Процесс наполнения цилиндра четырехтактного двигателя

В реальном двигателе в начале каждого цикла в цилиндр поступает извне воздух или смесь топлива с воздухом.

Процесс, в течение которого происходит заполнение цилиндра воздухом или смесью воздуха с топливом, называется процессом наполнения. Параметры процесса наполнения, опре­деляющие количество поступающего воздуха или смеси в цилиндр двига­теля, зависят от целого ряда факторов. Основным таким фактором является падение давления воздуха или смеси при поступлении в цилиндр.

Величина падения давления зависит от сопротивления движущемуся потоку во впускном тракте двигателя. Вследствие этого сопротивления дав­ление свежего заряда в конце впуска р_а (рис. 25) в четырехтактном двигателе всегда меньше давления перед впускным органом (р₀ или р_k).

Величина падения давления в конце впуска равна ?р_а = р₀ — р_а, а с наддувом (рис. 26) ?р_к = р_к — р_а. Воздух или смесь, заполняя ци­линдр двигателя, от соприкосновения с горячими стенками его нагреваются, вследствие чего плотность заряда уменьшается и уменьшается его вес.

В конце сжатия остаются отработавшие газы, которые называются остаточными газами. Температура Т_r и давление р_rостаточных газов значи­тельно выше температуры и давления свежего заряда перед впускными орга­нами. Свежий воздух смешивается с остаточными газами и нагревается, кроме того, как это видно на индикаторной диаграмме (см. рис. 25), в двига­телях без наддува сокращается продолжительность впуска, так как началь­ная часть процесса впуска теряется на расширение остаточных газов от дав­ления р_r до давления р₀. Наличие в цилиндре остаточных газов уменьшает количество свежего заряда. Если принять процесс впуска как процесс уста­новившегося движения, то можно применить к нему уравнение Бернулли.

Пренебрегая начальной скоростью движения у входа во впускной тракт, можно написать

где ? — скорость протекания воздуха через впускной клапан;

?₀ — коэффициент сопротивления впускного тракта;

?₀ — плотность воздуха при давлении р₀.

Откуда

Следовательно, потеря давления свежего заряда пропорциональна квадрату скорости его в проходном сечении впускного клапана.

Применяя к процессу впуска уравнение неразрывности потока, можно написать

Для уменьшения скорости свежего заряда отношение F/f должно быть минимальным, поэтому в быстроходных двигателях применяют два впуск­ных клапана.

Значения F/f изменяются в следующих пределах:

Определив из уравнения (9) величину скорости ш_т, можно из уравнения (8) определить ?р_а и величину давления в конце впуска.

Рассматривая процесс впуска как процесс истечения с малым перепадом давления, можно приближенно написать

Откуда давление в конце впуска (или в начале сжатия) будет равно

При работе двигателя с наддувом

Здесь, кроме ранее обозначенных величин, ? — коэффициент, учиты­вающий вредные сопротивления; ? = 0,60?65.

Подставляя в выражение (8) значение ?_т из уравнения (9), находим

где постоянная для данного двигателя величина

Таким образом, при работе двигателя потери давления на впуске, при сохранении неизменными свободного сечения впускного клапана и впуск­ного тракта, зависят только от числа оборотов вала и пропорциональны квадрату числа оборотов.

По опытным данным, давление в конце впуска (в начале сжатия) в че­тырехтактных двигателях составляет:

Меньшие значения относятся к быстроходным двигателям.

Температуру свежего заряда в конце впуска (в начале сжатия) Т°_аК можно определить из уравнения баланса тепла, составленного для свежего заряда в количестве L молей и остаточных газов в количестве М_r молей до их смешения в цилиндре и после смешения в конце впуска:

Разделив все члены этого уравнения на L и обозначив M_r / L = у_r, находим

Значения Т_а для номинального режима работы колеблются у двигателей:

Карбюраторные двигатели имеют более высокую температуру Т_а вслед­ствие малой степени сжатия, повышенного количества остаточных газов и более высокой температуры Т_r.

Процесс наполнения и его параметры

1. Процесс наполнения и его параметры.

В процессе наполнения цилиндры дви­гателя заполняются горючей смесью (или только воздухом — в дизелях).

