Коэффициент наполнения
Коэффициентом наполнения называется отношение количества свежего заряда, по массе, действительно поступившего в цилиндр, к количеству свежего заряда, также по массе, которое могло бы заполнить рабочий объем цилиндра при давлении и температуре в исходном состоянии на впуске в двигатель, т. е.
, (3.4)
где М — число молей свежего заряда действительно поступившего в цилиндр;
Mh— число молей свежего заряда, теоретически способного заполнить рабочий объем цилиндра;
G— масса свежего заряда, поступившего в цилиндр;
Gh — масса свежего заряда, теоретическиспособного заполнить рабочий объем цилиндра;
ρ— плотность свежего заряда на впуске.
Давление и температура на впуске:
• для двигателей без наддува — давление р0 и температура Т0 окружающего воздуха;
• для двигателей с наддувом — давление рк и температура Тквоздуха после нагнетателя.
Коэффициент наполнения характеризует качество процесса впуска и учитывает отклонение условий внутри цилиндра от условий на впуске в двигатель. Производители двигателей всегда стремятся к увеличению значений ηv.
Коэффициент наполнения является основной характеристикой качества процесса газообмена.
Что такое коэффициент наполнения
Главное меню
Судовые двигатели
В результате рассмотрения процесса наполнения можно сделать вывод, что количество свежего заряда, поступившее в цилиндр за период наполнения, меньше, чем то количество, которое могло бы поместиться при параметрах среды, из которой свежий заряд поступает.
Степень заполнения рабочего цилиндра свежим зарядом, или степень совершенства процесса наполнения, оценивается коэффициентом наполнения.
L — количество молей свежего заряда, сжимаемого в цилиндре;
L1 — количество молей свежего заряда в объеме Vs при р0 и Т0, а в случае работы двигателя с наддувом при рк и Тк;
Мr — количество молей остаточных газов при Тr и рr;
R?— универсальная газовая постоянная.
Для дальнейшего вывода выражения коэффициента наполнения сделаем следующие допущения:
процесс наполнения заканчивается в точке а (см. рис. 25 и 26), т. е. отсутствует дозарядка цилиндра в начале сжатия;
абсолютная работа, совершаемая газами за ход наполнения, равна нулю;
кинетическая энергия газов в цилиндре равна нулю.
В соответствии с принятыми обозначениями можно написать, что
и количество смеси свежего заряда с остаточными газами в конце наполнения будет равно
Из уравнения состояния (см. рис. 26) находим:
При работе двигателя без наддува
при работе с наддувом
Подставляя значения М1 L и Мr в уравнение (14), получим формулу для определения коэффициента наполнения четырехтактных двигателей:
При работе двигателя с наддувом р0 = рк и Т0 = ТК, а потому получим наиболее общую формулу, справедливую и для двухтактных двигателей,
Уточненное выражение коэффициента наполнения, предложенное М. М. Масленниковым для четырехтактных быстроходных двигателей с наддувом
Рассмотрение полученных формул (15) и (16) позволяет установить влияние различных факторов на коэффициент наполнения. Наибольшее влияние на величину коэффициента наполнения оказывает давление ра. С увеличением давления ра, которое происходит при уменьшении сопротивлений впускного тракта, возрастает плотность и количество свежего заряда, а следовательно, и возрастает коэффициент наполнения. При уменьшении температуры заряда в конце наполнения Та плотность его возрастает, а потому коэффициент наполнения также будет возрастать.
Фазы распределения влияют на протекание процесса наполнения и на величину коэффициента наполнения и коэффициента остаточных газов. Одновременно, как это видно на схематической диаграмме выпуска (рис. 27), при правильном установлении опережения выпуска уменьшается затрата энергии на выталкивание (точка 3) по сравнению с точкой 1, когда опережение выпуска отсутствует. При слишком раннем опережении (точка 2) площадь индикаторной диаграммы значительно уменьшается и уменьшается мощность двигателя. Запаздывание закрытия выпускного клапана позволяет использовать инерционное движение газов в выпускном трубопроводе для понижения давления в нем ниже р0, а следовательно, для лучшей очистки цилиндра от отработавших газов.
