1. Расход тепла на подогрев приточного воздуха

Q т =L∙ρ возд. ∙с возд. ∙(t вн. - t нар.),

где:

ρ возд. – плотность воздуха. Плотность сухого воздуха при 15°С на уровне моря составляет 1,225 кг/м³;
с возд. – удельная теплоемкость воздуха, равная 1 кДж/(кг∙К)=0,24 ккал/(кг∙°С);
t вн. – температура воздуха на выходе из калорифера, °С;
t нар. – температура наружного воздуха, °С (темп-ра воздуха наиболее холодной пятидневки обеспеченностью 0,92 по Строительной климатологии).

2. Расход теплоносителя на калорифер

G= (3,6∙Q т)/(с в ∙(t пр -t обр)),

где:
3,6 - коэффициент перевода Вт в кДж/ч (для получения расхода в кг/ч);
G - расход воды на теплоснабжение калорифера, кг/ч;
Q т – тепловая мощность калорифера, Вт;
с в – удельная теплоемкость воды, равная 4,187 кДж/(кг∙К)=1 ккал/(кг∙°С);
t пр. – температура теплоносителя (прямая линия), °С;
t нар. – температура теплоносителя (обратная линия), °С.

3. Выбор диаметра труб для теплоснабжения калорифера

Расход воды на калорифер , кг/ч

4. I-d диаграмма процесса нагрева воздуха

Процесс нагрева воздуха в калорифере протекает при d=const (при неизменном влагосодержании).

Рассмотрены основные физические свойства воздуха: плотность воздуха, его динамическая и кинематическая вязкость, удельная теплоемкость, теплопроводность, температуропроводность, число Прандтля и энтропия. Свойства воздуха даны в таблицах в зависимости от температуры при нормальном атмосферном давлении.

Плотность воздуха в зависимости от температуры

Представлена подробная таблица значений плотности воздуха в сухом состоянии при различных температурах и нормальном атмосферном давлении. Чему равна плотность воздуха? Аналитически определить плотность воздуха можно, если разделить его массу на объем, который он занимает при заданных условиях (давление, температура и влажность). Также можно вычислить его плотность по формуле уравнения состояния идеального газа . Для этого необходимо знать абсолютное давление и температуру воздуха, а также его газовую постоянную и молярный объем. Это уравнение позволяет вычислить плотность воздуха в сухом состоянии.

На практике, чтобы узнать какова плотность воздуха при различных температурах , удобно воспользоваться готовыми таблицами. Например, приведенной таблицей значений плотности атмосферного воздуха в зависимости от его температуры. Плотность воздуха в таблице выражена в килограммах на кубический метр и дана в интервале температуры от минус 50 до 1200 градусов Цельсия при нормальном атмосферном давлении (101325 Па).

Плотность воздуха в зависимости от температуры — таблица

t, °С	ρ, кг/м 3	t, °С	ρ, кг/м 3	t, °С	ρ, кг/м 3	t, °С	ρ, кг/м 3
-50	1,584	20	1,205	150	0,835	600	0,404
-45	1,549	30	1,165	160	0,815	650	0,383
-40	1,515	40	1,128	170	0,797	700	0,362
-35	1,484	50	1,093	180	0,779	750	0,346
-30	1,453	60	1,06	190	0,763	800	0,329
-25	1,424	70	1,029	200	0,746	850	0,315
-20	1,395	80	1	250	0,674	900	0,301
-15	1,369	90	0,972	300	0,615	950	0,289
-10	1,342	100	0,946	350	0,566	1000	0,277
-5	1,318	110	0,922	400	0,524	1050	0,267
0	1,293	120	0,898	450	0,49	1100	0,257
10	1,247	130	0,876	500	0,456	1150	0,248
15	1,226	140	0,854	550	0,43	1200	0,239

При 25°С воздух имеет плотность 1,185 кг/м 3 . При нагревании плотность воздуха снижается — воздух расширяется (его удельный объем увеличивается). С ростом температуры, например до 1200°С, достигается очень низкая плотность воздуха, равная 0,239 кг/м 3 , что в 5 раз меньше ее значения при комнатной температуре. В общем случае, снижение при нагреве позволяет проходить такому процессу, как естественная конвекция и применяется, например, в воздухоплавании.