Наполнение цилиндра свежим заря­дом является хотя и вспомогательным, но очень важным процессом. Чем больше масса свежего заряда, тем больше и мощность двигателя. Наполнение четырехтактного двигателя включает три периода: предварение впуска, ос­новной впуск и запаздывание впуска (дозарядка).

Рис.21.Диаграмма процесса наполнения четырехтактного двигателя.

Предварение впуска начина­ется с момента открытия впускного кла­пана (точка 1), т.е. с опережением на угол 10—30° поворота коленчатого вала до прихода поршня в в. м. т. и заканчивается в в. м. т.

В этот период впускной клапан только начинает подниматься, образуя узкую щель, сопротивление которой достаточ­но, чтобы через нее не мог вытечь из ци­линдра значительный объем остаточных газов от предыдущего цикла. Этот период впуска предусматривается в двигателе для того, чтобы подготовить быстрый подъем клапана, а значит, и быстрое увеличение проходного сечения к мо­менту начала опускания поршня после в. м. т.

Основной впуск осуществляет­ся в период движения поршня от в. м. т. до н. м. т. такта наполнения. В этот период в цилиндр поступает 85—90 % свежего заряда.

Запаздывание впуска начи­нается с момента прохождения поршнем н. м. т. и оканчивается в момент закры­тия впускного клапана (точка 2), т. е. при п. к. в. на 40—80° после н. м. т. Свежий заряд в этот период продолжа­ет поступать в цилиндр либо за счет имеющегося в нем разрежения (до точки 1), либо за счет созданного в основной период скоростного напора во впускном тракте, т. е. за счет собственной инерции (участок ). При ма­лой частоте вращения коленчатого вала двигателя (например, при пуске) инер­ция движения свежего заряда во впуск­ном тракте незначительна, поэтому в период запаздывания впуска может произойти обратный выброс свежего заряда из цилиндра. Таким образом, при разной частоте вращения коленча­того вала в период запаздывания впус­ка имеет место либо только дозарядка цилиндра, либо дозарядка, переходя­щая на участке f — 2 в обратный выброс.

Количество свежего заряда, поступа­ющего в цилиндры двигателя в процес­се наполнения, зависит от ряда факто­ров, основными из которых являются: аэродинамическое сопротивление систем впуска и выпуска; недогрев свеже­го заряда в период наполнения; количество остаточных газов от предыдуще­го цикла и др.

Разрежение в цилиндре двигателя, вызванное сопротивлением впускной си­стемы, , откуда , где — давление во впускном такте; — давление в цилиндре в конце наполнения.

Поскольку масса поступившего в ци­линдр свежего заряда пропорциональна его плотности, необходимо стремиться к увеличению , для чего применяют наддув двигателя. Другим путем увели­чения давления впуска является умень­шение сопротивления во впускной си­стеме, т. е. уменьшение . Это до­стигается как конструктивными прие­мами (уменьшением длины всасывающего тракта и количества его изгибов, увеличением площади проходного сече­ния впускного клапана, уменьшением шероховатости поверхности впускной системы, выбором эффективных фаз га­зораспределения), так и эксплуатаци­онными (своевременной очисткой воз­душных фильтров и карбюратора от загрязнений, впускных клапанов от на­гара, поддержанием правильного зазо­ра в приводе впускного клапана и пр.).

Температура в процессе наполнения.

Температура смеси в процессе напол­нения непрерывно повышается, являясь функцией количества теплоты, внесен­ной в цилиндр вместе со свежим заря­дом, количества теплоты, полученной свежим зарядом в процессе наполне­ния от нагретых поверхностей цилиндра и камеры сгорания, и количества теплоты в остаточных газах.

Подогрев свежего заряда от темпе­ратуры до зависит от нагрузки, частоты вращения коленчатого вала и условий охлаждения. Так, увеличение нагрузки повышает температуру поверхностей поршня и цилиндра, увеличивая приток тепла к свежему заряду, а повышение частоты враще­ния уменьшает его вследствие сокращения времени контакта с нагретыми поверхностями.

