Тепловой баланс двигателя автомобиля: уровнение, формула кпд

В этой статье разобраны задачи на КПД тепловой машины. Статья пригодится как школьникам 8-го, так и школьникам 11-го классов при подготовке к ЕГЭ по физике.

Задача 1. На спир­тов­ке на­гре­ва­ют воду. Взяли 175 г  воды и на­гре­ли от С до С. При этом масса спир­тов­ки умень­ши­лась с 163 г до 157 г. Найти КПД теп­ло­вой уста­нов­ки.

  • Запишем формулу, по которой определяется КПД:
  •     Тепловой баланс двигателя автомобиля: уровнение, формула КПД
  • Определим «полезное» тепло. Это то тепло, которое пошло на нагрев воды ( Дж/(кг К) – удельная теплоемкость воды, табличная величина):
  •     Тепловой баланс двигателя автомобиля: уровнение, формула КПД
  • Теперь определим, сколько энергии было на это потрачено. Эта энергия выделилась при сгорании спирта ( Дж/кг – удельная теплота сгорания спирта, табличная величина):
  •     Тепловой баланс двигателя автомобиля: уровнение, формула КПД
  • Определяем КПД:
  •     Тепловой баланс двигателя автомобиля: уровнение, формула КПД
  • Ответ: 27 %

Задача 2. Теп­ло­вой дви­га­тель со­вер­шил по­лез­ную ра­бо­ту 23000 кДж и из­рас­хо­до­вал при этом 2 кг бен­зи­на. Найти КПД теп­ло­во­го дви­га­те­ля.

  1. Задача эта похожа на предыдущую, только проще. Здесь уже определена полезная работа, поэтому нам осталось определить затраченную (сколько джоулей получили при сгорании бензина):
  2.     Тепловой баланс двигателя автомобиля: уровнение, формула КПД
  3. Удельную теплоту сгорания бензина посмотрим в таблице – она равна 46 МДж/кг, поэтому
  4.     Тепловой баланс двигателя автомобиля: уровнение, формула КПД
  5. Определяем КПД:
  6.     Тепловой баланс двигателя автомобиля: уровнение, формула КПД
  7. Ответ: 25 %

Задача 3. Тепловой двигатель совершает за цикл работу 800 Дж. При этом холодильнику передается количество теплоты 1000 Дж. Определите количество теплоты, получаемое от нагревателя за один цикл и КПД двигателя.

  • КПД двигателя можно найти как отношение работы к полученному количеству теплоты:
  •     Тепловой баланс двигателя автомобиля: уровнение, формула КПД
  • При этом работа, совершенная двигателем, равна разности полученного и отданного количеств теплоты:
  •     Тепловой баланс двигателя автомобиля: уровнение, формула КПД
  • Тогда
  •     Тепловой баланс двигателя автомобиля: уровнение, формула КПД
  • Следовательно, можем найти полученное двигателем количество теплоты:
  • Тогда КПД машины:
  • Ответ: Дж, .

Задача 4. Кпд теплового двигателя равно 40 %. Какое количество теплоты получает этот двигатель от нагревателя за один цикл, если холодильнику при этом передается количество теплоты 400 Дж? Какую работу совершает двигатель за цикл?

  1. КПД двигателя можно найти, как отношение разности полученного и отданного количеств теплоты к полученному количеству теплоты:
  2. Тогда
  3. Следовательно, можем найти полученное двигателем количество теплоты:
  4. Тогда работа машины:
  5. Ответ: Дж, .

Задача 5. Вычислите Кпд теплового двигателя, если количество теплоты, отдаваемое холодильнику в 1,5 раза больше работы, совершенной двигателем за то же время. Найдите отношение количества теплоты, полученного от нагревателя за один цикл, к количеству теплоты, отданному холодильнику.

  • Тогда
  • По условию
  • Откуда
  • Тогда КПД машины:
  • Ответ: , .

Задача 6. Определите Кпд теплового двигателя, если количество теплоты, получаемое рабочим веществом от нагревателя за один цикл,  в 1,6 раза больше количества теплоты, отданного холодильнику за то же время. Какова работа этого двигателя за цикл, если холодильнику было передано количество теплоты 600 Дж?

  1. Тогда
  2. По условию
  3. Тогда КПД машины:
  4. Ответ: Дж, .

