Объёмный КПД двигателя внутреннего сгорания

Объёмный КПД двигателя внутреннего сгорания

Объёмный КПД двигателя внутреннего сгорания отражает эффективность всасывания в цилиндр и выпуска из цилиндра рабочей среды (то есть, топливо-воздушной смеси или выхлопных газов). Говоря более строго, объёмный КПД — это отношение (или процентное соотношение) количества рабочей среды, фактически всасываемой в цилиндр, к объёму самого цилиндра (при неизменных условиях). Поэтому те двигатели, которые могут создавать давления на входах в трубопроводы выше давления окружающей среды, могут иметь объёмный КПД больший 100 %.

Объёмный КПД может быть улучшен несколькими путями. В частности, к ним относятся выбор оптимальной степени открытия клапанов (относительно объёма цилиндров) и выбор обтекаемой конструкции портов.

Двигатели с высоким объёмным КПД в общем случае способны работать с бо́льшими скоростями и способны вырабатывать бо́льшую полную мощность из-за меньших потерь при паразитическом перемещении воздуха внутрь и вне двигателя.

Общим, принятым производителями, подходом по увеличению объёмного КПД является использование больших по размеру клапанов или систем с числом клапанов на цилиндр, бо́льшим двух ( англ. ) (мультиклапанных систем).

Увеличенные клапана улучшают всасывание и впуск воздуха, но имеют повышенную массу. Мультиклапанная система включает в себя два или более клапанов с общей площадью большей, чем площадь одного большого клапана, в то время как мультиклапанная система имеет меньшую массу.

Во многих автомобилях спортивного типа используют точно рассчитанное расположение впускных отверстий и настройки выхлопной системы для перемещения воздуха внутрь и наружу двигателя, используя резонанс системы. В двухтактных двигателях эта идея реализуется в применении камер расширения ( англ. ) , которые возвращают утечки топливо-воздушной смеси обратно в цилиндр. Более современная технология — изменяемые фазы газораспределения, задачей которой является учитывать влияние на объёмный КПД скорости двигателя: при более высоких скоростях двигатель нуждается в том, чтобы клапаны были открыты больший процент времени от продолжительности цикла для перемещения рабочей среды внутрь и наружу двигателя.

Объёмный КПД более 100 % может быть получен путём использования нагнетателей или турбонагнетателей — устройств, принудительно нагнетающих воздух в цилиндры. При должных настройках, можно получить объёмный КПД более 100 % и в атмосферных двигателях. Предельное значение объёмного КПД таких двигателей составляет около 137 % [1] ; такие двигатели обычно имеют два распредвала в головке цилиндров и четыре клапана на цилиндр.

Более радикальные решения задачи повышения объёмного КПД включают в себя использование гильзовых клапанов ( англ. ) , в которых вместо тарельчатого клапана установлена вращающаяся вокруг поршня гильза, или в других случаях вращающаяся под цилиндрическими головками гильза. В такой системе порты могут быть настолько большими, насколько это необходимо. Однако имеется практическое ограничение, накладываемое прочностью гильзы: при слишком больших размерах портов гильза может продавливаться в них под действием давления в цилиндре.

11. Влияние диаметра цилиндра и хода поршня на эффективный КПД двигателя внутреннего сгорания

Ранее речь шла о снижении до минимума потерь теплоты для повышения индикаторного КПД двигателя, причем в основном говорилось об уменьшении отношения поверхности камеры сгорания к ее объему. Объем камеры сгорания в известной степени указывает на количество вводимой теплоты. Теплотворная способность поступающего заряда в бензиновом двигателе определена соотношением воздуха и топлива, близким к стехиометрическому. В дизель подается чистый воздух, а подача топлива ограничена степенью неполноты сгорания, при которой в от работавших газах появляется дым. Поэтому связь количества вводимой теплоты с объемом камеры сгорания достаточно очевидна.

Наименьшим отношением поверхности к заданному объему обладает сфера. Тепло в окружающее пространство отводится поверхностью, поэтому масса, имеющая форму шара, охлаждается в наименьшей степени. Эти очевидные соотношения учитываются при проектировании камеры сгорания. Следует, однако, иметь в виду геометрическое подобие деталей двигателей разных размеров. Как известно, объем сферы равен 4/3πR 3 , а ее поверхность — 4πR 2 , и, таким образом, объем с ростом диаметра увеличивается быстрее, чем поверхность, и, следовательно, сфера большего диаметра будет иметь меньшую величину отношения поверхности к объему. Если поверхности сферы разного диаметра имеют одинаковые перепады температур и одинаковые коэффициенты теплоотдачи а, то большая сфера будет охлаждаться медленнее.