Одновременно свежий заряд с темпе­ратурой воспринимает часть теплоты отработавших газов, имеющих более высокую температуру. Подогрев при смешении свежего заряда с отработавшими газами зависит от их тем­пературы и количества, характеризуе­мого безразмерным коэффициентом остаточных газов .

Очевидно, что растет с повыше­нием давления остаточных газов и с увеличением объема камеры сжатия, т. е. с уменьшением .

Обычно в четырехтактных карбюраторных двигателях ; в четырехтактных ди­зелях — ; в двухтактных карбюратор­ных двигателях с поперечно-щелевой кривошипно-камерной продувкой — ; в двухтактных дизелях с прямоточной клапанно-щелевой продувкой — .

Температура рабочей смеси в конце процесса наполнения для карбюраторных двигателей со­ставляет К; для четырехтактных дизелей — К; для двухтактных двигателей — К. [2]

Коэффициент наполнения.

Совершенство процесса наполнения оценивается коэффициентом наполнения, представляющим отношение дей­ствительной массы поступившего в ци­линдр свежего заряда к теоретически возможной:

.

Коэффициент наполнения увеличивается с повышением и уменьшением , , , , причем основное влияние на него оказывает давление в конце впуска . Так, изменение на 10 % приводит к изменению на 15%, а изменение на 10% — только на 1-2%. Поэтому при эксплуатации двигателя следует стремиться, чтобы было по возможности меньшим.

В карбюраторных двигателях, где изменение нагрузки (при скоростном постоянном режиме) достигается изменением положения дроссельной заслонки, коэффициент наполнения наибольший, когда дроссельная заслонка полностью открыта. Прикрытие дросселя увеличивает сопротивление, а следовательно, уменьшает и .

Бесплатная лекция: «86 Приготовление уральских и зеленых щей» также доступна.

Рост понижает коэффициент напол­нения вследствие уменьшения плотно­сти свежего заряда.

Для более быстрого пуска дизеля при низкой температуре окружающей среды иногда специально подогревают воздух на впуске. При этом повы­шается температура заряда к концу процесса сжатия, что необходимо для самовоспламенения топлива.

В некоторых конструкциях карбюра­торных двигателей предусматривается дополнительный подогрев горючей сме­си во впускном трубопроводе. Это необ­ходимо потому, что в карбюраторных двигателях в отличие от дизелей во впускном тракте происходит испарение топлива, т. е. подготовка его к сгора­нию, и на это расходуется некоторая часть теплоты. Однако чрезмерный по­догрев свежего заряда на впуске при­водит к неоправданному повышению и снижению коэффициента напол­нения.

Кроме рассмотренных выше парамет­ров, на влияют: частота вращения коленчатого вала двигателя, фазы газораспределения и др. Так, если частота вращения коленчатого вала двигате­ля увеличивается, то сначала по­вышается, а затем снижается. Это вы­звано влиянием ряда факторов, связан­ных с изменением частоты вращения: длительности теплообмена между све­жим зарядом и нагретыми стенками, повышения температуры стенок, изме­нения сопротивления во впускном и вы­пускном трактах и др.

Периодическое открытие и закрытие клапанов вызывает колебательное дви­жение газов во впускной системе, что значительно повышает сопротивление их движению и, следовательно, изменя­ет . Влияние этого фактора может быть значительно уменьшено подбором оптимальной длины трубопроводов и фаз газораспределения.

Коэффициент наполнения в существующих автотракторных двигателях при номинальном режиме работы составляет: для карбюраторных двигателей с верхним расположением клапанов — 0,75-0,85, для карбюраторных двигателей с нижним расположением клапанов — 0,7-0,75, для дизелей — 0,75-0,9.

()

%PDF-1.4
%
1 0 объект
>
эндообъект
9 0 объект
/Заголовок
/Предмет
/Автор
/Режиссер
/Ключевые слова
/CreationDate (D:20230628171635-00’00’)
/ModDate (D:20100706160950+02’00’)
>>
эндообъект
2 0 объект
>
эндообъект
3 0 объект
>
эндообъект
4 0 объект
>
эндообъект
5 0 объект
>
эндообъект
6 0 объект
>
эндообъект
7 0 объект
>
эндообъект
8 0 объект
>
транслировать
LaTeX с пакетом Hyperref