Задача 7. Нагревателем тепловой машины является насыщенный водяной пар при температуре С, а холодильником —лед при температуре С. Найдите КПД этой машины, если за один цикл ее работы конденсируется 10 г пара в нагревателе и плавится 50 г льда в холодильнике. Удельная теплота парообразования воды 2,3 МДж/кг, удельная теплота плавления льда 340 кДж/кг.

При конденсации пара выделяется теплота. Это количество теплоты, полученное тепловым двигателем. Таяние льда, наоборот, требует передачи льду теплоты. Это – отданное машиной тепло. Найдем обе эти составляющие.

  • Тогда КПД машины
  • Ответ: .

Задача 8.Вычислите Кпд теплового двигателя, если количество теплоты, отдаваемое холодильнику,  в 1,2 раза больше работы, совершенной двигателем за то же время. Найдите отношение количества теплоты, полученного от нагревателя за один цикл, к количеству теплоты, отданному холодильнику.

Предлагаю вам решить эту задачу самостоятельно, потому что ее решение – точно такое же, как у задачи 5. Приведу только ответ: 45%.

Задача 9. Определите Кпд теплового двигателя, если количество теплоты, получаемое рабочим веществом от нагревателя за один цикл, в 1,4 раза больше количества теплоты, отданного холодильнику за то же время. Какова работа этого двигателя за цикл, если холодильнику было передано количество теплоты 600 Дж?

Предлагаю вам решить эту задачу самостоятельно, потому что ее решение простое, похоже на задачу 6. Приведу только ответ: , 240 Дж.

Задача 10.Тепловой двигатель с КПД, равным 20 %,  совершил работу 400 Дж. Какое количество теплоты при этом было передано холодильнику и какое –  получено от нагревателя?

  1. При этом работа, совершенная двигателем, равна разности полученного и отданного количеств теплоты:
  2. Тогда
  3. Следовательно, можем найти отданное двигателем количество теплоты:
  4. Ответ:
  5. Дж, Дж.

Задача 11. Существует некая цепочка из 5-ти двигателей, КПД каждого из которых 90%. 1-й двигатель получает от нагревателя 2 кДж, а все последующие двигатели потребляют полезную работу предыдущего. Будет ли такая цепочка эффективнее, чем один двигатель с КПД 60%, получающий то же количество теплоты от нагревателя?

  • Рассчитаем полезную работу первого двигателя:
  • Теперь рассчитаем работу цепочки двигателей.
  • Первый:
  • Второй:
  • Третий:
  • Четвертый:
  • Пятый:
  • Ответ: нет, не будет: Дж.

Источник: https://easy-physic.ru/kpd-teplovogo-dvigatelya/

Тепловой баланс двигателя машины: уравнение, формула!

Тепловой баланс двигателя автомобиля: уровнение, формула КПД

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).

УРАВНЕНИЕ

Тепловой баланс двигателя автомобиля: уровнение, формула КПД

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.
  • Qост – остаточные потери, не учтенные в остальных пунктах.
  • Qм – передавая смазочным материалам теплота.

Тепловой баланс двигателя автомобиля: уровнение, формула КПД 

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

Тепловой баланс двигателя автомобиля: уровнение, формула КПД

(QHp = Q)

Тепловой баланс двигателя автомобиля: уровнение, формула КПДЭФФЕКТИВНОСТЬ 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.

Тепловой баланс двигателя автомобиля: уровнение, формула КПД

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%).

Тепловой баланс двигателя автомобиля: уровнение, формула КПДСуществует 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.

Источник: https://neauto.ru/kak-rasschityvaetsja-teplovoj-balans-dvs/

Тепловой баланс двигателя

Из всего количества располагаемого тепла топлива, вводимого в двигатель для сгорания, часть переходит в полезную работу, а остальная расходуется на тепловые и механические потери.

Уравнение равновесия между теплом топлива, вводимого в дви­гатель для сгорания, и теплом, перешедшим в полезную работу и тепловые потери, называется тепловым балансом двигателя. Тепловой баланс составляют по данным испытания двигателя на установившемся тепловом режиме. Обычно составляют удельный тепловой баланс, т. е. отнесенный к единице эффективной работы в джоулях (или в процентах).

Читайте также:  Как пользоваться толщиномером лакокрасочных покрытий авто, видео

Уравнение удельного теплового баланса имеет вид:

Тепловой баланс двигателя автомобиля: уровнение, формула КПД

где q — расчетное количество тепла, затрачиваемое для получе­ния 1 дж работы; qе — тепло, преобразованное в эффективную работу и равное

Тепловой баланс двигателя автомобиля: уровнение, формула КПД

  • qг — тепло, отводимое отработавшими газами. Оно может быть определено по приближенной формуле
  • Тепловой баланс двигателя автомобиля: уровнение, формула КПД
  • (С и Н — содержание углерода и водорода в 1 кг топлива; СO2 — процентное содержание по объему углекислоты в отработавших газах; Тг и То — температуры отработавших газов и свежего за­ряда, поступающего в цилиндр);
  • qв, qм — тепло, унесенное охлаждающей водой и маслом:

Тепловой баланс двигателя автомобиля: уровнение, формула КПД

(Gв, Gм — расход охлаждающей воды и масла, кг/сек; tву, tму— температуры уходящих воды и масла, °С; tвв, tмв — температуры входящих воды и масла, °С; св, см— средние массовые теплоемкости воды и масла; Ne— эффективная мощность дви­гателя, вт); qт — тепло, эквивалентное работе, затрачиваемой на преодоление сил трения и на привод механизмов:

Тепловой баланс двигателя автомобиля: уровнение, формула КПД

  1. (большая часть тепла qт передается ох­лаждающей воде и маслу, охлаждаю­щему поршень. Тепло, образующееся в подшипниках, передается циркуляци­онному маслу; часть qт путем лучеиспус­кания передается в окружающую среду);
  2. qн и qл — потери тепла от неполноты сгорания топлива и в ок­ружающую среду путем лучеиспускания. Последние три слагаемых теплового баланса qт, qн, qл точному расчету не поддаются, их сумму обозначают qост = qт + qн + qл и называют неувязкой баланса
  3. q = qe + qг + qв + qм + qост.     (159а)

Диаграмма баланса тепла двигателя показана на рис. 212. По опытным данным:

Тепловой баланс двигателя автомобиля: уровнение, формула КПД Тепловой баланс двигателя автомобиля: уровнение, формула КПД

Из приведенных значений следует, что наибольшее количество тепла уносится охлаждающей водой и уходящими газами. По ис­пользованию последних внедряют ряд мероприятий.

Воду, выходящую из двигателей, можно использовать как греющую среду в различных теплообменных аппаратах (подогре­вателях воды, топлива и масла).

Однако эффективность такого использования, несмотря на отсутствие технических трудностей, не­значительна, главным образом из-за низкой температуры подо­грева, которая может быть достигнута только за счет тепла ох­лаждающей ДВС воды.

Задача решается установкой дополнитель­ного парового подогревателя. Все большее распространение на теплоходах получает применение тепла охлаждающей воды в ва­куумных опреснительных установках, где низкий потенциал 'по­зволяет повысить к. п. д. установки на 0,5—0,7%.

Особенно эф­фективно действие тепла охлаждающей воды в замкнутых системах при так называемом горячем охлаждении, когда темпе­ратура воды с использованием повышенного противодавления до­водится до 150° С.

Тепло выпускных газов можно применять в утилизационных котлах. Это дает возможность повысить общий к. п. д. установки на 8—10% и получить пар низкого давления (0,3—0,7 Мн/м2) для бытовых нужд. Полезное использование тепла выпускных газов составляет при 80%-ной нагрузке 1400 дж/(квт?ч) у четырех­тактных и около 820 дж/(квт?ч) у двухтактных двигателей.

Источник: http://vdvizhke.ru/sudovye-dvigateli-vnutrennego-sgoranija/mownost-i-jekonomichnost-dvigatelja/teplovoj-balans-dvigatelja.htm

Тепловой баланс двигателя автомобиля: уровнение, формула КПД

«Физика — 10 класс»

Для решения задач надо воспользоваться известными выражениями для определения КПД тепловых машин и иметь в виду, что выражение (13.17) справедливо только для идеальной тепловой машины.

В котле паровой машины температура 160 °С, а температура холодильника 10 °С. Какую максимальную работу может теоретически совершить машина, если в топке, коэффициент полезного действия которой 60 %, сожжён уголь массой 200 кг с удельной теплотой сгорания 2,9 • 10 7 Дж/кг?

Максимальную работу может совершить идеальная тепловая машина, работающая по циклу Карно, КПД которой η = (Т1 — Т2)/Т1, где Т1 и Т2 — абсолютные температуры нагревателя и холодильника.

Для любой тепловой машины КПД определяется по формуле η = A/Q1, где А — работа, совершаемая тепловой машиной, Q1 — количество теплоты, полученной машиной от нагревателя.

Из условия задачи ясно, что Q1 — это часть количества теплоты, выделившейся при сгорании топлива: Q1 = η1mq.

Тогда откуда А = η1mq(1 — Т2/Т1) = 1,2 • 10 9 Дж.

Паровая машина мощностью N = 14,7 кВт потребляет за 1 ч работы топливо массой m = 8,1 кг, с удельной теплотой сгорания q = 3,3 • 10 7 Дж/кг. Температура котла 200 °С, холодильника 58 °С.

Определите КПД этой машины и сравните его с КПД идеальной тепловой машины.

КПД тепловой машины равен отношению совершённой механической работы А к затраченному количеству теплоты Qlt выделяющейся при сгорании топлива. Количество теплоты Q1 = mq.

  • Совершённая за это же время работа А = Nt.
  • Таким образом, η = A/Q1 = Nt/qm = 0,198, или η ≈ 20%.
  • Для идеальной тепловой машины η
  • Какое максимальное количество теплоты можно забрать от холодильника, совершив механическую работу А?

Поскольку холодильная машина работает по обратному циклу, то для перехода тепла от менее нагретого тела к более нагретому необходимо, чтобы внешние силы совершили положительную работу.

Принципиальная схема холодильной машины: от холодильника отбирается количество теплоты Q2, внешними силами совершается работа и нагревателю передаётся количество теплоты Q1. Следовательно, Q2 = Q1(1 — η), Q1 = A/η.

Окончательно Q2 = (A/η)(1 — η).

Источник: «Физика — 10 класс», 2014, учебник Мякишев, Буховцев, Сотский

Основы термодинамики. Тепловые явления — Физика, учебник для 10 класса — Класс!ная физика

КПД теплового двигателя. Согласно закону сохранения энергии работа, совершаемая двигателем, равна:

Тепловой баланс двигателя автомобиля: уровнение, формула КПД

где — теплота, полученная от нагревателя, — теплота, отданная холодильнику.

Коэффициентом полезного действия теплового двигателя называют отношение работы совершаемой двигателем, к количеству теплоты полученному от нагревателя:

Тепловой баланс двигателя автомобиля: уровнение, формула КПД

Так как у всех двигателей некоторое количество теплоты передается холодильнику, то во всех случаях

Максимальное значение КПД тепловых двигателей. Французский инженер и ученый Сади Карно (1796 1832) в труде «Размышление о движущей силе огня» (1824) поставил цель: выяснить, при каких условиях работа теплового двигателя будет наиболее эффективной, т. е. при каких условиях двигатель будет иметь максимальный КПД.

  1. Карно придумал идеальную тепловую машину с идеальным газом в качестве рабочего тела. Он вычислил КПД этой машины, работающей с нагревателем температуры и холодильником температуры
  2. Главное значение этой формулы состоит в том, как доказал Карно, опираясь на второй закон термодинамики, что любая реальная тепловая машина, работающая с нагревателем температуры и холодильником температуры не может иметь коэффициент полезного действия, превышающий КПД идеальной тепловой машины.

Формула (4.18) дает теоретический предел для максимального значения КПД тепловых двигателей. Она показывает, что тепловой двигатель тем эффективнее, чем выше температура нагревателя и ниже температура холодильника. Лишь при температуре холодильника, равной абсолютному нулю,

Но температура холодильника практически не может быть намного ниже температуры окружающего воздуха. Повышать температуру нагревателя можно. Однако любой материал (твердое тело) обладает ограниченной теплостойкостью, или жаропрочностью. При нагревании он постепенно утрачивает свои упругие свойства, а при достаточно высокой температуре плавится.

Сейчас основные усилия инженеров направлены на повышение КПД двигателей за счет уменьшения трения их частей, потерь топлива вследствие его неполного сгорания и т. д. Реальные возможности для повышения КПД здесь все еще остаются большими. Так, для паровой турбины начальные и конечные температуры пара примерно таковы: При этих температурах максимальное значение КПД равно:

  • Действительное же значение КПД из-за различного рода энергетических потерь равно:
  • Повышение КПД тепловых двигателей, приближение его к максимально возможному — важнейшая техническая задача.
  • Тепловые двигатели и охрана природы. Повсеместное применение тепловых двигателей с целью получения удобной для использования энергии в наибольшей степени, по сравнению со
  • всеми другими видами производственных процессов, связано с воздействием на окружающую среду.

