утраты
Как рассчитывают потери
Извлечение пользы из потери
Подведение итога
Тепловой баланс двигателя
Тепловой баланс - двигатель - Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 1
Тепловой баланс - двигатель
Тепловой баланс двигателя
2. Построение внешней скоростной характеристики двигателя
3.Кинематический расчет