+7(980)249-22-27
Кузовной ремонт автомобиля
Покраска в камере, полировка
Автозапчасти на заказОт отношения каких параметров зависит степень сжатия двигателя
Степень сжатия и компрессия. — DRIVE2
У кого то нашёл. Очень интересно и познавательно.
Степень сжатия и компрессия.
Степень сжатия — расчетная величина, показывает соотношение объемов до сжатия и после.
Компрессия — реально измеряемая величина, в процессе сжатия меняется не только объем и давление, но и температура, поэтому компрессия (в исправном двигателе) обычно на несколько единиц больше степени сжатия. Hа компрессию влияют также негерметичность клапанов, колец, прокладки и т.п. В руководстве по ремонту обычно указано минимальное значение компрессии, при котором еще можно ездить.
* * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * *
Что такое степень сжатия?
Какая степень сжатия лучше всего для вашего двигателя? Вопрос на засыпку, ведь конструкторы моторов с искровым зажиганием1 всячески стремятся повысить степень сжатия. А создатели двигателей с воспламенением от сжатия, наоборот, стараются ее понизить… По поводу этой загадочной характеристики двигателя внутреннего сгорания бытует немало ошибочных мнений.
Одно из наиболее распространенных заблуждений — от степени сжатия зависит многое. На самом деле все очень просто: этот показатель отражает отношение полного объема цилиндра к объему камеры сгорания, или, другими словами, равен частному от деления объема надпоршневого пространства в нижней мертвой точке (н. м. т) на его объем в верхней мертвой точке (в. м. т). То есть геометрическая степень сжатия показывает, во сколько раз сжимается топливовоздушная смесь в цилиндрах двигателя при движении поршня от нижней мертвой точки к верхней мертвой точке. Но в жизни, естественно, получается не всегда так, как в теории…
Вперед и выше
На заре автомобилизма степень сжатия двигателей Отто (а других 100 лет назад и не существовало) делали невысокой — 4 5, чтобы при работе на низкооктановом бензине (гнали, как умели) не возникала детонация2.
Допустим, при рабочем объеме цилиндра 400 «кубиков» объем камеры сгорания равен 100 мл. То есть геометрическая степень сжатия у такого двигателя составляет:
е = (400 + 100) : 100 = 5.
Если же объем камеры сгорания уменьшить до 40 см3 (технически несложно), то степень сжатия повысится:
е = (400 + 40) : 40 = 11.
И что же это дает? А то, что термический КПД двигателя увеличится почти в 1,3 раза. И если 6 цилиндровый 2,4 литровый мотор со степенью сжатия 5 развивает мощность в 100 л.с., то при степени сжатия 11 она повысится почти до 130. Причем при неизменном расходе горючего! Иными словами, расход топлива в расчете на 1 л.с. в час сократится на 22,7 %.
Поразительный результат, достигнутый самыми простыми средствами. Не слишком ли хорошо, чтобы быть правдой? Никакой мистики: чем выше степень сжатия, тем ниже температура отработанных газов, идущих на выхлоп. При е = 11 мы попросту заметно меньше обогреваем атмосферу, чем при е = 5, вот и все.
Азы теплотехники
Автомобильные двигатели — разновидность тепловых машин, которые подчиняются законам термодинамики. Еще в первой половине XIX века замечательный французский физик Сади Карно заложил основы теории тепловых машин, в том числе и двигателей внутреннего сгорания.
По Карно, КПД двигателя внутреннего сгорания тем выше, чем больше разница между температурой газов (рабочего тела) к концу горения топливовоздушной смеси и их температурой на выпуске. Эта разница зависит от е, а вернее, от степени расширения рабочих газов в цилиндрах. Да, тут есть нюанс: по Карно, для термического КПД важна не степень сжатия, а именно степень расширения. Чем сильнее расширяются горячие газы на рабочем ходу, тем ниже падает их температура, что естественно. Просто в двигателях обычных конструкций степень расширения геометрически совпадает со степенью сжатия. Вот мы и привыкли не разделять эти понятия. К тому же детонация зависит как раз от е, то есть от компрессии. Чем сильнее сжимается топливовоздушная смесь в цилиндрах двигателя Отто3, чем выше давление и температура к моменту искрообразования, тем вероятнее возникновение ударных волн в камере сгорания и детонации. Она-то и ограничивает степень сжатия, но степень расширения рабочих газов здесь ни при чем. Вот если бы каким-то образом отделить одну степень от другой — чтобы при умеренной компрессии добиться сильного расширения рабочих газов…
Пятитактный цикл
Уже полвека с лишним известен так называемый 5 тактный цикл Atkinson’а/Miller’а. Он как раз и разводит степень сжатия и степень расширения по разные стороны.
Представьте, что у вашего 1,5 литрового 16 клапанника ВАЗ-2112 впуск заканчивается не на 36 градусах после нижней мертвой точки (по углу поворота коленчатого вала), а очень поздно — на 81 градусе. То есть при 3 тыс. оборотов поршень на своем ходу к верхней мертвой точке вытесняет часть топливовоздушной смеси через открытые клапаны обратно во впускной коллектор (не беспокойтесь, она там не пропадет). Иными словами, такт сжатия начинается только где-то на 75 градусах после нижней мертвой точки, а до того имеет место своеобразный такт вытеснения смеси. Тактов теперь не 4, а 5: впуск, обратное вытеснение, сжатие, рабочий ход, выпуск. На первый взгляд, идиотская схема: зачем гонять смесь туда-сюда? Допустим, обратно вытесняется 20 % топливовоздушной смеси, уже попавшей в цилиндр, и сжимается только 80 %. И пусть геометрическая е равна 13 — исключительно высокая для Отто. Однако реальная степень сжатия гораздо ниже — всего 10,6. Что и требовалось доказать.
