Влияние системы отопления на расход

Началось с того, что в один прекрасный день ко мне зашел мой знакомый и начал ругать свой новый японский автомобиль. На улице уже довольно долго было холодно и дождливо, обычная осень.

Знакомый: Вот продал свои Жигули, а этот автомобиль жрать стал как не в себя, я и езжу не спеша, плавно разгоняюсь и останавливаюсь плавно. Врубил на печке +25, а кондиционер принудительно выключил и приоткрыл окна, чтобы не запотевали. Тепло сухо комфортно. Но бензина автомобиль жрет наверное раза в полтора больше, чем было летом. Караул, отъездил три месяца и все, авто гауно, жрет как слон.

Я: Тебе тепло и комфортно?

Знакомый: Ну да, еще бы мне за такие бабки, было не тепло и не комфортно. Уж и не знаю, что бы я тогда с продавцом сделал. Я и Жигули то продал из-за того, что зимой мерзнуть устал.

Я: А окна закрыть и кондиционер включить не пробовал?

Знакомый: Да автомобиль еще больше жрать будет, ведь там какой то кондиционер работать будет, а он говорят ого как расход увеличивает. А шоб окна не потели, я окошки постоянно держу открытыми, все одно тепло от печки халявное.

Я: А ты закрой окна и не мешай климат контролю работать, поезди с недельку, потом расскажешь.

Через неделю прибегает радостный знакомый: Ураааа, урааа!!! Жрать стал как раньше, я даже подумать не мог. А как ты узнал, что так делать надо???

Я: Да не узнавал я. Просто у меня автомобиль примерно как у тебя. Только двигатель мощнее, дополнительных функций больше. Ежу я не меньше твоего. Расход у меня не изменился. Вот я и выспросил тебя с пристрастием, чтобы разницу понять. А разница у нас одна. Я езжу с закрытыми окнами и работающей климатической установкой. А ты экономил бензин. Ты хотел как лучше, а получилось у тебя как обычно. Вместо экономии, одни расходы.

Собственно после этого случая и стал я разбираться, а почему так получилось?

Для понимания произошедшего я воспользовался тепловым балансом двигателя внутреннего сгорания.

Уравнение теплового баланса в общем виде: Q=Qр+Qохл+Qг+Qнс+Qост

Q - (тепло полное) Тепло израсходованного топлива на всю полезную работу и все потери в двигателе. Источником этого тепла является топливо, поступившее в двигатель;

Qр - (тепло работы) Тепло, превращенное в энергию полезной работы. Источником этого тепла является часть топлива поступившего в двигатель, израсходованное на полезную работу двигателя (для этого мы топливо изначально и заливаем);

Qохл - (тепло охлаждения) Тепло отданное охлаждающей среде через охлаждающий агент (антифриз и воздух). Источником этого тепла является часть топлива поступившего в двигатель и потраченного на тепло отданное в окружающую среду;

Qг - (тепло газов) Тепло унесенное отработавшими газами через выхлопную систему. Источником этого тепла является часть топлива поступившего в двигатель (неизбежные потери, обусловленные принципом работы двигателя внутреннего сгорания);

Qнс - (тепло неполного сгорания) Тепло потерянное на не сгоревшем топливе. Источник этих потерь, часть топлива, просто вылетевшего в выхлопную трубу;

Qост - остаточный член баланса, равен сумме всех неучтенных потерь. Источником является часть топлива, израсходованного двигателем и не вошедшего в предыдущие члены уравнения.

Из уравнения теплового баланса следует, что потребляемое печкой автомобиля тепло, прямо пропорционально расходам части топлива на Qохл в уравнении теплового баланса.

Рассмотрим интересующий нас параметр более пристально. Как известно тепло потерянное с охлаждающей жидкостью зависит от количества, теплоемкости и температуры. Формула выглядит следующим образом: Qохл=G*Cт*(T1-T2)
В формуле использованы следующие обозначения:
G - Количество охлаждающей жидкости, проходящей через систему;
Cт - Теплоемкость охлаждающей жидкости;
T1 - Температура ОЖ на входе в систему охлаждения;
T2 - Температура ОЖ на выходе из системы охлаждения.

Из формулы становится понятным, потери тепла пропорциональны разности температур охлаждающей жидкости на входе и выходе из системы охлаждения, а тепло в данном случае, это часть поступившего в двигатель топлива.

