Понятие плотности

Понятие плотности

Первый принцип, с которым нам предстоит разобраться, состоит в том, что плотность воздуха не является постоянной величиной. На уровне моря плотность воздуха на 35% выше, чем на высоте 3048 м над уровнем моря. Поэтому часто говорят, что на большой высоте воздух разрежен, так как молекулы газа расположены на большем расстоянии. Из этого можно сделать вывод, что воздух весит меньше на высоте: плотность воздуха на уровне моря составляет 1,225 кг/м³, а на высоте 3048 м – 0,905 кг/м³.

Отталкиваясь от этого принципа, можно предположить, что цилиндры двигателя объемом 3,0 л можно заполнить 3 л воздуха на уровне моря и на высоте 3048 м, однако на высоте эти 3 л воздуха будут содержать меньше кислорода (примерно на 26%), а значит, мощность двигателя будет ниже. В целом эмпирическое правило гласит, что мощность будет уменьшаться каждые 305 м.

Однако высота – далеко не единственный фактор, который влияет на плотность воздуха. При высокой температуре воздух расширяется, следовательно, на уровне моря при температуре 40°С воздух будет обладать меньшей плотностью, чем при температуре 5°С. Поэтому двигатель будет развивать меньшую мощность, работая с горячим воздухом, чем при работе с холодным. Другое эмпирическое правило состоит вследующем: мощность будет уменьшаться на 1% с увеличением температуры воздуха на каждые 7°С.

Чехол на корпусе турбины и обмотка на сливном трубопроводе турбокомпрессора предназначены для термоизоляции впускного канала, чтобы увеличить плотность впускного заряда. Прохладный воздух поступает в воздушный фильтр через большой воздухозаборник на капоте.

Влажность влияет на плотность воздуха по-другому. Высокая влажность (высокое содержание влаги в воздухе) увеличивает давление. Однако при этом плотность воздуха становится ниже, так как общая масса воздуха и воды снижается, что не делает плотность воздуха выше. В принципе, это не слишком значимый фактор. Но высокая влажность при высокой температуре действительно снижает содержание кислорода в воздухе, что влияет на снижение мощности двигателя. Например, при относительной влажности 65% и температуре воздуха 35°С на уровне моря содержание кислорода сократится до уровня 305м над уровнем моря.

Ну что, улавливаете определенную закономерность после четырех абзацев? Она состоит в том, что двигатель будет производить больше мощности на уровне моря с холодным и сухим воздухом, плотность которого достаточно высока, и наоборот: мощность понизится с увеличением высоты над уровнем моря, температуры воздуха и влажности.

Плотность воздуха в двигателе

Следующий принцип, который нам необходимо рассмотреть, состоит в том, что двигатели объемом 3,0 л, работая при одинаковом атмосферном давлении, могут иметь различную мощность, так как в цилиндрах одного из них плотность воздуха может быть выше. Даже при использовании воздуха с одинаковыми показателями на входе ситуация может измениться во время движения воздуха к цилиндрам. В одном двигателе все работает против него. Втягиваемый воздух нагревается от радиатора и выпускного коллектора. Во впускной коллектор попадает не охлажденный воздух, а скорее горячий, который прошел через радиатор. Внутренние компоненты двигателя очень горячие. Температура воды составляет 95°С, поэтому воздух на пути к цилиндрам забирает тепло со стенок впускных каналов и расширяется, проходя через них. Угол опережения зажигания смещен в сторону отставания (что само по себе снижает мощность), что способствует увеличению температуры выпускного клапана и этой части камеры сгорания, а также днища поршня. Следовательно, когда воздух попадает в цилиндры, он быстро расширяется, а объем цилиндра быстро заполняется теперь уже разреженным воздухом.

Но на этом проблемы не заканчиваются. Система выпуска отработанных газов сама по себе ограничивает проход отработанных газов. К тому же каталитический нейтрализатор перегрелся, и внутренние керамические решетки расплавились, заблокировав многие каналы, по которым должны проходить отработанные газы. Это приводит к возникновению обратного давления, которое не позволяет удалить все отработанные газы из цилиндров. Оставшиеся отработанные газы смешиваются со свежей топливовоздушной смесью и препятствуют нормальному процессу горения, но до этого, так как их температура может достигать 800°С, они быстро нагревают впускной заряд, что приводит к его быстрому расширению иблокировке впускного потока. В результате цилиндры заполнены разреженным впускным зарядом с низкой плотностью.

Оригинальный ограничивающий воздушный фильтр был заменен на модифицированный воздушный фильтр с раструбом впечатляющих размеров, установленным на впускной воздуховод. К сожалению, теперь в двигатель будет поступать горячий разреженный воздух, потому что турбокомпрессор расположен всего в нескольких сантиметрах (вверху справа).

Расплавленные внутренние компоненты в каталитическом нейтрализаторе будут блокировать поток отработанных газов.

Со стороны впуска ситуация не лучше. Воздушный фильтр засорен пылью, а корпус воздушного фильтра не пропускает поток воздуха должным образом. Он был предназначен для снижения шумов во время впуска посредством использования ребер, заслонок, резонаторов и извилистых каналов. В результате при полностью открытой дроссельной заслонке показания разрежения в двигателе будут составлять 58ммрт.ст. (измерения были сделаны непосредственно перед корпусом дроссельной заслонки). В идеале разрежение должно быть равно нулю, чтобы использовать давление воздуха 1,014 бар для его перемещения в цилиндры. Наличие разрежения в 0,07 бар означает, что рабочее давление для перемещения воздуха в цилиндры составит только 0,9 бар.

Далее во впускном канале препятствий станет еще больше. Прокладки перекрывают несколько впускных каналов, но основной проблемой остается большое количество угольного нагара на обратной части впускных клапанов. Это приведет к блокировке потока воздуха к цилиндрам, пока клапаны не поднимутся примерно на 50% со своих седел. Конечно же, все эти препятствия будут способствовать снижению плотности воздуха.

В другом двигателе для сравнения все системы работают должным образом, чтобы обеспечить оптимальную плотность заряда. Каналы системы впуска не заблокированы. Воздухозаборник в передней части кузова автомобиля втягивает воздух, температура которого равна температуре окружающей среды. Температура охлаждающей жидкости постоянно контролируется и не должна превышать 85°С, вследствие чего воздух меньше нагревается при прохождении через впускные каналы. На автомобиль установлена полнопоточная система выпуска отработанных газов снулевым обратным давлением, чтобы сократить количество отработанных газов, которые попадают обратно в цилиндры. Установки опережения зажигания также были оптимизированы, чтобы не повышать температуру впускного заряда.

Таким образом, на плотность впускного заряда в цилиндре влияет большое количество факторов, которые может проконтролировать создатель двигателя или специалист, занимающийся его модификацией. Если двигатель «заблокирован» со стороны впуска или выпуска, плотность впускного заряда снизится. Если двигатель или отдельные компоненты слишком горячие из-за высокой температуры охлаждающей жидкости или несоответствующего угла опережения зажигания (слишком большой угол опережения зажигания приведет к перегреву поршня и камеры сгорания), плотность впускного заряда в цилиндре также будет снижаться. С другой стороны, в двигателе, в котором ни сторона впуска, ни сторона выпуска не заблокированы, при условии постоянной регулировки температуры охлаждающей жидкости и установки соответствующего угла зажигания плотность впускного заряда будет приближаться к плотности воздуха.

Скопление нагара на впускных клапанах блокирует поток воздуха и значительно снижает его плотность вцилиндрах.

Клапаны в заводском исполнении слегка отполированы, чтобы облегчить заполнение цилиндра воздухом.

Остерегайтесь уловок!

Как бы то ни было, стоит рассмотреть еще один фактор. В данный момент у нас есть два двигателя: один заполнен разреженным воздухом, авторой – воздухом под давлением, близким к атмосферному. Возможно ли, что в момент зажигания плотность впускных зарядов будет практически одинакова? Конечно же, если мы сожмем впускной заряд с низкой плотностью в небольшой камере сгорания, используя высокую степень сжатия, плотность повысится. Но помните, что это значение будет ограничено октановым числом топлива, к тому же температура впускного заряда с низкой плотностью намного выше, поэтому вероятность детонации крайне велика. Возможно, если бы мы были крайне консервативными и установили слишком низкую степень сжатия на двигателе с высокой плотностью впускного заряда, при определенной частоте вращения двигателя плотность сжатых впускных зарядов могла бы быть примерно одинаковой, но на самом деле это не устранит проблему: изменение степени сжатия при помощи хитроумной уловки обычно не позволяет значительно повысить плотность впускного заряда.

Другими словами, мы должны сделать все, чтобы не допустить снижения плотности впускного заряда. В противном случае при использовании наддува вы можете столкнуться с еще более серьезными проблемами. Конечно же, двигатель будет работать лучше, но его реальный потенциал, скорее всего, не будет реализован. Многие не переживают, если приходится заплатить полную цену за полчашки кофе, но я не один из них!

Теперь вам должно быть понятно, что именно высокая плотность впускного заряда позволяет увеличить мощность. Главным «врагом» плотности впускного заряда помимо плохой циркуляции газов внутри двигателя является тепло. При увеличении температуры впускного заряда его плотность будет снижаться.

Как эффективность компрессора влияет на плотность воздуха

К сожалению, при сжатии воздуха с целью увеличения плотности его температура также будет повышаться. Чем больше воздух сжимают, тем выше будет подниматься температура. Некоторые компрессоры более эффективны, поэтому температура будет подниматься незначительно. Однако все компрессоры повышают температуру впускного заряда, к тому же все они при некоторых рабочих условиях будут менее эффективны, и в это время будут сильнее повышать температуру впускного заряда (технически не все виды наддува представлены компрессорами, но вдействительности конечный результат будет тем же). Следовательно, увеличение давления во впускном коллекторе с атмосферного (1,014 бар) вдва раза (2,028 бар) посредством наддува не увеличит плотность впускного заряда в цилиндрах в два раза и тем более не увеличит мощность двигателя.

Чтобы выяснить, какое Плотность воздуха в двигателе стоит ожидать в данном случае при давлении наддува 1,014 бар на уровне моря, потребуется выполнить ряд простых расчетов.

Во-первых, необходимо узнать коэффициент рабочего давления компрессора. Используйте следующую формулу:

где Bp – давление наддува в барах (манометрическое давление);

Ap – давление воздуха в барах (барометрическое давление). Если вы не знаете давление, предположите, что вы находитесь на уровне моря, ивычтите 0,03бар на каждые 305 м над уровнем моря.

В описанном выше примере коэффициент рабочего давления будет составлять 2,0:

Во-вторых, необходимо установить количество тепла, которое прибавится к впускному заряду при его сжатии. В идеале необходимо использовать диаграмму компрессора наподобие той, что изображена на рис. 5.1, чтобы точно определить эффективность компрессора. На этом турбированном двигателе она составляет 71% и может снижаться до 62%. При работе двигателя с частотой вращения максимальной мощности пропускная способность компрессора должна составлять 12 м³/мин. При коэффициенте рабочего давления 2,0 пиковая мощность компрессора будет достигаться при 70% эффективности.

На диаграмме компрессора при пропускной способности 12м³/мин и коэффициенте рабочего давления 2,0 компрессор будет работать с эффективностью 70%.

Таблица 5.1. Факторы для расчета температуры на выходе из компрессора

Ниже приведена формула для расчета температуры воздуха на выходе из компрессора:

F – фактор из таблицы 5.1;

At – температура окружающей среды в °С;

E – эффективность компрессора.

Следовательно, если температура окружающей среды составляет 25°С, а впускное воздушное отверстие турбокомпрессора расположено таким образом, чтобы втягивать воздух, имеющий температуру окружающей среды, на выходе из компрессора температура возрастет следующим образом:

F = 0,217;

At = 25°С;

E = 70%.

Тогда:

Чтобы определить реальную температуру впускного заряда (Dt) на выходе из компрессора, необходимо прибавить Tr к At:

Если воздух нагревается выше 117°С, его плотность значительно снизится. Поэтому, даже если его сжали в два раза, его плотность не будет превышать плотность воздуха окружающей среды при температуре 25°С в два раза.

Чтобы сравнить плотность этого горячего воздуха (11,38°С) под давлением 1,014 бар с плотностью воздуха окружающей среды при температуре 25°С, используем следующую формулу:

Dr – коэффициент плотности компрессора;

At – температура окружающей среды;

Dt – температура на выходе из компрессора в °С;

Pr – степень сжатия.

Следовательно,

Поэтому в данном примере давление наддува увеличит плотность воздуха в цилиндрах на фактор 1,53 (или на 53%). Это указывает на то, что мощность двигателя возрастет примерно на 53% при давлении наддува 1,1014 бар (при условии, что двигатель выдержит подобное давление наддува, а также при условии, что будет использоваться топливо с подходящим октановым числом). Следовательно, мощность будет увеличена сисходных 200 л.с. до 200x1,53 = 306 л.с.

После того, как вы выполните эти вычисления и поймете, каким путем мы получили те или иные данные, я должен сделать признание. Мы можем получить приблизительное значение температуры впускного заряда на выходе из компрессора и коэффициент давления на основании рис. 5.2 и рис. 5.3. Результаты не будут точными, однако пригодятся вам для сравнения. Также оба графика наглядно демонстрируют важность использования компрессора в диапазоне высокой эффективности, чтобы снизить температуру впускного заряда на выходе и увеличить коэффициент плотности компрессора.

Рис. 5.2. График отношения коэффициента давления к температуре на выходе из компрессора иллюстрирует важность эффективности компрессора, а также важность подбора компрессора для определенного двигателя, чтобы обеспечить его работу с максимальной эффективностью.

Рис. 5.3. График отношения коэффициента давления к коэффициенту плотности наглядно иллюстрирует влияние эффективности компрессора на плотность воздуха, попадающего в двигатель.

В главе 10 мы рассмотрим способы увеличения плотности впускного заряда и уменьшения его температуры, прежде чем он попадет в цилиндры, посредством воздушного охлаждения – промежуточного охладителя. Но даже при использовании эффективного промежуточного охладителя скоэффициентом 75–85% (хотя многие заводские промежуточные охладители довольно неэффективны) мы не можем произвольно выбрать значение давления наддува и ожидать хороших технических характеристик двигателя при этом давлении наддува.

Увеличение давления наддува не всегда идет на пользу

Очень многие безосновательно считают, что чем выше будет давление наддува, тем лучше. Как следствие, они приходят к выводу, что при хорошо сконструированном и надежном двигателе увеличение наддува с заводского значения 0,55 бар до 0,75 бар значительно улучшит ситуацию. Может быть и так, но давайте рассмотрим некоторые случаи, когда возможно улучшение технических характеристик по одним параметрам иих ухудшение по другим или даже ухудшение всех технических характеристик.

Как мы уже выяснили, более высокое давление наддува в компрессоре увеличивает температуру впускного заряда. Это может и не быть проблемой при движении ночью при низкой температуре воздуха, ну а как насчет поездки в летний период? Будет ли двигатель работать лучше? Не ждите, что вас спасет датчик детонации. Многие двигатели реагируют на сигналы датчика детонации посредством смещения угла опережения зажигания всторону отставания, и, как я докажу вам позже, увеличение давления наддува и смещение угла опережения зажигания часто приводит куменьшению мощности.

Это увеличение температуры впускного заряда часто является сложной проблемой. Вы можете прогадать по двум параметрам: во-первых, более высокое давление приведет к увеличению температуры впускного заряда, а во-вторых, более высокий коэффициент давления, при котором будет работать нагнетатель, приведет к тому, что его прокачивающая эффективность снизится примерно на 10%, из-за чего также увеличится температура впускного заряда.

Подробнее об установке фаз зажигания и процессе горения мы поговорим в главе 17, но вскользь коснемся этой темы сейчас, так как это поможет вам лучше разобраться со степенью сжатия, когда мы доберемся до нее. При позднем зажигании давление в цилиндре не достигает пикового значения около верхней мертвой точки. Работа большей части двигателей будет наиболее эффективной в положении 12–14° после верхней мертвой точки, а технические характеристики обычно являются приемлемыми в положении 18–20° после верхней мертвой точки. В этой точке ускорение поршня от верхней мертвой точки будет достаточно низким, поэтому, когда давление горения будет максимальным, пространство для горения будет увеличиваться в объеме достаточно медленно. Следовательно, давление будет держаться на высоком уровне, давая хороший толчок коленвалу и увеличивая мощность двигателя.