У конструкции с реальной степенью сжатия 10,6 (вполне допустимо для товарного бензина) степень расширения рабочих газов — 13. Термический КПД двигателя по факту в 1,0518 раза выше, чем по его степени сжатия. Не так много, но моторостроители годами бьются ради 5 процентной экономии горючего. Двигатели пассажирских автомобилей уже вовсю работают по 5 тактному циклу. В качестве примера можно привести 1,5 литровую тойотовскую «четверку» 1NZ-FXE (для Prius) или фордовскую 2,26 литровую (для Escape Hybrid).
Вроде бы блестящее решение, однако у медали есть и обратная сторона. Геометрическая е (степень расширения рабочих газов) у 1NZ-FXE — 13, реальная степень сжатия — около 10,5. В результате из-за обратного вытеснения смеси 1,5 литровый мотор по крутящему моменту и мощности, к сожалению, опускается примерно до 1,2 литрового. Итог — выигрываем в термическом КПД ценой потери реального литража. Мало того, двигатель с поздним закрытием впускных клапанов совсем не тянет «на низах». Поэтому 5 тактный цикл годится в «гибридных» силовых агрегатах, где тяговый электромотор принимает на себя нагрузку при самых низких оборотах. Потом в работу вступает двигатель внутреннего сгорания. Так или иначе 5 тактный цикл позволяет повысить степень расширения рабочих газов и термический КПД двигателя.
А вот наддув, наоборот, вынуждает понижать степень сжатия. При подаче топливовоздушной смеси под избыточным давлением реальная компрессия в цилиндрах оказывается слишком высокой — даже при умеренной геометрической е. Приходится отступать. Отсюда снижение термического КПД и повышенный расход бензина у двигателей с наддувом, если не применять спецгорючее.
На спирту
Чем больше октановое число бензина, тем выше возможная (по условиям детонации) степень сжатия, тем эффективнее работает мотор. Исключительно высокую е допускает используемый в качестве горючего газ (нефтяной или природный): без наддува — 13 14, с компрессором — 10 11. Водород тоже отличается стойкостью против детонации. Потрясающие антидетонационные качества у спирта — метилового или этилового. Вдобавок у него высокая теплота испарения. Испаряясь, он сильно охлаждает топливовоздушную смесь (а заодно и поверхность камеры сгорания). Холодная смесь плотнее и в цилиндр ее по весу входит существенно больше — реальный коэффициент наполнения оказывается выше и, как следствие, возрастают крутящий момент и мощность. Кроме того, этиловый (питьевой!) спирт экологичен. Правда, расход спиртового топлива в литрах гораздо больше, чем бензина, поскольку теплотворная способность метанола и этанола незначительная. А вот в энергетическом эквиваленте спирт заметно эффективнее бензина — благодаря высокой степени сжатия (расширения). У такого топлива есть перспектива. На сегодняшний день в некоторых странах широкое распространение получила смесь E85: 85 % этанола и 15 % бензина.
Истина в мере
Пока что повысить степень сжатия вазовского 16 клапанника с 10,5 до 11,5 на 92 м бензине от местной АЗС — ой как непросто. Можно применить впрыск бензина непосредственно в камеры сгорания — вместо впускных каналов. Испарение бензина не на впуске, а в цилиндрах — тот же самый «компрессорный» эффект. Или организовать двухискровое зажигание — с двумя свечами на цилиндр. А также поставить выпускные клапаны с внутренним (натриевым) охлаждением — раскаленные тарелки провоцируют детонацию. И еще — очистить поверхность камеры сгорания от нагара и отполировать ее.
Влияют на степень сжатия и конфигурация камеры сгорания и скорость вихревого движения топливовоздушной смеси. Есть много способов борьбы с детонацией, хороших и разных. Так до какого уровня есть смысл поднимать е двигателя Отто? Здесь вот что важно учитывать: термический КПД нарастает с повышением степени сжатия (расширения), но не линейно, а с постепенным замедлением. Если при увеличении степени сжатия от 5 до 10 он повышается в 1,265 раза, то от 10 до 20 — только в 1,157 раза. Зато быстро накапливаются побочные «заморочки», которых лучше избегать. Поэтому степень сжатия 13 14 — разумный компромисс, к которому и следует стремиться. Вперед и с песней!
1 Мы обычно говорим «бензиновый», хотя знаем, что автомобильные двигатели прекрасно работают и на газе. А также на спирте — метиловом или этиловом… Так что лучше называть их двигателями с искровым зажиганием или двигателями Отто (по имени создателя такой конструкции Николауса Отто) — по аналогии с дизелями.
2 Кто не слышал детонационные звуки в цилиндрах? Это когда говорят: «пальцы стучат». При слишком высокой (по качеству горючего) степени сжатия горение топливовоздушной смеси после ее воспламенения от искры нарушается. Оно приобретает взрывной характер, в камере сгорания возникают ударные волны, способные вызвать поломку мотора.
3 Именно двигатели Отто; дизели детонации не знают. Почему — отдельный разговор.