Если сравнить плотность воздуха относительно , то воздух легче на три порядка — при температуре 4°С плотность воды равна 1000 кг/м 3 , а плотность воздуха составляет 1,27 кг/м 3 . Необходимо также отметить значение плотности воздуха при нормальных условиях. Нормальными условиями для газов являются такие, при которых их температура равна 0°С, а давление равно нормальному атмосферному. Таким образом, согласно таблице, плотность воздуха при нормальных условиях (при НУ) равна 1,293 кг/м 3 .

Динамическая и кинематическая вязкость воздуха при различных температурах

При выполнении тепловых расчетов необходимо знать значение вязкости воздуха (коэффициента вязкости) при различной температуре. Эта величина требуется для вычисления числа Рейнольдса, Грасгофа, Релея, значения которых определяют режим течения этого газа. В таблице даны значения коэффициентов динамической μ и кинематической ν вязкости воздуха в диапазоне температуры от -50 до 1200°С при атмосферном давлении.

Коэффициент вязкости воздуха с ростом его температуры значительно увеличивается. Например, кинематическая вязкость воздуха равна 15,06·10 -6 м 2 /с при температуре 20°С, а с ростом температуры до 1200°С вязкость воздуха становиться равной 233,7·10 -6 м 2 /с, то есть увеличивается в 15,5 раз! Динамическая вязкость воздуха при температуре 20°С равна 18,1·10 -6 Па·с.

При нагревании воздуха увеличиваются значения как кинематической, так и динамической вязкости. Эти две величины связаны между собой через величину плотности воздуха, значение которой уменьшается при нагревании этого газа. Увеличение кинематической и динамической вязкости воздуха (как и других газов) при нагреве связано с более интенсивным колебанием молекул воздуха вокруг их равновесного состояния (согласно МКТ).

Динамическая и кинематическая вязкость воздуха при различных температурах — таблица

t, °С	μ·10 6 , Па·с	ν·10 6 , м 2 /с	t, °С	μ·10 6 , Па·с	ν·10 6 , м 2 /с	t, °С	μ·10 6 , Па·с	ν·10 6 , м 2 /с
-50	14,6	9,23	70	20,6	20,02	350	31,4	55,46
-45	14,9	9,64	80	21,1	21,09	400	33	63,09
-40	15,2	10,04	90	21,5	22,1	450	34,6	69,28
-35	15,5	10,42	100	21,9	23,13	500	36,2	79,38
-30	15,7	10,8	110	22,4	24,3	550	37,7	88,14
-25	16	11,21	120	22,8	25,45	600	39,1	96,89
-20	16,2	11,61	130	23,3	26,63	650	40,5	106,15
-15	16,5	12,02	140	23,7	27,8	700	41,8	115,4
-10	16,7	12,43	150	24,1	28,95	750	43,1	125,1
-5	17	12,86	160	24,5	30,09	800	44,3	134,8
0	17,2	13,28	170	24,9	31,29	850	45,5	145
10	17,6	14,16	180	25,3	32,49	900	46,7	155,1
15	17,9	14,61	190	25,7	33,67	950	47,9	166,1
20	18,1	15,06	200	26	34,85	1000	49	177,1
30	18,6	16	225	26,7	37,73	1050	50,1	188,2
40	19,1	16,96	250	27,4	40,61	1100	51,2	199,3
50	19,6	17,95	300	29,7	48,33	1150	52,4	216,5
60	20,1	18,97	325	30,6	51,9	1200	53,5	233,7

Примечание: Будьте внимательны! Вязкость воздуха дана в степени 10 6 .

Удельная теплоемкость воздуха при температуре от -50 до 1200°С

Представлена таблица удельной теплоемкости воздуха при различных температурах. Теплоемкость в таблице дана при постоянном давлении (изобарная теплоемкость воздуха) в интервале температуры от минус 50 до 1200°С для воздуха в сухом состоянии. Чему равна удельная теплоемкость воздуха? Величина удельной теплоемкости определяет количество тепла, которое необходимо подвести к одному килограмму воздуха при постоянном давлении для увеличения его температуры на 1 градус. Например, при 20°С для нагревания 1 кг этого газа на 1°С в изобарном процессе, требуется подвести 1005 Дж тепла.

Удельная теплоемкость воздуха увеличивается с ростом его температуры. Однако, зависимость массовой теплоемкости воздуха от температуры не линейная. В интервале от -50 до 120°С ее величина практически не меняется — в этих условиях средняя теплоемкость воздуха равна 1010 Дж/(кг·град). По данным таблицы видно, что значительное влияние температура начинает оказывать со значения 130°С. Однако, температура воздуха влияет на его удельную теплоемкость намного слабее, чем на вязкость. Так, при нагреве с 0 до 1200°С теплоемкость воздуха увеличивается лишь в 1,2 раза – с 1005 до 1210 Дж/(кг·град).

