Сколько тепла выделяет двигатель автомобиля

Что нужно знать о тепловом балансе двигателя автомобиля?

При горении топливо непременно выделяет теплоту, но она не используется полностью для полезной работы. Это прописано еще во втором законе термодинамики: некая доля теплоты неизбежно отдается холодному источнику. И на примере любого двигателя внутреннего сгорания видно, что в полезную механическую работу удается превратить лишь 20-35% тепла. Большая часть тепла просто расходуется в виде тепловых потерь.

Подробнее о тепловом балансе

Тепловой баланс представляет собой распределение тепла, которое появляется в двигателе за время сгорания топлива, на полезное тепло для полноценного функционирования автомобиля и тепло, что можно квалифицировать как тепловые потери. Различают такие основные потери теплоты:

• вызванные преодолением трения;
• возникающие из-за излучения тепла нагретыми внешними поверхностями двигателя;
• потери на привод некоторых вспомогательных механизмов.

Нормальный уровень теплового баланса двигателя может быть разным в зависимости от режима работы. Определяется по результатам испытаний в условиях установившегося теплового режима. Тепловой баланс помогает определить степень соответствия конструкции двигателя и экономичности его работы, и в дальнейшем принять меры по регулировке определенных процессов с целью добиться более совершенной работы.

Как рассчитываются разные составляющие теплового баланса?

Величина, всех составляющих теплового баланса, измеряется абсолютными единицами теплоты за час непрерывной работы мотора или в процентном соотношении ко всему количеству выработанного тепла. При необходимости тепловой баланс движка автомобиля можно определить экспериментально или рассчитать самостоятельно с помощью показателей обычного рабочего цикла двигателя и расчетов объема теплопередачи.

Величина каждого составляющего элемента, определяющего тепловой баланс, не может быть постоянной и изменяется в зависимости от возможных нагрузок, степени нагрева и скоростных режимов работы двигателя.

Отличие теплового баланса разных двигателей

Когда повышается степень сжатия, увеличивается часть теплоты, которая превращается в полезную работу: поэтому КПД дизельного двигателя превышает величину КПД карбюраторного двигателя. В случае уменьшения нагрузок двигателя при поддержании постоянного скоростного режима объем тепла, направленного на полезную работу, уменьшается, а потери выработанного тепла увеличиваются. Когда двигатель работает без нагрузок они достигают 100%. Когда на двигатель возлагается полная нагрузка, самое выгодное использование тепла будет на этапе средней скорости. Так происходит потому что общие тепловые потери, уходящие на охлаждение, с отработанными газовыми испарениями и в виде механических потерь сводятся к минимуму.

Важно также изменение состава топливной смеси, которая существенно влияет на полезное использование тепла в двигателе. Все объясняется изменениями скорости сгорания смеси. Функционирование двигателя на обогащенных смесях характеризуется снижением эффективного использования теплоты через неполное сгорание топлива. При этом тепловые потери на охлаждение и с выбросом отработанных газов немного снижаются. С обеднением смеси потери, вызванные неполнотой сгорания, уменьшаются. Но тогда возрастают тепловые утраты при охлаждении и с отработавшими газовыми испарениями.

Суммарные утраты при работе карбюраторного двигателя минимальны, если использовать экономичные смеси. В дизелях потери теплоты немного выше из-за преодоления механических сопротивлений, но утраты, связанные с высокой степенью сжатия, меньше по сравнению с карбюраторными двигателями. Это способствует образованию более эффективного КПД дизелей. К примеру, теплота карбюраторного двигателя, превращённая в полезную работу, будет составлять 21-29%, тогда как у дизельного двигателя — 30-42%.

Дополнительные траты тепла на систему охлаждения

Немалая часть теплового потока отводится с двигателя на систему охлаждения и уходит с отработавшими газовыми испарениями. Вывод тепла в систему охлаждения предотвращает пригорание поршневых колец, задирание и заклинивание поршня, снашивание головок цилиндров, обгорание сёдел клапанов, возникновение детонации и другие неприятности. Для вывода теплового потока в атмосферу некая часть эффективной мощности движка идет на обеспечение привода водяного насоса и вентилятора. В случае с воздушным охлаждением мощность для привода вентилятора будет выше из-за более высокого аэродинамического сопротивления.

Для снижения потерь нужно обязательно выяснить, какое количество теплоты будет достаточным для системы охлаждения двигателя автомобиля и что можно предпринять, чтобы снизить это количество.