конечный поток
эндообъект
10 0 объект
>
эндообъект
11 0 объект
>
эндообъект
12 0 объект
>
эндообъект
13 0 объект
>
эндообъект
14 0 объект
>
эндообъект
15 0 объект
>
эндообъект
16 0 объект
>
эндообъект
17 0 объект
>
эндообъект
18 0 объект
>
эндообъект
190 объект
>
эндообъект
20 0 объект
>
эндообъект
21 0 объект
>
эндообъект
22 0 объект
>
эндообъект
23 0 объект
>
эндообъект
24 0 объект
>
эндообъект
25 0 объект
>
эндообъект
26 0 объект
>
эндообъект
27 0 объект
>
эндообъект
28 0 объект
>
эндообъект
29 0 объект
>
эндообъект
30 0 объект
>
эндообъект
31 0 объект
>
эндообъект
32 0 объект
>
эндообъект
33 0 объект
>
эндообъект
34 0 объект
>
эндообъект
35 0 объект
>
эндообъект
36 0 объект
>
эндообъект
37 0 объект
>
эндообъект
38 0 объект
>
эндообъект
39 0 объект
>
эндообъект
40 0 объект
>
эндообъект
41 0 объект
>
эндообъект
42 0 объект
>
эндообъект
43 0 объект
>
эндообъект
44 0 объект
>
эндообъект
45 0 объект
>
эндообъект
46 0 объект
>
эндообъект
47 0 объект
>
эндообъект
48 0 объект
>
эндообъект
490 объект
>
эндообъект
50 0 объект
>
эндообъект
51 0 объект
>
эндообъект
52 0 объект
>
эндообъект
53 0 объект
>
эндообъект
54 0 объект
>
эндообъект
55 0 объект
>
эндообъект
56 0 объект
>
эндообъект
57 0 объект
>
эндообъект
58 0 объект
>
эндообъект
59 0 объект
>
эндообъект
60 0 объект
>
эндообъект
61 0 объект
>
эндообъект
62 0 объект
>
эндообъект
63 0 объект
>
эндообъект
64 0 объект
>
эндообъект
65 0 объект
>
эндообъект
66 0 объект
>
эндообъект
67 0 объект
>
эндообъект
68 0 объект
>
эндообъект
69 0 объект
>
эндообъект
70 0 объект
>
эндообъект
71 0 объект
>
эндообъект
72 0 объект
>
эндообъект
73 0 объект
>
эндообъект
74 0 объект
>
эндообъект
75 0 объект
>
эндообъект
76 0 объект
>
эндообъект
77 0 объект
>
эндообъект
78 0 объект
>
эндообъект
790 объект
>
эндообъект
80 0 объект
>
эндообъект
81 0 объект
>
эндообъект
82 0 объект
>
эндообъект
83 0 объект
>
эндообъект
84 0 объект
>
эндообъект
85 0 объект
>
эндообъект
86 0 объект
>
эндообъект
87 0 объект
>
эндообъект
88 0 объект
>
эндообъект
89 0 объект
>
эндообъект
90 0 объект
>
эндообъект
91 0 объект
>
эндообъект
92 0 объект
>
эндообъект
93 0 объект
>
эндообъект
94 0 объект
>
эндообъект
95 0 объект
>
эндообъект
96 0 объект
>
эндообъект
97 0 объект
>
эндообъект
98 0 объект
>
эндообъект
99 0 объект
>
эндообъект
100 0 объект
>
эндообъект
101 0 объект
>
эндообъект
102 0 объект
>
эндообъект
103 0 объект
>
эндообъект
104 0 объект
>
эндообъект
105 0 объект
>
эндообъект
106 0 объект
>
эндообъект
107 0 объект
>
эндообъект
108 0 объект
>
эндообъект
1090 объект
>
эндообъект
110 0 объект
>
эндообъект
111 0 объект
>
эндообъект
112 0 объект
>
эндообъект
113 0 объект
>
эндообъект
114 0 объект
>
эндообъект
115 0 объект
>
эндообъект
116 0 объект
>
эндообъект
117 0 объект
>
эндообъект
118 0 объект
>
эндообъект
119 0 объект
>
эндообъект
120 0 объект
>
эндообъект
121 0 объект
>
эндообъект
122 0 объект
>
эндообъект
123 0 объект
>
эндообъект
124 0 объект
>
эндообъект
125 0 объект
>
эндообъект
126 0 объект
>
эндообъект
127 0 объект
>
эндообъект
128 0 объект
>
эндообъект
129 0 объект
>
эндообъект
130 0 объект
>
эндообъект
131 0 объект
>
эндообъект
132 0 объект
>
эндообъект
133 0 объект
>
эндообъект
134 0 объект
>
эндообъект
135 0 объект
>
эндообъект
136 0 объект
>
эндообъект
137 0 объект
>
эндообъект
138 0 объект
>
эндообъект
1390 объект
>
эндообъект
140 0 объект
>
эндообъект
141 0 объект
>
эндообъект
142 0 объект
>
эндообъект
143 0 объект
>
эндообъект
144 0 объект
>
эндообъект
145 0 объект
>
эндообъект
146 0 объект
>
эндообъект
147 0 объект
>
эндообъект
148 0 объект
>
эндообъект
149 0 объект
>
эндообъект
150 0 объект
>
эндообъект
151 0 объект
>
эндообъект
152 0 объект
>
эндообъект
153 0 объект
>
эндообъект
154 0 объект
>
эндообъект
155 0 объект
>
эндообъект
156 0 объект
>
эндообъект
157 0 объект
>
эндообъект
158 0 объект
>
эндообъект
159 0 объект
>
эндообъект
160 0 объект
>
эндообъект
161 0 объект
>
эндообъект
162 0 объект
>
эндообъект
163 0 объект
>
эндообъект
164 0 объект
>
эндообъект
165 0 объект
>
эндообъект
166 0 объект
>
эндообъект
167 0 объект
>
эндообъект
168 0 объект
>
эндообъект
1696f4~xf1ьFJfB&:D1&fy0;=\|m+0
$ď’NXzyxd~ȧ:O*|E#4LiyR. ͇Eә1!3XQub?Ld[lWC
ZE

