Что такое коэффициент наполнения двигателя

Классификация и циклы двигателей

• поршневые двигатели внутреннего сгорания
• газотурбинные
• реактивные

На современных автомобилях устанавливают поршневые двигатели внутреннего сгорания, в которых топливо сжигается внутри рабочего цилиндра.

Но способу смесеобразования и воспламенения топлива поршневые двигатели внутреннего сгорания разделяются на две группы:

• а) с внешним смесеобразованием и принудительным зажиганием от электрической искры (карбюраторные и газовые)
• б) с внутренним смесеобразованием и воспламенением от соприкосновения с воздухом, сильно нагретым в цилиндре путем высокого сжатия (двигатели с воспламенением от сжатия или дизельные)

Рабочим циклом называется ряд последовательных процессов, периодически повторяющихся в каждом цилиндре двигателя во время его работы.

Изображение рабочего цикла в виде замкнутой кривой, покалывающей изменение давления газов в течение цикла в зависимости от положения поршня в цилиндре, называется индикаторной диаграммой. Такую диаграмму снимают во время работы двигателя, используя прибор, называемый индикатором.

Рис. Индикаторная диаграмма четырехтактного карбюраторного двигателя:
1 — начало такта сжатия; 2 — момент зажигания смеси; 3 — конец, такта сжатия; 4 — точка максимального давления газов; 5 — начало открытия выпускного клапана; 6 — конец расширения газоз; 7 — конец такта выпуска;
Vа—полный объем цилиндра; Vh — рабочий объем цилиндра; Vc — объем камеры сгорания; S — ход поршня

Приветствую всех читателей нашего блога. Сегодня мы поговорим о способах учёта потерь в камерах ЖРД. Зачастую этому вопросу уделяется недостаточно внимания, и многие студенты, даже на старших курсах, путаются или не до конца понимают смысл тех или иных коэффициентов. Надеюсь, нижеследующий материал поможет в этом разобраться.

Системы коэффициентов потерь в ЖРД

Для оценки качества протекания процессов в ЖРД можно использовать различные системы коэффициентов.

Энергетические коэффициенты (к.п.д.). Коэффициенты полезного действия оценивают совершенство преобразования исходной энергии в полезную работу. Совершенство процессов горения в камерах сгорания ракетного типа, широко используемых в различных технологиях, оценивают внутренним к.п.д. камеры. Этим коэффициентом оценивают величину действительной температуры газа в камере сгорания.

Импульсные коэффициенты. Коэффициенты, оценивающие потерю удельного импульса тяги вследствие некачественного протекания процессов преобразования энергии. В ЖРД более распространены импульсные коэффициенты, которые оценивают не потерю энергии, а потерю скорости истечения или удельного импульса, так как для двигателя важной характеристикой является его силовое воздействие на летательный аппарат.

Покажем смысл импульсных к.п.д. и связь их с энергетическими. Запишем скорость истечения w_a следующим образом

Используя соответствующие обозначения запишем

где η_oi и η_t — внутренний и термический к.п.д. соответственно.

Более удобной исходной величиной, чем теплота сгорания топлива H_u, является теоретическая скорость истечения w_{a ид}, определяемая термодинамическим расчетом. Тогда можно записать

Переходя к удельному импульсу тяги, запишем, используя также импульсный коэффициент

Отсюда видна связь между энергетическим к.п.д. и импульсным коэффициентом потерь. Для определения действительного удельного импульса тяги обычно используют значение удельного импульса тяги в пустоте, которое можно получить, как и скорость истечения, термодинамическим расчётом.

Потери удельного импульса тяги определяются потерями в камере сгорания и в сопле. Эти потери оценивают соответственно коэффициентом потерь в камере φ_к, коэффициентом сопла φ_с. Коэффициент суммарных потерь импульса определяется произведением этих коэффициентов

Таким образом, импульсные к.п.д. однозначно связаны с соответствующими энергетическими к.п.д., но предпочтительнее их по соображениям практического удобства. Они широко используются в теории и расчётах ракетных двигателей.

Оценка потерь в камере сгорания

Для определения коэффициента, характеризующего совершенство процессов смешения и сгорания, используют характеристическую скорость.

где p_кр 0 — полное (заторможенное) давление в критическом сечении, μ_с — коэффициент расхода.

Коэффициентом камеры сгорания φ_к называют отношение действительной характеристической скорости в камере и идеальной, вычисленной при тех же значениях соотношения компонентов и давления в камере сгорания

Наряду с характеристической скоростью часто применяется непосредственно расходный комплекс. В отличие от характеристической скорости расходный комплекс представляет собой произведение давления в некотором сечении камеры сгорания на площадь критического сечения, отнесённое к секундному расходу топлива через камеру

Для оценки эффективности камеры сгорания используется относительная величина

Введением в формуле (7) полного давления в критическом сечении и коэффициента расхода учитывается неидеальность процессов в камере сгорания и в сужающейся части сопла при течении продуктов сгорания. Идеальные значения характеристической скорости и расходного комплекса равны между собой и определяются термодинамическим расчётом.

Действительное значение расходного комплекса достаточно просто можно определить в эксперименте, измеряя давление в камере и расход топлива через камеру. Согласно стандарту давление в камере сгорания измеряют в сечении у форсуночной головки, где измеренное статическое давление равно полному давлению (p_к = p_к 0 ). Для определения значения характеристической скорости необходимо провести дополнительно довольно сложные расчеты. Выражение для коэффициента потерь в камере сгорания запишется уравнением

где σ_f = p_c 0 /p_к — коэффициент потерь полного давления на участке от форсуночной головки до входа в сужающуюся часть сопла; σ_c = p_кр 0 /p_c 0 — коэффициент потерь полного давления на участке от входа в сопло до критического сечения.

Оценка потерь на тепловое сопротивление камеры.

Очень большое влияние на параметры камеры сгорания оказывает соотношение между площадями камеры сгорания F_к и критического сечения F_кр. Отношение F_к/F_кр = F _к называют безразмерной площадью камеры. В уравнениях тяги и удельного импульса, полученных теоретически, предполагалось, что скорость движения газов в камере равна нулю, а полное давление газов по длине камеры неизменно. Эти условия реализуются при очень больших значениях безразмерной площади камеры. Реальная камера сгорания имеет конечные геометрические размеры, и процесс в ней представляет собой течение сжимаемого газа в цилиндрической трубе с подогревом. При этих условиях возникает тепловое сопротивление, приводящее к потерям полного давления в камере сгорания и снижению её тяги и удельного импульса.

Потери полного давления зависят от безразмерной площади камеры. При F _к = 1,0 (полутепловое сопло) потери полного давления достигают максимальной величины σ_f = 0,78…0,82. При выборе площади камеры сгорания необходимо учитывать потери на тепловое сопротивление. С увеличением безразмерной площади потери полного давления уменьшаются: при F _к = 2…3, σ_f = 0,94…0,98, а при F _к > 3 коэффициент восстановления полного давления σ_f → 1, тогда ими можно пренебречь.

Существенным ограничением при выборе малых значений F _к является сложность процесса смесеобразования. Так как с уменьшением F _к растёт величина расходонапряжённости r = ṁ /F_к. Для современных камер сгорания расходонапряжённость с ростом р_к увеличивается.

Для определения расходонапряжённости камеры [кг/(c·м 2 )] можно принять эмпирическую формулу r = (0,8…1,3)·10 -4 р_к. В этой формуле давление в Паскалях. По величине расходонапряжённости можно скорректировать или определить площадь камеры сгорания.

На величину потерь в камере оказывает влияние коэффициент расхода сопла (см. (10)). Коэффициент расхода учитывает толщину вытеснения пограничного слоя и неоднородность поля скоростей в критическом (минимальном) сечении камеры. Основная составляющая коэффициента расхода при различной форме дозвукового сопла мало зависит от показателя изоэнтропы, но зависит от радиуса входной части (r₂ = R₂/R_кр). При r₂ = 1,5…2,0 μ_с = 0,993…0,998. Уменьшение коэффициента расхода сопла, связанное с толщиной вытеснения пограничного слоя, зависит от показателя изоэнтропы, величины r₂ и числа Рейнольдса. Расчёты и эксперименты показывают, что при Re_∗ > 10 5 …10 6 это уменьшение составляет 0,001…0,002. Низкие числа Re_∗ характерны для двигателей малой тяги.

При научных исследованиях процессов в камерах сгорания и при опытной отработке вновь создаваемых двигателей для оценки их совершенства применяют, как правило, характеристическую скорость, а при испытаниях серийных двигателей, когда его конструкция уже отработана, в целях определения эффективности камер сгорания применяют расходный комплекс.

При проектировании камер сгорания обычно используют статистические данные значений коэффициента потерь в камере φ_к = 0,96…0,99, полученные на многообразии двигателей с различными параметрами и топливными компонентами.

Оценка потерь в сопле

Для оценки совершенства процессов в сопле, а также вклада его доли в создание тяги используются такие относительные показатели как тяговый комплекс и коэффициент тяги.

Тяговым комплексом K_P называют отношение тяги камеры к произведению давления в камере на площадь критического сечения сопла

Знаменатель этой формулы представляет первую составляющую тяги камеры. Если разделить числитель и знаменатель на расход топлива через камеру, то получим следующее выражение тягового комплекса

Физический смысл тягового комплекса – во сколько раз тяга камеры больше её первой составляющей. Тяговый комплекс является характеристикой сопла. Чем больше его величина, тем больше роль сопла в создании тяги. Характерный диапазон значений K_P = 1,2…2,0.

Наряду с тяговым комплексом используется коэффициент тяги K_T:

Отношение действительного коэффициента тяги в пустоте к идеальному есть не что иное, как коэффициент сопла. Покажем это, используя уравнения (4), (5) и (7)

Так же как и характеристическую скорость, коэффициент тяги можно определить теоретически и в эксперименте. Сравнение экспериментальных значений с теоретическими значениями используется для анализа совершенства процессов в сопле.

Основные составляющие потерь в соплах следующие: потери тяги из-за трения; газодинамические потери, связанные с формой и особенностью профиля сопла; потери термодинамического характера, которые зависят от степени неравновесности, степени расширения газов в сопле и рода топлива.

При хорошо спрофилированных и изготовленных соплах потери в них составляют от 2,5 до 6,0%, то есть полный коэффициент сопла может принимать значения в диапазоне. φ_c = 0,940…0,975.

Ремонт скважины и оборудования

Откачка может производится фонтанным, компрессорным или насосным способом. Работая в круглосуточном режиме, оборудование изнашивается, снижается его заложенная проектировщиками эффективность — следовательно, нужен ремонт или замена. Сама скважина также может прийти в негодность — потребуется замена смятых или треснувших труб, промывка или прочистка скважин от скопившегося песка и шлама.

Кроме прямых поломок скважина может просто истощиться в результате слишком долгой эксплуатации. В этом случае целью ремонта становится восстановление эффективности скважины, ее заданного технологического режима. Что для этого может быть сделано

• Добуривание, изменение длины колонны подъемных труб,
• замена насосо-компрессорных труб на трубы другого диаметра,
• ликвидация обрывов или отвинчивания насосных штанг,
• замена центробежного насоса, насоса-качалки на поверхности, штангового глубинного насоса на дне,
• замена скважинного устьевого оборудования и т.д.

Как видим, ремонт скважины не только сложен, но может быть разделен на наземный и подземный. Для сокращения длительности восстановительного периода ремонт стараются сделать комплексным, производя оба типа работ в одно время, за один период простоя скважины — это повышает коэффициент эксплуатации скважины.

обслуживание нефтепромысловой техники

Для ремонта используют специальную технику: установки на самоходном шасси для подъема деталей и элементов скважины, лебедки, талевые системы, промывочный насос, ротор и др. В связи с разным уровнем сложности, текущий ремонт выполняет обычная бригада, а капитальный — специальные сервисные бригады нефтяных компаний. Профессионализм ремонтников должен быть высоким, так как удлинение межремонтных сроков и сокращение времени на сам процесс ремонта также улучшает коэффициент.

Причины добуривания скважин на воду

Если правильно провести расчеты водопотребления и водораспределения, не нужно будет добуривать или дорабатывать скважину. Чем точнее сделаны расчеты, тем ниже вероятность добуривания скважины на воду. Оборудование подбирают по коэффициенту эксплуатации, тогда оно будет дольше работать без износа и поломок.

Неправильные подсчеты могут привести к неправильному подбору толщины или диаметра обсадки, насосного механизма, околотка. Доверить проведение замеров лучше инженерам с опытом. Компания «Биикс» уже больше 20 лет занимается проектированием и бурением скважин разного типа. Мы даем гарантию на все виды работ, включая составление проекта.

В конце такта сжатия (20—30 градусов угла поворота коленчатого вала ло прихода поршня в ВМТ) с помощью насоса через форсунку в цилиндр под высоким давлением (15—20 МПа) в мелкораспыленном виде впрыскивается порция топлива. Топливо от соприкосновения с нагретым воздухом испаряется, его пары перемешиваются с нагретым воздухом и воспламеняются. При сгорании топлива, вследствие подвода большого количества теплоты, резко увеличиваются лишение и температура образовавшихся газов. В начале такта расширения давление газов составляет 7—8 МПа. а температура 2100—2300 К. Под действием давления поршень перемешается от ВМТ к НМТ, совершая полезную работу. Объем цилиндра увеличивается, давление и температура газов снижаются и при подходе поршня к НМТ составляют 0,2-0,4 МПа .

Поршень перемещается от НМТ к ВМТ. Через открытый выпускной клапан отработавшие газы выталкиваются через выпускной трубопровод в окружающую среду. В конце такта выпуска давление газов равно 0,11 -0,12 МПа, температура 850—1200. После этого рабочий цикл дизеля повторяется.
В двухтактных двигателях время, отводимое на рабочий цикл, используется более полно, так как процессы выпуска и впуска совмещены по времени с процессами сжатия и рабочего хода. Рабочий цикл происходит за 360 градусов (один оборот коленчатого вала).

При движении поршня от ВМТ к НМТ одновременно происходят процессы расширения и выпуска с продувкой цилиндра, а при обратном движении от НМТ к ВМ1 впуск и сжатие. Изменения параметров цикла (давление и температура) соответствуют изменениям параметров четырехтактного двигателя.
Сравнение рабочих циклов четырех- , двухтактных двигателей показывает, что при одинаковых размерах цилиндра и частоте вращения коленчатого вала мощность двухтактных двигателей выше в 1.5—1,7 раза. Он проще по конструкции и компактнее.
К недостаткам двухтактного двигателя следует отнести ограниченное время газообмена, что ухудшает очистку цилиндра от отработавших газов, увеличивает потери части свежею заряда, снижает экономичность.

Регулирование работы насоса

Регулирование работы – это процесс изменения технических характеристик устройства либо изменения характеристик системы подачи. Процесс осуществляется несколькими способами:

1. Дросселирование — самым распространённым является процесс регулирования за счёт изменений системы подачи. Для изменения условий системы подачи пользуются вентилями и задвижками. Из-за опасности возникновения кавитации таким способом не рекомендуется злоупотреблять. Как правило, на промышленных объектах на каждом вентиле стоят метки, пределы которых переходить не допускается, ввиду возникновения аварийной ситуации. (Кавитация – процесс образования пузырьков во всасывающем патрубке с последующим схлопыванием и высвобождением большого количества кинетической энергии, опасен гидроударами и разрывами трубопроводов).
2. Изменение частоты вращения – потери и возникновение аварийной ситуации минимальны, не требуется крутить задвижки. Такой метод можно считать идеальным, но увы недостаток все-таки есть. Не каждый привод предполагает регулировку частоты вращения.

Все остальные способы требуют вмешательства в середину рабочей части насоса. Например, в многоступенчатых устройствах убирают количество рабочих ступеней.

Состав смеси

Загадочное слово СТЕХИОМЕТРИЯ (теоретически верное соотношение топлива и воздуха, при котором в процессе горения кислород воздуха и топливо будут израсходованы полностью без остатка.) Соотношение воздуха к топливу обычно обозначают аббревиатурой AFR (air to fuel ratio). Самым оптимальным соотношением воздуха к топливу считается когда к 14.7 части воздуха подается 1 часть топлива, т.е AFR =14.7. Ключевая фраза здесь «теоретически верное соотношение топлива и воздуха» есть еще масса поправок которые сводят все это только к теории (Качаство топлива и содержание в нем различных присадок, температура воздуха, атмосферное давление, влажность).

14,7:1= Стехиометрия, все что меньше 14,7 богатая смесь, все что выше бедная. Границы при которых смесь еще горит 12,1:1 — 17,7:1.
Теоретически, состав смеси 14,7:1 и беднее приведет к экономии топлива, но при соответствующих УОЗ. Соответственно смесь богаче 14,7:1 повлияет на повышение мощности опять при оптимальных УОЗ. Зачастую, обеспечивая работу на одном режиме, жертвуют какими-то характеристиками на другой — тем самым оптимизируют работу машины как целого.
Существуют и всевозможные переходные режимы, когда меняются и скорость движения, и открытие дросселя, наполнение цилиндров топливно-воздушной смесью, ее состав, давление, температура.

Виды систем

Способы реализации технологии изменения геометрии впускного коллектора:

• регулировка длины впускного коллектора;
• регулировка поперечного сечения каналов впускного коллектора.

На некоторых моторах применяется симбиоз из двух видов систем. И в первом, и во втором случае регулировка осуществляется специальными заслонками. Разумеется, для достижения максимального эффекта длина и сечение впускных каналов должны были бы изменяться пропорционально увеличению оборотов двигателя, но данная технология слишком дорога для массового производства и используется только на автомобилях премиум-класса.

Переменная длина впуска

Названия системы, использующиеся некоторыми автопроизводителями:

• Форд —Dual-Stage Intake (DSI);
• БМВ – Differential Variable Air Intake (DIVA);
• Мазда –Variable Inertia Charging System (VICS), Variable Resonance Induction System, (VRIS).

Принцип работы системы достаточно прост. На низких оборотах заслонка большого канала закрыта, поэтому воздух поступает по длинному и более узкому пути. При повышении оборотов выше расчетной границы (обычно это 4000-4300 тыс. об/мин.) заслонка открывается, освобождая более короткий путь воздуху к цилиндру. Регулировка положения заслонки может осуществляться сервоприводом, управление которым лежит на плечах ЭБУ, либо с помощью вакуума. Вакуумный привод предполагает наличие вакуумного клапана, соединенного со впускным коллектором. При повышении оборотов разряжение на впуске увеличивается, что провоцирует втягивание мембраны и перемещение тяги заслонок.

Изменение поперечного сечения

• Форд –Intake Manifold Runner Control (IMRC), Charge Motion Control Valve (CMCV).
• Опель – Twin Port.
• Тойота – Variable Intake System (VIS).
• Вольво – Variable Induction System (VIS).

На рисунке представлено устройство системы Twin Port. Установленная во впускном коллекторе вихревая заслонка открывается только на высоких оборотах, увеличивая тем самым проходное сечение каналов. На рисунке слева вы можете увидеть, что когда заслонка закрыта, воздух поступает по одному из каналов, из-за чего в цилиндре создается большая турбулентность и топливо лучше перемешивается с воздухом. Также система изменения геометрии впускного коллектора на низких оборотах позволяет более эффективно задействовать систему рециркуляции отработавших газов. Как и в случае с изменением длины впуска, управляются заслонки вакуумом либо сервоприводом.

Проблемы и неисправности

Из особенностей эксплуатации двигателей с подобными системами можно выделить лишь появление люфтов приводов заслонок, из-за чего в работе двигателя появляется посторонний шум. Работа заслонок с подклиниванием приводит к потере мощности, увеличению расхода. В остальном поломки схожи с другими системами, в которых используются вакуумные регуляторы или сервоприводы.

Пропорциональность упражнений

Первое упражнение

Хуан хочет приготовить торт для 6 человек. Рецепт, который Хуан говорит, что торт несет 250 г муки, 100 г сливочного масла, 80 г сахара, 4 яйца и 200 мл молока..

Прежде чем приступить к приготовлению торта, Хуан понял, что у него есть рецепт торта для 4 человек. Какими должны быть величины, которые Джон должен использовать?

решение

Здесь пропорциональность следующая:

4 человека — 250 г муки — 100 г сливочного масла — 80 г сахара — 4 яйца — 200 мл молока

Коэффициент пропорциональности в этом случае равен 6/4 = 3/2, что можно понять, как если бы оно сначала делилось на 4 для получения ингредиентов на человека, а затем умножалось на 6, чтобы сделать торт для 6 человек..

Когда вы умножаете все количества на 3/2, получается, что для 6 человек ингредиенты:

6 человек — 375 г муки — 150 г сливочного масла — 120 г сахара — 6 яиц — 300 мл молока.

Второе упражнение

Два автомобиля идентичны, за исключением шин. Радиус шины транспортного средства равен 60 см, а радиус шины второго транспортного средства равен 90 см..

Если после выполнения тура у вас количество кругов, которые дали шины с наименьшим радиусом, составляло 300 кругов. Сколько кругов сделали шины с наибольшим радиусом?

решение

В этом упражнении константа пропорциональности равна 60/90 = 2/3. Таким образом, если меньшие радиопокрышки дали 300 кругов, то шины с большим радиусом дали 2/3 * 300 = 200 кругов..

Третье упражнение

Известно, что 3 рабочих за 5 часов покрасили стену площадью 15 квадратных метров. Сколько могут рисовать 7 рабочих за 8 часов??

решение

Данные, представленные в этом упражнении:

3 рабочих — 5 часов — 15 м² стены

и то, что спрашивают, это:

7 рабочих — 8 часов -? м² стены.

Во-первых, вы можете спросить: сколько бы 3 рабочих нарисовали за 8 часов? Чтобы знать это, строка данных, представленная коэффициентом пропорциональности 8/5, умножается. Это дает в результате:

3 рабочих — 8 часов — 15 * (8/5) = 24 м² стены.

Теперь мы хотим знать, что произойдет, если число рабочих увеличится до 7. Чтобы узнать, какой эффект это дает, умножьте количество окрашенных стен на коэффициент 7/3. Это дает окончательное решение:

7 рабочих — 8 часов — 24 * (7/3) = 56 м² стены.