Запаздывание закрытия впускного клапана способствует увеличению свежего заряда, во-первых, потому, что при положении поршня в НМТ все еще остается большое проходное сечение впускного клапана, во-вторых, давление в цилиндре в начале сжатия меньше р0 и воздух может поступать в цилиндр и, в-третьих, вследствие инерции потока воздух будет поступать в цилиндр и при давлении больше р0. Перекрытие впускного и выпускного клапанов способствует лучшей очистке цилиндра, а при наддуве осуществляет продувку камеры сгорания.
основы двс. VE или наполнение двигателя
итак. очень хороший показатель в работе двигателя.
VE — объемная эффективность. отношение сколько топливной смести попадает в цилиндры по отношению к рабочему объему двигателя.
например если объем двигателя 2 литра, и в процессе работы за один цикл (4 такта, из которых 1 раз идет такт впуска топливной смеси в цилиндры) он успевает «всосать» 2 литра смеси, значит его эффективность на этом режиме 100%.
если наполнение только 1 литр, значит VE=50%
наполнение двигателя на разных режимах разное, мы говорим о режиме газ в пол, когда наполнение ограничено не дроссельной заслонкой, а конструкцией двигателя.
VE отличается по оборотам двигателя. максимальное на оборотах максимального момента двигателя и падает к оборотам максимальной мощности, на всех моторах тяжело получить высокое наполнение на больших оборотах, там просто времени мало чтобы заполнить цилиндры смесью. но именно в этом наполнении на высоких оборотах и заключается мощность.
тем не менее пока поговорим о максимальном VE который выдает двигатель.
на дорожных стандартных машинах VE бывает 80-90%
на форсированных атмосферных машинах бывает 100%.
на гоночных атмосферных машинах бывает 120%
на формуле 1 атмосферном моторе где-то я вычитал 175%, хотя я и сам верю с трудом.
турбовые моторы за счет наддува выдают и 200% и даже под 300% при экстремальном бусте более 2 бара избытка
поговорим пока про атмосферу.
каким макаром VE может быть более 100%? это же не вечный двигатель…
да, это не вечный двигатель, да, бывает более 100%.
секрета 3:
секрет 1. резонанс и ловля пиков высокого и низкого давления впуска и выпуска двигателя за счет конструкции впуска-выпуска и распредвалов.
секрет 2. полный объем камеры сгорания
секрет 3. инерционный наддув набегающим воздухом если ехать 200+ кмч.
самый тупой секрет это 2.
смотрим. мы все понимаем что рабочий объем двигателя например 2 литра. это объем цилиндров. но есть еще и над цилиндрами камера сгорания…
считается что после такта выпуска в камерах сгорания остаются отработавшие газы и новый заряд топливной смеси равен только рабочему объему 2 литра.
НО, если правильно организована продувка камеры сгорания в момент перекрытия клапанов когда одновременно открыты и впуск и выпуск клапана, свежий заряд топливной смеси может полностью вытеснить отработавшие газы, тогда новый заряд топливной смеси будет 2 литра рабочего объема + объем камер сгорания.
для степени сжатия 11:1 (полный объем делить на объем камер сгорания, (10+1)/1 )
получается сразу же VE будет равен 100%+10%= 110% )))
никакой магии. сплошная физика
признайтесь, многие ли из вас знали эту простую штуку.
секрет 1 сложнее. касается темы «все о распредвалах» и темы «все о дроселях» и еще не написанной темы «все о выпуске».
ПРОЦЕСС НАПОЛНЕНИЯ
Процесс впуска предназначен для введения в цилиндр свежего заряда: горючей смеси — в бензиновых двигателях или воздуха — в дизелях. Чем больший по массе свежий заряд будет введен в цилиндр двигателя на каждый цикл, тем большую работу можно ожидать от цикла и тем большую мощность будет развивать двигатель. Поэтому процесс впуска должен быть организован так, чтобы в цилиндр двигателя было введено возможно большее количество свежего заряда.
