Если уменьшить объем камеры сгорания то увеличится: Если уменьшить камеру сгорания что будет

Как сжатие влияет на смесь воздуха и топлива

Когда поршень движется вверх по цилиндру во время такта сжатия, он сжимает и нагревает смесь воздуха и топлива в цилиндре.Это помогает распылить крошечные капельки топлива, чтобы оно лучше смешивалось с воздухом, и повышает температуру топливно-воздушной смеси, поэтому она легче воспламеняется.

Причина увеличения степени сжатия заключается в том, что это увеличивает тепловой КПД и мощность двигателя внутреннего сгорания. Чем выше степень сжатия, тем больше тепловой энергии сохраняется в камере сгорания и тем больше мощности вырабатывает двигатель.

Большинство последних моделей бензиновых двигателей легковых автомобилей и легких грузовиков имеют степень сжатия от 9: 1 до 11: 1.Некоторые двигатели с прямым впрыском бензина имеют более высокую степень сжатия до 14: 1.

Дизельные двигатели обычно имеют степень сжатия, которая даже выше, чем у бензиновых двигателей, в диапазоне от 15: 1 до 23: 1.

ПРИМЕЧАНИЕ. Изношенные поршневые кольца, негерметичные впускные или выпускные клапаны или протекающая прокладка головки блока цилиндров снизят компрессию, мощность и эффективность двигателя. Это также может снизить фактическую степень статического сжатия, позволяя части воздушно-топливной смеси вытекать из цилиндра и камеры сгорания, прежде чем она сможет полностью сжаться.

Некоторые двигатели даже имеют переменную степень сжатия, например двигатель Infiniti 2.0L VC_Turbo. Двигатель имеет промежуточный вал, который изменяет тягово-сцепное устройство для изменения степени сжатия.Для максимальной экономии топлива используется более высокая степень сжатия. Затем степень сжатия уменьшается, когда турбонагнетатель обеспечивает наддув для оптимизации мощности.

Степень сжатия и детонация

Хотя увеличение степени сжатия увеличивает тепловой КПД и мощность, оно также увеличивает давление и температуру топливовоздушной смеси внутри камеры сгорания. Если степень сжатия слишком высока для октанового числа топлива в бензиновом двигателе, в двигателе может возникнуть детонация (детонация искры).Детонация наиболее вероятна, когда двигатель сильно тянет под нагрузкой.

Детонация — это беспорядочная форма горения с несколькими фронтами пламени вместо одного расширяющегося фронта пламени. Это вызывает резкое повышение давления в цилиндре, которое вызывает удары по поршням и вызывает дребезжание или стук в двигателе. Детонация — это плохо, потому что она может сломать поршневые кольца, повредить поршни и / или подшипники штока.

Двигатели с высокой степенью сжатия обычно требуют топлива с более высоким октановым числом, чтобы снизить риск детонации.

Двигатели с турбонаддувом и наддувом также требуют топлива с более высоким октановым числом, поскольку давление наддува от этих устройств нагнетает больше воздуха в цилиндры двигателя, увеличивая его эффективную степень сжатия . статическая степень или механическая степень сжатия не изменяется, но давление наддува увеличивает объем топливовоздушной смеси в цилиндрах. По этой причине некоторые двигатели с турбонаддувом и наддувом фактически имеют несколько более низкую степень статического сжатия, чем аналогичный двигатель без наддува, чтобы снизить риск детонации.

Большинство двигателей последних моделей также имеют датчик детонации для обнаружения вибрации, вызванной детонацией.

Если датчик детонации обнаруживает детонацию, компьютер двигателя на мгновение замедляет угол опережения зажигания, чтобы уменьшить или устранить детонацию. Компьютер двигателя может также обогатить топливную смесь, чтобы помочь охладить ее и уменьшить детонацию, а если двигатель имеет турбонаддув, он может открыть перепускной клапан турбонаддува, чтобы снизить давление наддува, пока детонация не исчезнет.

Изменение степени сжатия

Для увеличения (или уменьшения) степени сжатия можно изменить множество вещей:

Увеличение диаметра отверстия и установка поршней увеличенного размера приведет к увеличению степени сжатия.

Уменьшение объема камер сгорания за счет использования небольших головок камер или фрезерования поверхности головок увеличивает степень сжатия.

Установка более тонкой прокладки головки увеличивает степень сжатия.

Установка более толстой прокладки головки снижает степень сжатия.

Замена поршней с плоским верхом или тарельчатых поршней на поршни с куполообразной формой приводит к увеличению степени сжатия.

Замена смещенных поршней на поршни с плоским верхом увеличит степень сжатия.

Замена куполообразных поршней на поршни с плоским верхом или выпуклые поршни приведет к уменьшению степени сжатия.

Замена поршней с плоской верхней частью на поршни с тарельчатой ​​головкой снизит степень сжатия.

Увеличение степени сжатия полезно, если вы создаете двигатель с высокими характеристиками и хотите максимизировать мощность двигателя. Более высокая степень сжатия также позволяет двигателю использовать топливо с более высоким октановым числом, такое как гоночный газ, а также метанол и этанол.

Если вы строите двигатель с турбонаддувом или прикручиваете нагнетатель и хотите использовать насосный газ, а не бензин для гонок с более высоким октановым числом, обычно рекомендуется ограничение статической степени сжатия до 8: 1 или 9: 1, чтобы снизить риск повреждения двигателя. -повреждающая детонация.

При замене поршней должен быть достаточный зазор между верхней частью и куполом поршня с высокой степенью сжатия, камерой сгорания и клапанами. Зазор будет варьироваться в зависимости от степени сжатия и от того, насколько «плотный» двигатель построен. Несколько тысячных обычно необходимы для предотвращения проблем с натягом на высоких оборотах двигателя и для компенсации роста поршня и удлинения штока при горячем двигателе.

Зазор поршня можно проверить, нанеся небольшое количество пластилина на поршень, установив прокладку головки и головку, а затем повернув кривошип, пока поршень не достигнет верхней мертвой точки.Поршень раздавит глину и покажет, какой зазор остается между поршнем, клапанами и камерой.

НАЖМИТЕ ЗДЕСЬ, чтобы просмотреть или загрузить эту статью в виде файла PDF

Статьи по теме:

Испытания на утечку двигателя

Измерение прорывов

Искровые детонации (и датчики детонации

Наддув

Турбонаддув

Щелкните здесь, чтобы увидеть больше технических статей Carley Automotive

Означает ли более высокое сжатие больше мощности? Да, и вот почему.

Увеличивает ли степень сжатия выходную мощность вашего двигателя? Вы можете подозревать, что ответ «да», и будете правы, но вы можете не знать всех причин, почему. Когда целью является увеличение мощности мощных двигателей, есть несколько популярных способов добиться этого, включая добавление наддува с помощью турбонагнетателя, нагнетателя или закиси азота. Увеличение рабочего объема двигателя или увеличения его скорости (об / мин) также может привести к скачку мощности и также популярно, но увеличивает степень сжатия — т.е.е. уменьшение объема камеры сгорания — наверное, наименее понятный метод из всех. В конце концов, как можно сделать что-нибудь в двигателе меньшего размера , чтобы увеличить его мощность ?!

Что такое сжатие?

Возможно, мы покрываем землю, которая для многих хорошо вытоптана, но степень статического сжатия двигателя понять просто: это весь объем цилиндра над компрессионным кольцом в нижней мертвой точке (НМТ), когда по сравнению с объемом над компрессионным кольцом в верхней мертвой точке (ВМТ).Чтобы узнать, как вычислить степень статического сжатия, щелкните здесь.

В четырехтактном двигателе внутреннего сгорания вся работа выполняется на рабочем такте. Остается три других хода (впуск, сжатие и выпуск), которые должны существовать, но ничего не добавляют к выходной мощности. Фактически, они стоят энергии — очень много. Четырехтактные двигатели внутреннего сгорания общеизвестно неэффективны, 20 процентов считаются святым Граалем, но большинство из них находятся в подростковом возрасте. Это означает, что есть огромный потенциал повышения эффективности, и именно по этой причине многие силовые установки с высокой степенью сжатия последних моделей, такие как Gen V GM, Ford Coyote и Gen III Hemi, выглядят так хорошо по сравнению со своими предшественниками.

Power Stroke Dynamics

Представьте на мгновение, что мы смотрим на Power Stroke Dynamics как на неограниченное одиночное событие, подобное выстрелу из винтовки. В лучшем случае наша пуля (поршень) имеет только казенную полость, удерживающую порох в ее оболочке в качестве камеры сгорания, и всю длину ствола в качестве цилиндра (стреловидный объем). Изменение начального положения пули от порохового заряда на место дальше по стволу означает, что у расширяющихся газов меньше расстояния, чтобы воздействовать на пулю до того, как она выйдет.

Если вы перевернете концепцию сжатия с ног на голову и подумаете о нем как о событии расширения, вы получите сжатие в обратном направлении — степень расширения. Это имеет больше смысла, потому что именно расширение, а не сжатие, создает силу, от которой мы получаем энергию. Итак, глядя на нашу аналогию с винтовкой, мы имеем ту же длину и диаметр ствола, ту же пулю (поршень), тот же заряд (воздух и топливо), только мы запускаем пулю дальше по стволу. Чем дальше по стволу начинается пуля, тем меньшую расширяющую силу газ может оказать на пулю.Для наших целей эта сила представляет крутящий момент двигателя, в то время как начальная точка пули аналогична динамической степени сжатия двигателя в данном рабочем состоянии.

Статическое и динамическое сжатие

Степень статического сжатия (иногда называемая степенью механического сжатия) — удобный справочник, который производители двигателей используют для создания и описания двигателей, но никакие два двигателя с одинаковым CR не являются действительно одинаково, потому что действительно важна степень динамического сжатия.По этой причине застревание на статических степенях сжатия — тупик для большинства вещей, помимо игры в тривиальную автомобильную погоню. Цилиндр с объемом 100 куб. См будет улавливать 100 куб. См воздуха и топлива, закрыв впускной клапан в точке НМТ, но только 75 куб. Поскольку количество воздуха и топлива, захваченных в камере сгорания, действительно имеет значение для выработки энергии, из двух наших гипотетических двигателей объемом 100 куб. оба двигателя имеют одинаковый рабочий объем.

Где «динамическая» часть динамической степени сжатия?

Наш предыдущий абзац не проливает много света на то, почему это называется «динамическим сжатием», пока мы не рассмотрим, как двигатель работает в различных условиях. Даже в двигателях с фиксированными фазами газораспределения (без VVT) эффективная степень сжатия изменяется при изменении частоты вращения двигателя и нагрузки. Короче говоря, если он изменяет количество заряда в камере сгорания от цикла к циклу, он меняет степень расширения и, следовательно, его мощность.Настройка индукции, частота вращения двигателя, продувка выхлопных газов и положение дроссельной заслонки изменяют динамическое сжатие от момента к моменту. Таким образом, статическое сжатие на самом деле не столько показатель удельной мощности двигателя, сколько критерий для расчета того, что будет дальше!

Стоит ли повышать коэффициент статического сжатия?

При обсуждении степеней сжатия, которые обычно встречаются в автомобильной сфере — от 8: 1 до 15: 1, — величина мощности, которую вы можете ожидать, будет варьироваться от 2 до 4 процентов на каждую точку полученного статического сжатия. (Мы отметим, что это улучшение, которое вы получили бы только с компрессией, а не с оптимизацией фаз газораспределения.) Три процента могут показаться не очень большим по сравнению с тем, что вы получили бы, добавив турбокомпрессор, закись азота или даже кулачок, но все имеет значение. Более того, повышение степени сжатия на величину, достаточно высокую, чтобы почувствовать разницу, может быть столь же простым, как обработка блока или головок цилиндров на несколько тысячных долей во время следующего ремонта, так почему бы и нет? Подробнее об этом чуть позже.

Недавно мы провели динамометрический тест типичного 6-литрового Gen III LS (LY6) с горячим уличным кулачком. Со штатными камерами сгорания объемом 70 куб. См. Максимальная мощность составила около 490 л.с. Просто заменив стандартные литые головки цилиндров «317» с камерой 70 куб. См на стандартные литые головки «243» с меньшей камерой сгорания объемом 65 куб. См, мы увеличили мощность до 505 л.с., то есть на 15 л.с. (примерно 3 процента).

А как насчет октанового числа топлива?

Есть один ограничивающий фактор, который может привести к резкому прекращению вашего плана по увеличению сжатия — октановое число топлива. Октан — это описание склонности топлива к воспламенению в определенных условиях испытаний, которые учитывают степень сжатия, частоту вращения, нагрузку, температуру охлаждающей жидкости, температуру воздуха на впуске, влажность и множество других переменных.Более высокое октановое число означает, что топливо может сопротивляться самовоспламенению при более высоком давлении и температуре, чем топливо с более низким октановым числом.

При прочих равных условиях двигатели с более высокой степенью сжатия требуют более высокого октанового числа топлива. Это связано с тем, что топливо с более низким октановым числом может начать воспламеняться до возникновения искры через систему зажигания, состояние, известное как детонация или самовоспламенение. Когда это происходит, ранний фронт пламени создает пиковое давление в камере до того, как поршень достигает ВМТ.Этот скачок давления усугубляется тем, что он ограничивается все меньшим пространством, поскольку поршень продолжает свой неумолимый марш к ВМТ. Детонация почти всегда катастрофична для рабочих характеристик двигателей, ее следует избегать любой ценой — это все равно, что ударять по поршням молотком и плазменным резаком одновременно.

По этой причине работа с более высокой степенью сжатия может вызвать повреждение двигателя, но это постепенно меняется. Усовершенствования таких вещей, как металлургия, покрытия и вычислительная динамика потока, означают, что у инженеров и производителей двигателей есть несколько инструментов, которые можно использовать против разрушительной детонации.Там, где когда-то было табу на бег 11: 1 или даже 10: 1 на улице с насосным газом, мы обнаруживаем, что хорошо подобранная комбинация (головки, кулачок, впуск и т. Д.) Может раздвинуть границы приемлемого сжатия с закачивать газовую скважину в диапазон 11: 1 плюс с небольшими уступками в производительности или управляемости. Как никогда раньше, сейчас самое время увеличить степень сжатия!

Crevice Volume — обзор

Caterpillar

Широкая программа высокоскоростных двигателей от американского дизайнера Caterpillar охватывает модели с размерами отверстий от От 100 до 170 мм.Самым большим и наиболее значимым для этого обзора является серия 3500 с диаметром цилиндра 170 мм / ходом 190 мм, которая выпускается в версиях с цилиндрами V8, V12 и V16 со стандартным и более высоким рейтингом B, предлагая мощность до 2237 кВт. Двигатели с минимальной / максимальной скоростью вращения 1000/1200/1925 об / мин подходят для движения рабочих лодок, рыболовных судов, быстроходных торговых судов и патрульных катеров. Применения для генераторных установок могут быть от 750 до 2281 кВА.

Номинальная мощность быстроходных судов для версий двигателей 3512B и 3516B с большим рабочим объемом (HD) Series II позволяет им ориентироваться в секторе силовых установок мегаяхт с соответствующими мощностями 1895 и 2525 кВт при 1800 об / мин.Среди усовершенствований аппаратного обеспечения — цельный стальной монотермический поршень, модульный импульсный выпускной коллектор, турбокомпрессоры ABB, а также оптимизированный угол распыления топливной форсунки и кратер сгорания. Двигатели Cat серии 3500C предлагаются в вариантах с цилиндрами V8, V12 и V16 для силовых установок с номинальной мощностью до 2525 кВт при 1800 об / мин.

В двигателях серии B (рис. 26.3) был внесен ряд усовершенствований механики, чтобы в полной мере использовать преимущества повышения эффективности сгорания, обеспечиваемые электронной системой управления (ECS).Блочные топливные форсунки с электронным управлением сочетают высокое давление впрыска с усовершенствованной конструкцией форсунок, что улучшает распыление и синхронизацию. Объемы производства были увеличены на 17–30% по сравнению с предыдущими моделями серии 3500.

Рис. 26.3. Двигатель Caterpillar 3512B с ECS.

Специальный высокопроизводительный вариант модели серии 3500 с V16-цилиндровым двигателем был представлен для целевых нишевых рынков, усовершенствований, направленных на повышение мощности, повышение надежности и снижение расхода топлива и смазочного масла без ущерба для долговечности.Эта высокопроизводительная версия модели 3516 Phase II имеет максимальную мощность 2237 кВт при 1925 об / мин. Он был выпущен для скоростных пассажирских судов с низким коэффициентом нагрузки со стандартной максимальной продолжительной мощностью 1939 кВт при 1835 об / мин и номинальной мощностью «два часа из 12» 2088 кВт при 1880 об / мин. Дополнительные более высокие мощности до 2205 кВт при 1915 об / мин могут быть указаны для более холодного климата, с пересмотренными спецификациями турбонагнетателя, топливной форсунки и времени.

Ключевой вклад в повышение производительности внесли высокоэффективные турбокомпрессоры ABB, дополнительный охладитель забортной воды для подачи более холодного воздуха в камеры сгорания, более крупные и агрессивные распределительные валы, а также новая конструкция поршня с глубокой воронкой.Топливо подается через усиленные насос-форсунки, разработанные и изготовленные Caterpillar для обеспечения давления впрыска 1380 бар.

Оптимальной топливно-воздушной смеси, которая может быть сожжена чрезвычайно эффективно, способствует сочетание более плотного всасываемого воздуха и высокого давления впрыска. Сообщаемый результат представляет собой диапазон удельного расхода топлива при полной нагрузке 198–206 г / кВт · ч со всеми топливными, масляными и водяными насосами, приводимыми в действие двигателем. Модификации поршней и колец со стальной головкой / алюминиевой юбкой снизили расход смазочного масла до нуля.55 г / кВт · ч.

Особенно желательной особенностью для быстрого движения парома является высокоэффективное сгорание и поршни с малым объемом щелей, которые помогают устранить видимый выхлопной дым во всех устойчивых точках на кривой нагрузки гребного винта. Задние шестерни были расширены и усилены для обслуживания насос-форсунок высокого давления. Новые газонепроницаемые выпускные коллекторы с сильфонными компенсаторами и уплотнительными кольцами из нержавеющей стали улучшили качество воздуха в машинном отделении за счет устранения утечек выхлопных газов.

Вариант двигателя Cat 3500 серии-B с более длинным ходом хода был представлен после морских полевых испытаний, проведенных в начале 1998 г., эти модели 3512B и 3516B предлагают на 13% большую мощность, чем их стандартные аналоги, с соответствующими максимальными коммерческими характеристиками 1380 и 1864 кВт при 1600 об / мин. Сообщалось о семипроцентном улучшении удельной мощности и экономии топлива, а также о более низких уровнях выбросов по сравнению со стандартными двигателями. Более высокая производительность была достигнута за счет увеличения рабочего объема цилиндра (увеличения хода на 25–215 мм) и без повышения давления в цилиндре или снижения срока службы подшипников или долговечности других ключевых компонентов.

Новый цельный кованый коленчатый вал имеет большую массу и изготовлен из более прочного стального сплава, чем раньше, для выдерживания более высоких нагрузок. Шатуны длиннее и имеют более прочную геометрию вала, а более прочный конец шатуна увеличивает срок службы, необходимый для увеличенных скоростей поршня и более высоких инерционных нагрузок. Поршни имеют ту же конструкцию, состоящую из двух частей, которая используется в стандартных двигателях Cat 3500 серии-B, со стальной головкой и алюминиевой юбкой, что обеспечивает высокую прочность и уменьшенный вес.Площадь двигателя этих более мощных вариантов осталась неизменной; были увеличены только размеры дополнительного охладителя и турбонагнетателей большей мощности.

Все двигатели Caterpillar 3500 серии-B управляются микропроцессорным электронным модулем управления (ЕСМ). Информация собирается с датчиков двигателя блоком управления двигателем, который затем анализирует данные и регулирует время и продолжительность впрыска, чтобы оптимизировать топливную экономичность и снизить вредные выбросы выхлопных газов. Электронное управление также поддерживает возможности бортового и удаленного мониторинга: ЕСМ передает всю информацию по двухпроводному каналу передачи данных Cat на приборную панель.Панель записывает и отображает неисправности, а также рабочие условия. Дополнительный модуль связи с клиентами преобразует данные двигателя в стандартный код ASCII для передачи на ПК или через спутник в удаленные места.

Система обзора двигателя (EVS) Caterpillar совместима с высокопроизводительными двигателями 3500 серии B и другими двигателями компании с электронным управлением. EVS отображает данные двигателя и трансмиссии, скорость судна, данные поездки, исторические данные, интервалы технического обслуживания, диагностику и информацию по поиску и устранению неисправностей.Одновременно можно контролировать до трех двигателей, при этом передача данных между видеодисплеем и отдельными модулями управления двигателем осуществляется по двухпроводной линии передачи данных.

В рамках обновления, объявленного в 2002 году, были представлены двигатели 3500B серии II с усовершенствованными системами электронного управления, мониторинга, индикации и охлаждения, а также новыми вариантами снижения номинальных характеристик и рабочей скорости, разработанными для конкретных применений. Новая электроника включала новейшую систему управления Caterpillar ADEM III, позволяющую контролировать и контролировать больше параметров двигателя, с большей точностью и возможностью сообщения о неисправностях.Новая возможность «программируемого спада» обеспечивает точное управление регулятором для приложений с распределением нагрузки. Возможна комбинированная система охлаждения, а не два отдельных контура. Более высокая максимальная продолжительная мощность двигателя 3516B серии II в 2000 кВт была предложена для обеспечения большей мощности и тягового усилия на болларде для более крупных портовых буксиров; более высокий рейтинг также касается некоторых типов паромов и морских судов обслуживания.

ACERT и WOSR : технология Caterpillar ACERT и возможность широкого диапазона рабочих скоростей (WOSR) соответственно гарантируют соответствие нормам выбросов и повышают экономию топлива и эксплуатационную гибкость.Система впрыска топлива и управления сгоранием ACERT позволяет двигателю соответствовать требованиям Tier II Агентства по охране окружающей среды США и обеспечивает основу для соответствия еще более строгим ограничениям в будущем. Более высокие характеристики с более низкими пиковыми давлениями в цилиндрах, температурами выхлопных газов и уровнем дыма сообщаются без снижения расхода топлива в крейсерском режиме.

Устройство WOSR позволяет операторам запускать свои суда на полной мощности в широком диапазоне скоростей, тем самым повышая производительность. Он разработан для использования двигателя с номинальным номиналом 1600 об / мин и позволяет поддерживать мощность на высоком уровне до 1800 об / мин при выбеге регулятора перед снижением высоких оборотов холостого хода.Сообщается также, что создается отличный резерв мощности для быстрого разгона судна. Полное преимущество технологии можно получить, указав винт нормального размера при номинальной скорости 1600 об / мин.

Компания Caterpillar утверждает, что двигатели WOSR представляют собой экономичную альтернативу преобразователям крутящего момента, многоскоростным трансмиссиям и гребным винтам CP. Настоящее преимущество получается, когда судно движется свободно, без пассажиров, груза или идущего вниз по реке. В этом режиме выбег регулятора поддерживает высокий уровень мощности до 1800 об / мин; в результате двигатель и, следовательно, гребной винт получают возможность работать с электроникой на более высокой скорости, что приводит к увеличению скорости судна.

WOSR особенно полезен для буксиров, которые не работают на буксире, но которым необходимо быстро перемещаться между локациями для проведения спасательных операций. Кривая производительности также выгодна на рынке дноуглубительных работ, где земснаряды могут обеспечить более высокую производительность. Преимущества для быстрых паромов, лодок с экипажем и других высокоскоростных судов включают возможность увеличения скорости, когда уровень пассажиров меняется в зависимости от сезона или в зависимости от цикличности рынков.

Системы сгорания

Ханну Яэскеляйнен, Магди К.Хаир

Это предварительный просмотр статьи, ограниченный некоторым исходным содержанием. Для полного доступа требуется подписка DieselNet.
Пожалуйста, войдите в систему , чтобы просмотреть полную версию этого документа.

Реферат : Системы сжигания включают несколько параметров, которые влияют на процесс горения. В этой статье обсуждаются некоторые аспекты, связанные с геометрией камеры сгорания, потоком в цилиндре и степенью сжатия.

Введение

Системы сгорания включают множество факторов, влияющих на процесс сгорания.К ним относятся:

• форсунка топливной форсунки,
• Характеристики впрыска топлива,
• состав газа в баллоне,
• характеристики потока в цилиндре,
• геометрия камеры сгорания,
Степень сжатия
• и
Размер цилиндра
• .

Во всех системах сгорания эти факторы должны работать вместе, чтобы гарантировать, что процесс сгорания, будь то традиционный или усовершенствованный, достигает требуемых показателей производительности и выбросов.

В этой статье обсуждаются некоторые аспекты, связанные с геометрией камеры сгорания, потоком в цилиндре и степенью сжатия.

Геометрия камеры сгорания

Рекомендации по проектированию

Известно, что сгорание дизеля очень бедное с соотношением A / F 25: 1 при максимальном крутящем моменте, 30: 1 при номинальной скорости / максимальной мощности и более 150: 1 на холостом ходу для двигателей с турбонаддувом. Однако этот дополнительный воздух не участвует в процессе сгорания. Во время сгорания он сильно нагревается и истощается, что приводит к обеднению выхлопа дизельного топлива.Даже несмотря на то, что среднее соотношение воздух-топливо бедное, если в процессе проектирования не проявить должного внимания, области камеры сгорания могут быть богатыми топливом и привести к чрезмерным выбросам дыма. Ключевой задачей при проектировании камеры сгорания является обеспечение того, чтобы смешивание топлива и воздуха было достаточным для смягчения воздействия богатых топливом регионов и позволяло двигателю соответствовать своим рабочим характеристикам и целевым показателям выбросов. Установлено, что турбулентность в движении воздуха внутри камеры сгорания способствует процессу смешивания и может быть использована для достижения этой цели.Вихрь, создаваемый впускным каналом, может быть усилен, или поршень может создавать сжатие, когда он приближается к головке блока цилиндров, чтобы создать большую турбулентность во время такта сжатия за счет правильной конструкции чаши в головке поршня.

Конструкция камеры сгорания оказывает наиболее значительное влияние на выбросы твердых частиц. Он также может влиять на несгоревшие углеводороды и CO. Хотя на выбросы NOx может влиять конструкция чаши [3128] , свойства объемного газа играют очень важную роль в уровнях их выхлопа.Однако из-за компромисса NOx / PM конструкции камер сгорания должны были развиваться по мере снижения пределов выбросов NOx — в первую очередь, чтобы избежать увеличения выбросов PM, которое в противном случае могло бы произойти.

Обзор конструктивных соображений для систем сгорания можно найти в литературе [3489] [3490] .

К-фактор. Важным параметром для оптимизации системы сгорания дизельного двигателя прямого впрыска является доля доступного воздуха, участвующего в процессе сгорания [734] [3489] .K-фактор, рассчитываемый как отношение объема поршневой камеры к зазору, является приблизительной мерой доли воздуха, доступного для сгорания. Уменьшение рабочего объема двигателя приводит к уменьшению относительного К-фактора и, следовательно, к тенденции к ухудшению характеристик сгорания. Для заданного рабочего объема и постоянной степени сжатия коэффициент К можно улучшить, выбрав более длинный ход. На выбор диаметра цилиндра для двигателя может повлиять фактор К и несколько других факторов, в том числе упаковка двигателя, порты и клапаны и т. Д.Особо ключевой проблемой при установке максимального отношения диаметра цилиндра к ходу поршня является очень сложная упаковка головки блока цилиндров, необходимая для размещения конструкции с четырьмя клапанами на цилиндр и системы впрыска Common-Rail с расположенной в центре форсункой. Головки цилиндров сложны в конструкции из-за множества каналов, включая водяное охлаждение, прижимные болты головки блока цилиндров, впускные и выпускные отверстия, форсунки, свечи накаливания, клапаны, штоки клапанов, выемки и седла клапанов, а также другие каналы, такие как используется для рециркуляции выхлопных газов в некоторых конструкциях [735] .

Камеры сгорания с открытым или обратным входом. Камеры сгорания в современных дизельных двигателях с прямым впрыском могут быть открытыми или возвратными. Если верхнее отверстие чаши в поршне меньше по диаметру, чем максимальный диаметр чаши, это возвратная чаша. У этих чаш есть «губа». Если кромки нет, то это открытая камера сгорания [3490] .

Типы камер сгорания

Мексиканские миски для шляп

Камеры сгорания дизельного двигателя с чашей «мексиканской шляпы», также известные как камера «Гессельмана», известны по крайней мере с 1920-х годов [3126] .Эти открытые камеры сгорания обычно использовались примерно до 1990 года в двигателях большой мощности, прежде чем возвратный резервуар стал более важным. На рисунке 1 показана общая форма чаши этого типа. Обратите внимание на прямые стороны на внешней периферии [3127] . Эта форма камеры сгорания предназначена для относительно продвинутых значений времени впрыска, когда чаша содержит большую часть горючих газов. Он не очень подходит для стратегий замедленного впрыска.

На рис. 2 сравниваются выбросы сажи из ряда чаш, включая чашу мексиканской шляпы. Обратите внимание, что некоторые из камер с альтернативной геометрией (возвратные чаши) обеспечивают лучшее окисление сажи в показанных условиях двигателя. Форма чаши меньше влияла на образование сажи при более высоких оборотах двигателя в этом исследовании [3128] .

1690 об / мин, 409 см ³ / цилиндр, угол впрыска до ВМТ 14,5 °, низкая нагрузка (~ 250 кПа ВМЭП).
Размеры камеры сгорания в мм.

###

Четырехтактный двигатель внутреннего сгорания

Это анимированный компьютерный рисунок одного цилиндра Райт. Авиадвигатель братьев 1903 года.Этот двигатель приводил в движение первый, тяжелее воздушные, самоходные, маневренные, пилотируемые самолеты; Райт Флаер 1903 года. Двигатель состоял из четырех цилиндры как показано выше, с каждый поршень подключен к общему коленчатый вал. Коленчатый вал был соединен с двумя противоположно вращающимися. пропеллеры который произвел тяга, необходимая для преодоления сопротивление самолета.

Дизайн братьев очень прост по сегодняшним меркам, так что это хороший двигатель для студентов, чтобы изучить основы работа двигателя.Этот тип внутреннее сгорание двигатель называется четырехтактный двигатель , потому что есть четыре движения, или удары поршня перед повторением всей последовательности запуска двигателя. Четыре штриха описаны ниже с некоторыми неподвижными фигурами. На анимации и на всех рисунках мы раскрасили система впуска топлива / воздуха красный, электрическая система зеленый, а Система вытяжки синий. Мы также представляем топливно-воздушную смесь и выхлопные газы небольшими цветные шарики, чтобы показать, как эти газы проходят через двигатель.Поскольку мы будем иметь в виду движение различных частей двигателя, вот рисунок, показывающий названия частей:

Ход всасывания

Двигатель цикл начинается с впускной ход как поршень тянул в сторону коленчатого вала (на рисунке слева).

Впускной клапан открыт, топливо и воздух проходят через клапан. и в камеру сгорания и цилиндр от впускного коллектора, расположенного в верхней части камеры сгорания.Выпускной клапан закрыт, а электрический контактный выключатель разомкнут. Топливно-воздушная смесь находится на относительно низком уровне. давление (около атмосферного) и окрашен в синий цвет на этом рисунке. В конце такта впуска поршень расположен в крайнем левом углу и начинает двигаться назад в сторону Правильно.

Цилиндр и камера сгорания заполнены топливно-воздушной смесью низкого давления. и, когда поршень начинает двигаться вправо, впускной клапан закрывается.

Историческая справка — Открытие и закрытие впускного клапана двигателя Wright 1903 был назван братьями «автоматическим».Он основан на немного более низком давлении внутри в цилиндре во время такта впуска, чтобы преодолеть силу пружины, удерживающей клапан в закрытом состоянии. Современные двигатели внутреннего сгорания делают не работайте так, но используйте кулачки и коромысла, как выхлопную систему братьев. Кулачки и коромысла обеспечивают лучший контроль и время открытия и закрытие клапанов.

Ход сжатия

Когда оба клапана закрыты, комбинация цилиндра и камеры сгорания образуют полностью закрытую емкость, содержащую топливно-воздушную смесь.Как поршень сдвигается вправо, объем уменьшается, а топливно-воздушная смесь сжатый во время ход сжатия.

Во время сжатия нет нагревать переходит в топливно-воздушную смесь. Поскольку объем уменьшается из-за движения поршня, давление в газе увеличился, как описано по законам термодинамика. На рисунке смесь окрашена желтый цвет означает умеренное повышение давления. Чтобы произвести повышенное давление, мы должны сделать Работа на смеси, просто так как вам нужно выполнить работу, чтобы накачать велосипедную шину с помощью насоса.Во время такта сжатия электрический контакт остается разомкнутым. Когда объем самый маленький, и давление самое высокое, как показано на рисунке, контакт замкнут, и поток электричество течет через вилку.

Рабочий ход

В начале рабочего хода электрический контакт размыкается. Внезапное размыкание контакта вызывает искру в камере сгорания, которая воспламеняет топливно-воздушную смесь. Стремительный горение топливных выбросов нагревать, и производит выхлопные газы в камере сгорания.

Поскольку впускной и выпускной клапаны закрыты, сгорание Топливо находится в полностью закрытом сосуде (и почти постоянного объема). В сгорание увеличивает температура выхлопных газов, остаточного воздуха в камере сгорания, и в самой камере сгорания. От закон идеального газа, повышенная температура газов также приводит к увеличению давление в камере сгорания. Мы покрасили газы в красный цвет на рисунке. для обозначения высокого давления.Высокое давление газов, действующих на лицевой стороной поршня заставляет поршень перемещаться влево, что инициирует рабочий ход.

В отличие от такта сжатия, горячий газ воздействует на поршень во время рабочего такта. Сила на поршне передается штоком поршня на коленчатый вал, где линейный движение поршня преобразуется в угловое движение коленчатого вала. Работа сделано на поршне, затем используется для вращения вала и пропеллеров, и для сжатия газов в такте сжатия соседнего цилиндра.Имея возникла искра зажигания, электрический контакт остается разомкнутым.

Во время рабочего такта объем, занимаемый газами увеличивается из-за движения поршня и нет нагревать переходит в топливно-воздушную смесь. Поскольку объем увеличивается из-за движения поршня, давление и температура газа уменьшилось. Мы покрасили «молекулы» выхлопных газов в желтый цвет, чтобы обозначить умеренное давление. в конце рабочего хода.

Историческая справка — Способ получения электрической искры братья Райт называли соединением «замыкай и прерывай».Там подвижные части, расположенные внутри камеры сгорания. Современное внутреннее сгорание двигатели не используют этот метод, а вместо этого используют свечу зажигания, чтобы произвести искра зажигания. Свеча зажигания не имеет движущихся частей, что намного безопаснее, чем у свечи зажигания. метод, используемый братьями.

Ход выхлопа

В конце рабочего хода поршень находится в крайнем левом положении. Нагрейте это осталось от рабочего хода сейчас переведен к воде в водная рубашка пока давление не приблизится к атмосферному давление.Затем открывается выпускной клапан. кулачком, нажав на коромысло, чтобы начать такт выхлопа.

Назначение выхлопа ход должен очистить цилиндр от отработанного выхлопа для подготовки к следующему цикл зажигания. В начале такта выпуска цилиндр и камера сгорания заполнены. продуктов выхлопа при низком давлении (окрашены в синий цвет на рисунке выше). Потому что выпускной клапан открыт, выхлопные газы проходят мимо клапана и выходят из двигателя. Впускной клапан закрыт, а электрическая контакт открыт во время этого движения поршня.

В конце такта выпуска выпускной клапан закрывается и двигатель начинается еще один такт впуска.

Историческая справка — Выхлопная система братьев Райт заставил горячий выхлоп выйти из каждого цилиндра независимо … пилоту. Этот двигатель тоже был очень громким. Современные автомобили собирают выхлоп из всех цилиндров в выпускной коллектор (точно так же, как впускной коллектор б / у братьев). Выпускной коллектор проходит через выхлоп к каталитическому нейтрализатору для удаления опасных газов, а затем через глушитель, чтобы он не шуметь, и, наконец, выхлопную трубу.

Теперь вы можете понять анимация вверху этой страницы. Обратите внимание, что коленчатый вал делает два оборотов за каждый оборот кулачков. Это движение контролируется временная цепь. Также обратите внимание, как кулачок перемещает выпускной клапан. в нужный момент и как быстро впускной клапан открывается после выпуска клапан закрыт. В реальной работе двигателя ход выпуска не может вытолкнуть все выхлоп из цилиндра, поэтому настоящий двигатель работает не так хорошо, как идеальный двигатель описан на этой странице.Когда двигатель работает и нагревается, производительность изменения. Современные автомобильные двигатели регулируют соотношение топливо / воздух с компьютерным управлением. топливные форсунки для поддержания высокой производительности. Братьям просто нужно было смотреть мощность их двигателя упала с примерно 16 лошадиных сил, когда двигатель был сначала начал примерно с 12 лошадиных сил, когда он был горячим.

Навигация ..

Руководство для начинающих Домашняя страница

Возможность детонации может быть уменьшена за счет снижения температуры всасываемого воздуха.Это можно сделать многими из следующих способов:

Теория детонации и предварительного воспламенения

Перед чтением этой страницы убедитесь, что вы прочитали страницу динамики горения. первый.

Детонация

Я уже объяснил, что происходит в камере сгорания, где газ горит при единая ставка. А теперь давайте посмотрим, что произойдет, если что-то пойдет не так. Существует три формы аномального горения: детонация, предварительное зажигание и детонация топлива перед зажиганием или (предварительное зажигание из-за Детонация).

На рисунке ниже показаны примеры микроскопического плавления, увеличивающегося до физических кусков поршень оторвался от пальца кисти. Ямы представляют собой расплав алюминиевого поршня, когда ударные волны стирают защитный пограничный слой с металлических частей. Обратите внимание, что наиболее Серьезное повреждение происходит на краю поршня, где ударные волны отражаются обратно.

Как вы помните, повышенное октановое число топлива приведет к увеличению температуры, необходимой для самовозгорание газа.Но любой газ самовоспламеняется при определенной температуре. Если давление и возникающее тепло, генерируемое камерой сгорания, достигает этого самопроизвольного температура сгорания газа, в камере сгорания происходит разрушение, и на приведенном выше рисунке показаны результаты.

При нормальной скорости горения линейное расширение давлений обеспечивается деталями двигателя. Это связано с тем, что энергия, расходуемая при ожоге, увеличивается на длительный период времени (десятки градусов коленчатого вала).Детонация расходует эту энергию сразу, что создает резкое сжатие. повышение давления. Это резкое повышение давления ударяет по верхней части поршня и стенкам камеры сгорания и издает этот металлический звук, иногда называемый стуком или грохотом. Некоторые формы детонация производит очень мало шума, но причиняет очень большой ущерб. У этого внезапного выброса энергии есть несколько недостатков.

Во-первых, это вызывает сильную нагрузку на детали двигателя,

Во-вторых, он быстро расходует энергию горения газа, поэтому на остальную часть рабочий ход, при этом большая часть энергии расходуется в виде тепла.

В-третьих, это внезапное выделение тепловой энергии газа (и небольшая работа или ее отсутствие) теперь должно быть поглощено. системой охлаждения двигателя.

В-четвертых, он вызывает ударные волны, которые отрывают пограничный слой газа от металла, который позволяет температуре полного сгорания от 3000 до 5000F градусов напрямую контактировать с металлическими частями двигателя. Это воздействие на металл температуры ожога начинается с микроскопического плавления Металлы, такие как поршни и электроды свечей зажигания, но если их не контролировать, могут привести к фактическому прожиганию верхних частей поршней и головок цилиндров.Даже когда повышение температуры не плавит двигатель частей он может сломать части. Также это повышенное тепло добавляется к системе охлаждения и может значительно превысить ее мощность и выдуть охлаждающую жидкость. Когда система охлаждения выдувает охлаждающую жидкость, оставшийся низкий Охлаждающая жидкость не может отвести тепло двигателя, и цикл перегрева продолжается. При повышении температуры головки двигателя температура сгорания также повышается, поскольку эффект гашения снижается. уменьшенный. Этот эффект снежного кома приводит к усилению детонации и серьезному отказу двигателя, если он не обнаруживается и не останавливается.

В-пятых, когда ударные волны достигают границ камеры, отраженные скачки уплотняются. добавка в этот момент и имеет тенденцию ломать такие детали, как контактные площадки поршневых колец. (См. Иллюстрацию ниже). Когда две лодки проходят друг мимо друга в противоположных направлениях, их следы пересекаются и складываются в более крупный след. То же самое происходит на краях камеры сгорания, когда отраженные ударные волны пересекаются и становятся аддитивными, и возникающий в результате всплеск волны давления идет вверх и начинает разрушаться. вещи по краям камеры сгорания.

Потенциал детонации может быть уменьшен за счет снижения температуры всасываемого воздуха. Это можно сделать многими из следующих способов:

1. Управление температурным режимом (барьеры и диспергаторы на впуске и выпуске) многообразие).

2. Управление температурой (барьеры и диспергенты на поршнях и горении) Камера).

3. Внутренние охладители для турбо-приложений или нагнетания холодного воздуха).

4. Увеличение отношения поверхности камеры к объему (уменьшение компрессии).

5. Увеличение площади закалки для охлаждения газа (поршень до напора 0,040 дюйма).

6. Более богатая топливная смесь за счет охлаждающего эффекта

7. Газ с более высоким октановым числом

8. Повышение однородности газа, сокращение времени горения

9. Использование топлива, которое горит быстрее (гоночный газ).

10. Оптимальное расположение свечи зажигания

11. Повышение эффективности системы охлаждения

12. Задержка опережения зажигания

13. Впрыск метанола

«ПРИМЕЧАНИЕ» Некоторые из этих изменений могут улучшить производительность, но некоторые снизят ее.Thermal Management только улучшит производительность.

Предварительное зажигание

Предварительное зажигание имеет простое определение; что-то воспламенило топливо перед свечой зажигания. Прерывание зажигания вызвано аномальными горячими точками в камере сгорания. Любые отложения на головке поршня или головке цилиндров могут стать достаточно горячими, чтобы раскалиться и воспламенить газ. Любой острый металл край в камере также будет светиться и предварительно воспламенить газ. Перед сборкой убедитесь, что в камере сгорания нет острых краев.Предварительное зажигание часто приводит к детонации. предварительное зажигание нежелательно по нескольким причинам.

Прежде всего, цикл записи начинается рано. Это то же самое, что продвижение ОБТ точка воспламенения, при которой PCP опускается раньше, чем на 16 градусов ATDC. Это приводит к меньшей мощности, вырабатываемой рабочим ходом, и большему количеству тепла, нагнетаемому в систему охлаждения.

Во-вторых, поскольку горение началось раньше, давления перед ВМТ будут выше, в результате в снижении насосной эффективности двигателя.В-третьих, эффект нагрева газа будет увеличиваться из-за более резкого повышения давления перед ВМТ, и это может привести к самовозгоранию, которое это детонация. В-четвертых, поскольку пиковое давление в цилиндре (PCP) больше не составляет 16 градусов от ВМТ, поршень не прилагает значительного крутящего момента для вращения коленчатого вала. Вместо этого это просто толкает почти прямо вниз с небольшим крутящим моментом. В-пятых, если PCP происходит до BTDC, поршень будет пытаться реверсировать вращение двигателя. Это все равно, что тормозить поршень.Ударная волна можно почувствовать по всему автомобилю.

Детонация топлива перед зажиганием или (преждевременное зажигание из-за Детонация).

Это самая разрушительная сила, которую может выдержать двигатель. Предварительное зажигание из-за детонации. Давайте разберемся, что происходит. Ваш двигатель работает на 5000 об / мин. Детонация происходит перед зажиганием. Двигатель вращается по часовой стрелке, а поршень пытается повернуть двигатель против часовой стрелки. по часовой стрелке. Ожидаемый срок службы двигателя с этой проблемой измеряется миллисекундами.Поршень останавливается, но кривошип продолжает вращаться. Что-то просто сломалось, и это твое кошелек.

Хотя серьезность этой формы детонации может быть редкой, она становится все более серьезной проблемой. с гибридными ракетами Rice и Street Machines. Горючее для гонок дорогое и доступно не на всех заправках. Итак, лучшее доступное топливо — это премиальные сорта с октановым числом 92, 95. Они не гоночное топливо есть. Топливо для насосов премиум-класса не имеет октанового числа или скорости горения, чтобы обеспечить надлежащую работу этих двигателей при максимальной нагрузке.Снова давайте вернемся к пониманию того, что нужно место.

Давайте возьмем обычный 2-литровый двигатель.

Turbo зарядил его 30 фунтами. Увеличение.

Закись азота 150 HP Shot.

Насос с октановым числом 92 для газа.

Мы гоняем на макс. об / мин, полный наддув и закись азота. Температура камеры сгорания повышается при экспоненциальная скорость. Такт сжатия увеличивает температуру заряда топлива, и начинается первая форма детонации. Детонация начинает снижать градусы вращения двигателя.Топливо температура заряда теперь настолько высока, что любое сжатие топлива приводит к его точке воспламенения. В мгновение ока перед возгоранием образуется детонация. Результаты не требует пояснений.

Thermal Management Coatings — не панацея. Но может значительно уменьшить причины детонации и преждевременного возгорания.

1. Охлаждение поступающего воздуха топливных смесей,

2. Уменьшение горячих точек за счет более равномерного распределения тепла.

3. Эффективно увеличить систему охлаждающей жидкости и т. Д.

4. Сохранение минимального тепла на поверхностях поршней, поэтому меньше тепла передается топливу. плата.

5. Обеспечение более эффективного сгорания.

НЕ изготавливается никаких покрытий или деталей, которые исправят небрежность или небрежность. Вы обязаны внимательно следить за настройками, топливной смесью, температурой двигателя или шумами. Записывайте все, что вы делаете с автомобилем. Достаточно одного крупного несчастного случая, и ваша гоночный сезон закончился.

JCM Machine участвует во всех возможных формах гонок.Машины, Мотоциклы, вперед тележки, тракторы и т. д. Мы участвовали в гонках и спонсировали многие из них. Наш девиз прост. Если в машине не прав водитель или двигатель. МЫ НЕ УЧАСТВУЕМ. Поместите его в трейлер и участвуйте в гонке в другой день, когда все верно. Безопасность всегда должна быть вашей первой заботой. «Время пива и пиццы»

Надеюсь, эта статья помогла вам понять разницу между нормальным и ненормальным горение.

Чарльз Боррини

Владелец JCM

Утечка газа в картер: влияние параметров системы на характеристики уплотнения пакета поршневых колец цилиндра

В этом разделе результаты моделирования представлены и сгруппированы для каждого случая.Результаты включают положение колец в канавках, межкольцевое давление, зазоры между кольцом и гильзой, массовый расход газа в различных канавках и общий прорыв газа, выраженный как количество газа, потерянного в картере. . Сначала будут обсуждаться результаты для базового случая, а затем результаты для случаев один, два и три, соответственно.

Базовый случай

На рисунке 8 показаны результаты моделирования для базового случая. На Графике 8a дано межкольцевое давление в контактных площадках поршня.Давление в верхней части земли равно давлению в камере сгорания, а давление в четвертой зоне равно давлению в картере. Первая фаза двигателя на диаграмме — это сжатие, что подтверждается типичной кривой давления. Повышение давления во второй площадке следует за пиковым давлением сгорания с некоторой задержкой, затем, в конце такта расширения, давление во второй площадке превышает давление в камере сгорания в так называемой точке перехода. После этой точки обе кривые показывают тенденцию к снижению, за исключением давления в верхней части земли, которое немного повышается к концу такта выпуска, но затем снова падает в соответствии с тактом впуска, когда поршень меняет направление.Третье давление на землю никогда не достигает второго давления на землю, но его тенденция почти точно следует тенденции давления на второй земле. Давление в четвертой зоне равно давлению в картере и почти равно давлению окружающей среды.

Результаты для базового сценария

На рис. 8b показано относительное положение колец в соответствующих канавках, где 0 означает, что кольцо установлено внизу канавки, а 1 означает вверху. Согласно рис.8b, верхнее кольцо остается на месте во время тактов сжатия и расширения и сначала поднимается в конце хода расширения, в соответствии с точкой перехода, когда давление во второй контактной площадке становится выше, чем давление в первой контактной площадке. От половины такта выпуска до половины такта впуска верхнее кольцо поднимается, а затем снова опускается вниз в конце такта впуска. Первый подъем вызывается только силой давления, как описано выше, в то время как второй и более продолжительный подъем создается в основном силой инерции.Второе кольцо остается на нижней стороне канавки в течение всего цикла, в то время как третье кольцо поднимается во время такта расширения, в основном за счет сил инерции и масляного трения, поскольку сила давления на это кольцо мала по сравнению с другими.

Минимальная толщина масляной пленки в гильзе цилиндра была принята равной 5 мкм, а на рис. 8c приведены зазоры между кольцом и гильзой. Согласно рисунку, каждая поверхность кольца всегда залита масляной пленкой, и между поверхностью кольца и гильзой цилиндра всегда имеется контакт.

На Рис. 8d и более подробно на Рис. 8e даны общие массовые расходы газа в каждой канавке. Положительные значения — это нисходящие потоки из верхних земель, а отрицательные значения — восходящие или обратные потоки из нижних земель. Наибольший расход газа происходит в верхней площадке и в верхней канавке; такого результата можно ожидать из-за высокого давления в этих регионах.

Кроме того, поток газа ниже второй канавки полностью проходит в третью площадку и от третьей площадки в картере, что подтверждается отсутствием обратного потока к верхним площадкам.

На рис. 8f приведена кумулятивная утечка для каждой кривой потока, описанной выше, выраженная как доля массы газа в баллоне при НМТ. В этих рабочих условиях примерно 12% массы цилиндра во время рабочего хода попало в верхнюю площадку и щель канавки, не участвуя в сгорании. 0,4% этой массы газа закончилось в картере в виде картерного газа, что для данного моделирования соответствовало 0,0103117 кг / цикл.

Вариация зазора

Графики на рис.9 показаны результаты для изменения зазоров и расположены в направлении сверху вниз для каждого подзабора в соответствии с таблицей 1.

Результаты для изменения зазоров, случай 1

На рис. 9a.1 даны межкольцевые давления для случая 1, где зазор верхнего кольца уменьшен, а зазор второго кольца увеличен. Общая тенденция первой кривой давления на землю аналогична базовому случаю, где наиболее существенная разница наблюдается в небольшом подъеме этой кривой в конце хода расширения под углами 280–350 °.Это вызвано более высоким давлением в этой зоне по сравнению с исходным случаем, поскольку уменьшение зазора верхнего кольца приводит к преимуществам с точки зрения уменьшения нисходящего потока газа. Это преимущество подтверждается более низким пиковым давлением на втором участке и задержкой на несколько градусов точки пересечения по сравнению с исходными условиями. Однако увеличение второго кольцевого зазора позволяет увеличить скорость потока газа к третьей площадке, что подтверждается более высоким пиковым давлением в этой зоне.Как видно из рис. 9b.1, подъем верхнего кольца заметно снижается из-за более низкого второго давления на землю и происходит только в соответствии со второй точкой перехода. Второе кольцо сохраняет то же положение посадки, что и в базовом случае, в то время как движение третьего кольца аналогично базовой линии, за исключением падения в конце такта впуска. Кривая расхода газа для этого подкорпуса приведена на рис. 9c.1, а общие потери картерного газа в картере составляют 0,01386 кг / цикл.

На рис. 9a.2 показаны межкольцевые давления для подкорпуса 2, когда только верхний кольцевой зазор увеличивается на 30%. Во вторую площадку проходит большее количество газа из-за большей площади зазора, что впоследствии увеличивает давление в этой области. Из-за более высокого давления газа на второй площадке точка пересечения была предвидена вовремя, а давление на третьей площадке увеличилось, что подтверждается графиком. Кольцевое движение для этого случая показано на рис. 9b.2. Из-за высокого давления во второй площадке верхнее кольцо поднялось в соответствии с точкой пересечения и оставалось наверху канавки в течение более длительного времени из-за высокой направленной вверх силы, действующей под ним.Второе кольцо не меняло своего положения в канавке во время цикла, в то время как движение третьего кольца было аналогично базовому случаю, но с меньшим положением движения в конце хода расширения. Согласно рис. 9c.2, общие потери картерного газа в картере для этого условия были равны 0,01405 кг / цикл.

На рис. 9a.3 приведены кривые давления для подкасажа 3 этой секции, где зазор верхнего кольца был уменьшен на 30%, а зазор второго кольца уменьшен на 10%. Это изменение привело к положительному эффекту с точки зрения межкольцевого давления газа, поскольку второе и третье давления на землю достигли самых низких значений из трех подслучая.Кроме того, второе давление на опору никогда не превышало давление на верхнюю опору, и, как результат, влияние на движение верхнего кольца было значительно уменьшено. Однако на рис. 9b.3 можно заметить нестабильное положение второго кольца, которое подвергалось осевым колебаниям и имело тенденцию часто менять свое положение в канавке. Такое поведение обусловлено уменьшенным эффектом силы давления и последующим усилением силы инерции, теперь сопоставимой по величине. Верхнее кольцо всегда контактировало с нижней стороной канавки; он перемещался к верхней боковой поверхности в начале такта впуска, когда второе давление на землю равнялось давлению на верхнюю поверхность земли, что позволяло использовать инерцию.Движение третьего кольца, казалось, подчинялось только силе инерции, что подтверждалось чрезвычайно низким давлением, достигнутым в третьей земле. Согласно рис. 9c.3, общие потери картерного газа в картере для этого состояния равны 0,00349 кг / цикл и являются наименьшим значением в этой секции. В этом разделе график радиального зазора был опущен, потому что кольца всегда контактировали с гильзой.

Результаты подтверждают, что кольцевые зазоры являются важными отверстиями для выхода газа. Уменьшение зазора верхнего кольца позволяет меньшему количеству газа течь ко второй контактной площадке, что соответствует результатам, полученным в [12].Увеличение зазора верхнего кольца имеет противоположный эффект, потому что газ, текущий из верхней площадки, будет увеличивать давление во второй площадке, и впоследствии это давление будет действовать как на верхнюю, так и на боковую поверхность второго кольца. Помимо эталона, кольцевые зазоры влияют не только на поток газа, но и на движение кольца. Из рисунков можно убедиться, что каждое движение кольца связано с изменением давления на кривой давления на землю. Однако второй зазор кольца также играет важную роль, что подтверждается моделированием.Большие зазоры второго кольца обеспечивают более высокие скорости потока газа к третьему участку, в то время как небольшие зазоры второго кольца делают наоборот. Высокое второе давление земли заставит верхнее кольцо подниматься чаще, а второе кольцо будет сидеть дольше. Влияние зазора верхнего кольца на динамику второго кольца аналогично влиянию зазора второго кольца на динамику третьего кольца. Комбинация этих двух параметров должна определяться в соответствии с целями, которые должны быть достигнуты. Если цель состоит в том, чтобы ограничить количество картерных газов в картере, рекомендуется уменьшить оба кольцевых зазора, даже если это может повлиять на устойчивость второго и третьего колец.

Изменение массы и упругости

На рисунке 10 представлены результаты моделирования, когда верхние компрессионные кольца заменяются новыми, изготовленными из более тяжелого материала и с увеличенной силой натяжения, как описано в таблице 2.

Результаты для изменения массы и натяжения, случай 2

На рис. 10a.1 показано межкольцевое давление для уровня скорости 2000 об / мин. По сравнению с исходным сценарием, пиковое давление на второй и третьей площадках немного ниже, что эквивалентно повышенной герметизирующей способности кольцевого пакета.Кроме того, кривая давления во второй опоре не является непрерывной во время ее подъема, а показывает небольшое снижение в соответствии с концом такта сжатия, в то время как давление на третьей опорной поверхности показывает небольшой рост. На рис. 10б.1 показаны движения колец для этого случая. Верхнее кольцо более стабильно, чем базовый вариант, показывая только один подъем от середины такта выпуска до середины такта впуска. Как показано на графике, эта подъемная сила не соответствует точке перехода, а соответствует точке, где давление во второй площадке равно верхней площадке, что означает, что движение осуществляется за счет инерции и верхнего кольца. сила натяжения, которая теперь отвечает за более высокую силу трения масла, действующую всегда в направлении, противоположном движению кольца.Второе кольцо, вместо этого, претерпевает изменение осевого положения с первым подъемом в конце такта сжатия, когда давление во второй площадке еще низкое, и вторым подъемом в начале такта впуска только из-за инерции. Несмотря на более высокое натяжение этого кольца по сравнению с исходным случаем, сила инерции оказалась доминирующей и заставляет кольцо подниматься двумя разными ходами. Другая причина связана с конструкцией торца кольца: из-за функции царапания кольца с конической поверхностью имеют меньшую поверхность контакта с масляной пленкой и оставляют более высокую поверхность контакта для давления газа [13].В этом случае увеличение натяжения кольца оказывает меньшее влияние на движения кольца по сравнению с верхним кольцом с цилиндрической поверхностью.

Первый подъем вызывает небольшое повышение давления в третьей площадке, указывая на то, что при движении кольца большее количество газа может течь в соседней области. Третье кольцо не изменило своих характеристик, поэтому его движение было почти таким же, как и в предыдущих случаях. На рисунке 10c.1 показан график радиального зазора, на котором можно заметить, что все три кольца поддерживали контакт с поверхностью гильзы в течение всего цикла.

На рисунке 10a.2 показан график межкольцевого давления, когда моделирование выполняется с частотой вращения двигателя 4500 об / мин. По сравнению с предыдущим случаем, давление на втором участке быстро нарастало, а затем сразу после пикового давления резко падало. Кроме того, второе давление на землю не превышало давление на верхнюю часть земли до такта впуска. С другой стороны, давление в третьей земле следовало за давлением во второй земле, за единственным исключением повышения, когда произошло падение во второй земле.Пиковое давление на втором участке было выше, чем пиковое давление в предыдущем случае, но после падения значение давления оставалось почти постоянным. Напротив, давление на землю третьей опоры поддерживало более высокое давление после того, как произошло падение. На рис. 10б.2 показаны движения колец для этого случая. Движение верхнего кольца было почти идентичным, в то время как второе и третье кольца делали два подъема в одном и том же положении и при одинаковом угле поворота кривошипа во время цикла. Оба эти подъема произошли вблизи ВМТ; тем не менее, ни один из подъемников не мог объяснить падение давления, наблюдаемое на второй земле, и подъем на третьей земле.Чтобы дать пояснение, необходимо обратить внимание на радиальные зазоры на рис. 10c.2. Верхняя и третья поверхности кольца всегда находятся в контакте с гильзой цилиндра, но радиальный зазор второго кольца до гильзы цилиндра достиг почти 16 мкм по сравнению с 5 мкм толщины масляной пленки. Это явное указание на радиальное обрушение второго кольца сразу после пикового давления на суше, что соответствует падению давления, показанному на первом графике.

Расходы газа из каждой канавки приведены на рис.10д.1, д.2. В частности, для второго случая можно увидеть колебание кривой потока ниже второй канавки из-за радиального схлопывания. Общее количество картерного газа, потерянного в картере, составляет 0,01242 кг / цикл для случая 2000 об / мин и 0,0048 кг / цикл для случая 4500 об / мин. Время цикла для второго случая составляет почти треть от первого случая, и по этой причине значение прорыва ниже. На рис. 10e приведены скорость и ускорение поршня для случая 2000 и 4500 об / мин.Когда частота вращения двигателя увеличивается вдвое, ускорение увеличивается на порядок, как показано на рисунке.

Анализ, проведенный в этом разделе, касается влияния изменения массы и статической закрутки двух верхних колец. Очевидно, что увеличение силы натяжения дало лучшие результаты для верхнего кольца, которое сохраняло стабильное поведение как в осевом, так и в радиальном направлениях и на обеих скоростях. Второе кольцо, несмотря на большее увеличение силы натяжения по сравнению с первым кольцом, показало осевое движение и радиальное сжатие при увеличении скорости.Повышенное осевое движение должно быть вызвано повышенной силой инерции, в то время как причины радиального движения более сложны. На скорости 4500 об / мин второе кольцо перемещалось к верхней боковой поверхности канавки в непосредственной близости от фазы горения. Когда произошло возгорание, давление на второй контактной площадке увеличилось, но поскольку инерция была достаточно высока, чтобы противостоять силе давления во второй контактной площадке, кольцо оставалось в своей канавке и блокировало поток газа. В этих условиях сила давления не могла толкать кольцо вниз, а толкала его внутрь в канавке, чему также способствовала конструкция с конической поверхностью второго кольца.Эти результаты согласуются с экспериментами, цитируемыми в [13, 14], где увеличение частоты вращения двигателя и нагрузки увеличивало возможность радиального коллапса. Несмотря на увеличение силы натяжения кольца, этого оказалось недостаточно для предотвращения радиального разрушения второго кольца для данного двигателя. Важность осевого положения кольца при радиальном сжатии также была подчеркнута в [13, 14], но увеличенная сила инерции и конструкция торца кольца привели к появлению новых переменных, с которыми нужно было справиться.Очевидно, что на более высоких скоростях динамику кольца труднее прогнозировать или контролировать и требует многопараметрического подхода.

Статическое изменение скручивания

В этом разделе мы обсуждаем результаты моделирования для случая 3, когда статические скручивания меняются в соответствии с таблицей 3.

На рис. 11a.1, давления между кольцами, полученные для первого случая даны. Когда оба компрессионных кольца имели положительные углы закручивания, все кривые давления имели сходные тенденции с базовым случаем.Разница заключалась в более низких максимальных давлениях на втором и третьем участках, и объяснение можно найти в местах расположения колец на рис. 11b.1. В отличие от всех предыдущих случаев, внутренний и внешний диаметры не находились в одном и том же положении в своих канавках, а оставались скрученными в течение всего цикла. Верхнее кольцо находилось на нижней стороне канавки своим внутренним диаметром до начала такта выпуска, в то время как внешний диаметр менял свое положение в канавке. Из-за этого изменения поток газа во второй площадке мог оказывать свое давление и поднимать сначала диаметр внешнего кольца, а затем все кольцо в соответствии с точками перехода.Внутренний и внешний диаметры второго кольца имели более заметную разницу в их положении, как и ожидалось, из-за большего угла закручивания по сравнению с верхним кольцом. Внутренний диаметр всегда входил в канавку, в то время как внешний диаметр постоянно увеличивался, с подъемом до 30% высоты канавки в конце такта сжатия. В общем, ни одно из колец не занимало крайнего положения в канавке, но всегда было свободно двигаться.

Результаты изменения угла закрутки, случай 3

На рис.11a.2 представлены межкольцевые давления для случая 2. Когда оба статических скручивания были установлены на отрицательные значения, пиковое давление во второй и третьей площадках было немного выше по сравнению с предыдущим случаем. Это явный признак того, что кольца с отрицательной скрученностью менее эффективны для блокировки потока газа по сравнению с кольцами с положительной скрученностью. На рисунке 11b.2 показано расположение двух верхних колец в соответствующих канавках. Как и в предыдущем случае, кольца сохраняли отрицательный угол закручивания во время цикла, садясь в канавки своим внешним диаметром и поднимаясь вместе со своим внутренним диаметром.По сравнению с предыдущим случаем, оба кольца имели большие различия в расположении внутреннего и внешнего диаметра. Из-за отрицательного скрученного положения газ под высоким давлением верхней площадки входил в верхнюю канавку и толкал снизу внутренний диаметр верхнего кольца, который был вынужден подниматься и изменять свое положение в канавке с большей величиной по сравнению с первый случай. В результате верхнее кольцо не могло должным образом перекрыть путь газового потока, и большее количество газа попало во вторую площадку.Поскольку второе кольцо также было скручено отрицательно, то же самое рассуждение может быть применено, что и выше, для третьего давления на землю.

На рисунке 11a.3 показаны межкольцевые давления для случая 3, где статические скручивания кольца изменяются комбинированным образом, положительное скручивание для верхнего кольца и отрицательное скручивание для второго кольца, как описано в таблице 3. Давление в вторая земля аналогична первому случаю этого раздела, сохраняя также ту же тенденцию. С другой стороны, давление в третьей земле выше по сравнению с первым случаем и больше похоже на второй случай.Подъемники колец представлены на рис. 11b.3, где верхнее кольцо сохраняло положительный угол закручивания, в то время как второе кольцо сохраняло отрицательный угол закручивания на протяжении всего цикла. Верхнее кольцо не показывало резкого подъема при угле поворота коленчатого вала 200 градусов, как в двух предыдущих случаях, в то время как положение внутреннего диаметра второго кольца всегда поднималось на половине высоты канавки. Большая разница в расположении внутреннего и внешнего диаметров второго кольца была связана с более высоким углом закручивания (-0.5 °) по сравнению со вторым случаем (-0,3 °). Из-за этой конфигурации способность второго кольца к уплотнению была еще больше снижена, и большее количество газа могло протекать через третью площадку. Как следствие, нижнее второе давление на землю не могло поднять верхнее кольцо на угол поворота коленчатого вала 200, в то время как третье давление на землю было самым высоким из трех случаев.

Осевое расположение третьего кольца было исключено из обсуждения по следующим причинам: во-первых, не изменился его угол закручивания; Вторая причина связана с более низкими давлениями, действующими сверху и снизу, которых недостаточно, чтобы ограничить это кольцо, как предыдущие.На рис. 11c.1 – c.3 показаны расходы газа для каждого случая. Общее количество картерного газа составляет 0,0107705, 0,011194 и 0,011554 кг / цикл соответственно. Согласно результатам, наилучшие характеристики достигаются в первом случае, когда оба кольца имеют положительную статическую закрутку, а наихудшие характеристики — в третьем случае, когда кольца имеют комбинированную статическую закрутку. Посередине находится исполнение второго случая, когда оба кольца имеют отрицательную статическую закрутку. Результат первого случая совпадает с теоретическим обоснованием и результатами, полученными в [15, 16]; с другой стороны, результаты во втором и третьем случаях неожиданно оказались инвертированными по сравнению с ожиданиями из литературы.

Во время моделирования ни одно из компрессионных колец не показало осевого флаттера или радиального сжатия, несмотря на большие значения угла закручивания. Согласно этому обсуждению угол закручивания второго кольца имел большее влияние на герметизирующую способность всего пакета колец. В частности, отрицательный угол имеет пагубный эффект, а положительный угол может принести положительный эффект.

Сравнительный анализ

Из-за большого количества данных, обсуждаемых в верхних разделах, необходимо собрать результаты по всем случаям и провести сравнение между ними.Для большей наглядности на рис. 12 представлены все результаты моделирования.

Если взять за образец базовый вариант, который соответствовал исходной конструкции, все три параметра, описанные выше, могли повлиять на характеристики уплотнения, но кольцевые зазоры имели наибольшие. В результате возникла проблема с кольцевыми массами, поскольку они способствовали движению кольца из-за инерции и исключали преимущества затяжки из-за увеличения силы натяжения кольца.