Внешний тепловой баланс двигателя внутреннего сгорания

2.1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Ознакомление с направлениями использования теплоты в двигателях внутреннего сгорания, принципами проведения теплобалансовых испытаний, численное определение значений уравнения теплового баланса двигателя лабораторной установки.

2.2. ВНЕШНИЙ ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
Современный двигатель является комбинированным тепловым двигателем, состоящим из поршневого двигателя внутреннего сгорания, газовой турбины, компрессора и целого ряда устройств для подвода и отвода теплоты, объединенных общим рабочим телом, совершающим единый рабочий цикл.
Рабочим телом единого рабочего цикла дизеля являются продукты сгорания, образующиеся в результате реакций окисления топлива.
Таким образом, дизель - это такой тепловой двигатель, в цилиндре которого происходят процессы сгорания топлива с выделением теплоты и преобразования тепловой энергии в механическую.
Основными отличиями дизеля являются:
- высокая степень сжатия;
- работа на тяжелом жидком топливе;
- внутреннее смесеобразование, т.е. раздельное поступление в цилиндр топлива и воздуха;
- самовоспламенение топлива от сжатия.
Дизельные двигатели нашли наибольшее распространение на тепловозах и в судовых тепловых установках.
Другой наиболее распространенный тип двигателя внутреннего сгорания - карбюраторный. Основные отличия этого теплового двигателя:
- низкая степень сжатия воздуха;
- работа на легком жидком топливе;
- внешнее смесеобразование, т.е. рабочая смесь паров топлива и воздуха образуется в карбюраторе, за пределами цилиндра;
- принудительное воспламенение рабочей смеси.
Карбюраторные двигатели преимущественно используются на автомобильном транспорте.
Тепловая энергия, выделяющаяся при сгорании топлива в цилиндрах двигателя, лишь частично используется для совершения эффективной работы. Значительная часть тепла теряется с выпускными газами, охлаждающей водой и смазочным маслом, вследствие неполноты сгорания и др.
Внешним тепловым балансом двигателя внутреннего сгорания называется распределение теплоты, выделяющейся при сгорании топлива в камере сгорания, на отдельные составляющие, включающие как полезно используемую теплоту, так и потери теплоты.
Тепловой баланс можно определять на различных режимах работы двигателя. Это позволяет выяснить, как изменяются тепловые потери при изменении нагрузки и числа оборотов. Тем самым появляется возможность оценить характер изменения экономичности в зависимости от режима работы двигателя.
Во всех случаях тепловой баланс определяется только на установившихся режимах работы двигателя, когда с течением времени не изменяются температуры охлаждающей воды, смазочного масла и выпускных газов, нагрузка и частота вращения коленчатого двигателя.
Для проведения испытаний используется лабораторная установка, схема которой представлена на рис. 2.1.

Рис. 2.1. Схема лабораторной установки: 1 - впускной коллектор; 2 - термометр воздуха, поступающего в дизель; 3 - подводы охлаждающей воды; 4 - термометр охлаждающей воды на входе в дизель; 5 - бачок для определения расхода топлива; 6 - дизель; 7 - выпускной коллектор; 8 - термометр выпускных газов; 9 - отвод охлаждающей воды; 10 - термометр охлаждающей воды на выходе из дизеля; 11 - амперметр генератора; 12 - вольтметр генератора; 13 - бачок охлаждающей воды; 14 - весы для замера расхода охлаждающей воды; 15 - генератор постоянного тока

Целью лабораторной работы является овладение методикой расчета составляющих внешнего теплового баланса на основе проведения испытаний двигателя внутреннего сгорания, овладение навыками пользования измерительной аппаратурой и обработки опытных данных.

2.3. РАСЧЕТ ВНЕШНЕГО ТЕПЛОВОГО БАЛАНСА
Внешним тепловым балансом ДВС является распределение общего количества теплоты, внесенной в цилиндр на основные составляющие, на которые расходуется подводимая теплота. Обозначим общее количество теплоты, внесенной в цилиндр за час, , а сумму расходных составляющих , тогда уравнение внешнего теплового баланса будет иметь вид

(2.1)

или , (2.2)

где – общее количество располагаемой теплоты топлива; – количество физической теплоты, внесенной топливом в цилиндр; – количество физической теплоты, внесенной воздухом; – количество теплоты, преобразованной в эффективную мощность дизеля.

При проведении лабораторной работы величинами и можно пренебречь ввиду их малости:

, (2.3)

где В – часовой расход топлива, кг/ч; Н_и – теплота сгорания дизельного топлива, Н_и = 42700 кДж/кг;

, (2.)

где – эффективная мощность дизеля, кВт.

Во время испытаний , кВт, определяется по выходным параметрам генератора, который приводится в действие дизелем:

(2.5)

где I – сила тока, А; V – напряжение, В; = 0,9 – КПД генератора.

