Объёмный КПД двигателя внутреннего сгорания

У этого термина существуют и другие значения, см. Объёмный КПД.

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 расчитанное 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 сокрости 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 двигателях с естественным всасыванием (англ.) воздуха. Предельное значение объёмного КПД двигателей с естественным всасыванием составляет около 137 %^[1]; такие двигатели обычно имеют два распредвала в головке цилиндров и четыре клапана на цилиндр.

Более радикальные решения задачи повышения 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.

1. ↑ SohoPros ENDYN. Theoldone.com. Архивировано из первоисточника 13 июля 2012. Проверено 7 ноября 2010.

Коэффициент полезного действия (КПД) насосов

КПД насосов позволяет повысить энергоэффективность производства и сэкономить деньги. В статье рассмотрено из чего складывается КПД насосов, что на него влияет и как его посчитать. Приводится информация по центробежным (в т.ч. с магнитной муфтой), винтовым, импеллерным и мембранным пневматическим насосам.

Коэффициент полезного действия это характеристика эффективности системы (устройства или машины) в отношении преобразования или передачи энергии, которая показывает совершенство его конструкции и экономичность эксплуатации. Так как насосы перекачивают жидкость посредством преобразования одного вида энергии в другой вид энергии, то они идеально подходят под данное правило, а значит, обладают собственным коэффициентом полезного действия.

Формула

Коэффициент полезного действия не имеет системы измерений и обозначается обычно в процентах. Общий КПД жидкостного насоса определяется произведением КПД его привода (электродвигатель, пневмодвигатель, гидродвигатель) и КПД насосной части. Ƞ = ƞ_пр * ƞ_нч

КПД привода насоса это не что иное, как отношение мощности, которую мы получаем на выходном валу двигателя к потребляемой двигателем мощности. Нужно сразу уточнить, что данное отношение не может быть больше единицы, так как потребляемая двигателем мощность всегда больше мощности на выходе. Это обуславливается тем, что в процессе преобразования энергии всегда присутствуют тепловые и механические потери. Ƞ_пр = P₂ / P₁

Расчет КПД

Потребляемая мощность зависит от вида и характеристик собственного источника. Если насос имеет электрический привод – электродвигатель, то потребляемая мощность электрическая, если пневмодвигатель, значит потребляемая мощность это мощность нагнетаемого воздуха. Электрическая потребляемая мощность это произведение напряжения на силу тока.

Мощность на выходном валу двигателя, это мощность механическая, полученная вследствие преобразования подведенного электрического или пневматического вида энергии. Данную мощность нужно рассматривать как отношение работы к единице времени.

Так как насосная часть состоит из деталей, узлов и механизмов, а во время её работы происходят различные процессы и присутствуют разные физические явления, то её коэффициент полезного действия необходимо рассматривать как произведение трёх составляющих: механический КПД, гидравлический КПД и объёмный КПД. Ƞ_нч = ƞ_м * ƞ_г * ƞ_о

Механический КПД

Механический КПД во многом зависит от качества изготовления насоса, от его конструктивных особенностей. Механические потери связанные с работой трущихся частей (в подшипниках, в механическом торцевом уплотнении, в сальниковом уплотнении, в проточной части) снижают данный КПД.

Гидравлический КПД

Гидравлический КПД определяется течением жидкости внутри проточной части насоса, а если точнее гидравлическими потерями, которые возникают во время работы насоса. Например, если шероховатость поверхности стенок насоса увеличена, то жидкости станет сложнее преодолеть сопротивление трения, а значит, скорость течения жидкости будет ниже. Многое зависит и от вида течения жидкости. Возникающий в проточной части насоса турбулентный (вихревой) поток жидкости увеличивает гидравлические потери.

Отношение количества жидкости поступившей в насос через всасывающий патрубок, к количеству жидкости вышедшей из него через напорный патрубок является объёмным КПД насосной части. Объёмный КПД ещё называют КПД подачи, так как его можно рассмотреть как отношение производительностей, действительной к теоретической.

Чтобы потребитель имел возможность определить КПД насоса в конкретной рабочей точке, многие производители насосного оборудования прилагают к диаграммам рабочих характеристик насоса диаграммы с графиками характеристик КПД.