Переменная степень сжатия - Википедия
Переменная степень сжатия - это технология регулировки степени сжатия двигателя внутреннего сгорания во время работы двигателя. Это сделано для повышения эффективности использования топлива при различных нагрузках. Двигатели с переменным сжатием позволяют изменять объем над поршнем в верхней мертвой точке. Более высокие нагрузки требуют более низких соотношений для увеличения мощности, тогда как более низкие нагрузки требуют более высоких соотношений для повышения эффективности, то есть для снижения расхода топлива.Для автомобильного использования это должно быть сделано, поскольку двигатель работает в ответ на нагрузку и требования вождения. Infiniti QX50 2019 года - первый коммерчески доступный автомобиль, который использует двигатель с переменной степенью сжатия.
Преимущества [править]
Бензиновые двигатели имеют ограничение по максимальному давлению во время такта сжатия, после которого топливовоздушная смесь взрывается, а не горит. Для достижения более высокой выходной мощности при той же скорости необходимо сжигать больше топлива и, следовательно, больше воздуха.Для достижения этого турбонагнетатели или нагнетатели используются для повышения давления на входе. Это приведет к детонации топливовоздушной смеси, если только степень сжатия не уменьшится, то есть объем над поршнем увеличится. Это можно сделать в большей или меньшей степени, если возможно значительное увеличение мощности. Обратной стороной этого является то, что при небольшой нагрузке двигателю может не хватать мощности и крутящего момента. Решение состоит в том, чтобы иметь возможность изменять давление на входе и регулировать степень сжатия в соответствии с требованиями.Это дает лучшее из обоих миров, маленький эффективный двигатель, способный к большой мощности по требованию. Кроме того, видеомагнитофон позволяет бесплатно использовать различные виды топлива, кроме бензина, например. LPG или этанол.
Смещение цилиндра изменяется с помощью гидравлической системы, соединенной с коленчатым валом, и регулируется в соответствии с требуемой нагрузкой и ускорением.
Производство [редактировать]
Двигатели с переменным сжатием существуют десятилетиями, но только в лабораториях для изучения процессов сгорания.Эти конструкции обычно имеют второй регулируемый поршень, установленный в головке напротив рабочего поршня.
В 2018 году Infiniti начала производство своего турбодвигателя с переменным сжатием, который использует механическую связь для достижения изменчивости. Он был установлен в их внедорожник QX50. Двигатель может производить любую степень сжатия от 8: 1 до 14: 1. Максимальный крутящий момент достигается при 8: 1, что обеспечивает высокое ускорение, в то время как лучший расход газа (топливная эффективность) достигается при 14: 1. Электронный контроллер двигателя реагирует на давление на педаль газа в режиме реального времени, плавно изменяя степень сжатия.Хотя этот двигатель имеет рабочий объем 2,0 л и является рядным четырехцилиндровым двигателем, он не использует балансировочные валы для устранения вторичных колебаний. Он по своей сути сбалансирован механической связью.
Двухтактные двигатели [править]
Из-за сравнительной простоты конструкции головки блока цилиндров (без впускных клапанов) ее несколько проще реализовать в двухтактных двигателях. С конца 90-х годов были доступны модели, которые расширяют эту идею, например, от Yamaha, [1] , которые динамически изменяют размер камеры сгорания.В последнее время (в 2000-х годах) эта технология вызвала некоторый интерес, поскольку она способна сжигать широкий спектр видов топлива (например, включая спирты), таких как Lotus Omnivore. [2] [3]
Конструкция двигателя [править]
Первый видеомагнитофон, созданный и испытанный, был создан Гарри Рикардо в 1920-х годах. Эта работа привела к тому, что он разработал систему оценки октанового числа, которая все еще используется сегодня. Многие компании проводят собственные исследования в области двигателей VCR, включая Saab, Nissan, Volvo, PSA / Peugeot-Citroën и Renault. [4] Infiniti QX50 2018 года будет доступен с серийной версией двигателя с турбонаддувом и переменной компрессией. [5] [6]
Peugeot MCE-5 [редактировать]
Принцип действия MCE-5 («Multi Cycle Engine - 5 параметров»), двигатель с переменной степенью сжатия, изготовленный Peugeot .Конструкция Peugeot работает путем изменения эффективной длины шатунов, соединяющих поршень с кривошипом. Когда шатун короче, степень сжатия ниже, и наоборот.С левой стороны схемы расположен обычный поршень двигателя внутреннего сгорания. Справа находится гидроцилиндр с поршнем двойного действия. Это действует через систему шатунов с зубчатым колесом, движение которого регулирует эффективную длину шатунов и, следовательно, степень сжатия в левом цилиндре. [7]
Saab SVC [редактировать]
SAAB Automobile возродил интерес к переменному сжатию, когда они представили свой двигатель SVC миру на автосалоне в Женеве в 2000 году.SAAB принимал участие в работе с «Офисом передовых автомобильных технологий», чтобы создать современный бензиновый видеомагнитофон, эффективность которого сравнима с эффективностью дизельного двигателя. SAAB SVC был усовершенствованным и работоспособным дополнением к миру двигателей видеомагнитофонов, но он так и не достиг производства из-за банкротства компании.
Конструкция, реализация двигателя видеомагнитофона Larsen [8] , состояла из моноблочной головки, в которой находилась вся шестерня клапана, и узла коленчатого вала / картера.Эти части были соединены шарниром, который позволял 4 степеням движения, управляемым гидроприводом. Этот механизм позволяет изменять расстояние между осевой линией коленчатого вала и головкой цилиндра. В отличие от конструкции Peugeot, эффективная длина шатуна является фиксированной. Нагнетатель был выбран предпочтительнее турбокомпрессора для достижения необходимого времени отклика и высокого давления наддува.
