что такое коэффициент наполнения

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;

М_r — количество молей остаточных газов при Т_r и р_r;

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 М_r в уравнение (14), получим формулу для определения коэффициента наполнения четырехтактных двигателей:

При работе двигателя с наддувом р = р_к и Т = Т_К, 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 р_а. С увеличением давления р_а, 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 Т_а 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 V_a 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 V_cбудет заполнен продуктами сгорания давлением р_rЕсли 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 р_rдо 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 η_н.

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 Т_о и давлении р_о окружающей среды.

Из этого определения следует, что η_н.= 1, если объем V_s 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 V_c останутся продукты сгорания в количестве m_r кг. В конце хода наполнения в объеме V_а будет m_акг смеси воздуха и остаточных газов.

Если массу действительно поступившего в цилиндр воздуха обозначить m_s,то

отношение количества остаточных продуктов сгорания m_r к количеству действительно поступившему воздуху в цилиндр, называется коэффициентом остаточных газов.

Практически величина γ_r для четырехтактных дизелей равна 0,035 — 0,045. В зависимости от типа продувки. γ_rдля двухтактных двигателей может иметь значение 0,03—0,30.

Аналогично находится количество смеси воздуха и остаточных газов: m_а= р_а V_а / R_а T_а:

Согласно определению коэффициент наполнения равен: η_н= m_s / m = m_а/ m (1+ γ_r)

Без особой погрешности газовые постоянные R_sвоздуха и R_aсмеси можно считать равными; тогда, сократив их и произведя перегруппировку, найдем, что

Отношение объемов V_а/ V_s 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 T_Q на p_sи T_s— 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 р_ни температуру Т_н наддувочного воздуха.

На основании анализа формул можно прийти к следующим выводам:

а) наибольшее влияние на величину коэффициента наполнения оказывает давление р_ав цилиндре в конце хода наполнения, с увеличением которого η_н 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 η_н 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 η_н , происходит более сильный нагрев свежего заряда, уменьшается его плотность и масса.

При уменьшении частоты вращения η_н 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 р_а ( 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 р_а 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 ;

C_m=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=C_m∙F/ƒ

Наибольшая скорость протекания воздуха (в м/сек) в щели при открытии впускного клапана, очевидно, будет при максимальной скорости поршня С_макс 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 р_а 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 р_а в цилиндре в начале сжатия, с увеличением которого он возрастает. Понижение р_а в период эксплуатации недопустимо, так как это приведет к падению мощности вследствие уменьшения количества свежего заряда.

Чтобы сохранить установленное значение р_а 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 Т_а.

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 Т_а= Т’_о+ γ_r Tr /(1+ γ_r )

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:

Источник

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 V_a 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 V_cбудет заполнен продуктами сгорания давлением р_rЕсли 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 р_rдо 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 η_н.

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 Т_о и давлении р_о окружающей среды.

Из этого определения следует, что η_н.= 1, если объем V_s 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 V_c останутся продукты сгорания в количестве m_r кг. В конце хода наполнения в объеме V_а будет m_акг смеси воздуха и остаточных газов.

Если массу действительно поступившего в цилиндр воздуха обозначить m_s,то

отношение количества остаточных продуктов сгорания m_r к количеству действительно поступившему воздуху в цилиндр, называется коэффициентом остаточных газов.

Практически величина γ_r для четырехтактных дизелей равна 0,035 — 0,045. В зависимости от типа продувки. γ_rдля двухтактных двигателей может иметь значение 0,03—0,30.

Количество воздуха т₀которое теоретически возможно поместить в объеме V_s при Т_ои р₀,определяется из уравнения состояния

Аналогично находится количество смеси воздуха и остаточных газов: m_а= р_а V_а / R_а T_а:

Согласно определению коэффициент наполнения равен: η_н= m_s / m₀= m_а/ m₀(1+ γ_r)

Без особой погрешности газовые постоянные R_sвоздуха и R_aсмеси можно считать равными; тогда, сократив их и произведя перегруппировку, найдем, что

Отношение объемов V_а/ V_s 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 T_Q на p_sи T_s— 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 р_ни температуру Т_н наддувочного воздуха.

На основании анализа формул можно прийти к следующим выводам:

а) наибольшее влияние на величину коэффициента наполнения оказывает давление р_ав цилиндре в конце хода наполнения, с увеличением которого η_н 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 η_н 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 η_н , происходит более сильный нагрев свежего заряда, уменьшается его плотность и масса.

При уменьшении частоты вращения η_н 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 р_а ( 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 р_а 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 ;

C_m=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=C_m∙F/ƒ

Наибольшая скорость протекания воздуха (в м/сек) в щели при открытии впускного клапана, очевидно, будет при максимальной скорости поршня С_макс 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 р_а 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 р_а в цилиндре в начале сжатия, с увеличением которого он возрастает. Понижение р_а в период эксплуатации недопустимо, так как это приведет к падению мощности вследствие уменьшения количества свежего заряда.

Чтобы сохранить установленное значение р_а 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 Т_а.

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 Т_а= Т’_о+ γ_r Tr /(1+ γ_r )

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:

Источник