Разгон автомобиля это процесс теплопередачи

Специфические особенности передачи тепла в ДВС

ОБЩИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О ПРОЦЕССАХ ТЕПЛООБМЕНА В ДВС

Передача тепла может осуществляться тремя способами: теплопроводностью, конвекцией и тепловым излучением.

Теплопроводность – процесс распространения тепловой энергии при непосредственном соприкосновении отдельных частиц тела, имеющих различные температуры, и обусловлена движением микрочастиц тела.

Конвекция – процесс переноса тепловой энергии при перемещении объемов жидкости или газа в пространстве из области с одной температурой в область с другой. Конвекция возможна только в подвижной среде и всегда сопровождается теплопроводностью, так как при движении жидкости или газа неизбежно соприкосновение отдельных частиц, имеющих различные температуры.

Совместный процесс конвекции и теплопроводности называется конвективным теплообменом. Конвективный теплообмен между потоком жидкости или газа с твердой стенкой называют конвективной теплоотдачей.

Тепловое излучение – процесс распространения тепловой энергии при посредстве электромагнитных волн. При излучении происходит двойное превращение энергии: тепловая энергия тела переходит в лучистую и обратно – лучистая энергия переходит в тепловую, поглощаясь стенками и излучателем.

Рассмотрим основные особенности передачи тепла в поршневых двигателях внутреннего сгорания.

1. В ДВС имеет место сложный случай теплообмена, характеризующийся наличием всех трех элементарных процессов распространения тепла. Для подтверждения рассмотрим схему передачи тепла от рабочего тела, находящегося в цилиндре ДВС, к охлаждающей жидкости и внешней среде (см. рис. 1).

Предполагаем, что цилиндр заполнен рабочим телом (газ) и идет процесс сгорания. Теплота от рабочего тела 1 при помощи конвекции и лучеиспускания передается масляному слою 2. Далее, теплопроводностью проходит этот слой, стенку гильзы цилиндра 3 и слой накипи 4. Далее с помощью конвективной теплоотдачи передается охлаждающему агенту 5, при помощи которого основная часть тепла выносится из рубашки охлаждения. Оставшаяся часть конвекцией передается стенке блока цилиндров 6 и при помощи конвекции и теплового излучения отдается в окружающую среду 7.

Рис. 1. Общая идеализированная схема передачи тепла от рабочего тела
в цилиндре к охлаждающей жидкости и внешней среде: 1 – камера сгорания;
2 – слой масла или нагара; 3 – гильза цилиндра; 4 – слой накипи;
5 – охлаждающая жидкость; 6 – стенка блока цилиндров; 7 – окружающая среда

Передача тепла через другие элементы КС двигателя отличается от описанной лишь частностями.

2. Каждый из элементарных процессов распространения тепла в ДВС представляет, в свою очередь, сложный процесс. В момент вспышки в цилиндре дизеля имеется сажистое пламя, излучение которого перекрывает излучение многоатомных газов. Конвективная теплоотдача также сложна: в течение одного цикла массы рабочего тела не имеют постоянного направления движения и подвергаются сжатию-расширению в замкнутом объеме. Движение поршня и рабочего тела создают предпосылки для возникновения внутри цилиндра крупномасштабных турбулентных пульсаций (вихрей), по отношению к которым различно ориентированы стенки тепловоспринимающих поверхностей КС, что делает резко отличными характеры обтекания каждой из них. Сами стенки имеют различную чистоту обработки и разные теплопоглощающие характеристики, что также влияет на процессы теплопередачи. Теплопроводность через сложные детали (поршни, головки цилиндров) имеет немало особенностей, что обусловлено не только их формой, но и материалами из которых они выполняются. Конфигурация камер сгорания существенно сказывается как на конвективном теплообмене, так и на способности к поглощению лучистой энергии.

3. Процессы теплоотдачи от рабочего тела к стенкам камеры сгорания изменяются во времени в пределах рабочего цикла. В первую очередь это связано с переменностью температуры рабочего тела, которая может изменяться от порядка 300 K в период впуска до 1800…2200 K в момент сгорания в дизелях и до 2600…3000 K в двигателях внешнего смесеобразования, т.е. изменяется на порядок за сотые доли секунды, что существенно для конвективного теплообмена. Изменение давления и температуры в цикле влияют на интенсивность конвективной теплоотдачи также и за счет изменения теплофизических характеристик компонентов рабочего тела. Излучение факела и газовой среды переменно в течение цикла, что связано с периодичностью процесса сгорания и постоянным изменением параметров рабочего тела в цилиндре двигателя (изменяется концентрация сажи, а вместе с ней – степень черноты и температура пламени). Кроме того, переменность теплового излучения вызывается тем, что излучательная способность газов определяется эффективной длиной луча (или толщиной газового слоя), а последняя в течение цикла в результате перемещения поршня изменяется. Таким образом, процессы передачи тепла в цилиндре переходят в область нестационарную, несравнимо более сложную как в теоретическом, так и экспериментальном планах.

4. В цилиндре ДВС всегда имеет место неорганизованное (и организованное) вихревое движение рабочего тела (мелко- и крупномасштабная турбулентность), особенно интенсивное в двухтактных двигателях, предкамерных, вихрекамерных и некоторых других. Оно оказывает существенное влияние на протекание процессов конвективной теплоотдачи в цилиндре.

5. Отличительной особенностью процесса конвективной теплоотдачи в цилиндре двигателя внешнего смесеобразования следует считать наличие в процессе сгорания фронта пламени, распространяющегося по смеси с конечной скоростью (порядка 20…40 м/с) от свечи зажигания к стенкам КС. Это заставляет делить зону КС как минимум на две – зону сгоревшего и несгоревшего топлива, термодинамические параметры газа в которых будут отличны друг от друга. Существенную роль в увеличении тепловой нагрузки на стенки КС играют аномальные виды сгорания – детонация и калильное зажигание.

6. Спецификой теплопередачи через гильзу цилиндра следует считать периодичность перекрытия поверхности гильзы поршнем, что обусловливает значительную локальность теплоотвода через различные зоны гильзы. Это связано не только с прямой теплоотдачей от рабочего тела к гильзе, но и опосредованной теплоотдачей через кольцевое уплотнение, а также с теплообменом между газом и стенками в заколечных объемах.

7. Работа трения поршневых колец и тронка переходит в тепло, которое суммируется с основным тепловым потоком, идущим от газов через стенки гильзы к охлаждающей жидкости, и является естественной преградой тепловому потоку, идущему от огневой поверхности днища поршня через кольца и втулку к охлаждающей среде. Это дополнительное тепло, составляющее 5…15 % тепла, введенного в двигатель с топливом, не может быть учтено ни одним из упоминавшихся видов передачи тепла.

8. Значительная часть тепла, отводимая через систему охлаждения головки цилиндров, передается ей через систему газовоздушных каналов (ГВК) и путем контактного теплообмена через фаски седел клапанов. Эти процессы также весьма сложны и обладают своей спецификой, а механизмы теплопередачи отличаются на разных стадиях протекания рабочего процесса.

9. Чрезвычайное разнообразие форм поперечных и продольных сечений водяных коммуникаций (форм рубашек воздушного охлаждения), переменность скоростей охлаждающей жидкости (воздуха в межреберном пространстве) вызывают локальность теплосъема со стороны охлаждающего агента.

При рассмотрении различных специфических особенностей, процессы теплопередачи в ДВС кажутся очень сложными и не подвергающимися теоретическому и экспериментальному анализу. Однако если рационально отобрать важнейшие факторы, принять допустимые упрощения, то можно получить достаточно правильную и имеющую практическую значимость оценку явлений теплопередачи в двигателе.

Что следует иметь в виду в первую очередь?

1. Локальные температуры поверхностей КС и ГВК остаются практически неизменными во времени на установившихся режимах работы двигателя. Амплитуда колебаний в несколько градусов при средних температурах стенок 400…800 K мало влияет на общий ход процессов теплообмена.

2. В связи с высокой теплопроводностью стенок, ограничивающих рабочие полости, температурные волны затухают очень быстро по мере углубления в стенку: на удалении 1…2 мм от поверхности пульсациями температур можно практически пренебречь, что сразу резко упрощает картину теплопередачи (т.е. можно считать что = const во времени).

3. Отдельные поверхности КС и ГВК омываются весьма организованно, что делает реальной задачу теоретического исследования теплопередачи через эти поверхности.

4. Упрощает задачу стабильность температуры охлаждающего агента, перепада температуры вдоль по потоку и картины распределения поля скоростей охлаждающей жидкости в зарубашечном контуре на установившемся режиме работы двигателя.

5. Огромное упрощение в исследованиях процессов теплопередачи и увеличение точности достигается использованием принципов теории подобия гидродинамических и тепловых явлений.