Чтобы изменить V c , SVC «опускает» головку цилиндров ближе к коленчатому валу.Это достигается путем замены типового блока двигателя, состоящего из одной части, блоком из двух частей с коленчатым валом в нижнем блоке и цилиндрами в верхней части. Два блока шарнирно соединены с одной стороны (представьте себе книгу, лежащую горизонтально на столе, с передней обложкой, расположенной примерно на дюйм выше титульного листа). Поворачивая верхний блок вокруг точки петли, V c (представьте, что воздух между передней обложкой книги и титульным листом) можно изменить. На практике SVC регулирует верхний блок с помощью небольшого диапазона движений, используя гидравлический привод.
Технология видеомагнитофона Gomecsys (состояние 2012 г.) [править]
Коленчатый вал видеомагнитофона Gomecsys Gen4 для 4-рядного двигателяGomecsys - это голландская инжиниринговая компания, которая разработала собственную технологию с переменной степенью сжатия. За последние 5 лет были сделаны значительные улучшения, и в настоящее время у компании есть видеомагнитофоны 4-го поколения, работающие на Dyno. Одним из больших преимуществ системы является простота. Вся система VCR интегрирована в коленчатый вал, и каждый 4-тактный двигатель можно обновить, заменив обычный коленчатый вал на коленчатый вал VCR Gomecsys.Дополнительные технологии экономии топлива, включенные в систему, повышают общее сокращение выбросов CO2 до 18%, и это без сокращения размеров. [ цитирование необходимо ]
Infiniti VC-Turbo [редактировать]
| Этот раздел требует расширения . Вы можете помочь, добавив к нему. (декабрь 2018 года) |
Infiniti VC-Turbo - это рядный четырехцилиндровый двигатель с турбонаддувом, использующий механическую связь для изменения степени сжатия.Тяговое устройство приводится в действие электрическим шаговым двигателем, который вращает нижний распределительный вал. Распределительный вал перемещает тягу, которая прикрепляется к рычагу рычага с тремя отверстиями и вращает его. Центральное отверстие содержит коленчатый вал, а последнее отверстие крепится к шатуну. Перемещая тягу вверх, опускаешь шатун, увеличивая степень сжатия. здесь, благодаря противоположному направлению силы, действующей на нижний распредвал, и от шатуна это уменьшает вибрацию. Таким образом, встречный вал уменьшается, а масса нижнего распредвала и штока распределительного вала электродвигателя добавляет массу в двигатель.
См. Также [править]
Список литературы [править]
,Какая связь между степенью сжатия и экономией топлива?
Вы заметили волну автомобилей с большим пробегом бензина, попавшую на рынок? Mazda3 с двигателем SkyActiv может пройти 42 мили за галлон (17,9 километра за литр). Chevrolet Cruze Eco может проехать 40 миль за галлон (17 километров за литр), а Hyundai Elantra - тоже. И получите это: даже несмотря на то, что эти автомобили получают одни из лучших показателей расхода бензина в отрасли, они не используют гибридную бензиново-электрическую технологию, альтернативное топливо или другие экологические приемы.Они приводятся в действие старомодным двигателем внутреннего сгорания. Так что же делает их экономию топлива такой хорошей? Их двигатели суперэффективны, благодаря их инженерам, играющим с небольшой вещью, называемой степенью сжатия.
Ваш основной автомобильный двигатель работает, превращая химическую энергию от контролируемого взрыва смеси воздуха, бензина и искры в механическое движение. Для более подробного ознакомления с этим процессом проверьте, как работает автомобильный двигатель. Но основная история заключается в том, что у каждого автомобильного двигателя есть определенное количество цилиндров, в которых находятся поршни.Контролируемый взрыв заставляет поршень двигаться вверх и вниз, что приводит к вращению коленчатого вала двигателя (это преобразование химической энергии в механическую), которая, в свою очередь, приводит в движение колеса.
Степень сжатия - это отношение объема цилиндра и камеры сгорания, когда поршень находится внизу, и объема камеры сгорания, когда поршень находится сверху. Автомобильные инженеры могут улучшить топливную экономичность и экономию топлива, проектируя двигатели с высокими степенями сжатия.Чем выше это соотношение, тем больше сжатый воздух в цилиндре. Когда воздух сжимается, вы получаете более мощный взрыв от топливовоздушной смеси, и больше топлива расходуется. Подумайте об этом так: если бы вам пришлось быть рядом со взрывом, вы, вероятно, предпочли бы быть рядом с кем-то снаружи, потому что сила взрыва рассеивалась бы и не выглядела бы такой мощной. В маленькой комнате, однако, сила будет сдерживаться, заставляя ее чувствовать себя намного мощнее. То же самое и с коэффициентами сжатия.Держа взрыв в меньшем пространстве, можно использовать больше его мощности. Например, увеличив коэффициент сжатия с 8: 1 до 9: 1, вы можете повысить экономию топлива примерно на 5–6 процентов.
Степень сжатия, о которой мы только что узнали, называется статической степенью сжатия . Он называется статическим, потому что измеряется только тогда, когда впускной клапан закрыт. Существует еще один тип степени сжатия, который учитывает открытие и закрытие впускного клапана.Мы поговорим об этом на следующей странице.