График эффективности насоса на примере Argal TMR 10.15

КПД промышленных насосов

В данной статье косвенно рассмотрим коэффициент полезного действия насосов различных видов: центробежных, винтовых, импеллерных, мембаранно-пневматических.

Центробежный насос

КПД самых распространенных центробежных насосов во многом зависит от режима их работы и конструктивных особенностей. Максимальным КПД обладают центробежные насосы с приводом большой мощности и высокими рабочими характеристиками. Их эффективность может достигать 92-95 %. Значение мощности двигателя таких центробежных насосов обычно начинается от 10кВт, а насосная часть имеет высокое качество изготовления.

Насос с магнитной муфтой

Насосы с магнитной муфтой имеют схожий КПД. Для данного типа насоса очень важно, чтобы герметичная задняя крышка насоса, располагающаяся между ведущим и ведомым магнитом, была изготовлено из токонепроводящих материалов. Иначе, будут возникать вихревые токи, которые вызывают потерю мощности и снижают общий КПД насоса.

Винтовой насос

Винтовые насосы имеют высокие механические потери. Они в первую очереди связаны с трениями, которые возникают в подшипниковом узле, а также между ротором и статором, но благодаря высоким рабочим характеристикам (расход, напор) данный тип насосов может иметь КПД колеблющийся от 40 до 80 %.

Импеллерный насос

Импеллерные насосы бережно перекачивают жидкость, создавая равномерный ламинарный поток и высокое давление на выходе, но высокие механические потери обусловленные трением гибких лопастей импеллера о внутреннюю поверхность корпуса не позволяет данному типу насосов быть лидером по эффективности.

Мембранно-пневматический насос

Мембранно-пневматические насосы не имеют двигателя и работают от поданного на него сжатого воздуха. Так как требуется дополнительное превращение электрической энергии в энергию сжатого воздуха, то КПД мембранно-пневматического насоса во многом зависит от КПД воздушного компрессора. Обычно КПД поршневых компрессоров составляет 80-92%, лопастных 90-96%. Кроме этого, в самом насосе, в той или иной мере, присутствуют все виды потерь. Гидравлические потери возникают, когда жидкость через небольшое всасывающее отверстие поступает в рабочую камеру насоса и выходит через отверстие подачи под определенным углом. Здесь поток жидкости сталкивается с внезапным расширением сечения при последующем резком повороте. Механические потери связаны с тем, что основная втулка насоса является парой трения скольжения. Кроме этого имеет место трение жидкости с деталями насоса: клапана, коллектора, мембрана, стенки боковой крышки. Объемные потери определяются отношением количества жидкости поступившего в насос и количеством жидкости вышедшего из него за два такта (всасывание – нагнетание).

Вывод

Подводя итог данной статьи можно сказать, что эффективность перекачивающих насосов во многом зависит от мощности двигателя насоса, а также от качества изготовления деталей и узлов самого насоса. Среди рассмотренных типов насосов наибольшим КПД обладают высокопроизводительные и высоконапорные центробежные насосы. Наименьшая эффективность у мембранно-пневматических насосов.

Узнайте об объемном КПД и о том, как он влияет на производительность двигателя

Объемный КПД — это термин, который довольно часто используется, когда речь идет о двигателях внутреннего сгорания. Однако на удивление мало кто понимает, что такое объемный КПД и как он на самом деле влияет на работу двигателя.

В этом посте мы обсудим объемный КПД, предоставим формулу объемного КПД и покажем несколько примеров ее применения к конкретным примерам двигателей.

Что такое объемная эффективность?

Объемный КПД (VE) — это фактический объем воздуха, проходящего через двигатель, по сравнению с его теоретически максимальным значением. По сути, это показатель того, насколько заполнены цилиндры.

VE выражается в процентах. Двигатель, работающий на 100 % VE, означает, что мы захватили 100 % воздуха, который теоретически может удержать цилиндр при массе . Объем всегда измеряется одинаково, но ограничения уменьшают массу воздуха/топлива по сравнению с тем, что теоретически вмещает цилиндр. Инерционная настройка впуска, головок, распредвала и выхлопа может утяжелить объем. Чем он тяжелее, тем больше в нем воздуха/топлива, который можно сжечь для получения энергии.

Как рассчитывается?

Формула объемного КПД:

VE = (CFM X 3456) / (CID X RPM)

прокачивается через двигатель. Это НЕ оценка CFM карбюратора. Это может быть трудно измерить и требует специального испытательного оборудования.

Как объемная эффективность влияет на производительность?

Объемная эффективность может быть непростой темой. Плотность воздуха меняется в зависимости от температуры и высоты. Следовательно, VE может меняться в зависимости от среды.

На уровне моря воздух более плотный. Это означает, что внутри цилиндра больше молекул воздуха. В горах все наоборот. Тот же двигатель будет работать с более высоким VE на уровне моря, чем в горах.

Вы можете улучшить VE, облегчив поток воздуха. Эта идея лежит в основе впускных коллекторов вторичного рынка, комплектов холодного воздуха, портирования и полировки головок цилиндров и коллекторов. Нагнетание большего количества воздуха также является идеей нагнетателей , турбин и закись азота . Эти усилители мощности нагнетают больше воздуха в цилиндр. Когда топливная система и системы зажигания правильно настроены, это может поднять VE более чем на 100 процентов и создать тонны мощности.

В таблице ниже приведены некоторые общие значения VE для различных типов двигателей:

*Слегка модифицированный =

распредвал , стандартные головки цилиндров с отверстиями, впускной коллектор Performance , коллекторы , модернизация зажигания

**Сильно модифицированный = агрессивный распредвал, производительный впускной коллектор, коллекторы, 9 0011 модернизация зажигания

, конфигурация послепродажного обслуживания Racing головки блока цилиндров , степень сжатия 14:1 или выше нет кривой. Пример на графике ниже — безнаддувный двигатель объемом 440 кубических дюймов. Мы знаем, что он выдает 592 лошадиных силы, и мы знаем, что он развивает его при 6700 об/мин.

Формула для оценки VE при разных оборотах по динамометрической кривой двигателя:

лошадиных сил x 4235 / CID x об/мин = VE 507 120 / 2 948 000 = 0,85% VE

Обратите внимание, что двигатель достиг пикового значения 92% VE между 5500 и 5800 об / мин — после того, как пиковый крутящий момент начал падать. Это число бесполезно в калькуляторе карбюратора, но является хорошим показателем производительности. Однако, поскольку теперь мы знаем, что этот двигатель имеет 85 процентов VE немного ниже красной черты, мы могли бы использовать его для определения рейтинга карбюратора в кубических футах в минуту, используя стандартную формулу в кубических футах в минуту:

CID x красная линия об/мин x VE /3 456

440 x 7 000 x 0,85 = 2 681 000

2 681 000/3456 = 757 кубических футов в минуту

900 02 Карбюратор на 750 кубических футов в минуту был бы самым маленьким и, как правило, наиболее отзывчивым, который соответствует пиковому воздушному потоку лошадиных сил. требования. Двигатель тратит впустую все большее количество воздуха после пиковой мощности, поэтому немного больший карбюратор может быть преимуществом в чистом гоночном двигателе.

Объемный КПД двигателя внутреннего сгорания – x-engineer.org

Содержание

• Определение
• Формула
• Пример
• Калькулятор

Определение

Для теплового двигателя процесс сгорания зависит от соотношения 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 воздух имеет массу, он обладает инерцией. Кроме того, впускной коллектор, клапаны и дроссельная заслонка действуют как ограничители потока воздуха в цилиндры. К объемный 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 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 901 77 [м ³ ]} и клиренс объемом V _c [м ³ ] .

V _цил. = V _d + V _c

(2)

Рабочий объем 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) Том
VC-Объем зазор

Обломатическая эффективность η _V [-] определяется как отношение между фактическим (измеренным) объем нагрузочного воздуха V _A [M ^{. 3} ] всасывается в цилиндр/двигатель и теоретический объем двигателя/цилиндра V _d [m ³ ], во время такта 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 9017 6 а = м _a / ρ _a

(4)

Замена (4) в (3) дает объемный КПД, равный: · 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 03 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)

Максимальный объемный КПД 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 9017 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 05

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
Р _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 впуске , используя уравнение (9). Убедитесь, что все единицы измерения совпадают.

ρ _a = (1,5 · 10 ⁵ ) / (286,9 · 313,15) = 1,67 кг/м 4 до Па и температура от °C до K .

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.