– количество теплоты, которое уносится выпускными газами:

, (2.6)

где – количество выпускных газов, кг/ч; – теплоемкость выпускных газов, кДж/кг  С; – температура выпускных газов,  С.

Для расчетов можно принять  1,05–1,08 кДж/кг  С.

Количество выпускных газов можно определить по уравнению

(2.7)

или

, (2.8)

где – количество воздуха, поступившего в цилиндр дизеля; – коэффициент избытка воздуха или воздушно-топливное отношение, = 1,7; – коэффициент продувки, = 1,05 – 1,15; – молекулярная масса выпускных газов воздуха, = 28,95 кг/кмоль; – теоретически необходимое количество воздуха для полного сгорания 1 кг топлива. Для дизельного топлива, имеющего следующий элементарный состав:

С = 0,87; Н₂ = 0,126; О = 0,004, величина = 0,5 кмоль/кг.

может быть определено экспериментально с использованием расходомерного устройства.

– количество теплоты, уносимое охлаждающей водой:

, (2.9)

где – количество охлаждающей воды, кг; – теплоемкость охлаждающей воды, кДж/кг С, = 4,2 кДж/кг  С; , – температура охлаждающей воды соответственно на входе и выходе из дизеля.

– остаточный член управления типового баланса, включающий неучтенные в эксперименте потери теплоты:

.

2.4. ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

Время проведения испытаний, устанавливается преподавателем. Для записи показателей измерительных приборов и других операций составляют табл. 2.1.

Таблица 2.1

Результаты измерений

№ замера	, кг	, кг	, °С	, ° С	I, А	V, В	, ° С	, кВт	, кг/ч
среднее значение

Для подсчета часового расхода, кг/ч, используется выражение

, (2.10)

где – расход топлива за время в минутах.

Аналогично рассчитывается .

После выполнения расчетов, указанных в п. 2.4, уравнение теплового баланса можно представить в таком виде:

, (2.11)

, (2.12)

, (2.13)

где – относительная доля теплоты, перешедшая в эффективную мощность, , т.е. это есть эффективный КПД; – относительная доля теплоты, унесенная выпускными газами; – относительная доля теплоты, перешедшая в охлаждающую воду; – относительная доля невязки баланса.

На основе анализа полученных данных после выполнения лабораторной работы необходимо сравнить их с данными современных тепловозных дизелей.

Характеристики жидких топлив для двигателей внутреннего сгорания

Топливо	Элементарный состав (средний) 1 кг топлива, кг	Молекулярная масса, mT, Кг/кмоль	Низшая теплота сгорания, hu, MДж/кг
С	Н	0Т
Автомобильные бензины Дизельное	0.755   0.830	0.245   0.166	–   0.004	110–120   180–200

N= 250 кВт N=B Q_н

Для аналитических расчетов теплоты сгорания всех видов твердых и жидких топлив наибольшее применение имеют формулы Д.И. Менделеева (1897г):

Q^P_Н = 339,13 ⋅ %C^Р + 1029,95 ⋅ %H^Р – 108,86 (%О^Р - %S^Р) –25,12 ⋅ %W^Р, кДж/кг

Выразим расход кислорода, необходимого для полного горения 1 кг жидкого топлива в м³/кг, с учетом кислорода топлива:

, м³.

В это выражение состав топлива подставляют в %. Чтобы получить размерность расхода кислорода в м³/кг топлива перед скобкой ставят сомножитель 0.01.

Теоретический расход сухого воздуха для полного горения 1 кг топлива

,м³.

Состав и количество продуктов сгорания жидкого топлива.

Из уравнений реакций горения мазута в продуктах полного горения содержатся , водяной пар и азот. При горении 1 к∙моля Собразуется 1 к∙моль СО₂ ,объем которого 22.4 м³. Поэтому на 1 кг С образуется . При горении 1 кг серы S – 0.7 м³SO₂ (22.4:32). Объем

, м³.

Определим количество влаги в продуктах сгорания. Влага вносится с топливом W^P и с воздухом. В случае, если мазут распыливается паром, в продукты сгорания вносится влага, затраченная на распыление мазута W^Ф. На распыление 1 кг мазута затрачивают 1.24 м³ пара (22.4/18). Если в воздухе содержится g г/м³ пара, то количество влаги, вносимое с воздухом,

, м³.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Что называется внешним тепловым балансом?
2. Какие составные части теплового баланса вы знаете?
3. В каких пределах измеряется относительная доля теплоты, уносимая выпускными газами?
4. Чему равен эффективный КПД дизеля?
5. Чему равна относительная доля теплоты, уносимая охлаждающей водой?
6. Чему равна теплота сгорания дизельного топлива?
7. Какие величины измеряются при проведении лабораторной работы?
8. Как подсчитать количество теплоты, вносимой в цилиндр топливом?
9.Как определить мощность дизеля?
10. Как подсчитать количество теплоты, уносимой выпускными газами?
11. Как подсчитать теплоту, уносимую охлаждающей водой?