Источник

Автомобильный справочник

для настоящих любителей техники

Термодинамика в автомобилестроении

Т ермодинамика исследует явления, обусловленные совокупным действием огромного числа непрерывно движущихся частиц. Несмотря на то, что каждая из этих частиц движется по законам механики, их совокупное движение представляет собой качественно новый вид движения – тепловое движение. Если сказать проще, то термодинамика исследует превращение движения в теплоту и наоборот. Также термодинамика рассматривает физические и химические изменения, связанные с поглощением теплоты веществом и наоборот, выделение теплоты в ходе физических и химических превращений. Вот о том, что представляет собой термодинамика, мы и поговорим в этой статье.

Энтальпия (теплосодержание)

Энтальпия (теплосодержание) Q₁ — это ко­личество теплоты, в которое преобразуется твердое, жидкое или газообразное тело массой т и удельной теплоемкостью ср при определенной температуре Т.

Пересчет не допускаемых к употреблению единиц измерения:

1 ккал (килокалория) = 4186,8 Дж ≈ 4,2 кДж;

Теплопередача

Существуют три формы теплопередачи:

Теплопроводность

Тепловой поток, распространяющийся в теле с постоянной площадью поперечного сечения А между двумя параллельными плоскостями поперечного сечения, расположенными на расстоянии s, при разности температур ΔТ = T₁ — Т₂ равен:

Тепловое излучение

Безвоздушное пространство и воздух проницаемы для теплового излучения. Твердые тела и большая часть жидкостей для теплового излучения непроницаемы, также, как и различные газы в определенных диапазонах длин волн.

Тепловое излучение, исходящее от поверхности площадью A при температуре T, равно:

Теплопередача через стену

Тепловой поток, проходящий через стену пло­щадью A и толщиной v при разности температур ΔТ равен:

Коэффициент теплопередачи k вычисляется из формулы (a и а_a см. табл. «Коэффициент теплоотдачи a» ):

Сопротивление теплопроницаемости

Сопротивление теплопроницаемости сумми­руется из сопротивлений теплопроницаемо­сти отдельных слоев стены (см. табл. «Сопротивление теплопроницаемости воздушных слоев s/λ» ):

Абсолютно черное тело

«Абсолютно черное тело» поглощает все падающее на него тепловое излучение, поэтому, когда оно нагревается, то излучает мак­симальное количество света, которое может выделить тело.

Законы термодинамики

Первый закон термодинамики

Энергия не возникает из ничего и не ис­чезает бесследно. Энергия может лишь пре­образовываться в другие виды энергии, на­пример, тепловая энергия — в механическую. В замкнутой системе энергия является постоянной. Система считается замкнутой, если не происходит перехода вещества в нее и за ее пределы, т.е. если масса системы остается постоянной. Исходя из этого, можно принять следующую формулировку: в замкнутой си­стеме сумма всех изменений ее внутренней энергии равна нулю.

Второй закон термодинамики

Все естественные и искусственные процессы преобразования энергии необратимы, т.е. они не полностью обратимы. Так, теплота не может полностью превращаться в другой вид энергии, например, в механическую энергию, именно поэтому энергия, которая может быть преобразована в механическую энергию, всегда меньше теоретического оптимума. Следовательно, все процессы, связанные с трением, необратимы. Теплота, согласно второму закону термодинамики, в естественных условиях не может передаваться от тела с более низкой температурой к телу с более высокой температурой.

Энтропия

Энтропия — мера теплообмена между двумя телами. Она не является непосредственно измеряемой величиной, как давление или температура. Оценивать можно только изменение энтропии. Энтропия, по словам Людвига Больцмана (1877), может также интерпре­тироваться как вероятность распределения молекул двух газов. В замкнутой системе изменение энтропии идеального, обратимого процесса равно нулю. Обратимым на­зывается процесс, который может без потерь возвращаться к своему первоначальному со­стоянию.

Противоположны такому процессу необратимые процессы, которые встреча­ются в технологии (например, процессы, связанные с трением, теплопроводимостью или смесеобразованием). Существующие в реальном мире необратимые процессы об­наруживают увеличение энтропии. Поэтому энтропия подходит для описания явлений, сопровождаемых потерями на трение. Еще одним примером процессов, связанных с тре­нием, являются попытки Джеймса Прескопа Джоуля увеличить температуру в сосуде за счет использования мешалки, однако это необратимый процесс. Передача тепла воз­можна только от горячего предмета к холод­ному, а не наоборот. Феномен потерь (напри­мер, потерь течения, связанных с вязкостью) при дросселировании или при смешивании двух жидкостей, движущихся без расслоения и диффузии, объясняется энтропией.