Согласно второму закону термодинамики производство электрической и механической энергии в принципе не может быть осуществлено без отвода в окружающую среду значительных количеств теплоты. Это не может не приводить к постепенному повышению средней температуры на Земле.

Сейчас потребляемая мощность составляет около 1010 кВт. Когда эта мощность достигнет то средняя температура повысится заметным образом (примерно на один градус).

Дальнейшее повышение температуры может создать угрозу таяния ледников и катастрофического повышения уровня мирового океана.

Но этим далеко не исчерпываются негативные последствия применения тепловых двигателей. Топки тепловых электростанций, двигатели внутреннего сгорания автомобилей и т. д.

непрерывно выбрасывают в атмосферу вредные для растений, животных и человека вещества: сернистые соединения (при сгорании каменного угля), оксиды азота, углеводороды, оксид углерода (СО) и др.

Особую опасность в этом отношении представляют автомобили, число которых угрожающе растет, а очистка отработанных газов затруднена. На атомных электростанциях встает проблема захоронения опасных радиоактивных отходов.

Кроме того, применение паровых турбин на электростанциях требует больших площадей под пруды для охлаждения отработанного пара С увеличением мощностей электростанций резко возрастает потребность в воде. В 1980 г. в нашей стране для этих целей требовалось около воды, т. е. около 35% водоснабжения всех отраслей хозяйства.

Все это ставит ряд серьезных проблем перед обществом. Наряду с важнейшей задачей повышения КПД тепловых двигателей требуется проводить ряд мероприятий по охране окружающей среды.

Необходимо повышать эффективность сооружений, препятствующих выбросу в атмосферу вредных веществ; добиваться более полного сгорания топлива в автомобильных двигателях. Уже сейчас не допускаются к эксплуатации автомобили с повышенным содержанием СО в отработанных газах.

Обсуждается возможность создания электромобилей, способных конкурировать с обычными, и возможность применения горючего без вредных веществ в отработанных газах, например в двигателях, работающих на смеси водорода с кислородом.

  1. Целесообразно для экономии площади и водных ресурсов сооружать целые комплексы электростанций, в первую очередь атомных, с замкнутым циклом водоснабжения.
  2. Другое направление прилагаемых усилий — это увеличение эффективности использования энергии, борьба за ее экономию.
  3. Решение перечисленных выше проблем жизненно важно для человечества. И эти проблемы с максимальным успехом могут
Читайте также:  Загорелась лампочка подушки безопасности - что делать? почему загорелась подушка безопасности, как убрать ошибку airbag, srs

быть решены в социалистическом обществе с плановым развитием экономики в масштабах страны. Но организация охраны окружающей среды требует усилий в масштабе земного шара.

1. Какие процессы называются необратимыми? 2. Назовите наиболее типичные необратимые процессы. 3. Приведите примеры необратимых процессов, не упомянутых в тексте. 4. Сформулируйте второй закон термодинамики. 5. Если бы реки потекли вспять, означало бы это нарушение закона сохранения энергии? 6.

Какое устройство называют тепловым двигателем? 7. Какова роль нагревателя, холодильника и рабочего тела теплового двигателя? 8. Почему в тепловых двигателях нельзя использовать в качестве источника энергии внутреннюю энергию океана? 9.

Что называется коэффициентом полезного действия теплового двигателя?

10. Чему равно максимально возможное значение коэффициента полезного действия теплового двигателя?

Actionteaser.ru — тизерная реклама

Источник: https://mazdaview.pp.ua/teplovoy-balans-dvigatelya-avtomobilya-urovnenie-formula-kpd/

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 = Qе + Qохл + QГ + Qнс + Qост ,
  • где Q – теплота сгорания топлива, поступившего в двигатель;
  • – 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:
  • 100% = qе + qохл + qГ + qнс + qост ,

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

  1. Теплоту сгорания Q (кДж/ч) определяют по часовому расходу топлива (кг/ч) с учетом его низшей теплотворной способности Hu (кДж/кг):
  2. Q = GТ Hu.
  3. Количество теплоты (кДж/ч), эквивалентное эффективной мощности двигателя Ne (кВт):
  4. Qе = 3600 Ne.
  5. 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):
  6. Qохл = Gохл сохл (T2 – T1 ),
  7. где сохл – теплоемкость охладителя, кДж/(кг К).
  8. При известном количестве воздуха (горючей смеси) Gсм (кг/ч), поступающего в двигатель в единицу времени, его температуре Tсм (К) и температуре отработавших газов (К) количество теплоты (кДж/ч), уносимой с этими газами, находят по формуле:
  9. QГ = Gсм (c′′p TГ – cp Tсм ),
  10. где c′′p – теплоемкость отработавших газов при постоянном давлении, кДж/(кг град);
  11. 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:
  • Qнс = 61500 GТ (1 – α).
  • 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) ).

