Тепловой баланс дизельного двигателя

Введение

Тепловым балансом называется распределение теплоты, выделяющейся при сгорании топлива в дизеле на отдельные составляющие, включая как полезно использованную теплоту, так и потери теплоты.
Тепловой баланс определяется, как правило, экспериментальным путем теплобалансовых испытаний головного двигателя на стенде завода.
Актуальность темы реферата заключается в том, что для анализа качества работы тепловых двигателей используется понятие о тепловом балансе, т. е. распределении и использовании внутренней химической энергии, содержащейся в топливе, поступившем в двигатель.
Цель работы – более полное изучение теплового баланса дизельного двигателя.
Для достижения поставленной цели необходимо решить несколько задач: рассмотреть потери энергии в дизельном двигателе, а также распределение теплоты сгорания топлива по данным теплового баланса двигателя.
Структура реферата включает в себя несколько частей: введение, основную часть (две главы), заключение и библиографический список, состоящий из пяти источников литературы.


1. Потери энергии в дизельном двигателе

Все потери энергии при работе дизельного двигателя можно разделить на две большие группы: механические потериитепловые потери.
1.1 Механические потери
К механическим потерям в дизельных двигателях относят:
• потери мощности на трение –составляют большую часть механических потерь. Эти потери вызываются трением во всех сопряженных парах деталей, главными из которых являются поршень с поршневыми кольцами и стенки цилиндра, трение в подшипниках коленчатого вала. К возрастанию механических потерь приводят: увеличение газовых сил с повышением нагрузки; инерционных сил с повышением частоты вращения; ухудшение обработки поверхностей деталей; нарушения в работе систем смазки и охлаждения;
• потери мощности на совершение насосных ходов поршня – определяются сопротивлениями впускных и выпускных клапанов. В двухтактных дизелях с щелевой бесклапанной схемой продувки эти потери отсутствуют;
• потери мощности на привод вспомогательных механизмов– обычно включают затраты мощности на привод агрегатов, без которых невозможна нормальная работа двигателя: водяной, масляный, топливный насосы; регулятор частоты вращения; механизм газораспределения и т.д. Эти потери зависят от конструктивного исполнения ВМ, их совершенства, размеров и технического состояния;
• потери мощности на вентиляцию– учитывают затраты на преодоление трения между движущимися деталями (поршнем, шатунами, коленчатым валом) и воздухом;
• потери мощности на механический привод компрессора– присутствуют только в двигателях с подключенными турбокомпрессорами, приводимыми во вращение от коленчатого вала самого дизеля. Эти потери зависят от размеров и типа компрессора.1
В общем случае механические потери представляют собой сумму:
Nмех = Nтр + Nнас + Nвм + Nвент + Nк (1.1)
1.2 Тепловые потери
К тепловым потерям в дизельных двигателях относят:
• теплоту, отводимую в охлаждающую среду. Эта потеря состоит из суммы теплоты, отводимой в воду, и в смазочное масло и зависят, в свою очередь, от разности температур масла и воды на входе в двигатель и на выходе из двигателя, теплоемкости жидкостей (масла и воды), и расхода охлаждающих сред. Теплота, отводимая в охлаждающую среду, состоит их теплоты, отданной рабочим телом, и теплоты, эквивалентной работе трения. Теплота, израсходованная на потери трения, переходит в основном в охлаждающую жидкость: теплота трения поршня о цилиндр – в охлаждающую воду, а теплота трения подшипников – в смазочное масло. Теплоту трения не включают в тепловой баланс дизеля, кроме доли теплоты трения, не перешедшей в охлаждающую среду (учитывается остаточным членом баланса).
• теплоту с уходящими газами–

. Эта потеря определяется как разность энтальпий уходящих из двигателя выхлопных газов и поступающего в цилиндр свежего заряда воздуха.2


2. Распределение теплоты сгорания топлива по данным теплового баланса двигателя

Для того чтобы повысить эффективность системы охлаждения, необходимо определить количество теплоты, поступающей в охлаждающую жидкость дизеля при сгорании топлива. Решение поставленной задачи непосредственно определяется распределением располагаемой теплоты сгорания топлива по составляющим (Рисунок 2.1), которое называется тепловым балансом дизеля.


Рисунок 2.1 - Блок-схема распределения теплоты сгорания топлива в дизеле


Он характеризует полезное использование теплоты на совершение работы и составляющие потери.
Уравнение теплового баланса:
Y = (X1 + X2 +…+ Xn). (2.1)
Каждая из составляющих относительно Y:
qx1 = и т.д. (2.2)
Сумма относительных составляющих:
qx1 + qx2 + qx3 +…+ qxn. (2.3)
Тепловой баланс дизеля^
Qт = Qe + Qv + Qм + Qг + Qост (2.4)
где От — количество теплоты, образующейся при сгорании топлива, кДж/с; Qе, — количество теплоты, эквивалентной эффективной мощности, кДж/e; Qy — количество теплоты, поступающей в систему охлаждения, кДж/e; QM — количество теплоты, поступающей в систему смазки, кДж/e; Qт,. — количество теплоты, уносимой отработавшими газами, кДж/e; Qост — остаточный член теплового баланса, кДж/с.3
Полное количество теплоты, выделяющейся при сгорании топлива в двигателе, рассчитывается по формуле (2.5), после согласования величин запишется в виде:
QT = 2,8·10-7· HTgeNe кДж/c (2.5)
Исходя из того что для дизельного топлива Нг = 42 700 кДж/кг, полная тепловая энергия сгоревшего топлива дизеля:
QT = 0,012· geNe кДж/c (2.6)
В полезную эффективную работу превращается только часть энергии сжигаемого в двигателе топлива. Оставшаяся часть распределяется согласно составляющим теплового баланса.
При составлении теплового баланса в относительных единицах полная теплота сгоревшего топлива принимается за единицу или за 100 %.
В полезную эффективную работу превращается только часть теплоты сгорания топлива Q.
В относительных единицах полезно используемая теплота характеризуется отношением:
qe = или в процентах ·100 % (2.7)
Количество теплоты, поступающей в охлаждающую жидкость системы охлаждения:
Qv = GvCpvρv·(Tv2 – Tv1) (2.8)
где Gv — расход охлаждающей жидкости, м3/с; СPV — средняя теплоемкость охлаждающей жидкости, кДж/(кг • К); Рv — плотность охлаждающей жидкости, кг/м3.
Эта теплота выражается также в относительных единицах:
Qv = (2.9)
В тракторных дизелях теплопередача в охлаждающую жидкость составляет 20...25 % от полной теплоты сгорания топлива. Это количество теплоты от горячих газов сгоревшего топлива поступает через стенки цилиндров в охлаждающую жидкость. В дизеле имеется вторичный источник теплоты — работа трения элементов дизеля (поршень — гильза, вкладыши — валы, подшипники и т.д.), на которую затрачивается часть энергии введенного топлива. Принимается, что составляющие теплоты трения при работе дизеля переходят в теплоту, поступающую в охлаждающую жидкость и масло. При снятии теплового баланса теплота трения отдельно не выделяется. Теплота системы охлаждения составляет неустранимые потери, по мнению некоторых авторов, в эту составляющую входит незначительная доля тепловых потерь действительного цикла.
Потери теплоты в масло QM — отдельная составляющая в тепловом балансе дизелей, у которых охлаждение масла осуществляется воздушно-масляным радиатором