Следует отметить, что теплоемкость влажного воздуха выше, чем сухого. Если сравнить и воздуха, то очевидно, что вода обладает более высоким ее значением и содержание воды в воздухе приводит к увеличению удельной теплоемкости.

Удельная теплоемкость воздуха при различных температурах — таблица

t, °С	C p , Дж/(кг·град)	t, °С	C p , Дж/(кг·град)	t, °С	C p , Дж/(кг·град)	t, °С	C p , Дж/(кг·град)
-50	1013	20	1005	150	1015	600	1114
-45	1013	30	1005	160	1017	650	1125
-40	1013	40	1005	170	1020	700	1135
-35	1013	50	1005	180	1022	750	1146
-30	1013	60	1005	190	1024	800	1156
-25	1011	70	1009	200	1026	850	1164
-20	1009	80	1009	250	1037	900	1172
-15	1009	90	1009	300	1047	950	1179
-10	1009	100	1009	350	1058	1000	1185
-5	1007	110	1009	400	1068	1050	1191
0	1005	120	1009	450	1081	1100	1197
10	1005	130	1011	500	1093	1150	1204
15	1005	140	1013	550	1104	1200	1210

Теплопроводность, температуропроводность, число Прандтля воздуха

В таблице представлены такие физические свойства атмосферного воздуха, как теплопроводность, температуропроводность и его число Прандтля в зависимости от температуры. Теплофизические свойства воздуха даны в интервале от -50 до 1200°С для сухого воздуха. По данным таблицы видно, что указанные свойства воздуха существенно зависят от температуры и температурная зависимость рассмотренных свойств этого газа различна.

Нагревание атмосферы (температура воздуха).

Атмосфера получает больше тепла от подстилающей земной поверхности, чем непосредственно от Солнца. Тепло передается атмосфере посредством молекулярной теплопроводности ,конвекции , выделения удельной теплоты парообразования при конденсации водяного пара в атмосфере. Поэтому температура в тропосфере с высотой обычно понижается. Но если поверхность отдает воздуху больше тепла, чем за то же время получает, она охлаждается, от нее охлаждается и воздух над ней. В этом случае температура воздуха с высотой, наоборот, повышается. Такое положение называется температурной инверсией . Ее можно наблюдать летом в ночное время, зимой - над снежной поверхностью. Температурная инверсия обычна в полярных областях. Причиной инверсии, кроме охлаждения поверхности, может быть вытеснение теплого воздуха подтекающим под него холодным или стекание холодного воздуха на дно межгорных котловин.

В спокойной тропосфере температура с высотой в среднем понижается на 0,6° на каждые 100 м. При поднятии сухого воздуха этот показатель увеличивается и может достигать 1° на 100 м., а при поднятии влажного – уменьшается. Это объясняется тем, что поднимающийся воздух расширяется и на это затрачивается энергия (тепло), а при поднятии влажного воздуха происходит конденсация водяного пара, сопровождающаяся выделением тепла.

Понижение температуры поднимающегося воздуха - главная причина образования облаков . Опускающийся воздух, попадая под большое давление, сжимается, и температура его повышается.

Температура воздуха периодически изменяется в течение суток и в течение года.

В суточном ее ходе наблюдается один максимум (после полудня) и один минимум (перед восходом солнца). От экватора к полюсам суточные амплитуды колебания температуры убывают. Но при этом над сушей они всегда больше, чем над океаном.

В годовом ходе температуры воздуха на экваторе - два максимума (после равноденствий) и два минимума (после солнцестояний). В тропических, умеренных и полярных широтах - по одному максимуму и по одному минимуму. Амплитуды годовых колебаний температуры воздуха с увеличением широты возрастают. На экваторе они меньше суточных: 1-2°С над океаном и до 5°С - над сушей. В тропических широтах - над океаном - 5°С, над сушей - до 15°С. В умеренных широтах от 10-15°С над океаном до 60°С и более над сушей. В полярных широтах преобладает отрицательная температура, ее годовые колебания достигают 30-40°С.