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.

«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.

  1. Расход воздуха замеряют с помощью специального расходомера (воздухомера) или устройств, имеющих на впускном тракте измерительную насадку.
  2. 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.
  3. Угол опережения зажигания или начала подачи топлива на стенде определяется с помощью стробоскопического устройства.
  4. Условия стендовых испытаний автомобильных двигателей определяются ГОСТ 14846-81.

Источник: https://megaobuchalka.ru/5/31670.html

Лекция 5. 1. Тепловой баланс двигателя 2. Пути повышения мощности и улучшения экономичности автомобильных двигателей ПУТИ УЛУЧШЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ДВИГАТЕЛЯ. — презентация

1 Лекция Тепловой баланс двигателя 2. Пути повышения мощности и улучшения экономичности автомобильных двигателей ПУТИ УЛУЧШЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ДВИГАТЕЛЯ По мнению ведущих специалистов автомобилестроения, например председателя совета директоров компании Adam Opel AG К.-П.

Фостера, поршневые двигатели внутреннего сгорания сохранят свое господство в автомобилестроении по крайней мере еще на протяжении 2530 лет. Отмечают также, что после 1985 г. двигатели совершили качественный рывок вперед.

Эволюция моторов с искровым зажиганием направлена на непосредственный впрыск бензина, развитие автоматического управления фазами клапанного газораспределительного механизма, применение новых видов топлива, например водорода.

2 Развитие дизелей идет в направлении разработки процесса с использованием «однородной смеси с воспламенением от сжатия» (homogeneous charge compression ignition). Эти направления помогут снизить выбросы вредных веществ в отработанных газах двигателя.

Совершенство процессов, происходящих в цилиндре реального автомобильного двигателя, оценивают по индикаторным показателям его действительного цикла, совершенство двигателя в целом по его эффективным показателям.

Формулы, связывающие эти показатели с условиями работы двигателя и его конструктивными размерами, позволяют определить тенденции улучшения показателей двигателя.

Увеличение экономичности реального двигателя возможно только за счет сокращения тепловых потерь, а для этого необходимо установить, куда расходуется теплота, не превращаемая в полезную работу.

3 1. Тепловой баланс двигателя Теплота, выделяемая при горении топлива, не может быть полностью трансформирована в полезную работу, так как в соответствии со вторым законом термодинамики часть теплоты неизбежно должна быть отдана холодному источнику.

Расходование теплоты сгорания топлива, внесенного в двигатель за определенный период, на полезную работу и различные потери характеризуется тепловым балансом. Тепловой баланс двигателя определяется для различных режимов работы на основании результатов испытаний при установившемся тепловом режиме.

Читайте также:  Автомобильные лампы: каталог, отзывы, лучшие виды

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

Уравнение теплового баланса можно записать в виде (1) где Q теплота сгорания топлива, поступившего в двигатель; Q е теплота, эквивалентная эффективной работе двигателя; Q в теплота, переданная в охлаждающую среду через стенки цилиндра;

4 Q г теплота, уносимая с отработанными газами; Q н.с потери теплоты вследствие неполноты сгорания топлива; Q ост остальные, не учтенные ранее, тепловые потери.

В относительных величинах (в %) уравнение теплового баланса можно записать в виде (2) Теплоту сгорания топлива, расходуемого двигателем за 1 ч работы (3) (к Дж/ч), определяют по низшей теплотворной способности топлива Н и Количество теплоты (к Дж/ч), эквивалентное эффективной мощности двигателя (к Вт), равно (к Дж/кг) и часовому расходу топлива G T (кг/ч): (4) Потери теплоты в окружающую среду (к Дж/ч) составляют (5) где G B расход охладителя через систему, кг/ч;

5 с в теплоемкость охладителя, к Дж/(кг · К); Т 1, Т 2 температура охладителя на входе и выходе из системы охлаждения, К.

