Содержание
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 ра (рис. 25) в четырехтактном двигателе всегда меньше давления перед впускным органом (р0 или рk).
Величина падения давления в конце впуска равна ?ра = р0 — ра, а с наддувом (рис. 26) ?рк = рк — ра. 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 Тr и давление рrостаточных 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 рr 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 шт, можно из уравнения (8) определить ?ра 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 Мr молей до их смешения в цилиндре и после смешения в конце впуска:
Разделив все члены этого уравнения на L и обозначив Mr / L = уr, находим
Значения Та для номинального режима работы колеблются у двигателей:
Карбюраторные двигатели имеют более высокую температуру Та вследствие малой степени сжатия, повышенного количества остаточных газов и более высокой температуры Тr.
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.