Что такое коэффициент наполнения двигателя

Что такое коэффициент наполнения двигателя

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.

Коэффициентом наполнения ?н называется отношение количества све­жего заряда, сжимаемого в цилиндре, к количеству заряда, которое могло бы поместиться в объеме рабочего цилиндра Vs при параметрах среды, из которой поступает свежий заряд.

L — количество молей свежего заряда, сжимаемого в цилиндре;

L1 — количество молей свежего заряда в объеме Vs при р и Т, 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:

Можно ?н выразить и через коэффициент остаточных газов ? , так как:

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

Данная формула включает опытные коэффициенты, которые учитывают дозарядку цилиндра ?1, продувку камеры сгорания ?2 и работу наполнения ?3. Для быстроходных двигателей эти коэффициенты равны: ?1 = 1,02 ? 1,06; ?2 = 1,1 и ?3 = 0,87 ? 0,88.

Отсутствие опытных данных количественной оценки коэффициентов ?1 ?2 и ?3 для различных двигателей ограничивает практическое применение формулы (17).

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.

Давление и температура остаточных газов рr и Тr мало влияют на ве­личину ?н, так как отношение pr/Tr в формуле (15) составляет незначительную величину.

Коэффициент остаточных газов ?r значительно влияет на ?н; с увели­чением ?r температура свежего заряда в конце наполнения возрастает, а по­тому коэффициент наполнения уменьшается. Опытные данные показывают, что при увеличении ?r от 0,05 до 0,15 коэффициент наполнения снижается от 0,86 до 0,69.

Влияние степени сжатия ? на ?н надо рассматривать совместно с влия­нием коэффициента остаточных газов ?r на ?н.

Из формул (15) и (16) следует, что с увеличением ? ?н падает. Однако с увеличением е коэффициент остаточных газов уменьшается и поэтому ?н будет несколько возрастать. Следует отметить, что при колебании степени сжатия в дизелях (? = 13 ? 16) ?н изменяется очень мало и это изменение можно не учитывать.

Как следует из определения коэффициента наполнения, параметры на впуске р и То непосредственно не влияют на величину ?н, они влияют на плотность и на вес свежего заряда цилиндра, а следовательно, и на мощность, развиваемую двигателем.

Но, как показывают опыты, повышение температуры на впуске Т уменьшает перепад температур ?Т (нагрев воздуха в цилиндре) вследствие чего ?н несколько возрастает. Таким образом, изменение Т косвенно влияет на изменение ?н.

Читайте также:  Схема устройства двигателя киа спектра

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 р, 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 р и воздух может поступать в цилиндр и, в-третьих, вследствие инерции потока воздух будет поступать в цилиндр и при давлении больше р. Перекрытие впускного и выпускного клапанов способствует лучшей очистке цилиндра, а при наддуве осуществляет продувку камеры сго­рания.

Изменение числа оборотов двигателя, т. е. изменение скоростного ре­жима двигателя, влияет на скорость потока во впускном тракте, а следо­вательно, на величину ?ра и на ?н. С увеличением числа оборотов двигателя коэффициент наполнения уменьшается, так как вследствие увеличения гид­равлических сопротивлений во впускном тракте давление ра уменьшается. Величина коэффициента наполнения в двигателях без наддува обычно со­ставляет 0,75—0,85, а у двигателей с наддувом за счет уменьшения ?к коэф­фициент наполнения возрастает.

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 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.;

G доп— масса дополнительного количества свежего заряда, посту­пившего в цилиндр за период, соответствующий запаздыва­нию закрытия впускного клапана. Массу свежего заряда, поступающую в цилиндр за первый период впуска, можно определить по характеристическому уравнению, связы­вающему параметры его состояния. .

Весовое количество свежего заряда, поступающего в цилиндр за вто­рой период впуска.Процесс поступления свежего заряда за второй пе­риод впуска называют дозарядкой .

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.

Читайте также:  Как установить впрыск на дизельном двигателе

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 ткоторое теоретически возможно поместить в объеме Vs при Тои р,определяется из уравнения состояния

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 ри 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) с уменьшением подогрева воздуха уменьшается и температура Та в конце впуска, в результате чего повышается ηн .

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

Читайте также:  Технические характеристики двигателей дбм

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.

Давление в начале сжатия, по практическим данным, колеблется в следующих пределах: для четырехтактных тихоходных двигателей без наддува ра=0,0834÷0,093 Мн/м 2 —0,83÷0,93 кгс/см 2 и для четырехтактных быстроходных двигателей без наддува ра0,0784÷0,083Мн/м 2 —0,784÷0,83 кгс/см 2 .

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.

В этих формулах:

∆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:

  1. Почему впускной клапан у большинства ДВС закрывается после прохождения поршнем НМТ.
  1. Что называется коэффициентом наполнения.
  1. От каких факторов зависит величина коэффициента наполнения цилиндра.
  1. Определение коэффициента остаточных газов
  1. От чего зависит давление воздуха в цилиндре в конце такта впуска.
  1. По каким причинам устанавливают охладитель впускного воздуха

Источник