,Воздушно-топливное отношение, лямбда и рабочие характеристики двигателя - x-engineer.org
В тепловых двигателях используется топливо и кислород (из воздуха) для производства энергии за счет сгорания. Чтобы гарантировать процесс сгорания, в камеру сгорания необходимо подавать определенное количество топлива и воздуха. Полное сгорание происходит, когда сгорает все топливо, в выхлопных газах не будет количества несгоревшего топлива. Воздушно-топливное отношение (AF или AFR) - это отношение массы воздуха м к и массы топлива м к , используемое двигателем при работе:
\ [\ bbox [# FFFF9D ] {AFR = \ frac {m_a} {m_f}} \ tag {1} \]Обратное соотношение называется соотношением топливо-воздух (FA или FAR) и рассчитывается как:
\ [FAR = \ frac {m_f} {m_a} = \ frac {1} {AFR} \ tag {1} \]Идеальное (теоретическое) соотношение воздух-топливо для полного сгорания называется стехиометрическим соотношением воздух-топливо .Для бензинового (бензинового) двигателя стехиометрическое соотношение воздух-топливо составляет около 14,7: 1. Это означает, что для полного сжигания 1 кг топлива нам необходимо 14,7 кг воздуха. Сгорание возможно даже в том случае, если AFR отличается от стехиометрического. Чтобы процесс сгорания происходил в бензиновом двигателе, минимальная AFR составляет около 6: 1, а максимальная - до 20: 1.
Когда воздушно-топливное отношение выше стехиометрического, воздушно-топливная смесь называется обедненной .Когда воздушно-топливное отношение ниже стехиометрического, воздушно-топливная смесь называется , богатая . Например, для бензинового двигателя AFR 16,5: 1 является бедным, а 13,7: 1 - богатым.
В таблице ниже мы можем видеть стехиометрическое соотношение воздух-топливо для нескольких видов ископаемого топлива.
| Топливо | Химическая формула | AFR |
| Метанол | CH 3 OH | 6.47: 1 |
| Этанол | C 2 H 5 OH | 9: 1 |
| Бутанол | C 4 H 9 OH | 11.2: 1 |
| Дизель | C 12 H 23 | 14.5: 1 |
| Бензин | C 8 H 18 | 14.7: 1 |
| пропан | C 3 H 8 9000 9 | 15.67: 1 |
| Метан | CH 4 | 17.19: 1 |
| Водород | H 2 | 34.3: 1 |
Источник: wikipedia.org
Например, чтобы полностью сжечь 1 кг этанола, нам нужно 9 кг воздуха, а для сжигания 1 кг дизельного топлива нам нужно 14,5 кг воздуха.
Двигатели с искровым зажиганием (SI) обычно работают на бензине (бензине). AFR двигателей SI варьируется в диапазоне от 12: 1 (обогащенный) до 20: 1 (обедненный), в зависимости от условий работы двигателя (температура, скорость, нагрузка и т. Д.).). Современные двигатели внутреннего сгорания работают в максимально возможной степени вокруг стехиометрического AFR (главным образом по соображениям последующей обработки газа). В таблице ниже вы можете увидеть пример AFR двигателя SI, функции оборотов и крутящего момента двигателя.
Рисунок: Пример функции отношения воздух-топливо (AFR) оборотов и крутящего момента двигателя
Двигатели с воспламенением от сжатия (CI) обычно работают на дизельном топливе. Из-за особенностей процесса сгорания двигатели CI всегда работают на бедных смесях с AFR от 18: 1 до 70: 1.Основное отличие по сравнению с двигателями SI состоит в том, что двигатели CI работают на стратифицированных (негомогенных) воздушно-топливных смесях, в то время как SI работает на однородных смесей (в случае двигателей с впрыском через порт).
Приведенная выше таблица вводится в сценарий Scilab и создается контурный график.
EngSpd_rpm_X = [500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500]; EngTq_Nm_Y = [10; 20; 30; 40; 50; 60; 70; 80; 90; 100; 110; 120; 130; 140]; EngAFR_rat_Z = [14 14,7 16.4 17,5 19,8 19,8 18,8 18,1 18,1 18,1 18,1 18,1 18,1; 14 14,7 14,7 16,4 16,8 16,4 16,8 16,8 16,8 16,8 16,8 16,8; 14 14,7 14,7 14,7 14,7 14,7 14,7 15,7 15,7 15,7 15,3 14,9 14,9 14,9; 14,2 14,7 14,7 14,7 14,7 14,7 14,7 14,7 14,7 13,9 13,3 13,3 13,3; 14,7 14,7 14,7 14,7 14,7 14,7 14,7 14,7 14,7 14,5 12,9 12,9 12,9; 14,7 14,7 14,7 14,7 14,7 14,7 14,7 14,7 14,3 13,3 12,6 12,1 11,8; 14,7 14,7 14,7 14,7 14,7 14.7 14,7 14,7 13,6 12,9 12,2 11,8 11,3; 14,1 14,2 14,7 14,7 14,7 14,7 14,7 14,7 13,3 12,5 11,9 11,4 10,9; 13,4 13,4 13,8 14,3 14,3 14,7 14,7 13,6 13,1 12,2 11,5 11,1 10,7; 13,4 13,4 13,4 13,4 13,4 13,6 13,6 12,1 12,1 11,6 11,2 10,8 10,5; 13,4 13,4 13,4 13,4 13,1 13,1 13,1 11,8 11,8 11,2 10,7 10,5 10,3; 13,4 13,4 13,4 13,4 12,9 12,9 12,5 11,6 11,3 10,5 10,4 10,3 10,2; 13,4 13,4 13,4 13,4 12,9 12,9 12,5 11.6 11,3 10,5 10,4 10,3 10,2; 13,4 13,4 13,4 13,4 12,9 12,9 12,5 11,6 11,3 10,5 10,4 10,3 10,2]; контур (EngSpd_rpm_X, EngTq_Nm_Y, EngAFR_rat_Z», 30) Xgrid () xlabel («Скорость двигателя [об / мин]») ylabel («Крутящий момент двигателя [Нм]») название ( 'x-engineer.org')
Выполнение приведенных выше инструкций Scilab сгенерирует следующий контурный график:
Изображение: контурный контур воздух-топливо с Scilab
Как рассчитывается стехиометрическое соотношение воздух-топливо
Чтобы понять, как стехиометрическое соотношение воздух-топливо Рассчитав, нужно взглянуть на процесс сгорания топлива .Сжигание в основном представляет собой химическую реакцию (называемую окислением ), в которой топливо смешивается с кислородом и производит диоксид углерода (CO 2 ), воду (H 2 O) и энергию (тепло). Примите во внимание, что для того, чтобы произошла реакция окисления, нам нужна энергия активации (искра или высокая температура). Кроме того, чистая реакция является сильно экзотермической (с выделением тепла).
