Как найти расход воздуха в двигателе

Расчет потребления воздуха двигателем внутреннего сгорания

Всем привет. После публикации последнего поста меня стали спрашивать о том, как все-таки правильно рассчитать массовый расход воздуха и узнать максимально возможную мощность двигателя. Сами расчеты очень простые, больше времени уходит на конвертацию привычных нам единиц измерения в забугорные- футы, фунты, ПиЭсАи и т д. Но если делать данную процедуру регулярно, то перевод одних единиц измерения в другие становится привычным делом и никаких затруднений не вызывает.
Итак, что нам нужно, чтобы посчитать массовый расход воздуха двигателя и узнать его максимальную мощность (сразу оговорюсь, данные расчеты применимы к обычному топливу нормального качества, скажем хорошему 98 бензине. На 95 бензине мощности наверняка будет поменьше, чем рассчетная, на 100ом побольше, на спортивном топливе или при добавлении водометанольного впрыска будет еще больше, но это уже отдельная тема, которая многократно описана в сети, в том числе и на Драйве)? Нам нужно знать всего несколько параметров: объем двигателя, обороты максимальной мощности, объемную эффективность двигателя на этих оборотах ( ВЕ), наддув турбокомпрессора на этих оборотах.
Предлагаю, сразу, для упрощения, производить все расчеты на примере, чтобы было сразу понятно, что и откуда берется.
Здесь нужно упомянуть еще один важный момент- все наши расчеты максимальной мощности будут основываться на утверждении, что для того, чтобы получить мощность в 10 лошадиных сил, нужно иметь массовый расход воздуха в 1 фунт воздуха в минуту ( lbs/min). Это общепринятое утверждение в западном автомире, которое достаточно приемлимо отображает состояние дел в теме бензиновых двигателей с турбокомпрессорами. Соотвественно, исходя из этого соотношения 1 фунт в минуту к 10 лошадиным силам, нам будет необходимо расчитать массовый расход воздуха в фунтах в минуту и умножить на 10.
Для примера возьмем 3-х литровый двигатель от Тойота Супра- старый ( без VVT-i), добрый, стоковый турбированный 2jz-gte. Попробуем просчитать его мощность на 5600 оборотов при стоковом наддуве ( насколько я помню, в пике он дует 0.9 бара с откатом до 0.6 к отсечке).
1) Переводим объем двигателя 3 литра в кубические сантиметры, 3 литра = 3000 кубических см.
2) Переводим объем двигателя из кубических сантиметров в кубические дюймы, 3000 х 0.061 = 182.817 кубических дюйма. Именно такой объем воздуха теоритически может пройти через двигатель в атмосферном режиме ( т е без турбонаддува)
3) Поскольку на 4-х тактном двигателе полный объем воздуха проходит через двигатель за 2 оборота коленвала, то нам необходимо узнать, сколько воздуха проходит через двигатель за 1 оборот коленвала. Для этого мы объем в кубических дюймах делим пополам, 182.817 / 2 = 91.4085 — столько кубических дюймов воздуха может максимально теоритически пройти через наш двигатель за 1 оборот коленвала.
4) Теперь необходимо объем двигателя из кубических дюймов перевести в кубические футы ( больее объемная единица измерения, это как кубические сантиметры перевести в кубически метры). Для этого 91.4085 кубический дюйм делим на 1728, получаем 91.4085 / 1728 = 0.052898 — столько кубических футов воздуха теоритически может пропустить через себя двигатель за 1 оборот коленвала.
5) Теперь нужно посчитать объемную эффективность ( ВЕ) двигателя на данных оборотах ( напомню, мы считаем мощность при 5600 оборотах двигателя). Можно пойти сложным путем и вычислить ВЕ с помощью достаточно сложных манипуляций или измерений, а можно взять общепринятые цифры, приблизительная аккуратность которых не сильно повлияет на конечный результат. У стандартного двигателя с 2мя клапанами на цилиндр типичное значение ВЕ будет 80 процентов. У стандартного двигателя с 4мя клапанами на цилиндр, типичное значение ВЕ будет 85 процентов. У стандартного двигателя с 4мя клапанами на цилиндр и системой изменяемых фаз распредвалов ( VVT-i, VTEC, MIVEC и т д), типичное значение ВЕ будет 95 процентов ( значение ВЕ будет меняться с оборотами двигателя, самый высокий ВЕ всегда на пике крутящего момента, да и сам график ВЕ двигателя практически совпадает с графиком момента этого же двигателя в его атмоварианте) . ГБЦ старого двигателя от Супры далека от совершенства ( кто видел ее вживую, тот согласится, что там, мякго сказать, есть, что улучшить), поэтому мы возьмем усредненную цифру для ГБЦ с 4мя клапанами на цилиндр -85 процентов. Это означет, что на данных оборотах, в виду всевозможных мелких препятствий во впускной системе, а так же в виду того, что воздуху тоже необходимо какое-то врямя для набора максимальной скорости после начала движения в двигатель, не весь теоритический объем двигателя успевает заполнится воздухом во время такта впуска, а лишь 85 процентов его объема. Т е 0.052898 кубических футов воздуха смогут заполнится лишь на 85 процентов при 5600 оборотов двигателя. Считаем, 0.052898 Х 0.85 = 0.044964 кубических фута воздуха проходит в реальности через двигатель за 1 оборот коленвала.
6) Теперь мы знаем реальный расход воздуха за 1 оборот коленвала при 5600 оборотах двигателя в минуту и можем посчитать общий расход воздуха на этих оборотах. Для этого 0.044964 кубических футов просто умножаем на 5600 оборотов, 0.044964 х 5600 = 251.7966 кубических футов воздуха проходят через двигатель на 5600 оборотов двигателя в реальности ( с погрешностью на допустимую приблизительность ВЕ). Мы узнали объемное потребление воздуха двигателем в атморежиме при 5600 оборотов в минуту. Теперь можем переходить к наддуву.
7) Для дальнейших расчетов нам необходимо вычислить следующий параметр — Pressure ratio компрессора. В большинстве случаев указывается очень простая формула для расчета этого параметра: к атмосферному давлению прибавляют давление наддува и результат делят на атмосферное давление. К примеру, если у нас на 5600 оборотах давление наддува состовляет 0.6 Бара, то Pressure ratio будет равно (1+0.6) / 1, т е 1.6/1 = 1.6- таково значение Pressure ratio при наддуве 0.6 Бара. На самом деле все немного сложнее — производитель турбокомпрессоров Гарретт рекомендует немного другую формулу для определения более точного значения Pressure ratio: атмосферное давление + наддув+ потери во впускном тракте нужно поделить на атмосферное давление минус потери во впуске перед турбокомпрессором. Поскольку во впуске после сжатия воздуха турбокомпрессором обязательно будут потери давления ( в интеркуллере и его пайпах ), то чтобы получить давление во впускном коллекторе в 0.6 Бара, турбокомпрессору придется немного напрячься и “выдуть” чуть больше, где-то 0.74 Бара ( т е дополнительно до 2 psi). Перед турбокомпрессором всегда создатеся небольшое разрежение, так же из-за препятствий на впуске, об которые воздух ” тормозится”. Поэтому на впуске атмосферное давление будет не 1 Бар, а в районе 0.95 Бара ( это значение может меняться в зависимости от “затычности” впуска до турбины). Пересчитываем Pressure ratio с новыми, более точными данными, получаем ( 1+0.74) / 0.95, т е 1.74 / 0.95 = 1.84 — это значение Pressure ratio при наддуве турбины 0.6 Бара
8) Теперь нам необходимо получить значение следующего параметра -Density ratio. Для этого мы смотрим таблицу на фото. На горизонтальной оси находим значение Pressure ratio, которое мы высчитали ( 1.84) и идем вверх до пересечения с одной из цветных линий ( каждая из них соответствует определенной термоэффективности турбокомпрессора и интеркуллера — чем эффективнее работает компрессор и охлаждает интеркуллер, тем менее нагретый воздух поступает в двигатель, чем он менее нагрет, тем он более плотен). При пересечении цветной линии, соответсвующей нашему конфигу, смотрим на вертикальную ось и находим значение Density ratio, при котором наша линия и наше Pressure ratio пересеклись. В данном случае мы видим на вертикальной оси значение 1.6 — это и есть значение нашего Density ratio. Эта цифра- коэффициент эквивалента увеличения плотности воздуха, поступающего в двигатель при наддуве в 0.6 Бара.
9) Теперь считаем объем воздуха, проходящий через двигатель при наддуве 0.6 Бара при 5600 оборотов. Как мы помним, в атморежиме наш двигатель пропускал через себя 251.7966 кубических футов воздуха при 5600 оборотов. Турбокомпрессор увеличил плотность с коэффициентом 1.6 ( Density ratio), считем новый объем, 251.7966 х 1.6 = 402,8745 — столько кубических футов воздуха в эквиваленте при нормальных условиях пропускает через себя наш двигатель при 5600 оборотах и наддуве 0.6 Бара.
10) Как я и говорил в начале, для определения мощности, нам необходимо узнать массовый расход воздуха в фунтах в минуту. Для того, чтобы узнать сколько фунтов воздуха находится в 402.8745 кубических футах, необходимо 402.8745 кубических футов умножить на 0.069, 402.8745 х 0.069 = 27.80 фунтов воздуха потребляет наш двигатель в минуту.
11) Изначально мы согласились с тем, что для производства мощности в 10 лошадиных сил, нам необходим расход воздуха в 1 фунт в минуту. Соответственно при массовом расходе воздуха 27.8 фунтов в минуту на 5600 оборотов, мощность двигателя будет близка к 27.8 х 10 = 278 лс. Смотрим в каталог- старый 2jz-gte, 5600 оборотов- мощность 280 лс. Разница с нашими расчетами всего 2 лс.
Вот собственно и все. Рассказывать об этом гораздо дольше, чем просто посчитать))
Ну а дальше можно пробовать применятьь эти расчеты на любых примерах- стоковые автомобили, графики со стендов и т д и т п… Можно самим будет оценивать адекватность цифр и замеров. Здесь, например, очень все адекватно… www.drive2.ru/b/3227349/

Для
измерения расхода воздуха, потребляемого
двигателем, в настоящее время наибольшее
распространение объемные расходомеры
роторного типа (рис,8).
Под действием перепада давлений на
входе в расходомер и выходе
из неге роторы-поршни, связанные между
собой шестернями и имеющие в поперечном
сечении форму гантели. Вращаясь роторы
отмеряют за пол оборота определенный
объем воздуха (мерный объем). За каждый
оборот роторов дважды происходит захват
воздуха в полости и дважды выталкивание
из них.

Д

Рис.
1.8. Расходомер роторный

ля определения количества прошедшего
через расходомер воздуха необходимо
определить число оборотов одного из
волов ротора в единицу времени и умножить
на величину мерного объема. Это выполняется
при помощи фотоэлектрического датчика.
Блок обработки сигнала подсчитывает
число оборотов за 1 секунду и вычисляет
объемный расход воздуха.

Массовый
расход воздуха определяется по формуле:

, (1.3)

где V
– объем
израсходанного воздуха

ρ
– плотность
воздуха

Гидравлическое
сопротивление такого расходомера
составляет 10 – 30 мм водяного столба,
поэтому включение его в систему
воздухоснабжения двигателя не отражается
на показателях его работы.

2.4. Измерение температуры.

Для
измерения температуры жидкости в системе
охлаждения, масла в картере двигателя
и
воздуха,
поступающего в двигатель, обычно
применяют термометры
сопротивления.
Принцип работы такого термометра основан
на свойстве проводников изменять
электрическое сопротивление при
изменении температуры.

Для
изготовления датчиков термометров
сопротивления
применяют
тонкую
платиновую или медную проволоку.
Конструктивно датчик представляет
собой пластинку из диэлектрика (слюды,
стекла, текстолита), на которую наматывается
проволока. Пластинка с обмоткой помещается
в тонкий латунный корпус размером 6х100
мм и устанавливается в измеряемую среду.

Платиновые
термометры сопротивления применяют
для измерения температуры в диапазоне
от -200 до +500^оС;
медные термометры сопротивления – для
температур от -50 до +150°.

Чтобы
судить о температуре, измеряемой
термометров сопротивления, необходимо
определить его электрическое сопротивление
R_t

Обычно
для этой цели применяют мосты сопротивления
и логометры. На рис.9
приведена такая схема неравновесного
моста.

При
этом способе миллиамперметр, включенный
в измерительную диагональ моста (показан
на рис. 7пунктиром),
будет показывать значение тока небаланса
моста, пропорциональное измеряемой
температуре. Если сопротивления R1,
R2,
R3
постоянны,
то ток небаланса будет меняться в
соответствии с изменением R_t
= f(
t
).
Величина тока небаланса зависит также
от напряжения питания моста, которое
следует поддерживать неизменным.
Измерение производится цифроизмерительным
прибором, сигнал к которому от диагонали
моста поступает через нормирующий
преобразователь.

Рис.
1.9. Схема измерительного моста

Термоэлектрические
термометры
основаны на использовании термоэлектрического
эффекта: возникновении термоэлектродвижущей
силы при нагреве места спая двух
проводников из разнородных металлов
или сплавов, обусловленной различием
в скоростях и энергиях свободных
электронов в различных металлах. Спаянную
(сваренную) таким образом пару разнородных
проводников называют термопарой.
Термоэлектродвижущая сила, развиваемая
термопарой, в определенном интервале
температур прямо пропорциональна
разности температур между горячим спаем
и
холодными
концами, которые присоединяются к
измерительному прибору. С помощью
термопар обычно измеряют высокие
температуры, в частности, при испытании
двигателей: температуру отработавших
газов, деталей двигателя, стенок цилиндра
и
др.

Самые
точные и стабильные термопары изготавливает
из благородных металлов: чистой платины
и
сплава
платины и
родия
(платинородий)

Для
измерения температурь; отработавших
газов двигателей обычно применяют
термопары хромель-алюмель (предел
измерения до 1000°С) и хромель-копель
(предал измерений до 500С°С).

По
действующим ГОСТам на испытания
двигателей погрешность
измерения
температуры допускается в пределах:
отработавших
газов
±
(10…20°С);
охлаждающей жидкости
и масла
±
(2…3°С);
потребляемого воздуха
±
1°С.

Unit Converter