Pikap24.ru

Автомобильный журнал
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Что такое теплообмен двигателя

Что такое теплообмен двигателя

  • Главная
  • Блог
  • Ремонт и обслуживание
  • Фильтры
  • Как часто нужно менять воздушный фильтр?
  • Новинки мира авто
  • Новости автомобильного рынка
  • Популярное
  • Двигатель
  • Кузов
  • Салон
  • Система охлаждения
  • Трансмиссия
  • Фильтры
  • Шины и диски
  • Электрооборудование

Устройство автомобилей

Система охлаждения предназначена для поддержания оптимального теплового режима двигателя, чтобы он не перегревался и не переохлаждался во время работы, поскольку и перегрев и переохлаждение вредны двигателю.

Сгорание топливовоздушной смеси в цилиндрах двигателя сопровождается выделением значительного количества теплоты. Если двигатель не охлаждать, или охлаждать недостаточно, то его детали могут нагреться до высокой температуры, а это уменьшает их прочность, вызывает значительные тепловые деформации и изменение размеров, ухудшает свойства и снижает вязкость масла смазочной системы, отрицательно сказывается на наполнении цилиндров горючей смесью, вызывает интенсивное отложение нагара на деталях.
Все это может привести к снижению эффективности работы двигателя и даже его отказу из-за потери работоспособности отдельных деталей, агрегатов и узлов.

Переохлаждение двигателя тоже крайне нежелательно. Оно сопровождается ростом механических потерь из-за повышения вязкости масла, ухудшением процессов смесеобразования и сгорания (особенно в дизелях), следствием чего являются повышенный расход топлива, снижение эффективности работы двигателя, интенсивный коррозийный износ деталей из-за отложения конденсата, и увеличение выброса в атмосферу токсичных продуктов неполного сгорания топлива.

Оптимальным для работы двигателя внутреннего сгорания является узкий температурный диапазон, который, например, у двигателей с жидкостной системой охлаждения, характеризуется температурой охлаждающей жидкости 85. 95 ˚С.

Требования к системе охлаждения

В связи с основным назначением, к системе охлаждения двигателя предъявляются следующие требования:

  • автоматическое поддержание оптимального теплового режима в двигателе, независимо от режима его работы и внешних условий;
  • надежная работа в условиях повышенных вибраций;
  • малые габариты, масса и металлоемкость;
  • технологичность и удобство в техническом обслуживании;
  • быстрый прогрев двигателя до рабочей температуры;
  • длительное сохранение теплоты после остановки двигателя;
  • малые энергетические затраты на функционирование (затраты энергии двигателя, связанные с приводом агрегатов системы охлаждения);
  • экологическая безопасность и минимальное коррозийное воздействие применяемых теплообменных материалов на детали двигателя.

Способы охлаждения двигателя

Отвод теплоты от деталей двигателя осуществляется при помощи различных способов – применением принудительной системы охлаждения, охлаждением маслом смазочной системы, теплообменом с более массивными сопрягаемыми деталями, работающими в благоприятном температурном режиме, рассеиванием теплоты с рабочих поверхностей перегретых деталей и т. п.

Очевидно, что естественного теплообмена с перегретыми деталями двигателя недостаточно, чтобы поддерживать их оптимальную температуру в рабочем режиме, поэтому в современных двигателях применяется принудительный отвод теплоты от деталей, несмотря на то, что это связано с увеличением энергетических затрат и тепловых потерь рабочего цикла двигателя.
Принудительное охлаждение осуществляется с помощью жидкости или воздуха, поэтому различают двигатели жидкостного и воздушного охлаждения.

Преимущества и недостатки систем охлаждения

Каждый из способов принудительного охлаждения имеет свои преимущества и недостатки.
Воздушная система охлаждения проста в эксплуатации, однако не может полностью обеспечить нормального теплового состояния деталей двигателя из-за неравномерности их охлаждения. Возникает необходимость использования принудительного направления движения воздуха в сочетании с оребрением двигателей, что приводит к увеличению уровня шума при работе двигателя, снижению его мощности, а также удорожанию деталей.

Теплопроводность жидких теплоносителей в 20…25 раз выше, чем у воздуха, поэтому жидкостная система охлаждения обеспечивает более эффективный теплоотвод и создает равномерное температурное поле охлаждения. Такая система охлаждения более инерционна — двигатель медленно прогревается, но и медленнее охлаждается.
Однако жидкостная система сложнее устроена, содержит в своей конструкции дорогостоящие узлы и детали для обеспечения циркуляции охлаждающей жидкости и теплообмена с внешней средой (радиатор).
Кроме того жидкостная система включает различные трубопроводы (патрубки, трубки), каналы и полости в охлаждаемых деталях для подвода и циркуляции жидкости, которые могут давать течь, снижая надежность и повышая стоимость двигателя в целом.

При эксплуатации автомобилей в условиях низких температур в жидкостной системе охлаждения приходится применять специальные низкозамерзающие жидкости, имеющие достаточно высокую стоимость, что тоже отрицательно сказывается на экономических показателях.
Кроме того, применяемые в современных двигателях низкозамерзающие жидкости имеют более низкую теплопроводность, по сравнению с обычной водой, уменьшая тем самым основное преимущество жидкостной системы охлаждения перед воздушной.

Тем не менее, несмотря на перечисленные недостатки, в двигателях современных автомобилей наибольшее распространение получило жидкостное охлаждение, как более полно удовлетворяющее требованиям, перечисленным выше. Несмотря на сложность конструкции и связанные с этим удорожание и снижение надежности, жидкостная система охлаждения обеспечивает надежное поддержание рабочей температуры двигателя в заданных интервалах, и способна автоматически поддерживать ее в широком диапазоне нагрузочных режимов.

Читать еще:  Что такое специальные конструкции двигателей

Теплообмен

Что же такое теплообмен? К чему все эти мучения с потением или, наоборот, что приятного в мурашках на коже?

Теплообмен — это перенос тепла от более нагретого тела к менее нагретому. Такой процесс всегда имеет одно направление и необратим. То есть перенос тепла от нагретого утюга к брюкам возможен, а вот брюки нагретому утюгу передать тепло не смогут. Процесс теплообмена по своему принципу похож на поведение жидкости в сообщающихся сосудах: жидкость будет перетекать из одного сосуда в другой до тех пор, пока уровень жидкостей в двух сообщающихся сосудах не станет одинаковым. Так и тепло передается от более нагретого тела к менее нагретому до тех пор, пока их температура не станет одинаковой.

Тепломеханическое совершенствование системы воздухо- снабжения поршневого двигателя с турбонаддувом

  • Аннотация
  • Об авторах
  • Список литературы
  • Cited By

Аннотация

Описан способ тепломеханического совершенствования пульсирующих потоков воздуха во впускной системе поршневого двигателя с турбонаддувом. Основная цель данного исследования состоит в разработке способа подавления интенсивности теплоотдачи для улучшения показателей безотказности поршневого двигателя с турбонаддувом. Приведен краткий обзор литературы по улучшению показателей надежности поршневых двигателей разного назначения. Научно-технические результаты получены на основе экспериментальных исследований на натурной модели поршневого двигателя. Для получения газодинамических и теплообменных характеристик потоков газа использовался метод термоанемометрирования. Описаны лабораторные стенды и приборно-измерительная база. Представлены данные о газодинамике и теплообмене стационарных и пульсирующих потоков воздуха в газодинамических системах разных конфигураций применительно к системе воздухоснабжения поршневого двигателя с турбонаддувом. Предложен способ тепломеханического совершенствования потоков во впускной системе двигателя на основе хонейкомба с целью стабилизации пульсирующего потока и подавления интенсивности теплоотдачи. Получены данные о мгновенных значениях скорости потока воздуха и локального коэффициента теплоотдачи как в выпускном канале компрессора турбокомпрессора (т. е. без поршневого двигателя), так и во впускной системе двигателя с наддувом. Проведен сравнительный анализ полученных данных. Выявлено, что установка выравнивающей решетки в выпускной канал турбокомпрессора приводит к интенсификации теплоотдачи в среднем на 9%. Установлено, что наличие выравнивающей решетки в системе впуска поршневого двигателя вызывает подавление теплоотдачи в пределах 15% в сравнении с базовыми значениями. Показано, что применение модернизированной впускной системе в дизельном двигателе повышает его вероятность безотказной работы на 0,8%. Полученные данные могут быть распространены на другие типы и конструкции систем воздухоснабжения тепловых двигателей.

Ключевые слова

Об авторах

ул. Мира, 19, 620002, г. Екатеринбург

ул. Мира, 19, 620002, г. Екатеринбург

ул. Мира, 19, 620002, г. Екатеринбург

Список литературы

1. Reitz R. D., Ogawa H., Payri R., Fansler T. [et al.] IJER editorial: The future of the internal combustion engine. International Journal of Engine Research 2020; 21(1): 3–10.