Двигатели геометрически подобны, когда они имеют одинаковую конструкцию, но отличаются размерами. Если первый двигатель имеет диаметр цилиндра, например, равный единице, а у второго двигателя он в 2 раза больше, то все линейные размеры второго двигателя будут в 2 раза, поверхности — в 4 раза, а объемы -в 8 раз больше, чем у первого двигателя. Полного геометрического подобия достичь, однако, не удается, так как размеры, например, свечей зажигания и топливных форсунок одинаковы у двигателей с разными размерами диаметра цилиндра.

Из геометрического подобия можно сделать тот вывод, что больший по размерам цилиндр имеет и более приемлемое отношение поверхности к объему, поэтому его тепловые потери при охлаждении поверхности в одинаковых условиях будут меньше.

При определении мощности нужно, однако, учитывать некоторые ограничивающие факторы. Мощность двигателя зависит не только от размеров, т. е. объема цилиндров двигателя, но и от частоты его вращения, а также среднего эффективного давления. Частота вращения двигателя ограничена максимальной средней скоростью поршня, массой и совершенством конструкции кривошипно-шатунного механизма. Максимальные средние скорости поршня бензиновых двигателей лежат в пределах 10-22 м/с. У двигателей легковых автомобилей максимальное значение средней скорости поршня достигает 15 м/с, а значения величины среднего эффективного давления при полной нагрузке близки к 1 МПа.

Рабочий объем двигателя и его размеры определяют не только геометрические факторы. Например, толщина стенок задана технологией, а не нагрузкой на них. Теплопередача через стенки зависит не от их толщины, а от теплопроводности их материала, коэффициентов теплоотдачи на поверхностях стенок, перепада температур и т. д. Колебания давления газа в трубопроводах распространяются со скоростью звука независимо от размеров двигателя, зазоры в подшипниках определяются свойствами масляной пленки и т. д. Некоторые выводы относительно влияния геометрических размеров цилиндров, тем не менее, необходимо сделать.

Что такое эффективный кпд двигателя

Главное меню

• Главная
• Паровые машины
• Двигатели внутреннего сгорания
• Электродвигатели
• Автоматическое регулирование двигателей
  • Автоматические регуляторы непрямого действия
  • Автоматические регуляторы прямого действия
  • Автоматическое регулирование
  • Двигатель как регулируемый объект
  • Двухимпульсные автоматические регуляторы
  • Динамические свойства элементов системы двигателя
  • Компоновка регулятора с двигателем
  • Параллельная работа двигателя
  • Переходные процессы в системах авто. регулирования
    • Резонансные явления в системах автоматического регулирования
    • Применение электронных цифровых вычислительных машин для расчета переходных процессов
    • Применение аналоговых вычислительных машин для расчета переходных процессов
    • Аппроксимация статических характеристик элементов систем автоматического регулирования
    • Оценка точности результатов, получаемых при помощи линейных дифференциальных уравнений
    • Построение переходных процессов с помощью обобщенных частотных характеристик
    • Построение переходных процессов в системах автоматического регулирования третьего порядка
    • Диаграммы параметров составляющих переходных процессов в системах автоматического регулирования третьего порядка
    • Параметры составляющих переходных процессов в системах автоматического регулирования третьего порядка
    • Построение переходного процесса по формуле общего интеграла
    • Получение общего интеграла дифференциального уравнения методом преобразования Лапласа
    • Начальные условия при ступенчатом возмущении
    • Преобразование Лапласа
    • Константы интегрирования
    • Определение корней характеристического уравнения
    • Оценка качества путем построения переходных процессов
    • Косвенные методы оценки качества переходных процессов
    • Показатели качества переходных процессов
  • Синтез систем автоматического регулирования
  • Системы автоматического регулирования двигателей
  • Устойчивость систем автоматического регулирования
• Восстановление и ремонт двигателей СМД
• Топливо для двигателей
• Карта сайта

