В двигателях с наддувом tp - температура отработавших газов после газовой турбины, а 0 - температура перед нагнетателем.
Из всего количества теплоты, воспринимаемой стенками рабочего цилиндра, наибольшая часть переходит в них во время выпуска, примерно 55-60%, за период расширения -примерно 25-30%, и во время сгорания -примерно 15-20%. Теплообмен в период сжатия незначителен.
Таким образом, теплота, отводимая от двигателя охладителем, включает:
а) теплоту, переданную от газов за период сжатия, сгорания, расширения и выпуска;
б) теплоту трения поршня в цилиндре.
Потери теплоты с охлаждением неизбежны, так как при отсутствии охлаждения вообще не может работать ни один двигатель внутреннего сгорания.
Количество теплоты Q, теряемой с охлаждением, определяют измерением количества охладителя, проходящего за единицу времени через систему охлаждения двигателя, и температур при входе и выходе его из системы
Q-W = <ол- (2 - i) с ккалтс, (203)
где Gj.j - расход охладителя через систему в кг1час\
и ti - температуры охладителя соответственно при входе в систему охлаждения и выходе из нее в °С; с - теплоемкость охладителя в ккал/кг град. Количество теплоты, отводимое маслом, составляет 1,5-3% от располагаемой теплоты для двигателей без масляного охлаждения поршней и 6- 14% для двигателей с масляным охлаждением поршней.
Отработавшие газы, выходящие из двигателя, имеют сравнительно высокую температуру и уносят с собой значительное количество теплогы Q. При наличии в отработавших газах продуктов неполного сгорания дополнительно теряется теплота Q, не выделяющаяся из-за неполноты сгорания топлива. Таким образом, потери теплоты с отработавшими газами
Qг = Q.ф + Qг.. (204)
Физическую теплоту отработавших газов определяют как разность теплосодержаний отработавших газов за выпускным патрубком и поступающего в двигатель свежего заряда. Для двигателей, работающих на жидком топливе,
Q, - M.,Gflt - MGcCph ккал/час; (205)
для двигателей, работающих на газовом топливе,
гф = lCtp - M.Cpt, ккал/час, (206)
где ip - температура выпускных газов за выпускным патрубком в °С; 0 - температура свежего заряда в "С при поступлении его в цилиндр двигателя .
Потери теплоты от неполноты сгорания с учетом содержания в отработавших газах газообразных продуктов неполного сгорания и сажи можно выразить следующим образом:
для двигателей, работающих на жидком топливе,
Q, = 22AMcyxG,aXu -h 8140c?,cG,, ккал/час; (207)
для двигателей, работающих на газовом топливе,
Qex = Мсу..аси C, (208)
Q - теплота, эквивалентная полезной эффективной работе двигателя:
Qe = = ккал1кг; (212)
Огю - теплота, потерянная через стенки цилиндра в охлаждающую-среду:
q; = -g«L = (/ /,) с ккал1кг\ (213>
Qe4) - физическая теплота отработавших газов:
Qгф MeOat-Cptp- MiG
ккал/кг\ (214>
Q,,- - потери теплоты от неполноты сгорания:
час , ,,-4 r-ч
Qex = 7--- ккал/кг; (215>
где Мсмк - количество сухих продуктов сгорания, образующееся при сгорании единицы топлива; для жидкого топлива М подсчи-тывается в кгмоль1кг, а для газообразного топлива - в JlJvfi топлива;
- теплотворность 1 (при Ох и 760 мм рт. ст.) продуктов сгорания, подсчитывается по формуле (16); с - содержание углерода в жидком топливе в весовых долях; ср - доля несгоревшего углерода, подсчитываемая по формуле (64> или (65).
Кроме потерь от неполноты сгорания и потерь с охлаждением и с отработавшими газами, двигатель имеет еще ряд других трудно учитываемых потерь теплоты, которые обычно оцениваются суммарно и включаются в последний, так называемый остаточный член теплового баланса-
Qocn, = Q - (Q. + + Qгф + Qa.) шл1час. (209)
Остаточный член баланса включает
1) теплоту, соответствующую работе трения за вычетом той ее части, теплота которой перешла в охладитель через стенки цилиндра и через смазочное масло и учтена, таким образом, вторым членом баланса эта теплота переходит в окружающую среду вследствие конвекции и теплопроводности от внешних поверхностей деталей двигателя;
2) теплоту, соответствующую кинетической энергии отработавших газов;.
3) теплоту, теряемую вследствие излучения внешних поверхностей двигателя;
4) сумму неучтенных потерь и ошибок от неточностей измерений
Для перехода к балансу на 1 /сг (1 м) израсходованного топлива все составляющие часового баланса следует разделить на часовой расход топлива. Для жидкого топлива, например, уравнение теплового баланса, отнесенное к 1 кг израсходованного топлива, имеет вид
Q--Q:-(iгф+ Qe. + Qoan Л/Кг, (210>
где Q - располагаемая теплота;
Q = тД- = Я„ ккал\кг\ (211)
Qocm - остаточный член баланса:
гх] ккал!кг.
(216>
В табл. 12 приведены средние значения отдельных составляющих внешнего теплового баланса, выраженные в процентах от теплоты, введенной с топливом. Как видно из таблицы, 60-80"/о теплоты, введенной в двигатель, составляют тепловые потери - в основном, физическая теплота отработавших газов и теплоотдача охладителю. Степень использования топлива значительно увеличивается при утилизации тепловых потерь. Физическая теплота и теплота, соответствующая кинетической энергии отработавших газов, используется в газовых турбинах комбинированных двигателей. В крупных судовых
Таблица 12 Внешний тепловой баланс (в о/о)
Двигатель
Карбюра-
торный - .
21-28
12-20
30-55
0-45
Газовый .
23-28
20-25
35 45
5-10
С воспла-
менением
от сжатия .
29 42
15-35
25-45
И стационарных двигателях физическая теплота отработавших газов используется в утилизационных паровых котлах. В комбинированных двигателях может быть использована и теплота продуктов неполного сгорания, содержащихся в отработавших газах путем дожигания их перед турбиной.
В качестве примера внутреннего теплового баланса двигателя на фиг. 89 приведена схема, в которой члены внешнего теплового-баланса разбиты на ряд составляющих: Q, Q2, Q3 и т. д. По этой схеме можно наглядно представить движение потоков теплоты в двигателе и судить о том, какие потери теплоты включаются в тот или иной член баланса.
Доля теплоты, соответствующая отдельным составляющим баланса, зависит от ряда факторов как эксплуатационного, так и конструктивного-порядка. Уменьшение потерь теплоты с охлаждающей средой для повышения эффективного к. п. д. двигателя возможно только до определенных пределов, ограниченных теплостойкостью смазочных материалов и конструктивными особенностями двигателя.
При повышении температуры охлаждающей жидкости в системе охлаждения до пределов, обеспечивающих надежную работу двигателя, при прочих равных условиях доля теплоты, уносимая жидкостью, уменьншется. На каждые 10° увеличения температуры охлаждающей жидкости теплоотдача уменьшается на 4-5%. Однако полученное в результате уменьшения охлаждения рабочего тела повышение его теплосодержания приводит к увеличению физической теплоты отработавших газов и лишь незначительно увеличивает индикаторную работу.
Изменение количества теплоты, соответствующего членам теплового баланса, при повышении температуры охладителя в системе охлаждения вызывает повышение температуры стенок цилиндра и средней температуры масляного слоя между поршнем и цилиндром. Повышение температуры стенок цилиндра приводит к уменьшению коэффициента наполнения. Опыты показывают, что при повышении температуры воды, выходящей из системы охлаждения, от 60 до 90° С коэффициент наполнения уменьшается примерно на 2-3%. С повышением температуры масляного слоя между поршнем и цилиндром значительно снижается работа трения вследствие уменьшения вязкости масла. На каждые 10° повышения температуры жидкости в системе охлаждения работа трения снижается на 3,5-10%.