Источник статьи: http://www.autoshcool.ru/5719-chto-nuzhno-znat-o-teplovom-balanse-dvigatelya-avtomobilya.html

Говорят дизель горячее бензинового мотора?

Иногда от водителей со стажем старшего поколения можно услышать фразу «дизель выделяет больше тепла», что не так с этим рассуждением?

Дизель выделяет меньше тепла

Дизель выделяет меньше тепла чем бензин или газ. Это связано с принципом работы дизельного двигателя и его КПД. У бензинового мотора КПД значительно ниже, а значит сгораемое топливо уходит в тепло.
Также из учебника по физики можно вычитать, что удельная теплота сгорания бензина 10500 ккал/кг (44000 кДж/кг), а дизель 10300 ккал/кг (43000 кДж/кг), т.е. дизельное топливо на 2% меньше выделяет тепло. Поэтому сжигая дизельное топливо мы получим меньше тепла, однако на котельных используют мазут, где ещё меньше тепла, но цена топлива значительно ниже.

Но дизельный мотор действительно горячее

Говоря о том, что дизель горячий — старшее поколение подразумевает старые и объемные дизельные двигатели коммерческой техники (более 4 литров), чей корпус и охл.жидкость нагревались до 100 градусов и это считалось нормой в отличии от бензинового двигателя, где стараются не превышать 90 градусов. А моторное масло также греется до 130 градусов в картере.
В первую очередь подразумевается, тот факт что двигатель очень долго остывает когда его заглушат.
Во вторых габариты этого двигателя такие большие, что в салоне того же КАМАЗа или автобуса довольно жарко летом и не помогали открытые окна.

Почему дизельный двигатель долго остывает и отдает жаром?

1. Толстый металл и применение чугуна. Современные бензиновые моторы все чаще делают из алюминиевого сплава, металл тоньше и быстрее остывает.
2. Больше моторного масла и охлаждающей жидкости чем в бензиновом. Если сравнить бензиновый и дизельный мотор того же объема камер сгорания топлива, то в дизельном моторе примерно на 20% больше моторного масла и охлаждающей жидкости.

Опубликовано: 22.06.2019 (обновлено: 25.10.2019 ) , автор NA88

Источник статьи: http://axiona.ru/pubs/58.html

Почему машины не запасают свое же тепло для облегчения холодного пуска двигателя?

В процессе работы двигателя внутреннего сгорания колоссальное количество тепла впустую уходит в атмосферу. Собрать его, накопить и использовать впоследствии – такая идея была популярна одно время у автомобильных инженеров. Как это работало и что из этого вышло?

Тепло – про запас!

Пришли холода, а с ним автомобилистов вновь стали посещать типично-сезонные мысли о разнообразных конструкциях предпускового подогрева двигателя, дабы повысить собственный комфорт, увеличить ресурс двигателя и не жечь впустую горючее. Собственно, множество моделей таких систем от самых разных производителей легко разделить на две основные группы – это автономные подогреватели, основанные на сжигании топлива, и стационарные подогреватели, работающие от электросети 220 вольт. Бесконечно всплывающая на автофорумах год от года мечта многих энтузиастов, не очень подкованных технически, греть машину энергией своего же аккумулятора, едва ли когда-то будет реализована. Во всяком случае, в сегменте традиционных бензиновых и дизельных двигателей – точно. А вот согреть наутро двигатель его же теплом, запасенным с вечера,  – это, как ни странно, вполне работоспособная идея!

В 80-90-е годы ХХ века автомобильным инженерам многих стран пришла в голову лежащая, в общем-то, на поверхности, мысль. Двигатель внутреннего сгорания, даже с самым высоким КПД, выделяет избыточно много бесполезного тепла, которое без толку рассеивается в атмосферу через радиатор. Почему бы в таком случае не запасать часть этой тепловой энергии в неком хранилище и не пускать ее на предварительный обогрев мотора перед следующим запуском в морозные периоды? Да и не в морозные, в общем-то, тоже – быстрее выходящий на рабочий температурный режим мотор тратит меньше топлива и более экологичен! В итоге некоторое количество конструкций автомобильных устройств, работающих по принципу накопления тепла, было разработано и даже выпускалось, как коммерческие изделия.

Как это устроено…

Концепция таких систем была приблизительно одинакова у разных разработчиков и за рубежом, и в СССР. Если сильно упростить, то ее схема выглядела так: под капотом (или в багажнике!) предлагалось установить баллон-теплоаккумулятор – емкость со стенками как у термоса. Через два дополнительных патрубка-тройника теплоаккумулятор входным и выходным шлангами врезался в штатную систему охлаждения двигателя через электрический клапан и небольшой электрический насос. Разумеется, объем антифриза в системе охлаждения увеличивался на объем баллона и соединительных шлангов.