Теплоту, уносимую с отработанными газами (к Дж/ч), можно определить по формуле, составленной исходя из предположения, что количество газов Q r равно сумме количеств поступившего воздуха G возд и топлива G Т : (6) где с р средняя теплоемкость отработанных газов при постоянном давлении (с р = 1,04 к Дж/(кг · К)); Т г,Т о температура отработанных газов и окружающей среды, К. Потери теплоты вследствие химической неполноты сгорания топлива (к Дж/ч) определяются только для карбюраторных двигателей при значении а < 1 по уравнению (7) Остальные теплопотери составляют Q ост = Q - (Q e +Q в + Q г + Q н.с ) Они включают потери теплоты на преодоление трения, потери через излучение нагретых внешних поверхностей двигателя, потери на привод вспомогательных механизмов и др.

6 Слагаемые теплового баланса изменяются в зависимости от нагрузки, теплового состояния и скоростного режима работы двигателя. Их значения, соответствующие работе автомобильных двигателей на номинальном режиме, приведены в табл. 1. Таблица 1.

Значения слагаемых теплового баланса, % При повышении степени сжатия увеличивается доля теплоты, преобразованной в полезную работу. Поэтому эффективный КПД дизелей больше, чем КПД карбюраторных двигателей.

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

7 При работе двигателя с полной нагрузкой наилучшее теплоиспользование имеет место на средних скоростных режимах, когда суммарные тепловые потери в охлаждающую среду, с отработавшими газами и механические потери минимальны (рис. 1, а). Рис. 1. Изменение теплового баланса карбюраторного двигателя: а в зависимости от частоты вращения коленчатого вала; б в зависимости от состава смеси

8 Изменение состава смеси существенно влияет на теплоиспользование в двигателе вследствие изменения теплоты сгорания и скорости сгорания смеси (рис. 1, б).

Работа на обогащенных смесях характеризуется уменьшением эффективности использования теплоты из-за неполноты сгорания топлива, хотя тепловые потери в охлаждающую среду и с отработанными газами при этом несколько снижаются.

По мере обеднения смеси потери от неполноты сгорания уменьшаются, но возрастают потери в охлаждающую среду и с отработавшими газами. Суммарные потери в карбюраторном двигателе минимальны при его работе на экономичных смесях (α 1,1).

В дизелях по сравнению с карбюраторными двигателями потери теплоты на преодоление механических сопротивлений больше 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.

9 2. Пути повышения мощности и улучшения экономичности автомобильных двигателей В ходе совершенствования автомобильных двигателей увеличивается их мощность, улучшается экономичность, уменьшаются габаритные размеры, снижается масса, и повышаются надежность и срок службы.

Эффективная мощность двигателей может быть повышена путем воздействия на ряд параметров двигателя. Повышение мощности за счет увеличения литража (V hit ) связано с увеличением габаритов и массы двигателя. Поэтому этот метод целесообразно применять после того, как исчерпаны другие возможности.

Совершенство рабочего процесса и конструкции двигателя оценивается по литровой мощности: Среднее эффективное давление р е = р i η М Из выражения для индикаторного КПД

10 имеем Следовательно Подставляя это выражение в формулу литровой мощности, имеем (8) Удельный эффективный расход топлива, кг/(к Вт ч), равен (9) Выражения (8) и (9) позволяют проанализировать влияние различных факторов на литровую мощность и экономичность и наметить возможные пути их повышения.

11 Значение H 0 /L 0 для автомобильного жидкого топлива изменяется незначительно и поэтому на литровую мощность практически не влияет.

Следовательно, повышение литровой мощности двигателя может осуществляться за счет увеличения η i /a, η м, η v, п, 1/τ и изменения условий наполнения (p 0 и T 0 ).

Индикаторный КПД в основном зависит от степени сжатия s и состава рабочей смеси а (рис. 2). Рис. 2. Влияние степени сжатия и коэффициента избытка воздуха на индикаторный КПД

12 Однако увеличение степени сжатия приводит к росту теплоотдачи через стенки камеры сгорания, что затягивает догорание заряда, повышает технические потери тепла и ухудшает динамику сгорания. Поэтому на практике рост η i достигает максимума при ε = Наибольший η i а значит, и экономичность двигателя достигаются при a = 1, ,08 (для карбюраторных ДВС).

В карбюраторных двигателях повышение ε без появления признаков детонационного сгорания возможно при уменьшении диаметра цилиндра, применении алюминиевых поршней, использовании впрыска топлива вместо карбюрации. Отношение η i /a характеризует качество протекания рабочего процесса.

Наибольшее значение η i /a для карбюраторных двигателей имеет место при a 0,9 Для дизелей, у которых процесс смесеобразования менее совершенный, наибольшее значение η i /a имеет место при a>1. Изменение тактности двигателя, в частности применение двухтактного цикла вместо четырехтактного, теоретически повышает литровую мощность в два раза. Это следует из формулы (8).

В двухтактном цикле полный рабочий цикл в одном цилиндре осуществляется не за четыре, а за два хода поршня, т.е. за один оборот коленчатого вала.

13 В действительности мощность двигателя повышается только на % в связи с потерями, которые определяются спецификой рабочего процесса двухтактного цикла. Повышение экономичности и мощности двигателей всех типов может быть осуществлено за счет снижения механических потерь, на преодоление которых затрачивается % теплоты сгорании топлива.

Значение механического КПД η м можно увеличить, уменьшая потери на трение деталей КШМ и на приведение вспомогательных механизмов двигателя и увеличивая индикаторную мощность Р i. Необходимо также учитывать, что наибольшая величина η м имеет место при работе двигателя на полной нагрузке при малых скоростных режимах.

Для уменьшения механических потерь в приводе, например, вентилятора системы охлаждения там устанавливают автоматически отключаемую муфту, что позволяет уменьшать потери мощности на привод вентилятора путем его отключения на некоторых режимах работы.

Увеличение коэффициента наполнения μ v в современных быстроходных двигателях обеспечивается применением верхнего расположения клапанов, двухкамерных карбюраторов, автоматического регулирования фаз газораспределения, уменьшением сопротивления впускной системы.

14 Одним из наиболее эффективных мероприятий, увеличивающих литровую мощность двигателя, является наддув. Под наддувом понимается принудительная подача свежего заряда в цилиндры двигателя под давлением, превышающим давление окружающей среды.

Из формулы (8) видно, что чем больше давление и меньше температура окружающей среды, определяющие давление и температуру при наполнении цилиндра, тем больше масса свежего заряда, а следовательно, мощность двигателя.

Плотность, а значит, и массу свежего заряда можно значительно увеличить, повышая давление перед поступлением в цилиндры, что и делается при наддуве. Для наддува двигателей применяются центробежные и объемные нагнетатели.

Привод центробежных нагнетателей осуществляется или от коленчатого вала двигателя, или от специальной газовой турбины, использующей энергию отработавших газов (газотурбинный наддув). Для охлаждения наддувочного воздуха применяют специальные охладители.

Увеличение индикаторной мощности при газотурбинном наддуве приводит к некоторому росту η м и снижает удельный расход топлива. При величине давления наддува p k = 0, ,2 МПа степень повышения эффективной мощности составляет ψ rk = 1,4…1,7, при p k >0,2 МПа ψ rk = 2,0.

15 В карбюраторных двигателях наддув почти не применяется из-за опасности возникновения детонации. Влияние частоты вращения коленчатого вала п на литровую мощность двигателя необходимо оценивать по комплексному множителю nηvηM.

При повышении частоты вращения для форсирования двигателя необходимо, чтобы этот множитель был максимальным. На развиваемую двигателем мощность и его экономичность оказывают влияние условия технической эксплуатации.

Здесь, прежде всего надо отметить необходимость организации оптимального технического обслуживания, соблюдения рекомендованных заводом-изготовителем технических регулировок в механизмах и системах двигателя.

Оценка различных путей реализации рассмотренных направлений приводит к выводу, что наиболее эффективными методами повышении экономических показателей двигателя являются: — повышение степени сжатия и использование бедных горючих смесей; — совершенствование качества смесеобразования и повышение механического КПД;

16 — соблюдение условий технической эксплуатации двигателя.

Повышения мощности двигателя, кроме того, можно достичь следующими способами: — увеличением объема двигателя; — повышением частоты вращения коленчатого вала; — переходом с четырехтактного цикла на двухтактный; — увеличением массы циклового заряда за счет совершенствования процесса газообмена и за счет наддува и промежуточного охлаждения заряда.

Источник: http://www.myshared.ru/slide/1189765/

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector