Объемная эффективность (VE) в конструкции двигателя внутреннего сгорания определяется как отношение эквивалентного объема свежего воздуха, втянутого в цилиндр во время такта впуска (если газы были в исходном состоянии плотности), к объему самого цилиндра. Этот термин также используется в других инженерных контекстах, таких как гидравлические насосы и электронные компоненты. [1] [2] [3] [4]
Объемный КПД в конструкции двигателя внутреннего сгорания относится к КПД, с которым двигатель может перемещать заряд свежего воздуха в цилиндры и из них . Он также обозначает отношение эквивалентного объема воздуха, втянутого в цилиндр, к рабочему объему цилиндра. [5] Этот эквивалентный объем обычно вставляется в уравнение оценки массы, основанное на законе Бойля-Мариотта . Когда VE умножается на объем цилиндра, можно сделать точную оценку массы воздуха в цилиндре (заряда) для использования при определении требуемой подачи топлива и времени зажигания для двигателя.
Ограничения потока в системах впуска и выпуска создают уменьшение потока на входе, что снижает общую подачу массы в цилиндр. При некоторых условиях настройка плунжера может либо увеличить, либо уменьшить эффективность нагнетания двигателя. Это происходит, когда благоприятное выравнивание волны давления во впускном (или выпускном) трубопроводе улучшает поток через клапан. Увеличение перепада давления на впускном клапане обычно увеличивает VE во всем диапазоне без наддува . Добавление давления наддува впускного коллектора от нагнетателя или турбонагнетателя может увеличить VE, но окончательный расчет массы воздуха в цилиндре учитывает большую часть этого преимущества с помощью термина давления в n=PV/RT, который берется из давления во впускном коллекторе.
Во многих высокопроизводительных автомобилях используются тщательно организованные воздухозаборники и настроенные выхлопные системы, которые используют волны давления для вталкивания воздуха в цилиндры и из них, используя резонанс системы . Двухтактные двигатели очень чувствительны к этой концепции и могут использовать расширительные камеры , которые возвращают вытекающую воздушно-топливную смесь обратно в цилиндр. Более современная технология для четырехтактных двигателей , изменяемые фазы газораспределения , пытается решить проблему изменения объемной эффективности с изменением скорости двигателя: на более высоких скоростях двигателю необходимо, чтобы клапаны были открыты в течение большего процента времени цикла, чтобы перемещать заряд в двигатель и из него.
Объемная эффективность выше 100% может быть достигнута с помощью принудительной индукции, такой как наддув или турбонаддув . При правильной настройке объемная эффективность выше 100% может быть достигнута и с помощью двигателей без наддува . Предел для двигателей без наддува составляет около 130%; [6] эти двигатели обычно имеют схему DOHC с четырьмя клапанами на цилиндр . Этот процесс называется инерционным наддувом и использует резонанс впускного коллектора и массу воздуха для достижения давления выше атмосферного на впускном клапане. При правильной настройке (и в зависимости от необходимости контроля уровня звука) в различных экспериментальных исследованиях сообщалось о VE до 130%. [7]
Более «радикальные» решения включают конструкцию золотникового клапана , в которой клапаны полностью заменяются вращающейся втулкой вокруг поршня или, поочередно, вращающейся втулкой под головкой цилиндра. В этой системе порты могут быть настолько большими, насколько необходимо, вплоть до размера всей стенки цилиндра. Однако существует практический верхний предел из-за прочности втулки, при больших размерах давление внутри цилиндра может «вытолкнуть» втулку, если порт слишком большой.
Объемная эффективность в гидравлическом насосе относится к проценту фактического потока жидкости из насоса по сравнению с потоком из насоса без утечек. Другими словами, если поток из насоса объемом 100 куб. см составляет 92 куб. см (за оборот), то объемная эффективность составляет 92%. Объемная эффективность будет меняться в зависимости от давления и скорости, с которыми работает насос, поэтому при сравнении объемной эффективности должна быть доступна информация о давлении и скорости. Когда для объемной эффективности указано одно число, оно, как правило, будет соответствовать номинальному давлению и скорости.
В электронике объемная эффективность количественно определяет производительность некоторой электронной функции на единицу объема [ чего? ] , обычно в как можно меньшем пространстве. Это желательно, поскольку передовые разработки должны втиснуть возрастающую функциональность в меньшие пакеты, например, максимизируя энергию, хранящуюся в батарее, питающей мобильный телефон. Помимо хранения энергии в батареях, концепция объемной эффективности появляется в проектировании и применении конденсаторов , где «произведение CV» является показателем качества, вычисляемым путем умножения емкости (C) на максимальное номинальное напряжение (V), деленное на объем. Концепция объемной эффективности может быть применена к любой измеримой электронной характеристике, включая сопротивление , емкость , индуктивность , напряжение , ток , хранение энергии и т. д.