8. 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.

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

Уравнение теплового баланса:

Q = Q_е + Q_охл + Q_Г + Q_нс + Q_{ост ,}

где Q – теплота сгорания топлива, поступившего в двигатель;

Q_е – теплота, эквивалентная эффективной работе двигателя;

Q_охл – теплота, переданная в охлаждающую среду через стенки цилиндра;

Q_Г – теплота, уносимая с отработавшими газами;

Q_нс – потери теплоты вследствие неполноты сгорания топлива;

Q_ост – остальные, не учтенные ранее тепловые потери.

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

100% = q_е + q_охл + q_Г + q_нс + q_{ост ,}

где q_е = (Q_е / Q) 100% , q_охл = (Q_охл / Q) 100% и т.д.

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

Q = G_Т H_u.

Количество теплоты Q_е (кДж/ч), эквивалентное эффективной мощности двигателя N_e (кВт):

Q_е = 3600 N_e.

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

Q_охл = G_охл с_охл (T₂ – T₁ ),

где с_охл – теплоемкость охладителя, кДж/(кг К).

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

Q_Г = G_см (c^′′_p T_Г – c_p T_см ),

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

c_p  – 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:

Q_нс = 61500 G_Т (1 – α).

Остальные теплопотери Q_ост = Q – (Q_е + Q_охл + Q_Г + Q_нс ) 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) ).

Рис. 14.1

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.

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.