В современных двигателях процесс впуска сравнительно четко можно разделить на два периода. К первому периоду относится заполнение цилиндра при движении поршня от в. м. т. до нижней, т. е. за π рад (180°) поворота кривошипа. Поступление свежего заряда в этот период происходит вследствие разряжения, создающегося в цилиндре при отходе поршня от. в. м. т. Второй период осуществляется при движении поршня от н. м. т. к верхней и продолжается, в зависимости от окружающей среды,до загрытия впускного клапана, а объем, занимаемый им, будет равен объему Va за вычетом объема камеры сгорания Vc, т. е.
На основании изложенного фактическая (общая) масса свежего заряда Gc.з поступившего в цилиндр во время процесса выпуска, будет 
где G180 — масса свежего заряда, поступившая в цилиндр при движении поршня от в. м. т. до н. м. т.;
Рассмотрим процесс наполнения под действием разрежения дизеля без наддува. В конце хода выпуска объем камеры сжатия Vcбудет заполнен продуктами сгорания давлением рrЕсли не принимать во внимание углы опережения открытия и запаздывания закрытия клапанов, то при нисходящем давлении поршня от в. м. т. вначале будет происходить расширение оставшихся в цилиндре газов от рrдо р а.
В результате сопротивлений всасыванию, нагревания о горячие детали двигателя и теплообмена с оставшимися в цилиндре газами поступающий свежий заряд будет иметь меньшую плотность, чем окружающая среда. Очевидно, что масса поступающего заряда с увеличением давления впуска будет возрастать, а с повышением температуры заряда—уменьшаться.
Коэффициент наполнения. Для оценки степени заполнения цилиндра свежим зарядом вводится понятие о коэффициенте наполнения ηн.
Коэффициентом наполнения называется отношение количества свежего заряда, действительно поступившего в цилиндр, к количеству теоретически возможного заряда, который мог бы поместиться в рабочем объеме цилиндра при температуре То и давлении ро окружающей среды.
Из этого определения следует, что ηн.= 1, если объем Vs заполнен свежим зарядом имеющим температуру и давление окружающей среды.
По окончании хода выпуска, когда поршень будет находиться в в. м. т., в объеме камеры сжатия Vc останутся продукты сгорания в количестве mr кг. В конце хода наполнения в объеме Vа будет mакг смеси воздуха и остаточных газов.
Если массу действительно поступившего в цилиндр воздуха обозначить ms,то
отношение количества остаточных продуктов сгорания mr к количеству действительно поступившему воздуху в цилиндр, называется коэффициентом остаточных газов.
Практически величина γr для четырехтактных дизелей равна 0,035 — 0,045. В зависимости от типа продувки. γrдля двухтактных двигателей может иметь значение 0,03—0,30.
Количество воздуха т0которое теоретически возможно поместить в объеме Vs при Тои р0,определяется из уравнения состояния
Аналогично находится количество смеси воздуха и остаточных газов: mа= ра Vа / Rа Tа:
Согласно определению коэффициент наполнения равен: ηн= ms / m0= mа/ m0(1+ γr)
Без особой погрешности газовые постоянные Rsвоздуха и Raсмеси можно считать равными; тогда, сократив их и произведя перегруппировку, найдем, что
Отношение объемов Vа/ Vs можно преобразовать следующим образом
Подставив это значение в предыдущую формулу, получим окончательное выражение для коэффициента наполнения в таком виде:
Выражение действительно как для четырехтактных, так и для двухтактных двигателей при условии замены р0и TQ на psи Ts— давление и температуру продувочного воздуха.
Коэффициент наполнения двухтактного двигателя, отнесенный к полезному ходу поршня,
Для определения коэффициента наполнения четырехтактного двигателя с наддувом необходимо в формулу подставить вместо рои То соответствующие давление рни температуру Тн наддувочного воздуха.
