第六节 柴油机的热平衡
柴油机热平衡就是用试验的方法确定燃料的总发热量分配于有效功和各种损失的情况。研究热平衡的目的是：
（1）了解热量分配情况，为提高柴油机的经济性指明方向，也便于废热利用的研究。
（2）为冷却系统和排气系统的设计提供原始数据，如冷却水泵、冷却器和废热锅炉设计所需的原始数据等。
（3）预估新型强化发动机高温零件的热负荷是否过高。
热平衡试验在稳定运转时进行，为了实际测量的方便，将热平衡中的各个热量分为4个部分（均按1h计算）。
①转化为有效功的热当量Qe：
Qe=3600Ne（kJ/h） （1-6-1）
柴油机的有效功率（kW）由测功器测定。
②废气热损失Qr：即废气带走的热量，在四冲程非增压柴油机中等于排气的焓与进入气缸的空气的焓两者之差，即：
Qr(EGT)CpmTrEC(r)(a)pmTa （kJ/h） （1-6-2）
式中：E——进入气缸的空气流量，用流量计测得，kg/h；
GT——燃油消耗量，用重量法或容积法测得，kg/h；
Tr——排气管内废气温度，用温度计测得，K；
Ta——进气管进口处的空气温度，用温度计测得，K；
Cpm——废气的平均定压比热，一般可近似取为1.05，kJ/（kg·K）；
Cpm——空气的平均定压比热，按下试计算：
27.590.0025Ta(a) Cpm （kJ/kg·K） （1-6-3） 28.96(a)(r)
对于二冲程非增压柴油机，Ta是扫气泵入口处的空气温度。对于增压柴油机Tr是废气涡轮后的废气温度，Ta是增压器入口处的空气温度。
③冷却热损失Qw：即传给冷却介质的热量，包括润滑油带走的热量，因为润滑油带走轴承中摩擦产生的热量，因此包含了一部分机械损失。如果冷却系统有几个分开的系统，应分别计算后累加。
Qw=GwCp(t2-t1) （kJ/h） （1-6-4）
式中：Gw——冷却介质流量，用流量计或容积法测量，kg/h；
Cp——冷却介质比热，kJ/（kg·℃），对于水，Cp=4.186kJ/（kg·℃）；
t1——冷却介质在柴油机进口（或冷却器进口）处的温度，用温度计测量，℃； t2——冷却介质在柴油机出口（或冷却器进口）处的温度，用温度计测量，℃
④余项损失Qs：即除Qr和Qw以外未能包括进去的各种损失，有不完全燃烧损失、部分机械损失（未被冷却介质带走的摩擦热、驱动辅助机械消耗的热量等）、柴油机表面传给大气的热量、废气动能以及对各项损失估算不准确
而产生的误差等等。
Qs=QT-(Qe+Qr+Qw) （kJ/h） （1-6-5）
式中：QT——燃油总发热量：
QT=GTHu （kJ/h） （1-6-6）
Hu为燃油的低热值，一般取42700kJ/kg。
柴油机的热平衡用热平衡方程式表达：
QT=Qe+Qr+Qw+Qs （kJ/h） （1-6-7）
为便于不同柴油机进行比较，常用相对值，
即用QT除（1-6-7）全式，并取百分数，即：
qe+qr+qw+qs=100（%） （1-6-8）
qe、qr、qw、qs分别为Qe、Qr、Qw、Qs的相应百
分数。
增压柴油机（1094r/min、1954kW）的热平衡图。
船用柴油机在标定工况下的热平衡数据一般为：
qe=30～55%， qr=23～40%，
qw=20～33%， qs=5～10%。
柴油机废气和冷却水带走的热量约占燃料总发热量的50%，研究回收这一部分对柴油机来说是余热的能量，对提高整个动力装置的经济性、节约能源有重要意义。
废气的温度较高，在涡轮出口处一般都在600～650K以上，属较高品位热能；冷却水的温度较低，约350～360K，属低品位热能。余热的回收利用应按热能品质，分别情况，合理利用。一般来说，余热回收可分为下列几种系统：
（1）作为热能利用的节能系统。如以废气余热作为废气锅炉或经济器的热源，产生蒸汽。利用冷却水余热作为淡水发生器、舵室加热和杂用加热等系统的热源。
（2）作为电能利用的节能系统。如利用废气驱动的发电机系统，以主机冷却水作热源的氟里昂涡轮发电系统。
（3）作为推进功率利用的节能系统。如利用从废气或冷却水余热回收的电能带动电动机，通过齿轮或皮带输入主推进系统，即所谓轴带电动机系统。从废气余热回收的电能有时通过辅助螺旋桨输入主推进系统，叫辅助推进系统。
在排气系统上安装了废热锅炉或经济器后会增加排气阻力，应控制阻力不要过大。
思考题
1． 何谓内燃机的理想循环？研究理想循环有什么实际意义？
2． 从循环热效率的表达式出发，分析比较不同形式理想循环，探讨提高热效率的途径。
3． 比较分析柴油机理想循环与实际循环的差异。
图1-6-1 柴油机的热平衡图 柴油机的热平衡可用图形形象地表示出来，该图形叫热平衡图。图1-6-1为一台四冲程
4． 压缩比对热效率有何影响？可以使压缩比改变的因素有那些？
5． 柴油机一般的分类方法有那些？
6． 二冲程柴油机可能的扫气方式有那些？
7． 试述柴油机换气时气阀正时对充气系数的影响。
8． 最高爆发压力过高对运行中的柴油机有何影响?
9． 柴油机的有效功率为什么比指示功率小?造成差值的原因有哪些?
10. 某轮主机为6ESDZ76/160B型柴油机，当转速为110r/min时，每日耗油量为37吨（Hu为42700kJ/kg）。测得示功图面积f=220mm2，长度L=55mm，示功器弹簧比例M=0.410-5mm/Pa，如机械效率m=0.9，而各缸负荷均匀。试求其各类参数C、pi、pe、Ni、Ne、gi、ge、i和e。
第六节 柴油机的热平衡
柴油机热平衡就是用试验的方法确定燃料的总发热量分配于有效功和各种损失的情况。研究热平衡的目的是：
（1）了解热量分配情况，为提高柴油机的经济性指明方向，也便于废热利用的研究。
（2）为冷却系统和排气系统的设计提供原始数据，如冷却水泵、冷却器和废热锅炉设计所需的原始数据等。
（3）预估新型强化发动机高温零件的热负荷是否过高。
热平衡试验在稳定运转时进行，为了实际测量的方便，将热平衡中的各个热量分为4个部分（均按1h计算）。
①转化为有效功的热当量Qe：
Qe=3600Ne（kJ/h） （1-6-1）
柴油机的有效功率（kW）由测功器测定。
②废气热损失Qr：即废气带走的热量，在四冲程非增压柴油机中等于排气的焓与进入气缸的空气的焓两者之差，即：
Qr(EGT)CpmTrEC(r)(a)pmTa （kJ/h） （1-6-2）
式中：E——进入气缸的空气流量，用流量计测得，kg/h；
GT——燃油消耗量，用重量法或容积法测得，kg/h；
Tr——排气管内废气温度，用温度计测得，K；
Ta——进气管进口处的空气温度，用温度计测得，K；
Cpm——废气的平均定压比热，一般可近似取为1.05，kJ/（kg·K）；
Cpm——空气的平均定压比热，按下试计算：
27.590.0025Ta(a) Cpm （kJ/kg·K） （1-6-3） 28.96(a)(r)
对于二冲程非增压柴油机，Ta是扫气泵入口处的空气温度。对于增压柴油机Tr是废气涡轮后的废气温度，Ta是增压器入口处的空气温度。
③冷却热损失Qw：即传给冷却介质的热量，包括润滑油带走的热量，因为润滑油带走轴承中摩擦产生的热量，因此包含了一部分机械损失。如果冷却系统有几个分开的系统，应分别计算后累加。
Qw=GwCp(t2-t1) （kJ/h） （1-6-4）
式中：Gw——冷却介质流量，用流量计或容积法测量，kg/h；
Cp——冷却介质比热，kJ/（kg·℃），对于水，Cp=4.186kJ/（kg·℃）；
t1——冷却介质在柴油机进口（或冷却器进口）处的温度，用温度计测量，℃； t2——冷却介质在柴油机出口（或冷却器进口）处的温度，用温度计测量，℃
④余项损失Qs：即除Qr和Qw以外未能包括进去的各种损失，有不完全燃烧损失、部分机械损失（未被冷却介质带走的摩擦热、驱动辅助机械消耗的热量等）、柴油机表面传给大气的热量、废气动能以及对各项损失估算不准确
而产生的误差等等。
Qs=QT-(Qe+Qr+Qw) （kJ/h） （1-6-5）
式中：QT——燃油总发热量：
QT=GTHu （kJ/h） （1-6-6）
Hu为燃油的低热值，一般取42700kJ/kg。
柴油机的热平衡用热平衡方程式表达：
QT=Qe+Qr+Qw+Qs （kJ/h） （1-6-7）
为便于不同柴油机进行比较，常用相对值，
即用QT除（1-6-7）全式，并取百分数，即：
qe+qr+qw+qs=100（%） （1-6-8）
qe、qr、qw、qs分别为Qe、Qr、Qw、Qs的相应百
分数。
增压柴油机（1094r/min、1954kW）的热平衡图。
船用柴油机在标定工况下的热平衡数据一般为：
qe=30～55%， qr=23～40%，
qw=20～33%， qs=5～10%。
柴油机废气和冷却水带走的热量约占燃料总发热量的50%，研究回收这一部分对柴油机来说是余热的能量，对提高整个动力装置的经济性、节约能源有重要意义。
废气的温度较高，在涡轮出口处一般都在600～650K以上，属较高品位热能；冷却水的温度较低，约350～360K，属低品位热能。余热的回收利用应按热能品质，分别情况，合理利用。一般来说，余热回收可分为下列几种系统：
（1）作为热能利用的节能系统。如以废气余热作为废气锅炉或经济器的热源，产生蒸汽。利用冷却水余热作为淡水发生器、舵室加热和杂用加热等系统的热源。
（2）作为电能利用的节能系统。如利用废气驱动的发电机系统，以主机冷却水作热源的氟里昂涡轮发电系统。
（3）作为推进功率利用的节能系统。如利用从废气或冷却水余热回收的电能带动电动机，通过齿轮或皮带输入主推进系统，即所谓轴带电动机系统。从废气余热回收的电能有时通过辅助螺旋桨输入主推进系统，叫辅助推进系统。
在排气系统上安装了废热锅炉或经济器后会增加排气阻力，应控制阻力不要过大。
思考题
1． 何谓内燃机的理想循环？研究理想循环有什么实际意义？
2． 从循环热效率的表达式出发，分析比较不同形式理想循环，探讨提高热效率的途径。
3． 比较分析柴油机理想循环与实际循环的差异。
图1-6-1 柴油机的热平衡图 柴油机的热平衡可用图形形象地表示出来，该图形叫热平衡图。图1-6-1为一台四冲程
4． 压缩比对热效率有何影响？可以使压缩比改变的因素有那些？
5． 柴油机一般的分类方法有那些？
6． 二冲程柴油机可能的扫气方式有那些？
7． 试述柴油机换气时气阀正时对充气系数的影响。
8． 最高爆发压力过高对运行中的柴油机有何影响?
9． 柴油机的有效功率为什么比指示功率小?造成差值的原因有哪些?
10. 某轮主机为6ESDZ76/160B型柴油机，当转速为110r/min时，每日耗油量为37吨（Hu为42700kJ/kg）。测得示功图面积f=220mm2，长度L=55mm，示功器弹簧比例M=0.410-5mm/Pa，如机械效率m=0.9，而各缸负荷均匀。试求其各类参数C、pi、pe、Ni、Ne、gi、ge、i和e。