Тепловой системой управлял собственный электронный контроллер с весьма простым алгоритмом. Ориентируясь на датчик температуры, контроллер дожидался прогрева двигателя до максимальной рабочей температуры 90-100 градусов, после чего открывал клапан, подключая, таким образом, контур теплоаккумулятора к штатной системе охлаждения двигателя, запускал электронасос и наполнял баллон горячим антифризом, выгоняя из него холодный. Напомним: если в радиатор горячего мотора внезапно ливануть несколько литров холодной воды или антифриза, может деформироваться головка блока. Впрочем, это ни для кого не секрет. Поэтому смена объема жидкости в теплоаккумуляторе происходила не скачком, а постепенно – в течение, скажем, минут десяти, через небольшое отверстие в частично открытом клапане. После наполнения баллона клапан закрывался, система накопления тепла отключалась и переходила в режим ожидания. Автомобиль же продолжал совершать поездки, использовался в обычном повседневном режиме, а вечером ставился на парковку.

Наутро перед запуском двигателя либо автоматически по таймеру, либо посредством дистанционного управления, либо вообще вручную непосредственно из салона открывался электроклапан в магистрали теплоаккумулятора, включалась электропомпа, и горячий антифриз из баллона прокачивался по рубашке двигателя, вытесняя обратно в баллон аналогичный объем холодной жидкости. Процесс был достаточно быстрым, занимая не более двух-трех минут, после чего мотор запускался, будучи уже в некоторой степени подогретым.

На первый взгляд, плюсы такой системы налицо. Простота конструкции – это, в первую очередь, дешевизна. Нулевые затраты топлива и практически нулевые – электричества. Риск остаться с разряженным аккумулятором отсутствовал. И, вдобавок, обеспечивалась полнейшая пожаробезопасность, поскольку в отличие от автономных и сетевых подогревателей в этой системе не было электрического ТЭНа или горящего бензина!

…и почему так и не стало популярным?

Однако возникает вопрос: почему же такие системы не стали распространенными как, скажем, дорогущие бензиновые и дизельные «автономки» и недорогие электроподогревы антифриза, работающие от сети 220 вольт? Уверен, что большинство автовладельцев, задай им такой вопрос, с недоумением ответят, что впервые слышат про системы предпускового подогрева с помощью теплоаккумулятора.

Существенной проблемой стало недопонимание потенциальными покупателями смысла таких систем из-за их уж шибко компромиссных свойств. Теплоемкость горячего антифриза ввиду ограниченного объема бака-термоса весьма невысока. Соответственно, чем ниже температура окружающей среды, тем менее эффективным оказывался теплоаккумулятор. В 10-15 градусов мороза на улице он мог прогреть двигатель приблизительно до нулевой температуры. В 20-25 градусов мороза мотор прогревался до, скажем, минус пятнадцати. Ну и далее по шкале температур. Масло в картере фактически не прогревается – то есть, износ двигателя от холодного пуска не уменьшается. Салон теплым не становится. И работает это все лишь при строго ежедневной езде. Достаточно пропустить день, оставшись дома и не заведя машину, и антифриз в теплоаккумуляторе остывал, делая его работу бессмысленной. В глазах потенциального покупателя выглядело все это как-то неубедительно, согласитесь.

Хотя реальные плюсы имелись и были они не маркетинговыми, а вполне объяснимыми технически. Жаль только, что плюсы эти были слишком растянуты во времени и по этой причине опять же малопривлекательны. Да, масло не прогревалось, и по этой причине пусковой ток стартера практически не снижался при использовании теплоаккумулятора. Но прогрев головки блока и улучшение испаряемости топлива все же давали гораздо более устойчивый и быстрый запуск и сокращение времени работы стартера. Все это изрядно продлевало жизнь и стартерному аккумулятору, и самому стартеру. Время прогрева двигателя перед началом движения в мороз тоже сокращалось приблизительно на четверть, что в конечном итоге при существенном пробеге давало приличную экономию топлива и денег. Вот только продвигать теплоаккумуляторы под таким соусом можно было лишь в годы интереса к ним со стороны разработчиков – те самые 80-90-е. Позже у рядовых автовладельцев возникло куда более утилитарное отношение к автомобилям с потерей интереса вложений денег и времени в продление их ресурса, ибо через три-пять лет машина просто меняется на новую. Да и ассортимент средств предпускового подогрева в продаже (приобретаемых уже в основном ради комфорта, а не увеличение ресурса мотора и аккумулятора) существенно расширился, включив в себя, в том числе, и доступные сигнализации с автозапуском.