Энергия

Наиболее важной формой энергии в тер­модинамике является тепловая энергия. Существуют также другие формы энергии, например, кинетическая, электрическая и химическая.

Эксергия

Эксергия — это энергия, равная максимально полезной работе, которая может быть совер­шена при переходе из данного состояния в состояние равновесия с окружающей средой. Фактическая доля эксергии понижается из-за потерь (на передачу тепла, трение, химиче­ские реакции, процессы перемешивания).

Анергия

Соответственно, анергия обозначает часть энергии, которая не может быть превращена в работу. Энергия, таким образом, состоит из эксергии и анергии.

Изменения состояния идеального газа

Действительные изменения объема, дав­ления или температуры газов заменяются упрощенной моделью изменений состояния идеального газа или аппроксимируются последовательностью изменений состояния идеального газа. Прикладной интерес представляют изохорный (при постоянном объеме), изобарный (при постоянном давле­нии), изотермический (при постоянной тем­пературе) и адиабатический обратимый (без обмена теплоты) процессы. Адиабатический обратимый процесс часто используется при быстрых изменениях состояния.

В Таблице «Изменение состояния идеального газа» приведены данные для иде­ального газа и замкнутой системы, масса которой остается постоянной. Расчет вы­полненных работ производится с использо­ванием интеграл ∫pdV. Подведение и убыва­ние теплоты являются следствием первого закона термодинамики, энтропия — второго закона.

Источник

ВВЕДЕНИЕ. РОЛЬ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ В ДВС

Теория теплообмена (теплопередачи) – научная дисциплина, занимающаяся изучением распространения теплоты в пространстве, занятом сплошной средой как в стационарных, так и нестационарных условиях.

Теплообмен в ДВС, особенно бурно развивавшийся в последние десятилетия, на данный момент представляет собой отдельную науку. Это обусловлено внедрением в технику высокофорсированных рабочих процессов поршневых машин, что, в свою очередь, поставило перед конструкторами ряд проблем, связанных с прогнозированием уровня теплонапряженности деталей двигателя.

В основе учения о теплообмене лежат работы Ньютона, Фурье, Планка, Прандтля, Польгаузена, Нуссельта, Шлихтинга, Лойцянского и многих других известнейших ученых прошлого и современности.

В Советском Союзе и России развитием теории теплообмена занимались такие ученые как М. В. Кирпичев, М. А. Михеев, А. А. Гухман, С. С. Кутателадзе, А. В. Лыков, А. И. Леонтьев и др.

Весомый вклад в развитие науки о теплообмене в ДВС внесли научные школы Н. Х. Дьяченко и Р. М. Петриченко (ЛПИ–СПбГПУ), М. Г. Круглова, Н. А. Иващенко, В. И. Ивина, Н. Д. Чайнова (МВТУ–МГТУ), А. Ф. Шеховцова (ХПИ), Г. Б. Розенблита (ЦНИДИ) и многие другие.

В связи с тем, что двигатель является тепловой машиной, процессы теплопередачи в нем играют важную роль.

Как следует из курса “Теория ДВС”, одно из основных отличий реального цикла ДВС от цикла идеального заключается в наличии в первом из них интенсивного теплообмена между рабочим телом и стенками камеры сгорания, причем результирующий тепловой поток направлен от рабочего тела к его окружению.

Запишем в общем виде первое начало термодинамики для разомкнутой системы:

(1)

Раскрыв первое слагаемое, перепишем (1) в виде:

(2)

т. е. подведенное к рабочему телу тепло при сгорании топлива и привнесенное в объем потоком массы идет на изменение внутренней энергии рабочего тела, механическую работу и потери тепла в стенки, окружающие рабочий объем.

Количество теплоты, отданное в стенки камеры сгорания обычно составляет около 5…15 % от подведенного в цикле тепла, чего более чем достаточно для того, чтобы ДВС был весьма теплонапряженной машиной, а процессы теплопередачи в нем играли весомую роль в топливной экономичности.