\ [\ text {Fuel} + \ text {Oxygen} \ xrightarrow [high \ text {} температура \ text {(CI)}] {spark \ text {(SI)}} \ text {двуокись углерода} + \ text {Water} + \ text {Energy} \]Пример 1.
Для лучшего понимания, давайте посмотрим на реакцию окисления метана . Это довольно распространенная химическая реакция, поскольку метан является основным компонентом природного газа (в пропорции около 94%).
Шаг 1 . Напишите химическую реакцию (окисление)
\ [CH_4 + O_2 \ rightarrow CO_2 + H_2O \]Шаг 2 . Сбалансируйте уравнение
\ [CH_4 + {\ color {Red} 2} \ cdot O_2 \ rightarrow CO_2 + {\ color {Red} 2} \ cdot H_2O \]Шаг 3 .Запишите стандартный атомный вес для каждого атома
\ [\ begin {split}\ text {Hydrogen} & = 1.008 \ text {amu} \\
\ text {Carbon} & = 12.011 \ text {amu} \\
\ text {Oxygen} & = 15.999 \ text {amu}
\ end {split} \]
Шаг 4 . Рассчитайте массу топлива, которая составляет 1 моль метана, состоящего из 1 атома углерода и 4 атомов водорода.
\ [m_f = 12.011 + 4 \ cdot 1.008 = 16.043 \ text {g} \]Шаг 5 . Рассчитайте массу кислорода, которая состоит из 2 молей, каждый моль состоит из 2 атомов кислорода.
\ [m_o = 2 \ cdot 15.999 \ cdot 2 = 63.996 \ text {g} \]Шаг 6 . Рассчитайте необходимую массу воздуха, которая содержит рассчитанную массу кислорода, учитывая, что воздух содержит около 21% кислорода.
\ [m_a = \ frac {100} {21} \ cdot m_o = \ frac {100} {21} \ cdot 63.996 = 304.743 \ text {g} \]Шаг 7 . Рассчитайте соотношение воздух-топливо, используя уравнение (1)
\ [AFR = \ frac {m_a} {m_f} = \ frac {304.743} {16.043} = 18.995 \]Рассчитанная AFR для метана не совсем такая, как указано в литература.Разница может быть связана с тем, что в нашем примере мы сделали несколько предположений (воздух содержит только 21% кислорода, продукты сгорания - только углекислый газ и вода).
Пример 2.
Тот же метод можно применять для сжигания бензина. Учитывая, что бензин состоит из изооктана (C 8 H 18 ), рассчитайте стехиометрическое воздушно-топливное отношение для бензина .
Шаг 1 . Напишите химическую реакцию (окисление)
\ [C_ {8} H_ {18} + O_2 \ rightarrow CO_2 + H_2O \]Шаг 2 .Сбалансируйте уравнение
\ [C_ {8} H_ {18} + {\ color {Red} {12.5}} \ cdot O_2 \ rightarrow {\ color {Red} 8} \ cdot CO_2 + {\ color {Red} 9} \ cdot H_2O \]Шаг 3 . Запишите стандартный атомный вес для каждого атома
\ [\ begin {split}\ text {Hydrogen} & = 1.008 \ text {amu} \\
\ text {Carbon} & = 12.011 \ text {amu} \\
\ text {Oxygen} & = 15.999 \ text {amu}
\ end {split} \]
Шаг 4 . Рассчитайте массу топлива, которая составляет 1 моль изооктана, состоящего из 8 атомов углерода и 18 атомов водорода.
\ [m_f = 8 \ cdot 12.011 + 18 \ cdot 1.008 = 114.232 \ text {g} \]Шаг 5 . Рассчитайте массу кислорода, которая состоит из 12,5 молей, каждый моль состоит из 2 атомов кислорода.
\ [m_o = 12,5 \ cdot 15.999 \ cdot 2 = 399,975 \ text {g} \]Шаг 6 . Рассчитайте необходимую массу воздуха, которая содержит рассчитанную массу кислорода, учитывая, что воздух содержит около 21% кислорода.