Судовые двигатели

• Судовые двигатели внутреннего сгорания
  • Общие сведения о двигателях внутреннеого сгорания
  • Основные части двигателя
  • Газораспределение в двигателях
  • Топлива и масла для двигателей
  • Смесеобразование и топливная аппаратура в дизелях
  • Система и устройство двигателя
  • Примеры и описания судовых двигателей
  • Идеальные циклы и тепловые процессы в двигателях
  • Мощность и экономичность двигателя
    • Сравнение термических коэффициентов полезного действия различных циклов
    • Общие положения и порядок теплового расчета
    • Выпуск и продувка в двухтактных двигателях
    • Способы повышения мощности дизелей
    • Определение основных размеров цилиндра
    • Тепловой баланс двигателя
    • Характеристики двигателей
    • Удельный расход топлива и к. п. д.
    • Среднее индикаторное давление газа. Индикаторная и эффективная мощность двигателя
    • Пневмообмывающее судовое устройство
    • Индикаторная мощность двухтактного двигателя
    • Эффективная мощность двухтактного двигателя
    • Механический коэффициент полезного действия
    • Индикаторный коэффициент полезного действия двигателя
    • Эффективный коэффициент полезного действия двигателя
    • Удельный расход топлива, поступающий в цилиндр двигателя
    • Уравнение мощности двигателя
    • Тепловая нагрузка стенок цилиндра
    • Температура внутренней поверхности цилиндра
    • Анализ параметров, влияющих на повышение мощности двигателя
    • Наддув в четырехтактных двигателей
    • Наддув двухтактных двигателей
    • Определение основных параметров газотурбонагнетателя
    • Судовые установки со свободнопоршневыми генераторами газа
    • Цикл свободнопоршневого генератора газа
  • Кинематика и динамика двигателя
  • Расчет на прочность основных деталей двигателей
  • Испытания и эксплуатация судовых двигателей
• Судовые паровые турбины
• Судовые газовые турбины
• Судовые дизельные установки

Количество используемой теплоты для получения эффективной работы (работы на коленчатом валу) определяется эффективным к. п. д. ? _е , кото­рый равен отношению количества тепла, превращенного в эффективную ра­боту, к количеству тепла, затраченному на совершение этой работы. Таким образом, ? _е учитывает все потери двигателя, т. е. как тепловые, так и механические. Если ? _i характеризует собой совершенство индикатор­ного процесса двигателя, т. е. совершенство рабочего цикла, то ? _е является показателем экономичности работы двигателя и характеризует совершенство рабочего цикла и конструкции двигателя.

Выражение (150) позволяет сделать заключение, что эффективный к. п. д., так же, как и индикаторный к. п. д., в основном зависит от ? и p _i , кроме того, от механического к. п. д. ? _т .

Значения ? _е и g _e у выполненных двигателей при номинальной мощно­сти и числе оборотов составляют:

Наибольшие удельные расходы топлива и соответственно наименьшие значения эффективного к. п. д. как для четырехтактных, так и для двухтакт­ных дизелей относятся к быстроходным типам двигателя. Приведенные зна­чения ? _m , ? _i и ? _е , а соответственно g _i и g _e , имеют двигатели при нормаль­ном техническом состоянии. При длительной работе двигателя, вследствие изнашивания трущихся деталей и увеличения зазоров, происходит сниже­ние параметров конца процесса сжатия, ухудшение условий смазки, ухуд­шение качества смесеобразования и др. Все это приводит к снижению тепло-

использования в двигателе, а следовательно, к уменьшению ц _е и повышению стоимости эксплуатации двигателя. Для предотвращения этого двигатели подвергаются, согласно инструкции по обслуживанию, профилактическому ремонту и периодическим контрольным теплотехническим испытаниям.

Просто о сложном, но важном КПД.

КПД…что это за зверь такой-этот коэффициент полезного действия? Звучит как-то чрезвычайно занудно, научно. Причем настолько, что вникать и разбираться тут же отпадает всякое желание. Я предлагаю не спешить закрывать страничку и набраться немного терпения. Ведь КПД для любого ДВС и даже автомобиля в целом, понятие во многом определяющее…неплохо бы понимать о чем речь.
Хочу заметить, что именно благодаря работе конструкторов над повышением КПД двигателя и трансмиссии мы имеем мощные и одновременно экономичные автомобили. Конструкции двигателей постоянно претерпевают изменения главным образом в борьбе за высокий КПД, а мощность, крутящий момент, топливная экономичность являются уже продуктом, результатом этой борьбы. Нужно понимать, что можно сделать двигатель сколько угодно большим или сжигать уйму топлива в нем, но если при этом коэффициент полезного действия этого двигателя не на высоте, не ждите от него высокой мощности. Понять это очень просто. Взгляните на характеристики автомобиля, скажем, года эдак 1930 и сопоставьте их с характеристикой авто хотя бы 2000 годов. В глаза сразу бросится факт неэффективности двигателей ушедшей эпохи.