Для справки. В процессе проектирования и доводки карбюраторного автомобильного двигателя зазоры в сопряжениях, толщины деталей, материалы и т. д. выбирают исходя из нормальной температуры охлаждающей жидкости, равной 80-90°, при этом разность температур на входе и выходе из рубашки двигателя не превышает 10°.
Открытый термостат направляет поток охлаждающей жидкости в радиатор для более интенсивного охлаждения. Вентилятор - обеспечивает увеличение объема воздуха, проходящего через радиатор охлаждения - тем самым увеличивается теплообмен.
Закрытый термостат направляет движение охлаждающей жидкости по так называемому "малому кругу охлаждения" для сохранения тепла внутри двигателя.
Казалось бы, при низкой температуре окружающего воздуха термостат закрылся, охлаждающая жидкость циркулирует по малому кругу внутри двигателя. Но не все так гладко на самом деле.

Рассмотрим процессы, происходящие в двигателе с точки зрения теплового баланса. Вспомним, для карбюраторного двигателя, количество подаваемого топлива не подлежит автоматической коррекции в установившемся режиме работы. Это справедливо практически для всех советских автомобилей. Механизмов влияния на Qохл, кроме термостата, в советских машинах просто не заложено. Когда охлаждение происходит через печку, компенсировать выхолаживание двигателя, кроме как дополнительным утеплением двигателя при помощи водителя, нечем. Двигатель либо работает в установившемся режиме и имеет избыток тепла, который можно отдавать в атмосферу через радиатор либо через печку. Либо при не достатке тепла в сильный мороз печка вымораживает двигатель, и говорить об установившемся режиме работы не корректно.

Вот, что пишет Сергей Никифоров (смотрите статью https://www.zr.ru/articles/41822/ ): "Рассмотрим работу системы. С одной стороны, радиатор является нагревателем воздуха, поступающего в салон, с другой - охладителем жидкости. Отопитель - это почти такой же радиатор, как и основной, только поменьше размером. Из основного радиатора охлажденная жидкость поступает в термостат, а далее через него уходит в двигатель к водяному насосу. Здесь она смешивается с охлажденной жидкостью из отопителя. Какой после этого становится ее температура? Явно ниже. И чем сильнее мороз, тем она холоднее. А термостат, выходит, побоку в прямом и переносном смысле. В этот момент обычно и ставят картонку или чехол на радиатор, чтобы жидкость в нем меньше охлаждалась.

Для проверки я измерил температуру в двух точках: Т1 - на верхней половине корпуса термостата, где находится термосиловой элемент, и Т2 - на корпусе водяного насоса (рис. 2, а). Температура воздуха была около 0°; двигатель работал при 1500-1700 об/мин коленвала на стоящей машине; электровентилятор радиатора был включен, имитируя набегающий поток воздуха при движении; кран отопителя закрыт.
Результаты подтвердили предположения. В точке Т1 температура повышается до 78° и остается постоянной при росте числа оборотов коленвала. В точке Т2 температура оказалась такой же - 78°. Стрелка штатного указателя температуры жидкости находится в середине белого сектора шкалы (норма). Стало быть, термостат действительно поддерживает заданную температуру - около 80°."

Соответственно:
Qохл=G*Ст*(T1-T2)= G*Ст*(78-78)=0
Как видим, в данном случае потери на охлаждение равны нулю. Фактически идеальный вариант, но так бывает далеко не всегда, да и в салоне при нулевой наружной температуре воздуха и выключенной печке будет не уютно и холодно.

Далее Сергей Никифоров пишет: " Теперь - самое интересное! Открыл кран отопителя. Не прошло и двух минут, как температура в точке Т2 опустилась до 72°. Включил вентилятор отопителя на максимальную скорость вращения и открыл заслонки отопителя на максимальную подачу воздуха (как в сильные морозы) - температура в точке Т2 упала до 60°. Стрелка указателя температуры отклонилась к левому краю белого сектора шкалы. А в точке Т1 полный порядок - 78°.
Нехорошая ситуация. В двигатель при включенном отопителе поступает жидкость на 10-20° холоднее, чем это необходимо, и мотор работает при ненормальном тепловом режиме."
Интересно, а чему он удивляется? При включенной печке, температурный режим вышел за пределы возможности компенсации термостатом. Термостат закрыт, но двигатель то вымораживается работающей печкой, а механизмов компенсации тепловых потерь двигателя при охлаждении через печку не заложено. Исходя из того, что общее количество поступившего топлива, следовательно и тепловой энергии, не увеличивалось. Возросшие потери тепла могут быть компенсированы только уменьшением тепла другого члена из уравнения теплового баланса.