Правильный суточный и годовой ход температуры воздуха, обусловленный изменениями высоты Солнца над горизонтом и продолжительностью дня, осложняется непериодическими изменениями, вызываемыми перемещениями масс воздуха, имеющих разную температуру. Общая закономерность распределения температуры в нижнем слое тропосферы -ее понижение в направлении от экватора к полюсам.

Если бы средняя годовая температура воздуха зависела только от широты, ее распределение в Северном и Южном полушариях было бы одинаковым. В действительности же на ее распределение существенно влияют различия в характере подстилающей поверхности и перенос тепла из низких широт в высокие.

Вследствие переноса тепла на экваторе температура воздуха ниже, а на полюсах выше, чем была бы без этого процесса. Южное полушарие холоднее Северного главным образом из-за покрытой льдом и снегом суши у Южного полюса. Средняя температура воздуха в нижнем двухметровом слое для всей Земли +14°С, что соответствует средней годовой температуре воздуха на 40° с.ш.

ЗАВИСИМОСТЬ ТЕМПЕРАТУРЫ ВОЗДУХА ОТ ГЕОГРАФИЧЕСКОЙ ШИРОТЫ

Распределение температуры воздуха у земной поверхности показывают посредством изотерм - линий, соединяющих места с одинаковой температурой. Изотермы не совпадают с параллелями. Они изгибаются, переходя с материка на океан и наоборот.

Давление атмосферы

Воздух имеет массу и вес, поэтому оказывает давление на соприкасающуюся с ним поверхность. Давление, оказываемое воздухом на земную поверхность и все, находящиеся на ней предметы, называется атмосферным давлением . Оно равно весу вышележащего столба воздуха и зависят от температуры воздуха: чем выше температура, тем ниже давление.

Давление атмосферы на подстилающую поверхность составляет в среднем 1,033 г на 1 см 2 (больше 10 т на м 2 ). Измеряется давление в миллиметрах ртутного столба, миллибарах (1 мб = 0,75 мм рт. ст.) и в гектопаскалях (1 гПа = 1 мб). С высотой давление понижается: В нижнем слое тропосферы до высоты 1 км оно понижается на 1 мм рт. ст. на каждые 10 м. Чем выше, тем давление понижается медленнее. Нормальное давление на уровне океана – 760 мм. Рт. ст.

Общее распределение давления да поверхности Земли имеет зональный характер:

	Время года	Над материком	Над океаном
На экваториальных широтах
На тропических широтах
	Низкое	Высокое
На умеренных широтах		Высокое	Низкое
	Низкое
На полярных широтах

Таким образом, и зимой и летом, и над материками и над океаном чередуются зоны высокого и низкого давления. Распределение давления хорошо видно на картах изобар января и июля. Изобары - линии, соединяющие места с одинаковым давлением. Чем ближе они располагаются друг к другу, тем быстрее изменяется давление с расстоянием. Величина изменения давления на единицу расстояния (100 км) называется барическим градиентом .

Изменение давления объясняется перемещением воздуха. Оно повышается там, где воздуха становится больше, и понижается там, откуда воздух уходит. Главная причина перемещения воздуха - его нагревание и охлаждение от подстилающей поверхности . Нагреваясь от поверхности, воздух расширяется и устремляется вверх. Достигнув высоты, на которой его плотность оказывается больше плотности окружающего воздуха, он растекается в стороны. Поэтому давление на теплую поверхность понижается (экваториальные широты, материковая часть тропических широт летом). Но одновременно на соседние участки оно увеличивается, хотя температура там не изменялась (тропические широты зимой).

Над холодной поверхностью воздух охлаждается и уплотняется, прижимаясь к поверхности (полярные широты, материковая часть умеренных широт зимой). Наверху его плотность уменьшается, и сюда приходит воздух со стороны. Количество его над холодной поверхностью увеличивается, давление на нее возрастает. Одновременно там, откуда воздух ушел, давление уменьшается без изменения температуры. Нагревание и охлаждение воздуха от поверхности сопровождается его перераспределением и изменением давления.

В экваториальных широтах давление всегда пониженное . Это объясняется тем, что нагревающийся от поверхности воздух поднимается и уходит в сторону тропических широт, создавая там повышенное давление.

Над холодной поверхностью в Арктике и Антарктиде давление повышенное . Его создает воздух, приходящий из умеренных широт на место уплотнившегося холодного воздуха. Отток воздуха в полярные широты - причина понижения давления в умеренных широтах.