На основании анализа формул можно прийти к следующим выводам:
а) наибольшее влияние на величину коэффициента наполнения оказывает давление рав цилиндре в конце хода наполнения, с увеличением которого ηн возрастает;
б) степень сжатия е оказывает незначительное влияние на коэффициент наполнения;
В процессе эксплуатации коэффициент наполнения может понизиться, что приведет к падению мощности. Для сохранения наибольшего значения ηн в период эксплуатации необходимо обеспечивать установленные фазы газораспределения, поддерживать нормальные тепловые зазоры между кулачковыми шайбами и роликами, не допускать загрязнения впускных каналов, выпускного коллектора и воздушных фильтров. Перегрев двигателя также уменьшает ηн , происходит более сильный нагрев свежего заряда, уменьшается его плотность и масса.
При уменьшении частоты вращения ηн уменьшается, так как при этом наступает несоответствие фаз газораспределения.На некоторых современных ДВС устанавливают автоматические устройства корректировки фаз газораспределения в зависимости от условий работы ДВС.
Коэффициент наполнения для судовых дизелей колеблется в пределах 0,70—0,98,
Определение давления в конце наполнения ра ( в начале сжатия.)
Если двигатель работает без наддува и цилиндр наполняется под действием разрежения, то давление в начале сжатия может быть принято равным давлению в период впуска, предполагаемому постоянным.
Ввиду того что главным фактором, влияющим на сопротивление при впуске, является скорость протекания воздуха через щель, образующуюся при открытии впускного клапана, величину ра определяют в зависимости от скорости воздуха.
Средняя скорость протекания воздуха в проходном сечении впускного клапана при установившемся движении воздуха (в м/сек) может быть найдена из уравнения сплошности:
где V— объем воздуха, протекающего через впускной клапан в 1 сек.в м 3
F— площадь поршня в м 2 ;
Cm=2Sn — средняя скорость поршня в м/сек
(здесь п –частота вращения в об/сек и S — ход поршня в м);
f — площадь живого сечения впускного клапана в м 2
С1 — средняя скорость протекания воздуха в щели при открытии
впускного клапана в м/сек.
Из уравнения сплошности С1=Cm∙F/ƒ
Наибольшая скорость протекания воздуха (в м/сек) в щели при открытии впускного клапана, очевидно, будет при максимальной скорости поршня Смакс примерно на середине его хода:
Обозначив через С2 наибольшую скорость протекания воздуха (в м/сек) при открытии клапана, получим:
По известной наибольшей скорости истечения воздуха можно определить давление ра н/м 2 по формуле
где k= 1,204-1,50 — коэффициент, учитывающий колебание величины гидравлических сопротивлений в зависимости от быстроходности двигателя. Большие значения k относятся к быстроходным двигателям.
Выше было сказано, что наибольшее влияние на коэффициент наполнения оказывает давление ра в цилиндре в начале сжатия, с увеличением которого он возрастает. Понижение ра в период эксплуатации недопустимо, так как это приведет к падению мощности вследствие уменьшения количества свежего заряда.
Чтобы сохранить установленное значение ра нужно обеспечивать правильные моменты газораспределения, тепловой зазор в клапанах, содержать в чистоте впускные каналы и воздушные фильтры, не допускать перегрева двигателя.
Температура в начале сжатия Та.
Температура заряда, поступающего в цилиндр, повышается также вследствие перемешивания его с остаточными газами, заполняющими камеру сгорания. Установлено, что каждый процент остаточных газов (по отношению к свежему заряду) повышает температуру заряда на 8—10°. Кроме того, в карбюраторных двигателях одновременно наблюдается некоторое снижение температуры смеси ввиду поглощения тепла при испарении топлива, находящегося в смеси в жидкой фазе.
У двухтактных двигателей, кроме того, он будет нагреваться при сжатии в продувочном насосе, а у двигателей с наддувом — в нагнетателе.
К моменту поступления в цилиндр температура воздуха будет равна:
а) для четырехтактных двигателей без наддува
б) для четырехтактных двигателей с наддувом и двухтактных двигателей.
∆t;— повышение температуры воздуха вследствие нагрева его в системе двигателя;
∆t1; — повышение температуры при сжатии воздуха в нагнетателе или в продувочном насосе.