2. Nahim H. M., Younes R., Shraim H., Ouladsine M. Oriented review to potential simulator for faults modeling in diesel engine. Journal of Marine Science and Technology (Japan) 2016; 21(3): 533 – 551.

3. Abaei M. M., Hekkenberg R., BahooToroody A. A multinomial process tree for reliability assessment of machinery in autonomous ships. Reliability Engineering and System Safety 2021; 210: 107484.

4. Knežević V., Orović J., Stazić L., Čulin J. Fault tree analysis and failure diagnosis of marine diesel engine turbocharger system. Journal of Marine Science and Engineering 2020; 8(12): 1004.

5. Vera-García F., Rubio J. A. P., Grau J. H., Hernández D. A. Improvements of a failure database for marine diesel engines using the RCM and simulations. Energies 2019; 13(1): 107.

6. Wang M., Ge Q., Jiang H., Yao G. Wear fault diagnosis of aeroengines based on broad learning system and ensemble learning. Energies 2019; 12(24): 4750.

7. Szkoda M., Kaczor G., Pilch R., Smolnik M., Konieczek Z. Assessment of the influence of preventive maintenance on the reliability and availability indexes of diesel locomotives. Transport Problems 2021; 16(1): 5 – 18.

8. Fernández A. J. Optimal durations of Weibull reliability tests based on failure counts. Computers and Industrial Engineering 2021; 156: 107247.

9. Mechalikh M., Benhammou A., Zidane I., Bettahar A. Study of piston thermo-elastic behaviour under thermomechanical solicitations. International Journal of Automotive and Mechanical Engineering 2019; 16(4): 7287 – 7298.

10. Berni F., Cicalese G., Borghi M., Fontanesi S. Towards gridindependent 3D-CFD wall-function-based heat transfer models for complex industrial flows with focus on in-cylinder simulations. Applied Thermal Engineering 2021; 190: 116838.

11. Liu H., Wen M., Yang H., Yue Z., Yao M. A Review of Thermal Management System and Control Strategy for Automotive Engines. Journal of Energy Engineering 2021; 147(2): 03121001.

Читать еще:  Что такое замкнутый цикл двигателя

12. Pagán Rubio J. A., Vera-García F., Hernandez Grau J., Muñoz Cámara J., Albaladejo Hernandez D. Marine diesel engine failure simulator based on thermodynamic model. Applied Thermal Engineering 2018; 144: 982 – 995.

13. Brodov Y. M., Grigoryev N. I., Zhilkin B. P., Plotnikov L. V., Shestakov D. S. Increasing Reliability of Gas–Air Systems of Piston and Combined Internal Combustion Engines by Improving Thermal and Mechanic Flow Characteristics. Thermal Engineering 2015; 62(14): 1038 – 1042.

14. Бродов Ю. М., Жилкин Б. П., Плотников Л. В. Снижение тепловой напряженности впускных и выпускных систем двигателей внутреннего сгорания с наддувом. Надежность и безопасность энергетики 2016; 1(32): 19 – 23.

15. Плотников Л. В. Нестационарные тепломеханические процессы в системах газообмена поршневых двигателей с турбонаддувом: монография / под общ. ред. Б. П. Жилкина, Ю. М. Бродова. Екатеринбург: Изд-во Урал. ун-та 2020;: 204.

Для цитирования:

Бродов Ю.М., Плотников Л.В., Десятов К.О. Тепломеханическое совершенствование системы воздухо- снабжения поршневого двигателя с турбонаддувом. Надежность и безопасность энергетики. 2021;14(2):108-114. https://doi.org/10.24223/1999-5555-2021-14-2-108-114

For citation:

Brodov Yu.M., Plotnikov L.V., Desyatov K.O. Thermal and mechanical improvement of the air supply system of a turbocharged piston engine. Safety and Reliability of Power Industry. 2021;14(2):108-114. (In Russ.) https://doi.org/10.24223/1999-5555-2021-14-2-108-114

  • Отправить статью
  • Правила для авторов
  • Редакционная коллегия
  • Редакционный совет
  • Рецензирование
  • Этика публикаций

Ю. М. Бродов
ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б. Н. Ельцина»
Россия