В результате формируются пояса пониженного (экваториальный и умеренные) и повышенного давления (тропические и полярные). В зависимости от сезона они несколько смещаются в сторону летнего полушария («вслед за Солнцем»).

Полярные области высокого давления зимой расширяются, летом сокращаются, но существуют весь год. Пояса пониженного давления весь год сохраняются близ экватора и в умеренных широтах Южного полушария.

Зимой в умеренных широтах Северного полушария давление над материками сильно повышается и пояс низкого давления «разрывается». Замкнутые области пониженного давления сохраняются только над океанами - Исландский и Алеутский минимумы . Над материками, наоборот, образуются зимние максимумы :Азиатский (Сибирский ) и Северо-Американский . Летом в умеренных широтах Северного полушария, пояс пониженного давления восстанавливается.

Огромная область пониженного давления с центром в тропических широтах формируется летом над Азией - Азиатский минимум . В тропических широтах материки всегда нагреты несколько сильнее, чем океаны, и давление над ними ниже. Поэтому над океанами существуют субтропические максимумы :Северо-Атлантический (Азорский), Северо-Тихоокеанский, Южно-Атлантический, Южно-Тихоокеанский и Южно-Индийский.

Таким образом, из-за разного нагрева и остывания материковой и водной поверхности (материковая поверхность быстрее нагревается и быстрее остывает), наличия теплых и холодных течений и других причин на Земле кроме поясов атмосферного давления могут возникать замкнутые области пониженного и повышенного давления.

1

Согласно оценкам Международного энергетического агентства, приоритетным направлением снижения выбросов диоксида углерода автомобилями является повышение их топливной экономичности. Задача снижения выбросов СО2 путем повышения топливной экономичности автотранспорта является для мирового сообщества одной из приоритетных, учитывая необходимость рационального использования не возобновляемых источников энергии. С этой целью постоянно ужесточаются международные стандарты, лимитирующие показатели пуска и эксплуатации двигателя в условиях низких и даже высоких температур окружающей среды. В статье рассмотрен вопрос топливной экономичности двигателей внутреннего сгорания в зависимости от температуры, давления, влажности окружающего воздуха. Приведены результаты исследования по поддержанию постоянной температуры во впускном коллекторе ДВС с целью экономии топлива и определению оптимальной мощности нагревательного элемента.

мощность нагревательного элемента

температура окружающего воздуха

подогрев воздуха

экономия топлива

оптимальная температура воздуха во впускном коллекторе

1. Автомобильные двигатели. В.М. Архангельский [и др.]; отв. ред. М.С. Ховах. М.: Машиностроение, 1977. 591 с.

2. Карнаухов В.Н., Карнаухова И.В. Определение коэффициента наполнения в ДВС // Транспортные и транспортно-технологические системы, материалы Международной научно-технической конференции, Тюмень, 16 апреля 2014г. Тюмень: Изд-во ТюмГНГУ, 2014.

3. Ленин И.М. Теория автомобильных и тракторных двигателей. М.: Высшая школа, 1976. 364 с.

4. Ютт В.Е. Электрооборудование автомобилей. М: Изд-во Горячая линия-Телеком, 2009. 440 с.

5. Ютт В.Е., Рузавин Г.Е. Электронные системы управления ДВС и методы их диагностирования. М.: Изд-во Горячая линия-Телеком, 2007. 104 с.

Введение

Развитие электроники и микропроцессорной техники привело к широкому внедрению ее на автомобили. В частности, к созданию электронных систем автоматического управления двигателем, трансмиссией ходовой частью и дополнительным оборудованием. Применение электронных систем для управления (ЭСУ) двигателем позволяет снизить расход топлива и токсичности отработанных газов с одновременным повышением мощности двигателя, повысить приемистость и надежность холодного пуска. Современные ЭСУ объединяют в себе функции управления впрыском топлива и работой системы зажигания. Для реализации программного управления в блоке управления записывается зависимость длительности впрыска (количество подаваемого топлива) от нагрузки и частоты вращения коленчатого вала двигателя. Зависимость задается в виде таблицы, разработанной на основе всесторонних испытаний двигателя аналогичной модели. Подобные таблицы используются и для определения угла зажигания. Эта система управления двигателем используется во всем мире, потому что выбор данных из готовых таблиц является наиболее быстрым процессом, чем выполнение вычислений при помощи ЭВМ. Полученные по таблицам значения корректируются бортовыми компьютерами автомобилей в зависимости от сигналов датчиков положения дроссельной заслонки, температуры воздуха, его давления и плотности. Основным отличием данной системы, применяемой в современных автомобилях, является отсутствие жесткой механической связи между дроссельной заслонкой и педалью акселератора, ею управляющей. В сравнении с традиционными системами, ЭСУ позволяет снизить расход топлива на различных автомобилях до 20 % .