Степень подогрева заряда ∆tзависит от типа двигателя, тактности, частоты вращения, способа охлаждения и нагрузки его. Величина ∆t , по опытным данным, составляет для дизелей 10—20°С.
Для форсированных двигателей и двигателей малых мощностей принимаются более высокие значения ∆t . Форсированными называются двигатели, которые при тех же размерах развивают большую мощность, что сопровождается повышением теплового режима и увеличением нагрузок на детали.
В конечном итоге температура воздуха в конце наполнения(начало сжатия )в точке а на индикаторной диаграмме определяется по формуле Та= Т’о+ γr Tr /(1+ γr )
Из формулы видно, что температура в начале сжатия зависит главным образом от температуры окружающей среды и степени подогрева свежего заряда и мало зависит от температуры остаточных газов.
Средние значения Та, составляют для бензиновых двигателей 350—400°К, для керосиновых — 410—480°К и для дизелей — 310—370° К. Несколько меньшие значения Та для дизелей объясняются меньшим подогревом вследствие более низких температур остаточных газов и меньшими для них значениями коэффициента остаточных газов.
Повышенный подогрев свежего заряда приводит к уменьшению коэффициента наполнения, а значит, и мощности из-за плотности заряда.
В двигателях с наддувом воздух нагревается от сжатия в турбокомпрессоре и для увеличения его плотности после ГТН устанавливают воздушный холодильник, представляющий собой по конструкции, образно говоря радиатор, по трубкам которого прокачивается насосом забортная вода.
Ответить на следующие вопросы:
Что такое коэффициент наполнения цилиндра
Что такое коэффициент наполнения цилиндра
Главное меню
Судовые двигатели
Коэффициентом наполнения двухтактного двигателя, так же как и четырехтактного, называется отношение количества свежего заряда воздуха (или рабочей смеси) в молях, сжимаемого в цилиндре, к количеству воздуха (или рабочей смеси) в молях, которое могло бы поместиться в рабочем объеме цилиндра V S (рис. 99) при температуре и давлении среды, из которой поступает свежий заряд:
получили ранее выведенную формулу (16а).
Отсюда следует, что связь между значениями коэффициента наполнения двухтактного двигателя, отнесенного к полному рабочему объему цилиндра и к полезному объему цилиндра выразится
Что такое коэффициент наполнения цилиндра
Главное меню
Судовые двигатели
В результате рассмотрения процесса наполнения можно сделать вывод, что количество свежего заряда, поступившее в цилиндр за период наполнения, меньше, чем то количество, которое могло бы поместиться при параметрах среды, из которой свежий заряд поступает.
Степень заполнения рабочего цилиндра свежим зарядом, или степень совершенства процесса наполнения, оценивается коэффициентом наполнения.
L — количество молей свежего заряда, сжимаемого в цилиндре;
Мr — количество молей остаточных газов при Тr и рr;
R?— универсальная газовая постоянная.
Для дальнейшего вывода выражения коэффициента наполнения сделаем следующие допущения:
процесс наполнения заканчивается в точке а (см. рис. 25 и 26), т. е. отсутствует дозарядка цилиндра в начале сжатия;
абсолютная работа, совершаемая газами за ход наполнения, равна нулю;
кинетическая энергия газов в цилиндре равна нулю.
В соответствии с принятыми обозначениями можно написать, что
и количество смеси свежего заряда с остаточными газами в конце наполнения будет равно
Из уравнения состояния (см. рис. 26) находим:
При работе двигателя без наддува
Подставляя значения М1 L и Мr в уравнение (14), получим формулу для определения коэффициента наполнения четырехтактных двигателей:
При работе двигателя с наддувом р = рк и Т = ТК, а потому получим наиболее общую формулу, справедливую и для двухтактных двигателей,
Уточненное выражение коэффициента наполнения, предложенное М. М. Масленниковым для четырехтактных быстроходных двигателей с наддувом
Рассмотрение полученных формул (15) и (16) позволяет установить влияние различных факторов на коэффициент наполнения. Наибольшее влияние на величину коэффициента наполнения оказывает давление ра. С увеличением давления ра, которое происходит при уменьшении сопротивлений впускного тракта, возрастает плотность и количество свежего заряда, а следовательно, и возрастает коэффициент наполнения. При уменьшении температуры заряда в конце наполнения Та плотность его возрастает, а потому коэффициент наполнения также будет возрастать.
Что такое коэффициент наполнения?
Заметь, речь идет о пропускной способности впускной системы от воздушного фильтра турбины (или от интеркулера, если таковой имеется) до клапана. Всем известную роль в наполнении играет и выпускная система, которую мы здесь не рассматриваем.
Теперь о главном. Многие почему-то считают, что турбонаддув снимает все вопросы наполнения, потому что он … турбонаддув. Значит, и перепрофилирование каналов и клапанов не имеет смысла. Если кто-то тебе сообщил этот «секрет», значит, перед тобой дилетант. На моторах 4G63, которые стоят на «эволюциях», после обработки каналов, клапанов и камеры сгорания снимается дополнительно 20 — 25% мощности без замены турбины и без увеличения давления наддува, а это 60 — 70 л. с. Поэтому для достижения нашего результата я предлагаю доработать головку максимально эффективно. В любом случае камера Вентури, перепрофилированные клапаны и седла с полумиллиметровой радиусной фаской позволят мотору легче крутиться, а наддуву — выходить раньше на рабочее давление.
Посмотри еще раз на эту формулу расчета давления наддува:
Коэффициент наполнения стоит в знаменателе. Посчитай три варианта нашего мотора с разным значением VE (09, 0,95 и 1,0) — и ты убедишься, что для получения 240 л. с. можно «дуть» значительно меньше без изменения расхода. Общая доработка головки блока пригодится в будущем, когда захочется дальнейших апгрейдов, она станет стратегическим запасом потенциальных лошадиных сил и ньютон-метров.
Как оптимизировать всю конструкцию с учетом снижения потерь на впуске? На что обратить внимание при изготовлении или выборе впускного ресивера? Как выбрать для нашего мотора распредвалы? Как их правильно регулировать при установке? Это – тема еще одного серьезного разговора.
ПРОЦЕСС НАПОЛНЕНИЯ
Процесс впуска предназначен для введения в цилиндр свежего заряда: горючей смеси — в бензиновых двигателях или воздуха — в дизелях. Чем больший по массе свежий заряд будет введен в цилиндр двигателя на каждый цикл, тем большую работу можно ожидать от цикла и тем большую мощность будет развивать двигатель. Поэтому процесс впуска должен быть организован так, чтобы в цилиндр двигателя было введено возможно большее количество свежего заряда.
В современных двигателях процесс впуска сравнительно четко можно разделить на два периода. К первому периоду относится заполнение цилиндра при движении поршня от в. м. т. до нижней, т. е. за π рад (180°) поворота кривошипа. Поступление свежего заряда в этот период происходит вследствие разряжения, создающегося в цилиндре при отходе поршня от. в. м. т. Второй период осуществляется при движении поршня от н. м. т. к верхней и продолжается, в зависимости от окружающей среды,до загрытия впускного клапана, а объем, занимаемый им, будет равен объему Va за вычетом объема камеры сгорания Vc, т. е.
На основании изложенного фактическая (общая) масса свежего заряда Gc.з поступившего в цилиндр во время процесса выпуска, будет
где G180 — масса свежего заряда, поступившая в цилиндр при движении поршня от в. м. т. до н. м. т.;
Рассмотрим процесс наполнения под действием разрежения дизеля без наддува. В конце хода выпуска объем камеры сжатия Vcбудет заполнен продуктами сгорания давлением рrЕсли не принимать во внимание углы опережения открытия и запаздывания закрытия клапанов, то при нисходящем давлении поршня от в. м. т. вначале будет происходить расширение оставшихся в цилиндре газов от рrдо р а.
В результате сопротивлений всасыванию, нагревания о горячие детали двигателя и теплообмена с оставшимися в цилиндре газами поступающий свежий заряд будет иметь меньшую плотность, чем окружающая среда. Очевидно, что масса поступающего заряда с увеличением давления впуска будет возрастать, а с повышением температуры заряда—уменьшаться.
Коэффициент наполнения. Для оценки степени заполнения цилиндра свежим зарядом вводится понятие о коэффициенте наполнения ηн.
Коэффициентом наполнения называется отношение количества свежего заряда, действительно поступившего в цилиндр, к количеству теоретически возможного заряда, который мог бы поместиться в рабочем объеме цилиндра при температуре То и давлении ро окружающей среды.
Из этого определения следует, что ηн.= 1, если объем Vs заполнен свежим зарядом имеющим температуру и давление окружающей среды.
По окончании хода выпуска, когда поршень будет находиться в в. м. т., в объеме камеры сжатия Vc останутся продукты сгорания в количестве mr кг. В конце хода наполнения в объеме Vа будет mакг смеси воздуха и остаточных газов.
Если массу действительно поступившего в цилиндр воздуха обозначить ms,то
отношение количества остаточных продуктов сгорания mr к количеству действительно поступившему воздуху в цилиндр, называется коэффициентом остаточных газов.
Практически величина γr для четырехтактных дизелей равна 0,035 — 0,045. В зависимости от типа продувки. γrдля двухтактных двигателей может иметь значение 0,03—0,30.
Аналогично находится количество смеси воздуха и остаточных газов: mа= ра Vа / Rа Tа:
Согласно определению коэффициент наполнения равен: ηн= ms / m = mа/ m (1+ γr)
Без особой погрешности газовые постоянные Rsвоздуха и Raсмеси можно считать равными; тогда, сократив их и произведя перегруппировку, найдем, что
Отношение объемов Vа/ Vs можно преобразовать следующим образом
Подставив это значение в предыдущую формулу, получим окончательное выражение для коэффициента наполнения в таком виде:
Выражение действительно как для четырехтактных, так и для двухтактных двигателей при условии замены р и TQ на psи Ts— давление и температуру продувочного воздуха.
Коэффициент наполнения двухтактного двигателя, отнесенный к полезному ходу поршня,
Для определения коэффициента наполнения четырехтактного двигателя с наддувом необходимо в формулу подставить вместо рои То соответствующие давление рни температуру Тн наддувочного воздуха.
На основании анализа формул можно прийти к следующим выводам:
а) наибольшее влияние на величину коэффициента наполнения оказывает давление рав цилиндре в конце хода наполнения, с увеличением которого ηн возрастает;
б) степень сжатия е оказывает незначительное влияние на коэффициент наполнения;
В процессе эксплуатации коэффициент наполнения может понизиться, что приведет к падению мощности. Для сохранения наибольшего значения ηн в период эксплуатации необходимо обеспечивать установленные фазы газораспределения, поддерживать нормальные тепловые зазоры между кулачковыми шайбами и роликами, не допускать загрязнения впускных каналов, выпускного коллектора и воздушных фильтров. Перегрев двигателя также уменьшает ηн , происходит более сильный нагрев свежего заряда, уменьшается его плотность и масса.
При уменьшении частоты вращения ηн уменьшается, так как при этом наступает несоответствие фаз газораспределения.На некоторых современных ДВС устанавливают автоматические устройства корректировки фаз газораспределения в зависимости от условий работы ДВС.
Коэффициент наполнения для судовых дизелей колеблется в пределах 0,70—0,98,
Определение давления в конце наполнения ра ( в начале сжатия.)
Если двигатель работает без наддува и цилиндр наполняется под действием разрежения, то давление в начале сжатия может быть принято равным давлению в период впуска, предполагаемому постоянным.
Ввиду того что главным фактором, влияющим на сопротивление при впуске, является скорость протекания воздуха через щель, образующуюся при открытии впускного клапана, величину ра определяют в зависимости от скорости воздуха.
Средняя скорость протекания воздуха в проходном сечении впускного клапана при установившемся движении воздуха (в м/сек) может быть найдена из уравнения сплошности:
где V— объем воздуха, протекающего через впускной клапан в 1 сек.в м 3
F— площадь поршня в м 2 ;
Cm=2Sn — средняя скорость поршня в м/сек
(здесь п –частота вращения в об/сек и S — ход поршня в м);
f — площадь живого сечения впускного клапана в м 2
С1 — средняя скорость протекания воздуха в щели при открытии
Из уравнения сплошности С1=Cm∙F/ƒ
Наибольшая скорость протекания воздуха (в м/сек) в щели при открытии впускного клапана, очевидно, будет при максимальной скорости поршня Смакс примерно на середине его хода:
Обозначив через С2 наибольшую скорость протекания воздуха (в м/сек) при открытии клапана, получим:
По известной наибольшей скорости истечения воздуха можно определить давление ра н/м 2 по формуле
где k= 1,204-1,50 — коэффициент, учитывающий колебание величины гидравлических сопротивлений в зависимости от быстроходности двигателя. Большие значения k относятся к быстроходным двигателям.
Выше было сказано, что наибольшее влияние на коэффициент наполнения оказывает давление ра в цилиндре в начале сжатия, с увеличением которого он возрастает. Понижение ра в период эксплуатации недопустимо, так как это приведет к падению мощности вследствие уменьшения количества свежего заряда.
Чтобы сохранить установленное значение ра нужно обеспечивать правильные моменты газораспределения, тепловой зазор в клапанах, содержать в чистоте впускные каналы и воздушные фильтры, не допускать перегрева двигателя.
Температура в начале сжатия Та.
Температура заряда, поступающего в цилиндр, повышается также вследствие перемешивания его с остаточными газами, заполняющими камеру сгорания. Установлено, что каждый процент остаточных газов (по отношению к свежему заряду) повышает температуру заряда на 8—10°. Кроме того, в карбюраторных двигателях одновременно наблюдается некоторое снижение температуры смеси ввиду поглощения тепла при испарении топлива, находящегося в смеси в жидкой фазе.
У двухтактных двигателей, кроме того, он будет нагреваться при сжатии в продувочном насосе, а у двигателей с наддувом — в нагнетателе.
К моменту поступления в цилиндр температура воздуха будет равна:
а) для четырехтактных двигателей без наддува
б) для четырехтактных двигателей с наддувом и двухтактных двигателей.
∆t;— повышение температуры воздуха вследствие нагрева его в системе двигателя;
∆t1; — повышение температуры при сжатии воздуха в нагнетателе или в продувочном насосе.
Степень подогрева заряда ∆tзависит от типа двигателя, тактности, частоты вращения, способа охлаждения и нагрузки его. Величина ∆t , по опытным данным, составляет для дизелей 10—20°С.
Для форсированных двигателей и двигателей малых мощностей принимаются более высокие значения ∆t . Форсированными называются двигатели, которые при тех же размерах развивают большую мощность, что сопровождается повышением теплового режима и увеличением нагрузок на детали.
В конечном итоге температура воздуха в конце наполнения(начало сжатия )в точке а на индикаторной диаграмме определяется по формуле Та= Т’о+ γr Tr /(1+ γr )
Из формулы видно, что температура в начале сжатия зависит главным образом от температуры окружающей среды и степени подогрева свежего заряда и мало зависит от температуры остаточных газов.
Средние значения Та, составляют для бензиновых двигателей 350—400°К, для керосиновых — 410—480°К и для дизелей — 310—370° К. Несколько меньшие значения Та для дизелей объясняются меньшим подогревом вследствие более низких температур остаточных газов и меньшими для них значениями коэффициента остаточных газов.
Повышенный подогрев свежего заряда приводит к уменьшению коэффициента наполнения, а значит, и мощности из-за плотности заряда.
В двигателях с наддувом воздух нагревается от сжатия в турбокомпрессоре и для увеличения его плотности после ГТН устанавливают воздушный холодильник, представляющий собой по конструкции, образно говоря радиатор, по трубкам которого прокачивается насосом забортная вода.
Ответить на следующие вопросы:
