Fyzika spalovací komory. Část 9. Napájení spalovacího motoru nebo organizace dodávky směsi paliva se vzduchem — POHON2

Doufám, že nejsem sám, kdo čekal na pokračování mé série článků “FKS”, takže dnes nebudeme jen kroutit mechaniku, jako tomu bylo v minulé sérii článků, ale už to zkusíme aby směsí poháněl spalovací motor a fungoval.

Mnohým se může zdát, že po zvážení chování ShPG a klikové hřídele by bylo vhodné otočit vačkovou hřídel a zvednout ventily, ale ujišťuji vás, že bez pokusu o virtuální nastartování motoru s u nás neznámou konfigurací rozvodu plynu Bylo by extrémně nepohodlné okamžitě se vrhnout do procesu plnění. Proto si dnes představíme nějaký benzinový spalovací motor a začneme jej oživovat.

Co je nutné, aby sestavený motor začal fungovat? Právo! Vzduch, palivo a zapalování.

Dnes se podíváme pouze na vzduch a palivo.

Souhlas, nemá smysl nalévat palivo do válců, když netušíme, kolik vzduchu se tam dostává. Totéž lze říci o zapalování. Proto vždy vše začíná ze vzduchu.

Spotřebu vzduchu ve skutečnosti určují konstrukční vlastnosti atmosférického motoru. Ani elektronika, ani nic jiného nemůže tyto zákony změnit. Ale motorem myslím nejen sloupek, ale i sání a výfuk.

Nyní začneme otáčet (prozatím násilně, protože ještě nevíme, jak jej pohánět) klikovým hřídelem motoru. Motor začne fungovat podobně jako kompresor. Cítíme podtlak v sacím potrubí, cítíme tlakové pulzace ve výfukovém potrubí. Nesmíme ale zapomínat, že úkolem spalovacího motoru není nikam pumpovat tlak, takže výfuk musí být otevřený do atmosféry.

Jak jsme již uvedli, v sání je určitý vzduchový podtlak. I se staženým plynem. To je v pořádku. Vzduch je vtlačen do pístů ze sběrného potrubí, ale nepustí ho zpět, ale je vržen do výfukového systému. S tím teď budeme pracovat.

Nejprve si definujme, co je vakuum? To je nějaký tlak pod atmosférickou hodnotou, tzn. 1 bar nebo 100 kPa. Mnoho lidí je zmateno koncepty pěstování vzácnosti a rostoucího tlaku, zvláště když čelí různým typům literatury.

Ujasněme si, že nulové vakuum se rovná atmosférickému tlaku. A vakuum 1 bar (někde se můžete setkat s pojmem podtlak, tj. – 1 bar) je nulový tlak, tzn. vlastně vakuum. Je důležité pochopit, že podtlak jako takový nemůže v přírodě existovat, je to prostě termín pro pohodlí při práci s řídkými systémy. Tlakový rozdíl může být i mínus 100 bar, ale tlak ani při mínus 0,0000001 bar nemůže existovat.

Takže když říkáme „tlak“, jedná se o absolutní tlak. Když říkáme „vakuum“, budeme hovořit o rozdílu mezi atmosférickým tlakem a absolutním tlakem systému (pro odbočku řeknu, že když říkají, že turbína je nastavena na 0,5 baru, znamená to přetlak t.j. ve skutečnosti znamená 1,5 bar absolutního tlaku).

Vraťme se tedy k našemu motoru. Když se motor netočí, tlak v sacím potrubí se rovná atmosférickému tlaku. Když jím začneme otáčet, se zvyšující se rychlostí se začne zvyšovat vakuum v rozdělovači, jinými slovy začne klesat absolutní tlak. A čím menší je průřez pro pronikání vzduchu do potrubí (tj. otevírací mezera škrticí klapky nebo otvor vzduchového ventilu volnoběhu nebo trysky), tím větší bude vakuum na stejném motoru při stejném rychlost.

Praxe ukazuje, že v režimu udržování rychlosti, tzn. pro kompenzaci pouze vnitřních sil je obvykle zapotřebí vakuum 0,6. 0,8 bar (nebo 0,2. 0,4 bar absolutní tlak). Co to znamená? Faktem je, že bez ohledu na to, kolik otáček s motorem vyvinete, podtlak zůstává téměř stejný (změna není tak výrazná, maximálně 0,1 baru), pokud se otáčky nezvýší. Zde má mnoho lidí rozumnou otázku: jak je to možné? Ale co různé velikosti motoru a jak se může motor otočit vícekrát za sekundu, když je tlak téměř stejný? Předem odpovím: u velkých motorů proto montují větší škrtící klapky a volnoběžné ventily se otevírají na větší hodnotu a co se týče zvýšených otáček, odpověď je v samotné otázce: ano podtlak je stejný, ale množství vzduchu vstupujícího do válce za jednotku času je delší při vyšších otáčkách než při nízkých otáčkách. Tito. motor se vždy snaží dosáhnout této hodnoty podtlaku v sacím potrubí malými úpravami, aby překonal rostoucí síly.

Jak se mění otáčky motoru? Otevřeme škrticí klapku, zvětšíme průřez nasávání vzduchu, podtlak klesá (tj. tlak se zvýší a přiblíží atmosférickému), takže se otáčky zvyšují, dokud podtlak v rozdělovači opět nedosáhne hodnoty, kterou požadujeme.

Jak víte, kolik vzduchu se u papoušků dostane do válců? Zde přichází na pomoc zákon Mendělejev-Clapeyron. Pravda, je to pro ideální plyn, ale pomůže nám to pochopit podstatu pro absolutně neideální vzduch:

p – absolutní tlak (v Pa),
V je objem vzduchu (v metrech krychlových),
m – hmotnost vzduchu (v g),
R je univerzální plynová konstanta (R = 8,314 J/(mol*K)),
T – teplota vzduchu (v Kelvinech),
M – molární hmotnost vzduchu (28,98 g/mol)

Pro ty fajnšmekry C soustavy vysvětlím, že jsem schválně zavedl gramy, nikoli kilogramy, protože jsou zkráceny pro hmotnost a molární hmotnost.

Takže je dobře, že jsme kurz fyziky trochu osvěžili, ale zatím nám to nedá absolutně nic. Pojďme dál:

Vyjádřeme hmotnost pomocí tlaku:

Ale to už nám něco dává. Pomocí tohoto vzorce můžeme vypočítat, kolik vzduchu se dostane do motoru během celého cyklu, tzn. 2 otáčky (nezapomeňte, že nyní mluvíme o čtyřdobém motoru).

Dosazením zdvihového objemu motoru za V tedy můžeme vypočítat hmotnost vzduchu spotřebovaného motorem za dvě otáčky. Měl bych poznamenat, že v praxi se jako objem nebere skutečný objem motoru, ale zavádí se pojem faktor plnění, který může být menší nebo větší než 1 a jeho hodnota se může lišit v závislosti na otáčkách . Ale to je přesně to, co dělá věda o distribuci plynu, a proto jsme toto téma zatím odložili. Prozatím budeme předpokládat, že náš faktor plnění je vždy roven jednotě.

Takže se dostáváme k nějakému příkladu:

Vstupní tlak – 30 kPa (jak je napsáno výše),
Objem motoru – 2 litry nebo 0,002 metrů krychlových,
Teplota vzduchu – 27 stupňů Celsia (nebo 300 K).

m = p*V*M/ (R*T) = 30 000 Pa * 0,002 m3 * 28,98 g/mol / (8,314 J/(mol*K) * 300 K) = 0,697 g

Ti, kteří jsou obzvláště pozorní, si možná všimli, že pokud zadáte hodnoty ne v Si, ale nahradíte Pa kPa a metry krychlové za litry, výsledek bude stejný.

Zjistili jsme tedy, že 4taktní 2litrový motor v režimu udržování otáček spotřebuje 0,697 g vzduchu na 2 otáčky.
Pokud má tento motor 4 válce, tak jeden válec spotřebuje čtvrtinu na sací zdvih, tzn. 0,174 gramů vzduchu.
Pokud je motor 6válcový, tak jeden válec spotřebuje jedenapůlkrát méně než čtyřválec, tzn. 0,116 gramů.

Když se škrticí klapka otevře, tlak v rozdělovači se zvýší (a podtlak klesne – nezapomeňte). Pokud z volnoběhu otevřeme plyn naplno, pak podtlak dosahuje cca 0,1 bar, nebo absolutní tlak 0,9 bar.

Poté ve dvou otáčkách začne do stejného motoru proudit vzduch o následující hmotnosti:

m = p*V*M/ (R*T) = 90 kPa * 2 l * 28,98 g/mol / (8,314 J/(mol*K) * 300 K) = 2 g

Pokud jste si všimli, změnil jsem pouze rozměry pro pohodlí.

S rostoucími otáčkami se bude zvyšovat podtlak, jelikož při stejném průřezu otevřené škrticí klapky se bude zvyšovat počet otáček za minutu, až opět dosáhneme nízkého tlaku v potrubí řádově 0,2. 0,3 atmosféry. .

Aby nedošlo k nedorozuměním, upřesním jeden bod: když se podtlak zvýší a otáčky se ustálí, v žádném případě to neznamená, že motor začne spotřebovávat tolik vzduchu jako předtím. Navíc při výrazném zvýšení rychlosti spotřebuje ještě více než při otevření plynu. Dovolte mi vysvětlit:

Otevřeli jsme plyn na 1000 ot./min. Tlak v potrubí vzrostl na 0,9 bar. Začali jsme spotřebovávat 2 gramy vzduchu na 2 otáčky. Tito. 1000 g/min.
Motor nyní dosáhl 6000 ot./min. Tlak v potrubí klesl na 0,3 baru. Začali jsme spotřebovávat 0,697 gramu na 2 otáčky. Ale zároveň je to již 2091 g/min.

Když půjdeme do detailu, můžeme říci, že hodnoty vakua a tlaku, o kterých jsme mluvili, jsou brány jako průměrné. V sacím potrubí totiž neustále pulzují proudy vzduchu a pulzuje i tlak. Ale to je úkol vážnější úrovně a tyto jemnosti jsou opět brány v úvahu při výpočtu mechanismů distribuce plynu a při výpočtu sacích potrubí. Opakovaně v rozhovorech říkám, že správně navržené sací potrubí, stejně jako výfukové, je klíčem k dobrému chodu spalovacího motoru. Ale to je úplně jiné téma =)

Doslova jsme jen otočili motor a pozorovali, kolik vzduchu spotřebuje. Nechceme ale plýtvat vlastní silou a energií na čerpání vzduchu ze sání do výfuku, ale naopak chceme, aby se motor sám točil a dokonce nás nesl. A jak to řídil!

Fyzikální zákony říkají: „Za všechno se musí platit.“ Energie odnikud nepřichází a nikam neodchází. Ve spalovacím motoru se energie odebírá z paliva. V našem případě – z benzínu.

Abyste věděli, kolik paliva dodat, musíte vědět, kolik kyslíku vstupuje do lahví. Nedávno jsme se naučili počítat, kolik vzduchu se dostane dovnitř, což znamená, že můžeme pochopit, kolik kyslíku je s ním.

Předpokládá se, že hmotnostní podíl kyslíku ve vzduchu je přibližně 23,1. 23,2 procenta. V důsledku toho dříve diskutovaný dvoulitrový motor spotřebovává při stejné teplotě ve dvou otáčkách:

Při tlaku v potrubí 0,3 bar – 0,697 g * 0,231 = 0,161 g kyslíku
Při tlaku v potrubí 0,9 bar – 2 g * 0,231 = 0,462 g kyslíku

Předpokládá se, že optimální poměr vzduch-palivo je 14,7 nebo kyslík-palivo 3,4. Ve skutečnosti je obvykle maximálního výkonu dosaženo při přibližně 12,6. 13,6 vzduch/palivo a minimální spotřeby při 15.

Rozhodněme se zachovat stechiometrii a zapišme naše palivové mapy podle AFR = 14,7.
Poté ve dvou kolech musíme odeslat:
Při tlaku v potrubí 0,3 bar – 0,161 g kyslíku / 3,4 = 0,047 g paliva
Při tlaku v potrubí 0,9 bar – 0,462 g kyslíku / 3,4 = 0,135 g paliva.

Pokud je náš motor čtyřválcový, musíme dodat jeden vstřikovač se sekvenčním vstřikováním 4x méně:
Při tlaku v potrubí 0,3 bar – 0,047 g /4 = 0,0117 g paliva
Při tlaku v potrubí 0,9 bar – 0,135 g / 4 = 0,0337 g paliva

Pokud se motor točí maximální rychlostí 6000 ot./min., pak jedna otáčka proběhne za 0,00016 minuty. Sací zdvih je dokonce dvakrát kratší, tzn. 0,00008 minut. Za tuto dobu musíme stihnout dodat 0,0117 gramu paliva (domníváme se, že sací systém je konfigurován tak, že podtlak je již 0,3 baru a nemá smysl ho dále otáčet). Pak potřebujeme trysku s následujícím výkonem:

0,0117 g / 0,00008 minut = 146,25 g/min při jmenovitém tlaku v rozdělovači paliva.

Když znáte výkon našeho vstřikovače, můžete vyplnit tabulku v závislosti na době otevření vstřikovačů na dvou parametrech: rychlost a zatížení. Výsledkem je trojrozměrný obrázek, který zájemci viděli více než jednou.

Ve skutečnosti nejsou všechny tabulky spočítány, jak bychom si mohli myslet. Faktem je, že tento rozdíl mezi hodnotami 0,3 a 0,9 bar je nejčastěji zajišťován vakuovým regulátorem tlaku v palivové liště a tabulky jsou sestaveny s pochopením toho, jakou korekci tlaku, a tedy i výkon, provádí regulátor tlaku rozdělovače paliva. Relativně řečeno, pokud regulátor zajišťuje, že se výkon vstřikovače mění lineárně se změnou tlaku, pak je v nejjednodušším případě možné vytvořit tabulku pouze v závislosti na otáčkách, přičemž v každém případě je zachován poměr vzduch-palivo 14,7. Opět i v případě takto ideálního regulátoru tlaku se v praxi staví trojrozměrná tabulka, protože vstřikovače mají určité prodlevy od začátku otevírání až po dodávku paliva (prodleva vstřikovačů) a s rostoucí zátěží (klesající podtlak ) se obvykle stále vzdalují od základních 14,7. XNUMX a začínají aktivněji nalévat, aby zvýšily výkon, čímž se zlepší dynamický výkon.

Pro dnešek končím, protože už mě nebaví psát. Snažil jsem se informace zprostředkovat co nejpřístupněji. Ano, motor jsme samozřejmě ještě nenastartovali, ale jednoduše smyli olejový film z pístů, přičemž jsme olej ředili benzínem, protože jsme nikdy nedali jiskru, ale lili a lili do válců, ale tohle množství informací bude nějakou dobu trvat, než budete muset porozumět.

Na závěr řeknu, že algoritmus pro hodnocení nasávání vzduchu není vždy založen na vakuu, jako v karburátorových systémech a systémech se snímačem hmotnosti MAP (MAF) a méně často na objemovém průtoku vzduchu (VAF, v běžné mluvě). – lopata) senzory se používají velmi dobře. Každý, kdo má zájem, si o nich může přečíst a v případě potřeby zde sdílet odkaz pro ostatní.

To je zatím vše =)
Pokračování ;)

Účel palivového systému je mnohým jasný. Jedná se o funkci dodávky a dávkování paliva do spalovací komory. Ale většina lidí si ani neuvědomuje, jak sací systém a stav součástí motoru ovlivňují proces efektivního spalování paliva.

Ale má to obrovský význam!

Funkcí sacího systému je dodávat a regulovat množství vzduchu potřebného do motoru. Vychází z rozdílu tlaku ve válcích a atmosféře, na sacím zdvihu.

Palivové a sací systémy

Totéž platí pro vzduchový filtr vašeho auta. Průměrné auto spotřebuje až 100 kubíků atmosférického vzduchu na 15 km. Pokud filtr nevyčistíte, prach a nečistoty z vozovky v něm se dostanou dovnitř motoru. To povede ke zhoršení výkonu stroje a v důsledku toho k nákladným opravám motoru. Filtr u benzínových motorů navíc funguje jako regulátor teploty hořlavé směsi. Se znečištěním filtru se zvýší odpor proudění vzduchu. To znamená, že množství vzduchu vstupujícího do motoru začíná klesat. Ve většině případů to povede k obohacení směsi a nedokonalému spalování.

V souladu s tím výkon motoru se sníží, spotřeba paliva se zvýší, stejně jako se zvyšuje koncentrace toxických látek ve výfukových plynech.

První prvek vzduchového systému: vzduchový filtr

Pojďme zjistit, co je tento tajemný indukční systém a proč „zdraví“ vašeho auta přímo závisí na jeho účinnosti?

Už jste si toho začali všímat motor již nevyrábí stejný výkon, ze kterého jste byli potěšeni při koupi auta a detonace, která se objevila, je prostě otravná. Nejnepříjemnější ale je, že vaše auto začalo spotřebovávat neslušné množství paliva a oleje a to není nejlepší způsob, jak ovlivnit tloušťku vaší peněženky.

Je to velmi jednoduché – selhal indukční systém vašeho vozu a vyžaduje zvýšenou pozornost. Zároveň jen málo majitelů automobilů ví, že efektivní provoz sacího systému přímo závisí na kvalitě a správném fungování několika součástí, jmenovitě palivového systému, vstřikovacího systému a celkového stavu všech vnitřních jednotek a součástí motoru. Celkový stav lze zase charakterizovat jak opotřebením, tak stupněm znečištění systémů vozidla nejrůznějšími usazeninami.

Pravděpodobně jste přemýšleli o tom, jaké životní faktory ovlivňují vaši pohodu. Je jich poměrně hodně. Ráno jste se však cítili skvěle, ale po obědě v nádražní jídelně se váš zdravotní stav náhle vážně zhoršil. Bohužel se to stává. Něco podobného se stane s vaším „železným koněm“.

Co se děje?

Mnoho lidí si neuvědomuje, co vzduchový filtr dělá pro motor auta. Mezitím funkce, které vykonává, mohou být porovnat s funkcemi, které plní naše plíce. Pokud dýcháte čistý vzduch, snadno a volně, budete šťastní a zdraví. Pokud jsou vaše plíce špinavé, ovlivní vše, co děláte.

Když je do motoru dodáváno více paliva, než je nutné, a méně čistého vzduchu, než je požadováno, dochází k nesprávné tvorbě směsi pro zapálení ve spalovací komoře.

Druhý prvek: sací potrubí a jeho součásti

Hlavním prvkem systému je sací potrubí s jeho komponenty a sací ventily. Objem nasávaného vzduchu je úměrný objemu válce motoru. Množství přiváděného vzduchu je regulováno polohou škrticí klapky v závislosti na provozních režimech motoru.

U motorů s přímým vstřikováním paliva fungují kromě škrticí klapky ventily, které mění délku potrubí. Kombinovaný provoz těchto ventilů zajišťuje několik typů tvorby směsi:

— tvorba směsi vrstva po vrstvě;
– špatná tvorba homogenní směsi;
— tvorba stechiometrické homogenní směsi.

Rozměry všech průchodů v systému přívodu vzduchu jsou konstantní a jsou vytvářeny výpočtem objemu vzduchu, který jimi prochází, nezbytný pro efektivní tvorbu a spalování směsi paliva a vzduchu. Během provozu motoru se však na površích systému sání vzduchu tvoří usazeniny, které mají zásadní vliv na velikost průtokových cest. To doslova fyzicky snižuje průchodnost kolektoru a snižuje množství potřebného vzduchu.

Systém začne fungovat nesprávně, což zase ovlivňuje schopnost zcela spálit palivo a dosáhnout maximální účinnosti motoru.

Třetí prvek: sací ventily

Člověk se dusí a sípe, začíná odmítat a cítí se slabý. Co se děje?!

Co se stane, je to, že vy jste motor a vaše srdce a plíce nedostávají dostatek vzduchu, aby fungovaly efektivně.

Ale máte srdce a plíce, a to vám pomůže pochopit systém nasávání motoru. Zde je postup:

• Dýcháte vzduch do plic, abyste okysličili krev, stejně jako sací ventily vpouštějí vzduch do spalovacích komor, aby se mohl smíchat s palivem.
• Výfukové ventily umožňují únik zbytkového plynu z komory a vytvářejí prostor pro více vzduchu. Je to jako s výdechem.
• Chlopně ve vašem srdci udržují krev proudící správným směrem a udržují vaše srdce v maximálním výkonu. Sací ventily propouštějí vzduch ze sacích ventilů a výfukové ventily vypouštějí vzduch ven. Tím je zajištěno, že se vzduch pohybuje správným směrem.

<strong>Co se stane, když ventily nepropouštějí vzduch dovnitř ani ven?</strong>

Ventily jsou ovládány vačkovým hřídelem. Stejně jako se vaše srdce rozšiřuje a stahuje, aby protlačilo krev vaším tělem, vačkový hřídel poskytuje zdvih, který otevírá ventily v synchronizaci se zdvihy pístu. Pružina je pak rychle vrátí do původní polohy, aby utěsnila spalovací komoru.

Skutečná vzdálenost, kterou ventil urazí, může být pouhým okem nevýznamná, ale váš motor (jako vaše srdce) vyžaduje přesnost. Ventil, který se drží nebo nesedí správně, může umožnit únik vzduchu a plynu. Dokonce i tisíciny palce mohou ovlivnit výkon motoru.

Co způsobuje slepení ventilů?

Dříve byly motory konstruovány se vstřikovači paliva na sání. To znamená, že při každém vstřiku bylo palivo nastříkáno na zadní část sacích ventilů. Ventily byly umyty. Při 2000 otáčkách za minutu dostávaly vaše ventily každou minutu 2000 malých „vaniček“.

Nyní je v moderních motorech vstřikovač zabudován do spalovací komory. To je dobré pro spotřebu paliva a výkon, ale ne tak dobré pro udržování čistých sacích ventilů. Postupem času se v těchto ventilech začnou hromadit usazeniny.

V průběhu času usazeniny pokrývají ventily a ucpávají sací otvor. Do spalovací komory se dostává méně vzduchu (pamatujete na dušení a sípání?). Určitě si začnete všímat špatného výkonu motoru.

Představte si to jako nahromadění vápníku ve vašich srdečních chlopních. Jak stárneme, tyto nahromadění způsobují zúžení chlopní, snížení průtoku krve a oslabení srdečního svalu.

Zjistili jsme tedy, že sací systém spalovacího motoru je kombinací práce několika hlavních motorových systémů, což umožňuje několik přeměn jednoho druhu energie na jiný v jednom pracovním cyklu. Jedná se o systém, který je zodpovědný za efektivní spalování paliva a maximální využití motoru.

Zároveň si musíme uvědomit a přijmout za samozřejmost, že precizně ověřená a vypočítaná konstrukce motoru v zásadě nepočítá s přítomností jakýchkoliv usazenin. Mnoho výrobců přičítá výskyt těchto problémů kvalitě paliv a maziv a nemůže nabídnout jiné řešení než drahé opravy.

Mezitím je indukční služba BG vyvinutá americkými inženýry stejně komplexním přístupem jako samotný indukční systém. Umožňuje ovlivňovat všechny klíčové komponenty systému. Podstata této služby spočívá jak v efektivním odstranění usazenin, tak v ochraně před jejich opětovným výskytem.

Bezdemontážní servis benzinových naftových a GDI motorů umožňuje čištění usazenin z několika systémů a komponent současně:

— sací trakt
– škrticí klapka
– vstupní a výstupní ventily
– vstřikovače
– spalovací komora
– kyslíkový senzor
– snímač volnoběžných otáček (ventil)
– EGR ventil
– katalyzátor

Nesprávná činnost kteréhokoli z výše popsaných subsystémů vede k obecnému poklesu výkonu a účinnosti motoru, a tím k dodatečným finančním nákladům na údržbu a servis vozidla.

Výrobci produktů BG trvají především na pravidelném preventivním využívání této služby při každé údržbě, která je méně nákladná a pracná. A to není náhoda! Prevence, jak víme, je levnější než oprava.