Низкое потребление топлива достигается путем различной организации двух основных режимов работы ДВС: режима малой нагрузки и режима высокой нагрузки. При этом двигатель в первом режиме работает с неоднородной смесью, большим избытком воздуха и поздним впрыском топлива, благодаря чему достигается расслоение заряда из смеси воздуха, топлива и оставшихся отработанных газов, в результате чего он работает на бедной смеси. На режиме высокой нагрузки двигатель начинает работать на гомогенной смеси, что приводит к уменьшению выбросов вредных веществ в отработанных газах. Токсичность выброса при применении ЭСУ дизельными двигателями при пуске позволяют снизить различные свечи накаливания. ЭСУ получает информацию о температуре воздуха на впуске, давлении, расходе топлива и положении коленчатого вала. Блок управления обрабатывает информацию от датчиков и, используя характеристические карты, выдает значение угла опережения подачи топлива. С целью учета изменения плотности поступающего воздуха при изменении его температуры датчик расхода оснащен терморезистором. Но в результате колебаний температуры и давления воздуха во впускном коллекторе, несмотря на вышеперечисленные датчики, происходит мгновенное изменение плотности воздуха и, как следствие, уменьшение или увеличение поступления кислорода в камеру сгорания.

Цель, задачи и метод исследования

В Тюменском государственном нефтегазовом университете были проведены исследования с целью поддержания постоянной температуры во впускном коллекторе ДВС КАМАЗ-740, ЯМЗ-236 и D4FB (1.6 CRDi) автомобиля Киа Сид, MZR2.3-L3T - Мазда CX7. При этом температурные колебания воздушной массы учитывались температурными датчиками. Обеспечение нормальной (оптимальной) температуры воздуха во впускном коллекторе должно выполняться при всех возможных эксплуатационных режимах: пуске холодного двигателя, работе на малых и высоких нагрузках, при работе в условиях низких температур окружающей среды.

В современных быстроходных двигателях суммарная величина теплообмена оказывается незначительной и составляет около 1 % от всего количества тепла, выделенного при сгорании топлива. Увеличение температуры подогрева воздуха во впускном коллекторе до 67 ˚С приводит к уменьшению интенсивности теплообмена в двигателях, то есть уменьшению ΔТ и увеличению коэффициента наполнения. ηv (рис.1)

где ΔТ - разность температур воздуха во впускном коллекторе (˚К), Тп - температура нагрева воздуха во впускном коллекторе, Тв - температура воздуха во впускном коллекторе.

Рис. 1. График влияния температуры подогрева воздуха на коэффициент наполнения (на примере двигателя КАМАЗ-740)

Однако подогрев воздуха более 67 ˚С не приводит к росту ηv в связи с тем, что плотность воздуха при этом уменьшается. Полученные экспериментальные данные показали, что воздух у дизельных двигателей без наддува во время его работы имеет интервал температур ΔТ=23÷36˚С. Испытаниями было подтверждено, что для ДВС, работающих на жидком топливе, разница в величине коэффициента наполнения ηv, рассчитанного из условий, что свежим зарядом является воздух или топливовоздушная смесь, незначительна и составляет менее 0,5 % , поэтому для всех типов двигателей ηv определяется по воздуху.

Изменение температуры, давления и влажности воздуха сказывается на мощности любого двигателя и колеблется в интервале Ne=10÷15% (Ne - эффективная мощность двигателя).

Повышение аэродинамического сопротивления воздуха во впускном коллекторе объясняется следующими параметрами:

Повышенной плотностью воздуха.

Изменением вязкости воздуха.

Характером поступления воздуха в камеру сгорания.

Многочисленными исследованиями доказано, что высокая температура воздуха во впускном коллекторе увеличивает расход топлива незначительно. В то же время низкая температура увеличивает его расход до 15-20 %, поэтому исследования проводились при температуре наружного воздуха -40 ˚С и его нагреве до +70 ˚С во впускном коллекторе. Оптимальной по расходу топлива является температура воздуха во впускном коллекторе 15÷67 ˚С.

Результаты исследования и анализ

Во время испытаний была определена мощность нагревательного элемента для обеспечения подержания определенной температуры во впускном коллекторе ДВС. На первой стадии определено количество тепла, необходимого для нагрева воздуха массой 1 кг при постоянной температуре и давлении воздуха, для этого примем: 1. Температура окружающего воздуха t1=-40˚C. 2. Температура во впускном коллекторе t2=+70˚С.

Количество необходимого тепла находим по уравнению:

(2)

где СР - массовая теплоемкость воздуха при постоянном давлении, определяется по таблице и для воздуха при температуре от 0 до 200 ˚С.

Количество тепла для большей массы воздуха определяется по формуле:

где n - объем воздуха в кг, необходимого для нагрева при работе двигателя.

При работе ДВС на оборотах более 5000 об/мин расход воздуха легковых автомобилей достигает 55-60 кг/час, а грузовых - 100 кг/час. Тогда:

Мощность нагревателя определяем по формуле:

где Q - количество тепла, затраченное на нагревание воздуха в Дж, N - мощность нагревательного элемента в Вт, τ - время в сек.

Необходимо определить мощность нагревательного элемента в секунду, поэтому формула примет вид:

N=1,7 кВт - мощность нагревательного элемента для легковых автомобилей и при расходе воздуха более 100 кг/час для грузовых - N=3,1 кВт.

(5)

где Ттр - температура во впускном трубопроводе, Ртр - давление в Па во впускном трубопроводе, Т0 - , ρ0 - плотность воздуха, Rв - универсальная газовая постоянная воздуха.

Подставляя формулу (5) в формулу (2), получаем:

(6)

(7)

Мощность нагревателя в секунду определим по формуле (4) с учетом формулы (5):

(8)

Результаты расчетов количества тепла, необходимого для нагрева воздуха массой 1 кг со средним расходом воздуха для легковых автомобилей более V=55кг/час и для грузовых - более V=100кг/час, представлены в таблице 1.

Таблица 1

Таблица определения количества тепла для нагрева воздуха во впускном коллекторе в зависимости от наружной температуры воздуха

	V>55кг/час		V>100кг/час
		Q, кДж/сек		Q, кДж/сек

На основании данных таблицы 1 построен график (рис. 2) количества тепла Q в секунду, затраченного на подогрев воздуха до оптимальной температуры. На графике видно, что чем выше температура воздуха, тем меньшее количество тепла необходимо для поддержания оптимальной температуры во впускном коллекторе, вне зависимости от объема воздуха.

Рис. 2. Количество тепла Q в секунду, затраченного на подогрев воздуха до оптимальной температуры

Таблица 2

Расчет времени нагрева различных объемов воздуха

	Q1, кДж/сек		Q2, кДж/сек

Время определено по формуле τсек=Q/N при температуре наружного воздуха >-40˚С,Q1 при расходе воздуха V>55 кг/час и Q2- V>100 кг/час

Далее по таблице 2 построен график времени нагрева воздуха до +70 ˚С в коллекторе ДВС при различной мощности нагревателя. На графике видно, что независимо от времени нагрева при повышении мощности нагревателя время нагрева разных объемов воздуха выравнивается.

Рис. 3. Время нагрева воздуха до температуры +70 ˚С.

Заключение

На основании расчетов и экспериментов установлено, что наиболее экономичным является использование нагревателей переменной мощности для поддержания заданной температуры во впускном коллекторе с целью получения экономии топлива до 25-30 %.

Рецензенты :

Резник Л.Г., д.т.н., профессор кафедры «Эксплуатация автомобильного транспорта» ФГБО УВПО «Тюменский государственный нефтегазовый университет», г. Тюмень.

Мерданов Ш.М., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой «Транспортные и технологические системы» ФГБО УВПО «Тюменский государственный нефтегазовый университет», г. Тюмень.

Захаров Н.С., д.т.н., профессор, действующий член Российской академии транспорта, заведующий кафедрой «Сервис автомобилей и технологических машин» ФГБО УВПО «Тюменский государственный нефтегазовый университет», г. Тюмень.

Библиографическая ссылка

Карнаухов В.Н. ОПТИМИЗАЦИЯ МОЩНОСТИ НАГРЕВАТЕЛЬНОГО ЭЛЕМЕНТА ДЛЯ ПОДДЕРЖАНИЯ ОПТИМАЛЬНОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ ВОЗДУХА ВО ВПУСКНОМ КОЛЛЕКТОРЕ ДВС // Современные проблемы науки и образования. – 2014. – № 3.;
URL: http://science-education.ru/ru/article/view?id=13575 (дата обращения: 01.02.2020). Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»

Когда солнце греет сильнее – когда оно стоит выше над головой или когда ниже?