Объемный КПД двигателя внутреннего сгорания – x-engineer.org

Содержание

• Определение
• Формула
• Пример
• Калькулятор

900 10 Определение

Для теплового двигателя процесс сгорания зависит от соотношение воздух-топливо внутри цилиндра. Чем больше воздуха мы можем получить в камеру сгорания, тем больше топлива мы можем сжечь, тем выше выходной крутящий момент и мощность двигателя.

Поскольку у воздуха есть масса, у него есть инерция. Кроме того, впускной коллектор, клапаны и дроссельная заслонка действуют как ограничители потока воздуха в цилиндры. По объемному КПД мы измеряем мощность двигателя для заполнения доступного геометрического объема двигателя воздухом. Его можно рассматривать как отношение объема воздуха, всасываемого в цилиндр (реального), к геометрическому объему цилиндра (теоретического).

Вернуться назад

Формула

Большинство двигателей внутреннего сгорания, используемых в настоящее время на дорожных транспортных средствах, имеют фиксированный объемный объем (рабочий объем), определяемый геометрией цилиндра и кривошипно-шатунным механизмом. Строго говоря, общий объем двигателя V _t [m ³ ] вычисляется как функция от общего количества цилиндров n _c [-] и объема одного цилиндра V _cyl [m ³ ] .

V _t = n _c · V _cyl

(1)

Полный объем цилиндра равен сумме рабочего (рабочего) объема V _{d 900 37 [м ³ ]} и клиренс объемом V _c [м ³ ] .

V _cyl = V _d + V _c

(2)

Объем зазора очень мал по сравнению с рабочим объемом (например, соотношение 1:12), поэтому им можно пренебречь при расчете объемный КПД двигателя.

Изображение: Основные параметры геометрии поршня и цилиндра двигателей внутреннего сгорания

где:

IV – впускной клапан
EV – выпускной клапан
ВМТ – верхняя мертвая точка
НМТ – нижняя мертвая точка
B – диаметр цилиндра
S – ход поршня
r – длина шатуна
a – радиус кривошипа (вылет)
x – расстояние между осью кривошипа и осью поршневого пальца
θ – угол поворота коленчатого вала
Vd -смещенные (составление) объем
VC-Объем зазор

Объемная эффективность η _В [-] определяется как соотношение между фактическим (измеренным) объемом дохода V _A [M ³ ] всасывается в цилиндр/двигатель и теоретический объем двигателя/цилиндра V _d [m ³ ], во время цикла впуска двигателя.