Эволюция и тупик

Имелся ли у систем с теплоаккумуляторами какой-то потенциал для дальнейшего развития и, соответственно, рост интереса к ним со стороны автовладельцев или даже автозаводов? Имелся, и по этому пути шли, но в конечном итоге все уткнулось в типичный для технической сферы тупик противоречий между эффективностью и стоимостью. Простые и дешевые варианты имели весьма ограниченные достоинства, а варианты сложные сводили на нет ценовую доступность, сохраняя при этом большую часть недостатков простых.

Во-первых, в современном легковом автомобиле трудно найти место для размещения теплоаккумулятора приличного литража под капотом, а размещение его в багажнике резко усложняет и удорожает монтаж. Поэтому объем теплоаккумуляторов в предлагавшихся системах обычно не превышал 8 литров, а чаще балансировал где-то между 4 и 8. При этом теплоемкость пяти-шести литров горячего антифриза была весьма невысока. Развиваться в направлении увеличения емкости теплоаккумулятора оказалось нереально – необходимо было хотя бы добиться эффективного использования того, что уже имелось! Иными словами, достичь максимально длительного сохранения температуры антифриза в накопителе без потерь драгоценных градусов.

Внешняя теплоизоляция разными утепляющими материалами, применяемыми в строительстве, – это начало пути самодельщиков. Да-да, системы с теплоаккумуляторами для автомобиля некоторые граждане изучают и строят в качестве хобби даже в наши дни! Но вариант это совершенно бесперспективный, хотя и простой. Более сложные коммерческие системы использовали схему полноценного термоса с двойными стенками и вакуумом. Высший же пилотаж заключался в системах косвенного теплонакопления, с которыми экспериментировали некоторые скандинавские компании. В теплоаккумуляторе хранился не антифриз (что позволяло не увеличивать общий его объем в системе), а особые, сложные по составу гранулы, расположенные в хитрой пространственной решетке медных теплообменников, которые были вдобавок заключены в вакуумный термосный кожух. Начинка теплоаккумулятора накапливала тепло от прогоняемого через нее антифриза, а затем отдавала тепло ему же при прокачке холодной жидкости. У таких систем была отмечена радикально возросшая эффективность (более высокие температуры прогрева двигателя, хранение тепла не в течение ночи, а до двух-трех суток), но стоимость этих разработок не позволила сделать их сколько-нибудь массовыми и выигрывающими у «вебаст», «эбершпехеров» и прочих подобных устройств.

…и снова здравствуйте!

Как ни странно, интерес к теплоаккумуляторам в автомобиле до сих пор полностью не исчерпан! И по сей день с ними, повторимся, экспериментируют отдельные самодельщики, в чем можно убедиться, порывшись на наших и иностранных форумах технической направленности. А некоторые немногочисленные коммерческие компании даже производят такие системы и их компоненты для самостоятельного монтажа на машины. Хотя ажиотажного спроса на них, разумеется, нет. Однако термин «теплоаккумулятор» еще имеет шансы застолбить место в лексиконе автомехаников и автолюбителей – и поможет ему надвигающаяся эра электромобилей!

В электрической машине, как и в автомобиле с двигателем внутреннего сгорания, в процессе работы вырабатывается попутное тепло. Греется двигатель, батарея, мощные электронные модули коммутации. Это тепло не только бесполезно рассеивается в атмосферу, но еще и вредит, в теплое время года частично попадая в салон и заставляя тратить больше энергии на кондиционирование. Поэтому его перспективно накапливать и использовать для обогрева в холодный период. Разработкой эффективных аккумуляторов тепла и систем отбора тепла у нагревающихся узлов для его дальнейшей передачи в накопитель занимаются многие автомобильные и околоавтомобильные инжиниринговые компании, уже сегодня думающие о будущих этапах эволюции электротранспорта, когда продвинутые современные Теслы будут вспоминать как допотопные и примитивные машины. К примеру, Audi в этих исследованиях сотрудничает с немецким аэрокосмическим центром в Мюнхене и Институтом физики космических материалов в Кельне.

Источник статьи: http://www.kolesa.ru/article/pochemu-mashiny-ne-zapasayut-svoe-zhe-teplo-dlya-oblegcheniya-kholodnogo-puska-dvigatelya