Солнце греет сильнее, когда стоит выше. Солнечные лучи в этом случае падают под прямым, или близким к прямому углом.

Какие виды вращения Земли вам известны?

Земля вращается вокруг своей оси и вокруг Солнца.

Почему на Земле происходит смена дня и ночи?

Смена дня и ночи – результат осевого вращения Земли.

Определите, как отличается угол падения солнечных лучей 22 июня и 22 декабря на параллелях 23,5° с. ш. и ю. ш.; на параллелях 66,5° с. ш. и ю. ш.

22 июня угол падения солнечных лучей на параллели 23,50 с.ш. 900, ю.ш. – 430. На параллели 66,50 с.ш. – 470, 66,50 ю.ш. – скользящий угол.

22 декабря угол падения солнечных лучей на параллели 23,50 с.ш. 430, ю.ш. – 900. На параллели 66,50 с.ш. – скользящий угол, 66,50 ю.ш. – 470.

Подумайте, почему самые теплые и холодные месяцы - не июнь и декабрь, когда солнечные лучи имеют наибольший и наименьший углы падения на земную поверхность.

Атмосферный воздух нагревается от земной поверхности. Поэтому в июне происходит нагревание земной поверхности, а температура достигает максимума в июле. Тоже происходит зимой. В декабре выхолаживается земная поверхность. В январе остывает воздух.

Определите:

среднюю суточную температуру по показателям четырех измерений за сутки:-8°С, -4°С,+3°С,+1°С.

Среднесуточная температура -20С.

среднюю годовую температуру Москвы, используя данные таблицы.

Среднегодовая температура 50С.

Определите суточную амплитуду температур для показателей термометров на рисунке 110, в.

Амплитуда температур на рисунке в 180С.

Определите, на сколько градусов годовая амплитуда в Красноярске больше, чем в Санкт-Петербурге, если средняя температура июля в Красноярске +19°С, а января- -17°С; в Санкт-Петербурге +18°С и -8°С соответственно.

Амплитуда температур в Красноярске 360С.

Амплитуда температур в Санкт-Петербурге 260С.

Амплитуда температур в Красноярске больше на 100С.

Вопросы и задания

1. Как происходит нагревание воздуха атмосферы?

Пропуская солнечные лучи, атмосфера от них почти не нагревается. Нагревается же земная поверхность, и сама становится источником тепла. Именно от нее нагревается атмосферный воздух.

2. Насколько градусов уменьшается температура в тропосфере при подъеме на каждые 100 м?

При подъеме вверх па каждый километр температура воздуха понижается на 6 0С. Значит, на 0,60 на каждые 100 м.

3. Вычислите температуру воздуха за боротом самолета, если высота полета 7 км, а температура у поверхности Земли +200С.

Температура при подъеме на 7 км понизится на 420. Значит, температура за бортом самолета составит -220.

4. Можно ли в горах на высоте 2500 м встретить летом ледник, если у подножий гор температура +250С.

Температура на высоте 2500 м составит +100С. Ледник на высоте 2500 м не встретится.

5. Как и почему изменяется температура воздуха в течение суток?

Днем солнечные лучи освещают земную поверхность и прогревают ее, от нее нагревается и воздух. Ночью поступление солнечной энергии прекращается, и поверхность вместе с воздухом постепенно остывает. Солнце наиболее высоко стоит над горизонтом в полдень. В это время поступает больше всего солнечной энергии. Однако самая высокая температура наблюдается через 2-3 ч после полудня, так как на передачу тепла от поверхности Земли к тропосфере требуется время. Самая низкая температура бывает перед восходом солнца.

6. От чего зависит разница в нагревании поверхности Земли в течении года?

В течение года на одной и той же территории солнечные лучи падают на поверхность по-разному. Когда угол падения лучей более отвесный, поверхность получает больше солнечной энергии, температура воздуха повышается и наступает лето. Когда солнечные лучи наклонены сильнее, поверхность нагревается слабо. Температура воздуха в это время понижается, и наступает зима. Самый теплый месяц в Северном полушарии - июль, а самый холодный - январь. В Южном полушарии - наоборот: самый холодный месяц года - июль, а самый теплый - январь.