Главная | • Сотрудничество | • Публикации | • Написать письмо

Line

Содержание:


Line

   2. ПОТЕРИ ТЕПЛОТЫ, ОТВОДИМОЙ СИСТЕМОЙ ОХЛАЖДЕНИЯ И УНОСИМОЙ С ГАЗАМИ

   Большее количество тепловой энергии отводится от двигателя в систему охлаждения и уносится с отработавшими газами. Отвод теплоты в систему охлаждения необходим для того, чтобы воспрепятствовать пригоранию поршневых колец, обгоранию седел клапанов, задиру и заклиниванию поршня, растрескиванию головок цилиндров, возникновению детонации и т. п.

   Время сгорания очень мало, но за этот период давление газов значительно возрастает, а температура достигает 2 300 – 2 500 °С. При сгорании в цилиндре интенсивно протекают процессы перемещения газов, способствующие теплоотдаче в стенки цилиндра. Теплоту, сэкономленную в этой фазе рабочего цикла, можно преобразовать в полезную работу в течение последующего хода расширения. При сгорании около 6 % тепловой энергии, содержащейся в топливе, теряется из-за теплопередачи стенкам камеры сгорания и цилиндра.

   В течение хода расширения стенкам цилиндра передается около 7 % тепловой энергии топлива. При расширении поршень перемещается из ВМТ в НМТ и постепенно освобождает все большую поверхность стенок цилиндра. Однако лишь около 20 % теплоты, сэкономленной даже при продолжительном по времени ходе расширения, можно преобразовать в полезную работу.

   Около половины теплоты, отводимой в систему охлаждения, приходится на такт выпуска. Отработавшие газы выходят из цилиндра с большой скоростью и имеют высокую температуру. Часть их теплоты отводится в систему охлаждения через выпускной клапан и выпускной канал головки цилиндра. Непосредственно за клапаном поток газов изменяет направление почти на 90°, при этом возникают вихри, что интенсифицирует теплоотдачу в стенки выпускного канала.

   Отработавшие газы необходимо отводить из головки цилиндра кратчайшим путем, так как переданная ей их теплота заметно нагружает систему охлаждения и для ее отвода в окружающий воздух требуется использование части эффективной мощности двигателя. В период выпуска газов в систему охлаждения отводится около 15 % теплоты, содержащейся в топливе. Тепловой баланс бензинового двигателя приведен на рисунке №1.

Рисунок №1 Тепловой баланс бензинового двигателя копия
Рисунок №1. Тепловой баланс бензинового двигателя, 
где 32% - теплота, преобразованная в полезную работу; 
28% - теплота, отведённая в систему охлаждения; 
2% - теплота, возникшая при трении поршня; 
38% - теплота, отведённая с отработавшими газами.

   У дизельного двигателя условия отвода теплоты другие. Вследствие более высокой степени сжатия температура газов на выходе из цилиндра гораздо ниже. По этой причине количество теплоты, отведенное во время хода выпуска, меньше и составляет в ряде случаев около 25 % всей теплоты, отданной в систему охлаждения. 

   Давление и температура газов при сгорании в дизеле выше, чем у бензинового двигателя. Совместно с большими скоростями вращения газов в цилиндре эти факторы способствуют увеличению количества теплоты, передаваемой стенкам камеры сгорания. В процессе сгорания эта величина составляет около 9 %, а при ходе расширения - 6 %. За время хода выпуска в систему охлаждения отводится 9 % энергии, содержащейся в топливе. Тепловой баланс дизельного двигателя приведён на рисунке №2

Рисунок №2 Тепловой баланс дизельного двигателя копия
Рисунок №2. Тепловой баланс дизельного двигателя,
где 45% - теплота, преобразованная в полезную работу; 
23% - теплота, отведённая в систему охлаждения; 
2% - теплота, возникшая при трении поршня; 
30% - теплота, отведённая с отработавшими газами.

   Теплота, возникающая при трении поршня о стенки цилиндра у бензинового двигателя, составляет около 1,5 %, а у дизеля - около 2 % от ее общего количества. Эта теплота также отводится в систему охлаждения. Следует учесть, что приведенные примеры представляют результаты измерений, выполненных на исследовательских одноцилиндровых двигателях, и могут характеризовать двигатели, работающие в автомобильной технике, для привода различных агрегатов, в том числе и для привода электрогенераторов в мини-ТЭЦ, лишь приблизительно. Однако эти данные могут быть вполне использованы для оценочного расчета тепловых потерь. 

   Системой охлаждения отводится от 23 до 32% теплоты, которая подводится с топливом в двигатель. Сюда входит как непосредственно теплота, возникшая при горении топлива, так и теплота, возникшая при трении поршня о цилиндр двигателя, что требует обеспечения хорошего смазывания этой трущейся пары. Температура масла при этом не должна превышать допустимых границ, что ограничивает в свою очередь температуру стенки цилиндра. Для современных моторных масел температура стенки цилиндра не должна быть выше 220 °С, в то время как температура газов в цилиндре при сгорании и ходе расширения на порядок выше, и цилиндр по этой причине необходимо охлаждать. 
 
   Другая проблема связана с поддержанием нормальной температуры выпускного клапана. Прочность стали при высокой температуре падает. При использовании специальных сталей в качестве материала выпускного клапана его максимально допустимая температура может быть доведена до 900 °С.

   Для того, чтобы охлаждающая жидкость смогла отвести все необходимое тепло от двигателя, её температура, как на входе, так и на выходе должна находится в строго определённых температурных границах. По различным сведениям на сегодняшний момент температура охлаждающей жидкости на выходе из двигателя должна быть не выше 90110 °С для различных моделей. Превышение этой температуры может привести к аварийному останову двигателя. В свою очередь температура охлаждающей жидкости на выходе зависит от её температуре на входе, что характеризует работу системы охлаждения охлаждающей жидкости. 
 
   Наравне с системой охлаждения большое количество теплоты, подведённой с топливом в двигатель, уносится выхлопными газами. На сегодняшний день большей части эту теплоту используют для отопления, а также для работы турбонаддува. 
 
   Подогрев воздуха отработавшими газами в газовоздушном теплообменнике системы отопления опасен из-за возможности прогорания или негерметичности его трубок. Поэтому для переноса теплоты используют масло или другую незамерзающую жидкость, нагреваемую отработавшими газами.

   Еще целесообразнее использовать отработавшие газы для привода вентилятора системы охлаждения. При больших нагрузках двигателя отработавшие газы имеют наиболее высокую температуру, а двигатель нуждается в интенсивном охлаждении. Поэтому использование турбины, работающей на отработавших газах для привода вентилятора системы охлаждения, весьма целесообразно и в настоящее время начинает находить применение. Такой привод может автоматически регулировать охлаждение, хотя это достаточно дорого.

   Основным способом использования энергии отработавших газов служит их расширение в турбине, которая, как говорилось выше, наиболее часто используется для привода центробежного компрессора наддува двигателя Ее можно использовать также и для других целей, например, для упомянутого привода вентилятора. Однако использование энергии выхлопных газов для срабатывании их в турбине ведёт к тому, что их температура уменьшается. 

   Степень наддува зависит от назначения двигателя. При более высоких давлениях наддува воздух в компрессоре сильно нагревается и на входе в двигатель и его необходимо охлаждать, что также требует теплообменного оборудования. В настоящее время турбонаддув применяют в основном в дизелях, повышение мощности которых на 2530 % не требует большого форсирования по давлению наддува, и охлаждение двигателя при этом не вызывает трудностей. Такой способ повышения мощности дизеля применяют чаще всего.

© Н.Д. Денисов-Винский

Line

.