\ [m_a = \ frac {100} {21} \ cdot m_o = \ frac {100} {21} \ cdot 399.975 = 1904.643 \ text {g} \]Шаг 7 . Рассчитайте соотношение воздух-топливо, используя уравнение (1)
\ [AFR = \ frac {m_a} {m_f} = \ frac {1904.643} {114.232} = 16,673 \]Опять же, рассчитанное стехиометрическое соотношение воздух-топливо для бензина равно немного отличается от того, который представлен в литературе. Таким образом, результат является приемлемым, поскольку мы сделали много предположений (бензин содержит только изооктан, воздух содержит только кислород в пропорции 21%, единственными продуктами сгорания являются углекислый газ и вода, сгорание идеальное).
Коэффициент эквивалентности воздушно-топливного отношения - лямбда
Мы увидели, что такое и как рассчитать стехиометрическое (идеальное) воздушно-топливное отношение. В действительности, двигатели внутреннего сгорания не работают точно с идеальным AFR, но с ценностями, близкими к этому. Поэтому у нас будет идеальная и реальная воздушно-топливная AFR. Соотношение между фактическим воздушно-топливным отношением (AFR фактическим ) и идеальным / стехиометрическим воздушно-топливным отношением (AFR идеальным ) называется эквивалентным воздушно-топливным отношением или лямбда- (λ).
\ [\ bbox [# FFFF9D] {\ lambda = \ frac {AFR_ {actual}} {AFR_ {ideal}}} \ tag {3} \]Например, идеальное соотношение воздух-топливо для бензина (бензин ) двигатель 14,7: 1. Если фактическая / реальная AFR равна 13,5, коэффициент эквивалентности лямбда будет равен:
\ [\ lambda = \ frac {13.5} {14.7} = 0,92 \]В зависимости от значения лямбды, двигатель должен работать с обедненной стехиометрическая или богатая воздушно-топливная смесь.
| Коэффициент эквивалентности | Тип воздушно-топливной смеси | Описание |
| λ <1.00 | Rich | Недостаточно воздуха, чтобы полностью сжечь количество топлива; после сгорания в отработавших газах остается несгоревшее топливо |
| λ = 1,00 | Стехиометрический (идеальный) | Масса воздуха является точной для полного сгорания топлива; после сгорания в отработавших газах нет избыточного кислорода и несгоревшего топлива. |
| λ> 1,00 | Lean | Кислорода больше, чем требуется для полного сжигания количества топлива; после сгорания в выхлопных газах избыток кислорода |
В зависимости от типа топлива (бензин или дизельное топливо) и типа впрыска (прямой или непрямой) двигатель внутреннего сгорания может работать с бедным, стехиометрическим или насыщенным воздухом топливные смеси.
Изображение: 3-цилиндровый бензиновый двигатель Ecoboost с прямым впрыском (лямбда-карта)
Кредит: Ford
Например, 3-цилиндровый двигатель Ford Ecoboost работает со стехиометрическим воздушно-топливным отношением для холостых и средних оборотов двигателя и полного диапазона нагрузки и с богатой воздушно-топливной смесью на высокой скорости и нагрузке. Причиной, по которой он работает с богатой смесью при высоких оборотах и нагрузке двигателя, является охлаждения двигателя . Дополнительное топливо (которое останется несгоревшим) впрыскивается для поглощения тепла (за счет испарения), снижая таким образом температуру в камере сгорания.
Изображение: Дизельный двигатель (лямбда-карта)
Кредит: wtz.de
Двигатель с воспламенением от сжатия (дизель) работает постоянно с обедненной топливно-воздушной смесью , значение коэффициента эквивалентности (λ) зависит от рабочая точка двигателя (скорость и крутящий момент). Причиной этого является принцип работы дизельного двигателя: управление нагрузкой не через массу воздуха (которая всегда избыточна), а через массу топлива (время впрыска).
Помните, что стехиометрический коэффициент эквивалентности (λ = 1.00) означает соотношение воздух-топливо 14,7: 1 для бензиновых двигателей и 14,5: 1 для дизельных двигателей.
Влияние воздушно-топливного отношения на производительность двигателя
Рабочие характеристики двигателя с точки зрения мощности и расхода топлива сильно зависят от воздушно-топливного отношения. Для бензинового двигателя самый низкий расход топлива достигается при бедной AFR. Основная причина в том, что кислорода достаточно, чтобы полностью сжечь все топливо, которое превращается в механическую работу. С другой стороны, максимальная мощность достигается с богатыми воздушно-топливными смесями.Как объяснено ранее, добавление большего количества топлива в цилиндр при высокой нагрузке и скорости двигателя охлаждает камеру сгорания (за счет испарения топлива и поглощения тепла), что позволяет двигателю создавать максимальный крутящий момент двигателя и, следовательно, максимальную мощность.
Изображение: функция мощности двигателя и расхода топлива в соотношении воздух-топливо (лямбда)
На рисунке выше мы видим, что мы не можем получить максимальную мощность двигателя и самый низкий расход топлива при одном и том же воздушно-топливном топливе соотношение. Наименьший расход топлива (наилучшая экономия топлива) достигается с использованием бедных смесей воздух-топливо с AFR 15.4: 1 и коэффициент эквивалентности (λ) 1,05. Максимальная мощность двигателя достигается при использовании богатых воздушно-топливных смесей с AFR 12,6: 1 и коэффициентом эквивалентности (λ) 0,86. При стехиометрической воздушно-топливной смеси (λ = 1) существует компромисс между максимальной мощностью двигателя и минимальным расходом топлива.