Для начала определимся, что это вообще такое –КПД? Эта величина, собственно, показывает какая часть энергии (например-полученной при сгорании топлива)в механизме или устройстве расходуется на то, что нас интересует(например-передвижение автомобиля), а какая тратится впустую(например-нагрев системы охлаждения).Пользуясь логикой, КПД можно определить для любого механизма или системы механизмов. Достаточно «отделить зерна от плевел», иначе говоря, соотнести полезное для нас действие с нашими общими затратами энергии. Выразить математически полезную работу можно как угодно. Но так уж принято, что выражается она коэффициентом, ибо потом проще считать всяческие силы, мощности и прочую физику.
В ДВС отношение полезной механической работы, которую мы получили, к общей затраченной теплоте, полученной при сгорании топлива, называют эффективным КПД. Это основная величина и отражает она степень использования теплоты сгорания топлива в двигателе, с учетом всех видов потерь, как тепловых так и механических. Эта величина позволит нам обоснованно судить о эффективности двигателя. НО! Для оценки его эффективности на разных уровнях и этапах понятие эффективного КПД уже не подходит и в этом случае эффективный КПД разбивается на составляющие и используются еще как минимум два вида КПД это индикаторный КПД и механический КПД двигателя. Давайте разбираться что есть что и зачем?
Я думаю всем понятно, что в таком сложном механизме, как ДВС, передать энергию путем кучи преобразований и без потерь невозможно. Потери происходят из-за газообмена, когда поршень работает как насос(насосные потери), из-за трения поршня и колец о цилиндр, из-за трения в подшипниках вращающихся деталей, при приводе дополнительных механизмов, таких как газораспределительный механизм. И это далеко не все факторы. Для оценки этих потерь вводится понятие механического КПД двигателя.

Если с механикой все более или менее понятно и осязаемо, то понятиями, дающими оценку эффективности использования теплоты все не так просто.
Основным критерием оценки эффективности использования теплоты является индикаторный КПД двигателя. Он отражает степень использования теплоты в действительном, происходящем в нашем конкретном двигателе, цикле. С учетом всех тепловых потерь в нем. Математически- это отношение теплоты, которая потратилась на совершение полезной работы ко всей затраченной теплоте.
Кроме индикаторного КПД двигателя, существует термический КПД, который описывает эффективность термодинамического цикла, по которому работает данный ДВС. Теория и физика чистой воды, посему останавливаться подробно не будем.
В дополнение к термическому КПД рассмотрим относительный КПД двигателя, который дает оценку насколько удачно конструкция двигателя позволила реализовать идеальный термодинамический цикл, по сравнению с реальным, протекающим в нашем конкретном двигателе. То есть помогает нам учесть потери теплоты. Математически относительный КПД выражается отношением индикаторного(реального теплового) КПД нашего двигателя к термическому КПД идеального термодинамического цикла по которому работает наш двигатель.
И термический и индикаторный КПД рассматривают для дополнительной оценки двигателей. Математически-они две составляющие индикаторного КПД, который можно выразить произведением этих двух величин.
Подробно рассматривать термодинамические циклы не будем, ибо это дебри физики и полагаю никакого терпения не хватит читателю. Возможно в будущем найду хорошую статью и сделаю копипаст.
Как итог хочу сказать что представление о каждом из рассмотренных выше КПД двигателя, дает хороший ключ к пониманию как провести грамотный тюннинг двигателя, а так же для чего конструкторы намудрили в том или ином случае с какой-то казалось бы простой деталью. Это все в свою очередь порой хорошо прочищает мозги от безответственных, «колхозных» настроений и настраивает на грамотный, щепетильный подход к ремонту и обслуживанию автомобиля. Обо всем этом подробно я и постараюсь рассказать вам в следующих статьях.
За сим откланяюсь. Надеюсь, Вам было интересно.