η _v = V _a / V _d

(3)

Объемный КПД можно рассматривать также как КПД двигателя внутреннего сгорания для заполнения цилиндров всасываемым воздухом. Чем выше объемный КПД, тем больше объем всасываемого воздуха в двигатель.

В двигателях с непрямым впрыском топлива (в основном бензиновых) всасываемый воздух смешивается с топливом. Поскольку количество топлива относительно мало (соотношение 1:14,7) по сравнению с количеством воздуха, мы можем пренебречь массой топлива для расчета объемного КПД.

Фактический объем всасываемого воздуха можно рассчитать как функцию массы воздуха м _a [кг] и плотности воздуха ρ _a [кг/м ³ ] :

V 9003 6 а = м _a / ρ _a

(4)

Замена (4) в (3) дает объемный КПД, равный:

η _v = m _a / (ρ _a · В _д )

(5)

Обычно на динамометрическом стенде измеряется массовый расход всасываемого воздуха [кг/с] вместо воздушной массы [кг] . Следовательно, нам нужно использовать массового расхода воздуха для расчета объемной эффективности.

m _af = (m _a · N _e ) / n _r

(6)

где:

900 35 N _e [об/с] – частота вращения двигателя
n _r [-] – число оборотов коленчатого вала за полный цикл двигателя (для 4-тактного двигателя n _r = 2 )

Из уравнения (6) мы можем записать массу всасываемого воздуха как: (7)

Замена (7) в (5) дает объемный КПД, равный: )

(8)

Максимальная объемная эффективность составляет 1,00 (или 100%). При этом значении двигатель способен всасывать в двигатель весь теоретический объем воздуха. Существуют особые случаи, когда двигатель специально рассчитан на одну рабочую точку, для которой объемный КПД может быть несколько выше 100 %.

Если во впускном коллекторе измеряются давление p _a [Па] и температура T _a [K] , плотность всасываемого воздуха можно рассчитать как:

ρ 9003 6 а = p _a / (R _a · T _a )

(9)

где:

ρ _a [кг/м ³ ] – плотность всасываемого воздуха
p _a [Па] – давление воздуха на впуске
T _a [K] – температура воздуха на впуске
R _a [Дж/кгK] – газовая постоянная для сухого воздуха (равна 286,9 Дж/кгK )

Назад 900 07

Пример

Рассмотрим двигатель с воспламенением от сжатия (дизель) со следующими параметрами:

V _d = 3,8 л
n _r = 2
p _a = 1,5 бар
T _a = 40 °С
R _a = 286,9 Дж/кгK
Н _e = 1000 об/мин
м _af = 0,0375 кг/с

Для вышеуказанных параметров двигателя рассчитайте объемный КПД .

Шаг 1 . Рассчитайте плотность воздуха на входе , используя уравнение (9). Убедитесь, что все единицы измерения совпадают.

ρ _a = (1,5 · 10 ⁵ ) / (286,9 · 313,15) = 1,67 кг/м ³

Давление воздуха на входе было преобразовано из бар 9004 от 0 до Па и температура от °С до К .

Шаг 2 . Рассчитайте объемный КПД двигателя, используя уравнение (8).

η _v = (0,0375 · 2) / (1,67 · 3,8 · 10 ^-3 · 16,667) = 0,7091081 = 70,91 %

Объем двигателя преобразован из L от до м ³ и обороты двигателя с об/мин до об/с .

Изображение: Функция объемного КПД давления воздуха на впуске и частоты вращения двигателя

Объемный КПД двигателя внутреннего сгорания зависит от нескольких факторов, таких как:

• геометрия впускного коллектора
• давление воздуха на впуске
• температура воздуха на впуске
• массовый расход воздуха на впуске (который зависит от двигателя скорость)

Обычно двигатели рассчитаны на максимальную объемную эффективность при средних/высоких оборотах двигателя и нагрузке.