Уменьшится ли Qост - остаточный член баланса всех неучтенных потерь? Я сильно сомневаюсь. Потери обычно имеют тенденцию к увеличению, а не к уменьшению.
Вряд ли удастся забрать в таком количестве недостающее тепло у члена Qг тепло унесенное отработавшими газами через выхлопную систему. Да и тепло потерянное на не сгоревшем топливе вряд ли может помочь. Остается Qр, тепло превращенное в энергию полезной работы.
Вот, что пишет Сергей Никифоров: "Отсюда, наряду с холодным отопителем, возможны провалы в работе карбюратора".
И действительно Qохл=G*Ст*(T1-T2)= G*Ст*(78-60)= G*Ст*18
Явно видно, потери на охлаждение возросли, а именно на величину G*Ст*18. Отобрав тепло у полезной работы. Топлива то больше в двигатель подаваться не стало.
Q=Qр+(Qохл+G*Ст*18)+Qг+Qнс+Qост
Qр= Q-(Qохл+G*Ст*18)-(Qг+Qнс+Qост)
Термостат закрыт, поэтому Qр=Q-(G*Ст*18)-X где X= Qг+Qнс+Qост
Если при закрытом кране отопителя для тепла полезной работы двигателя оставалось Q X, то при открытом кране отопителя, тепла останется еще меньше на величину G*Ст*18. А тепло в двигателе получается из поступающего топлива, следовательно часть топлива используемого на полезную работу уменьшится, И провалам в работе карбюратора уже можно не удивляться.
И что же предлагает Сергей Никифоров? А просто сделать так, чтобы поток ОЖ отопителя учитывался в работе термостата. Это позволит оттянуть момент выхолаживания двигателя, но не решит проблему в целом.

Кроме советских карбюраторных автомобилей существуют иномарки с двигателями, оборудованными системой распределенного впрыска топлива управляемым компьютером. Имеющие климатические установки, включающие в себя систему кондиционирования и отопления с возможностью автоматической регулировки потока охлаждающей жидкости проходящей через печку. Автоматического управления скоростью и направлением потока воздуха прошедшего через систему отопления и кондиционирования.

Получается, что для карбюраторного автомобиля уравнение теплового баланса выглядит как:
Q=(Qр - G*Ст*(T1-T2))+(Qохл+ G*Ст*(T1-T2)) +Qг+Qнс+Qост
Иначе говоря, на сколько возрастут потери части топлива на охлаждение, на столько же уменьшится часть топлива от тепла полезной работы. И кажется, что печка на потребление бензина никакого влияния не оказывает, только в салоне очень холодно и двигатель не тянет и работает с перебоями.

Для инжекторного двигателя, в котором блок управления умеет учитывать потери на охлаждение, уравнение теплового баланса будет выглядеть следующим образом:
Q+ G*Ст*(T1-T2)=Qр+(Qохл+ G*Ст*(T1-T2)) +Qг+Qнс+Qост
Это справедливо для многих двигателей иностранного производства. В этом случае, на сколько возрастут потери части топлива на охлаждение, на столько будет увеличено количество подаваемого топлива. А увеличить можно, поскольку это зима и чем ниже температура воздуха, тем выше его плотность и тем больше кислорода в единице объема. Следовательно тем больше можно распылить топлива в том же объеме цилиндра не превышая величину стехиометрической пропорции топлива.

И в этом случае и в салоне тепло и двигатель тянет, но и расход увеличивается.
Не вдаваясь в сложные технические подробности, можно сказать, что происходит следующее. Компьютер автомобиля, видя снижение температуры в малом круге охлаждения и зная температуру окружающего воздуха, дает команду увеличить время открытия форсунок. И в двигатель поступает больше бензина. Большее количество бензина, больше Q, при том же самом Qр больше расходуется на Qохл. А поскольку Qр осталось неизменным, то мощность, скорость, динамика автомобиля для владельца остались неизменными. А поскольку Qохл возрос, то бензина стало уходить гораздо больше. Некоторые кстати вполне правильно говорят: "В инжекторных двигателях ECU использует показания датчика температуры ОЖ для расчета топливной смеси, чем ниже температура тем длиннее импульсы на инжекторах, тем больше льется топлива тем выше расход." Странно но факт, обычно это замечание остается не замеченным или парируется тем, что мощность то должна возрасти. А вот мощность то и не возрастает, возрастают потери на охлаждение.

Закрытые окна и включенный кондиционер в холодное дождливое время года приведут к незначительным потерям топлива по сравнению, с выключенным кондиционером и открытыми окнами. При большой разнице температур на входе и выходе из печки, компенсация тепловых потерь будет происходить за счет увеличения времени впрыска и соответственно расход топлива многократно увеличится. Об этом говорит формула теплового баланса двигателя и практические наблюдения.

Додав до Заначкі: Администратор
Хітів: 7604
Створено: 20:49 06-12-2009

Для додавання коментаря "Влияние системы отопления на расход" Ви повинні бути зареєстрованим користувачем. Для реєстрації перейдить за цим посиланням >>>

Якщо Ви вже зареєстрований користувач, то скристуйтеся цією формою: