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 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.
Объемные характеристики объемных гидромашин. Объемные потери. Объемный КПД
В реальных насосах имеют место объемные потери, в результате которых фактическая подача жидкости будет меньше теоретической.
Фактическая (эффективная) подача Qэф насоса – это подача жидкости при определенных значениях перепада давления Δр, частоте вращения n. Величина фактической подачи Qэф будет меньше расчетной Qт на величину объемных потерь ΔQ = Qт – Qэф, которые возникают:
― в результате утечек жидкости под действием перепада давления из рабочей полости в нерабочую ΔQ1;
― потерь ΔQ2, обусловленных неполным заполнением рабочих камер жидкостью при проходе через зону всасывания вследствие гидравлического сопротивления входных каналов, кавитационных процессов и выделения воздуха, действия, на жидкость центробежных сил. Потери ΔQ2 принято называть условными утечками или потерями на всасывании насоса, которые могут составить в некоторых случаях 75% всех объемных потерь в насосе.
Основными причинами неполного заполнения жидкостью рабочих камер насоса при прохождении ими всасывающей зоны являются малое давление на входе в насос, большое сопротивление всасывающих каналов, подводящих жидкость к распределительным окнам блока, сопротивление в распределительных окнах и в самих цилиндрах.
Сопротивление всасывающей линии может привести к возникновению кавитации, в зависимости от величины абсолютного давления на входе в насос. При увеличении частоты вращения пропорционально увеличивается количество жидкости, проходящей через подводящие каналы и узел распределения и потери напора. При дальнейшем повышении частоты вращения > n2 линейность повышения фактической подачи насоса Qэф нарушается (рис. 2.1., а), а при некоторой большой частоте вращения она будет даже снижаться с увеличением n (насос будет работать в кавитационном режиме).
Рис. 2.1. – Объемные характеристики гидромашины
Т.к. внутренние зазоры в машине имеют местные сужения и расширения, а стенки, образующие эти зазоры, могут периодически колебаться перпендикулярно направлению потока (т.е. сопротивление зазоров периодически изменяется за один оборот вала), то учет утечек производится на основании опытных данных. Непосредственные утечки жидкости через зазоры гидравлических машин изменяются при всех прочих равных условиях прямо пропорционально перепаду давления:
, где r – постоянный при прочих равных условиях коэффициент утечек.
На рис. 2.1., б приведены графики принципиальной зависимости подачи Q насоса от величины перепада давления Δp при отсутствии условных утечек (при полном заполнении рабочих камер в зоне всасывания) и при неизменных зазорах. При повышении перепада давления фактическая подача такого насоса Qэф понижается линейно. следовательно, линейной будет также зависимость величины утечек жидкости ΔQ1 через зазоры в функции Δp.
С другой стороны, так как зазоры при изменении частоты вращения насоса практически не изменяются, величина утечек жидкости ΔQ1 через зазоры практически не зависит от частоты вращения до определенного его значения ≈ n2. В соответствии с этим фактическая подача Qэф изменяется при этих условиях прямо пропорционально частоте вращения. Кривая подачи Qэф будет при этом параллельна кривой Qт, смещенной относительно нее на величину ΔQ1. При частоте вращения, меньше nmin насос не будет развивать требуемого перепада давления, т. е. при этой частоте расчетная подача равна утечкам (рис. 2.1., а):
.
Следовательно, утечки через зазоры в насосе ограничивают минимальную частоту вращения, при которой еще возможно получение максимального давления на выходе.
5.2. Объемный КПД
Объемные потери в насосе характеризуются его объемным КПД, который показывает, насколько фактическая (эффективная) подача Qэф насоса отличается от средней теоретической Qт и представляет собой отношение полезной (эффективной) мощности Nэф насоса к средней теоретической мощности Nт:
.
Полезная (эффективная) мощность насоса Nэф – мощность, сообщаемая насосом жидкой среде и определяемая зависимостью:
.
На основании формулы для фактической подачи можно записать:
.
Из этого выражения следует, что объемный КПД регулируемого насоса будет снижаться при уменьшении расчетной подачи, достигая при 
нулевого значения.
На рис. 2.2. приведены типовые кривые принципиальной зависимости объемного КПД насоса 
без учета условных утечек от перепада давления (допускаем, что зазоры с изменением давления не меняются) при постоянной скорости (рис. 2.2., а) и при изменяемой скорости (частоты вращения n) при постоянном давлении (рис. 2.2., б). Штриховая линия на рис. 2.2., а соответствует идеальному насосу с нулевыми утечками (
).
Рис. 2.2. – Кривые КПД насоса
Зависимость объемного КПД от различных факторов. Изменение объемного КПД 
насоса практически находится в прямой зависимости от перепада давления (рис. 2.2., а). Т.к. теоретическая подача насоса Qт (рис. 2.1., а) при отсутствии объемных потерь на всасывании прямо пропорциональна частоте его вращения n, а абсолютная величина утечек жидкости ΔQ1 (рис. 2.1., б) при этом зависит лишь от перепада давления жидкости и практически не зависит от n, объемный КПД насоса с увеличением n в пределах данного режима работы, повышается (рис. 2.2., б).
Однако подобное повышение подачи насоса при увеличении n будет происходить лишь до определенных значений n, при которых утечки ΔQ2 отсутствуют или столь малы, что ощутимо не изменяют подачи насоса. При некоторой высокой частоте вращения n2 начнет сказываться влияние потерь на всасывании и т.к. с увеличением частоты вращения эти утечки возрастают, то линейность зависимости подачи Qэф от n будет нарушена (рис. 2.1., а), что вызовет стабилизацию и при некотором увеличении n – снижение объемного КПД (рис. 2.2., б).
Кавитация в насосе сопровождается пульсацией давления жидкости на выходе и шумом. Эти пульсации обусловлены наличием обратного потока жидкости из нагнетательной полости насоса, который сопровождается гидравлическими ударами и пульсацией давления в напорной магистрали насоса. Амплитуда этих пульсаций может достигать величины, вызывающей разрушение насоса и нагнетательной магистрали. Поэтому, должен быть обеспечен некоторый кавитационный запас, при котором в работе насоса не наблюдалось бы изменения основных технических показателей.
Кавитационный запас насоса –определяется зависимостью:
, где рвх и υвх– давление и скорость жидкой среды на входе в насос;
рпар – давление паров жидкой среды.
Полностью исключить кавитацию можно, применяя вспомогательные насосы подпитки и прочих средств, повышающих давление во всасывающей линии насоса.
Влияние на подачу нерастворенного воздуха. Нерастворенный воздух вместе с жидкостью поступает во всасывающую полость и цилиндры насоса, давление в которых ниже атмосферного; поэтому воздух в них расширяется, уменьшая объем жидкости в цилиндрах.
Допустим, что единица объема жидкой среды содержит при давлении в баке р0 нерастворенного воздуха в объеме V0. Вследствие изотермического расширения воздуха во всасывающей камере до давления рв его объем Vв увеличится и будет равен:
.
При сжатии воздуха в нагнетательной камере до давления рн на выходе из насоса его объем Vн уменьшится и будет равен:
.
Разность между значениями Vв и Vн есть потеря подачи Vп, вызванная расширением воздуха и объемный КПД насоса при наличии воздуха в жидкости определится по формуле:
.
Оценка эффективности гидравлических насосов и моторов
Поводом для замены гидравлического мотора или насоса может стать изношенность подшипников и снижение эффективности работы агрегата. Даже современные разработки, применяемые в профилактике и ремонте гидравлики, не всегда помогают точно определить оставшийся ресурс подшипников.
Количественная оценка гидравлики
Выявить падение эффективности значительно легче, поскольку этот признак дает о себе знать в виде замедленной работы. Во избежание лишних затрат времени и денежных средств, советуем не проводить сразу качественную оценку потерь. При слишком длительном производственном цикле лучше заменить гидронасос или мотор новым оборудованием.
В отдельных случаях количественная оценка гидроузла является обязательным мероприятием, которое позволит сравнить заводские характеристики с фактическими данными.
Эффективность работы насосов и двигателей определяется тремя критериями:
- Объемный КПД;
- Механический/гидравлический КПД;
- Общий КПД.
Объемный КПД
Объемный КПД – это отношение реального расхода жидкости к теоретическому значению. Для определения теоретического значения расхода необходимо умножить объем перерабатываемой жидкости за один оборот на количество оборотов в минуту, выполняемых насосом. Например, если аппарат объемом 100 см3 имеет скорость 1000 об/мин, его теоретический расход достигнет 100 л/мин.
Для определения фактического расхода используется расходомер, после чего полученные показатели соотносятся с теоретическим расходом. Так, при фактическом расходе 90 л/мин и давлении 207 бар, объемный КПД гидронасоса составит 90%.
Чаще всего объемный КПД определяет техническое состояние, а именно степень утечки жидкости в результате деформаций или естественного износа агрегата. Но, не зная теоретического расхода, установленный фактический расход не представляет для нас важности.
Механический/гидравлический КПД
Эта характеристика вычисляется путем деления теоретического крутящего момента, необходимого для приведения гидронасоса в движения, на реальный крутящий момент. 100% механический/гидравлический КПД говорил бы о прокачке жидкости при нулевом давлении и отсутствующем крутящем моменте, что противоречило бы законам механического и жидкостного трения.
Теоретический крутящий момент рассчитывается методом математических вычислений. Для рассмотренного выше случая показатель будет равен 329 Нм. Фактический крутящий момент, как и расход, измеряется при помощи прибора (динамометра). Например, если значение характеристики равна 360 Нм, механический КПД будет достигать 91% (329/360*100 = 91%).
Общий КПД
Представляет собой произведение объемного и механического/гидравлического КПД (в нашей ситуации показатель равен 82%). В таблице ниже рассмотрены типовые значения общего КПД для наиболее распространенных моделей насосов:
| Тип насоса | Общий КПД |
|---|---|
| Шестеренный насос с внешним зацеплением | 85% |
| Шестеренный насос с внутренним зацеплением | 90% |
| Пластинчатый насос | 85% |
| Радиально-поршневой насос | 90% |
| Аксиально-поршневой насос | 91% |
| Аксиально-поршневой насос наклонным блоком цилиндров | 92% |
Производители гидравлических систем используют значение объемного КПД для вычисления фактического расхода насоса при давлении, необходимом для начала работы узлов.
При вычислении объемного КПД по результатам фактического тестирования, необходимо учитывать тот факт, что различные каналы утечки в насосе чаще всего являются одинаковыми. Таким образом, если испытание насоса проводится при меньших показателях давления или не максимальной мощности, значение КПД будет отличаться до тех пор, пока утечки являются константой.
Для примера возьмем случай с насосом переменного объема, имеющим расход жидкости 100 литров в минуту. При работе на полной скорости и расходе 90 л/мин, объемный КПД будет равен 90%. Если работа помпы будет оцениваться при аналогичном давлении и температуре жидкости, но при половине рабочего объема, потери на внутренние протечки будут равны 10 л/мин, а объемный КПД составит 80%. Исходя из этого мы видим, что внутренние утечки – это постоянная величина, при одинаковых условиях объемный КПД будет достигать 90% при полном объеме и 0% при объеме 10%.
Чтобы объяснить такую закономерность, необходимо рассматривать каналы утечек в качестве отверстий определенного диаметра. Скорость перемещения масла через эти отверстия определяется колебаниями давления и вязкостью жидкости. При равных показателях степень утечки всегда будет неизменной, независимо от скорости вращения вала и объема насоса.
Для проведения качественной оценки гидравлических насосов и моторов обращайтесь в компанию «Гидротехтрейд».
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 (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, 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 %; такие двигатели обычно имеют два распредвала в головке цилиндров и четыре клапана на цилиндр.