ул. Мира, 19, 620002, г. Екатеринбург

Л. В. Плотников
ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б. Н. Ельцина»
Россия

ул. Мира, 19, 620002, г. Екатеринбург

К. О. Десятов
ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б. Н. Ельцина»
Россия

Результаты обучения

По окончании освоения дисциплины обучающийся будет способен:

  • объяснять законы и закономерности термодинамики и теории теплообмена;
  • применять на практике методы расчета термодинамических и теплообменных процессов в прикладных задачах различных областей современной техники и технологии
  • выбирать рациональные способы получения и использования энергии различных видов;
  • характеризовать твердое, жидкое и газообразное топливо, осуществлять аналитический расчет его горения;
  • разбираться в схемах и рассчитывать элементы котлов, теплообменных аппаратов, паро- и газотурбинных установок, и компрессоров, двигателей внутреннего сгорания;
  • рассчитывать теплоту, полезно затраченную на производство пара и воды; расход топлива и КПД котла; потери теплоты;
  • составлять тепловые балансы элементов оборудования.

Позволяют эффективно охлаждать двигатели грузовых автомобилей таких брендов как: Volvo, Scania, Renault, Mercedes, Daf, Iveco и т.д. Изготавливаются «под заказ».

Обеспечивают оптимальное охлаждения двигателя в различных эксплуатационных условиях.

Производим радиаторы охлаждения по образцам с использованием оригинальных сердцевин и установкой надежного алюминиевого бачка взамен пластикового.

Высокопрочные радиаторы, индивидуально изготовленные под автобусы самых популярных марок. Выполняются из надежного и долговечного алюминия.

Основой каждого радиатора является его сердцевина (соты). В процессе эксплуатации она может выйти из строя. Мы с легкостью произведем замену сердцевины Вашего радиатора.

Проводим предварительную диагностику радиатора под давлением и устраняем дефекты. Гарантируем послеремонтную проверку от специалистов.

Тепловой двигатель. Второй закон термодинамики.

Тепловой двигатель (машина)

Тепловой двигатель (машина) – это устройство, которое совершает механическую работу циклически за счет энергии, поступающей к нему в ходе теплопередачи.

Источником поступающего количества теплоты в реальных двигателях могут быть сгорающее органическое топливо, разогретый Солнцем котел, ядерный реактор, геотермальные воды и т.д.

В настоящее время наиболее распространены два типа двигателей: поршневой двигатель внутреннего сгорания (сухопутный и водный транспорт) и паровая или газовая турбина (энергетика).

Первые тепловые двигатели, широко распространившиеся в промышленности, назывались паровыми машинами. К современным тепловым двигателям можно отнести ракетные и авиационные двигатели.

Модель теплового двигателя и ее составные части

В теоретической модели теплового двигателя рассматриваются три тела: нагреватель, рабочее тело и холодильник.

Нагреватель – тепловой резервуар (большое тело), температура которого постоянна.

В каждом цикле работы двигателя рабочее тело получает некоторое количество теплоты от нагревателя, расширяется и совершает механическую работу. Передача части энергии, полученной от нагревателя, холодильнику необходима для возвращения рабочего тела в исходное состояние.

Так как в модели предполагается, что температура нагревателя и холодильника не меняется в ходе работы теплового двигателя, то при завершении цикла: нагревание-расширение-остывание-сжатие рабочего тела считается, что машина возвращается в исходное состояние.

Для каждого цикла на основании первого закона термодинамики можно записать, что количество теплоты Qнагр, полученное от нагревателя, количество теплоты |Qхол|, отданное холодильнику, и совершенная рабочим телом работа А связаны между собой соотношением:

Читать еще:  Электронная система управления температурой двигателя

В реальных технических устройствах, которые называются тепловыми машинами, рабочее тело нагревается за счет тепла, выделяющегося при сгорании топлива. Так, в паровой турбине электростанции нагревателем является топка с горячим углем. В двигателе внутреннего сгорания (ДВС) продукты сгорания можно считать нагревателем, а избыток воздуха – рабочим телом. В качестве холодильника в них используется воздух атмосферы или вода природных источников.

КПД теплового двигателя (машины)

Коэффициентом полезного действия теплового двигателя (КПД) называется отношение работы, совершаемой двигателем, к количеству теплоты, полученному от нагревателя:

Коэффициент полезного действия любого теплового двигателя меньше единицы и выражается в процентах. Невозможность превращения всего количества теплоты, полученного от нагревателя, в механическую работу является платой за необходимость организации циклического процесса и следует из второго закона термодинамики.