В зависимости от типа двигателя, примененной в нем камеры сгорания и режима работы доля отданной в стенки теплоты весьма различна. В общем случае, чем сложнее конфигурация камеры сгорания, выше скорость вращения коленчатого вала двигателя и мощностной режим (или уровень форсировеки двигателя по P_e и коэффициенту избытка воздуха a) тем выше уровень теплоотдачи к стенкам КС.

Распишем составляющую:

(3)

Здесь: Q_к – конвективная составляющая теплового потока; Q_л – лучистая составляющая теплового потока;– коэффициент теплоотдачи; – текущая площадь поверхности; – мгновенная температура рабочего тела в цилиндре; – мгновенная средняя по площади камеры сгорания (КС) температура окружающих ее стенок; – мгновенная температура пламени; t – время; – мгновенный температурный напор; s₀ – излучательная способность АЧТ; e_п и e_w – степени черноты пламени и стенки соответственно.

В задачу представляемой дисциплины входит определение мгновенных локальных коэффициентов теплоотдачи и тепловых потоков , как с точки зрения рабочих процессов и теплового баланса, так и с точки зрения теплового нагружения деталей двигателя. Для расчета теплообменных аппаратов достаточно определения теплобалансовых составляющих теплоты, отводимой от двигателя. Для решения задач тепловой напряженности деталей ДВС необходимо знать параметры локальной тепловой нагрузки, что значительно сложнее. Обычно решение таких задач разбивается на несколько этапов, или отдельных подзадач. Из них следует выделить следующие: термодинамическую задачу, скоростную (или гидрогазодинамическую), теплообменную, температурную, и только затем возможно решение собственно задачи тепловой напряженности деталей ДВС.

Следует заметить, что основным источником тепловых нагрузок в двигателе является рабочий процесс, протекающий в цилиндре. Тем не менее, кроме основного, может присутствовать и масса других источников тепла, связанных с диссипацией энергии в узлах трения ДВС.

В результате теплопередачи происходит сильный и неравномерный нагрев деталей цилиндро-поршневой группы. Уровень температур поршней, выпускных клапанов, крышек цилиндров, вставок вихревых камер, седел клапанов и других деталей может достигать величин, предельных с точки зрения механических свойств конструкционных материалов. Температуры поршней, распылителей форсунок, гильз цилиндров достигают пределов, допустимых с точки зрения применяемых сортов масел и топлива. В деталях ДВС возникают, наконец, значительные тепловые напряжения, которые по своей величине зачастую превосходят напряжения от сил инерции и давления газов. В отдельных случаях возникают недопустимые перегревы деталей ЦПГ, которые приводят к авариям: прогарам днищ поршней, растрескиванию стенок камеры сгорания, расположенной в поршне, закоксовыванию и залеганию поршневых колец, задирам поршней, растрескиванию головок (крышек) цилиндров, нагарообразованию на отверстиях распылителей форсунок и пр. В связи с этим ограничиваются возможности форсирования ДВС, снижается их надежность.

Особую роль играют процессы теплопередачи в перспективных ДВС, форсируемых как по оборотам, так и по среднему эффективному давлению. В обоих случаях это приводит к росту тепловых потоков в стенки КС: в первом случае – за счет скоростного фактора; во втором – за счет большей массы сжигаемого топлива и плотности заряда.

Теплоотдача влияет на экономичность рабочего процесса (в частности, на индикаторный КПД), поскольку КПД двигателя зависит от потерь тепла в систему охлаждения, диссипации энергии в узлах трения и затрат мощности на привод водяных и масляных насосов, вентиляторов и прочих вспомогательных механизмов и устройств.

Наконец, теплопередача влияет на эксплуатационную работоспособность деталей, ограничивающих КС и моторесурс двигателя в целом. Это связано с тем, что уровень температур в характерных зонах основных деталей во многом определяет характер их износа, интенсивность процессов старения масла, высокотемпературной газовой коррозии, образования отложений и пр. Поэтому для нормальной эксплуатации ДВС требуются специальные меры по обеспечению оптимального теплового режима основных деталей двигателя.

Подводя черту можно сказать, что теплообмен влияет на все основные технико-экономические показатели ДВС – экономичность, надежность и ресурс.

В настоящее время состояние разработок в области теплообмена, а также необходимость достоверного учета явлений теплопередачи позволяют выделить науку о теплообмене в ДВС в отдельную дисциплину, которая, в частности, базируется на материалах курсов “Теория ДВС”, “Гидро- и газодинамика”, “Теория тепло- и массообмена”.

Источник