Двигатели с воспламенением от сжатия (дизельные) всегда работают на бедных воздушно-топливных смесях (λ> 1,00). Большинство современных дизельных двигателей работают с λ между 1,65 и 1,10. Максимальный КПД (самый низкий расход топлива) получается около λ = 1.65. Увеличение количества топлива выше этого значения (в направлении 1,10) приведет к увеличению количества сажи (несгоревших частиц топлива).
Существует интересное исследование, выполненное Р. Дугласом на двухтактных двигателях. В своей докторской диссертации « Исследование замкнутого цикла двухтактного двигателя » Р. Дуглас приводит математическое выражение функции сгорания с эффективностью сгорания (η λ ) и коэффициента эквивалентности (λ).
Для искрового зажигания (бензиновый двигатель) с коэффициентом эквивалентности между 0.3; участок (lmbd_g, eff_lmbd_g, 'б', 'LineWidth', 2) держать участок (lmbd_d, eff_lmbd_d, 'R', 'LineWidth', 2) Xgrid () xlabel ('$ \ lambda \ text {[-]} $') ylabel ('$ \ eta _ {\ lambda} \ text {[-]} $') название ( 'x-engineer.org') легенда ( 'бензин', 'дизель', 4)
При выполнении приведенных выше инструкций Scilab выдается следующее графическое окно.
Изображение: функция эффективности сгорания с коэффициентом эквивалентности
Как видно, двигатель с воспламенением от сжатия (дизельный) при стехиометрическом соотношении воздух-топливо имеет очень низкую эффективность сгорания.Наилучшая эффективность сгорания достигается при λ = 2,00 для дизельных и λ = 1,12 для двигателей с искровым зажиганием (бензиновых).
Калькулятор коэффициента расхода воздуха (лямбда)
Замечание : Эффективность сгорания рассчитывается только для дизельного топлива и бензина (бензина) с использованием уравнений (4) и (5). Для других видов топлива расчет эффективности сгорания недоступен (нет данных).
Влияние соотношения воздух-топливо на выбросы выхлопных газов двигателя
Выбросы выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания сильно зависят от соотношения воздух-топливо (коэффициент эквивалентности).Основные выбросы выхлопных газов в ДВС приведены в таблице ниже.
| Эмиссия выхлопных газов | Описание |
| CO | Окись углерода |
| HC | Гидроуглерод |
| NOx | Окиси азота |
| Отходы | Огонь 9003 частицы
Для бензинового двигателя на выбросы СО, НС и NOx в значительной степени влияет соотношение воздух-топливо .CO и HC в основном производятся из богатой воздушно-топливной смеси, а NOx - из бедных смесей. Итак, нет ни одной фиксированной воздушно-топливной смеси, для которой мы можем получить минимум для всех выбросов выхлопных газов.
Изображение: функция эффективности катализатора бензинового двигателя в соотношении воздух-топливо
Трехкомпонентный катализатор (TWC), используемый для бензиновых двигателей, имеет наивысшую эффективность, когда двигатель работает в узкой полосе вокруг стехиометрического отношения воздух-топливо. TWC конвертирует между 50… 90% углеводородов и 90… 99% окиси углерода и оксидов азота, когда двигатель работает с λ = 1.00.
Лямбда-контроль сгорания с обратной связью
Чтобы соответствовать нормам по выбросам выхлопных газов, крайне важно, чтобы двигатели внутреннего сгорания (особенно бензиновые) имели точный контроль воздушно-топливного отношения. Следовательно, все современные двигатели внутреннего сгорания имеют управления с обратной связью для соотношения воздух-топливо (лямбда) .
Изображение: лямбда-контроль двигателя внутреннего сгорания (бензиновые двигатели)
- датчик массового расхода воздуха
- первичный катализатор
- вторичный катализатор
- топливный инжектор
- верхний лямбда (кислородный) датчик
- нижний лямбда (кислород) ) датчик
- цепь подачи топлива
- впускной коллектор
- выпускной коллектор
Важнейшим компонентом для работы системы является лямбда (кислородный) датчик .Этот датчик измеряет уровень молекул кислорода в выхлопных газах и отправляет информацию в электронный блок управления двигателем (ЭБУ). На основании значения показаний датчика кислорода, ECU бензинового двигателя отрегулирует уровень массы топлива, чтобы поддерживать соотношение воздух-топливо на уровне стехиометрического уровня (λ = 1,00).
Например, (бензиновые двигатели), если уровень молекул кислорода выше порога для стехиометрического уровня (следовательно, мы имеем бедную смесь), в следующем цикле впрыска количество впрыскиваемого топлива будет увеличено, чтобы использовать избыток воздуха.Имейте в виду, что двигатель всегда будет переходить от смеси обедненной смеси к смеси обогащенной смеси между циклами впрыска, что даст «среднее» от стехиометрических соотношений воздух / топливо.
Для дизельных двигателей, поскольку он всегда работает с обедненным воздушно-топливным отношением, лямбда-контроль выполняется другим способом. Конечная цель остается той же, контроль выбросов выхлопных газов.
Для любых вопросов или замечаний относительно этого руководства, пожалуйста, используйте форму комментария ниже.
Не забудьте поставить лайк, поделиться и подписаться!