В реальных тепловых двигателях КПД определяют по экспериментальной механической мощности N двигателя и сжигаемому за единицу времени количеству топлива. Так, если за время t сожжено топливо массой m и удельной теплотой сгорания q, то

Для транспортных средств справочной характеристикой часто является объем V сжигаемого топлива на пути s при механической мощности двигателя N и при скорости . В этом случае, учитывая плотность r топлива, можно записать формулу для расчета КПД:

Второй закон термодинамики

Существует несколько формулировок второго закона термодинамики. Одна из них гласит, что невозможен тепловой двигатель, который совершал бы работу только за счет источника теплоты, т.е. без холодильника. Мировой океан мог бы служить для него, практически, неисчерпаемым источником внутренней энергии (Вильгельм Фридрих Оствальд, 1901).

Другие формулировки второго закона термодинамики эквивалентны данной.

Формулировка Клаузиуса (1850): невозможен процесс, при котором тепло самопроизвольно переходило бы от тел менее нагретых к телам более нагретым.

Формулировка Томсона (1851): невозможен круговой процесс, единственным результатом которого было бы производство работы за счет уменьшения внутренней энергии теплового резервуара.

Формулировка Клаузиуса (1865): все самопроизвольные процессы в замкнутой неравновесной системе происходят в таком направлении, при котором энтропия системы возрастает; в состоянии теплового равновесия она максимальна и постоянна.

Формулировка Больцмана (1877): замкнутая система многих частиц самопроизвольно переходит из более упорядоченного состояния в менее упорядоченное. Невозможен самопроизвольный выход системы из положения равновесия. Больцман ввел количественную меру беспорядка в системе, состоящей из многих тел – энтропию.

КПД теплового двигателя с идеальным газом в качестве рабочего тела

Если задана модель рабочего тела в тепловом двигателе (например, идеальный газ), то можно рассчитать изменение термодинамических параметров рабочего тела в ходе расширения и сжатия. Это позволяет вычислить КПД теплового двигателя на основании законов термодинамики.

На рисунке показаны циклы, для которых можно рассчитать КПД, если рабочим телом является идеальный газ и заданы параметры в точках перехода одного термодинамического процесса в другой.

Изобарно-изохорный

Изохорно-адиабатный

Изобарно-адиабатный

Изобарно-изохорно-изотермический

Изобарно-изохорно-линейный

Цикл Карно. КПД идеального теплового двигателя

Наибольшим КПД при заданных температурах нагревателя Tнагр и холодильника Tхол обладает тепловой двигатель, где рабочее тело расширяется и сжимается по циклу Карно (рис. 2), график которого состоит из двух изотерм (2–3 и 4–1) и двух адиабат (3–4 и 1–2).

Теорема Карно доказывает, что КПД такого двигателя не зависит от используемого рабочего тела, поэтому его можно вычислить, используя соотношения термодинамики для идеального газа:

Экологические последствия работы тепловых двигателей

Интенсивное использование тепловых машин на транспорте и в энергетике (тепловые и атомные электростанции) ощутимо влияет на биосферу Земли. Хотя о механизмах влияния жизнедеятельности человека на климат Земли идут научные споры, многие ученые отмечают факторы, благодаря которым может происходить такое влияние:

  1. Парниковый эффект – повышение концентрации углекислого газа (продукт сгорания в нагревателях тепловых машин) в атмосфере. Углекислый газ пропускает видимое и ультрафиолетовое излучение Солнца, но поглощает инфракрасное излучение, идущее в космос от Земли. Это приводит к повышению температуры нижних слоев атмосферы, усилению ураганных ветров и глобальному таянию льдов.
  2. Прямое влияние ядовитых выхлопных газов на живую природу (канцерогены, смог, кислотные дожди от побочных продуктов сгорания).
  3. Разрушение озонового слоя при полетах самолетов и запусках ракет. Озон верхних слоев атмосферы защищает все живое на Земле от избыточного ультрафиолетового излучения Солнца.

Выход из создающегося экологического кризиса лежит в повышении КПД тепловых двигателей (КПД современных тепловых машин редко превышает 30%); использовании исправных двигателей и нейтрализаторов вредных выхлопных газов; использовании альтернативных источников энергии (солнечные батареи и обогреватели) и альтернативных средств транспорта (велосипеды и др.).

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector