Объемный КПД (VE) в двигателестроении внутреннего сгорания определяется как отношение эквивалентного объема свежего воздуха, всасываемого в цилиндр во время такта впуска (если газы находились в исходном состоянии по 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 означает эффективность, с которой двигатель может перемещать заряд свежего воздуха в цилиндры и из них . Он также обозначает отношение эквивалентного объема воздуха, всасываемого в цилиндр, к рабочему объему цилиндра. [5] Этот эквивалентный объем обычно подставляется в уравнение оценки массы, основанное на газовом законе Бойля . Когда VE умножается на объем цилиндра, можно получить точную оценку массы воздуха (заряда) в цилиндре, которую можно использовать при определении необходимой подачи топлива и момента зажигания двигателя.
Ограничения потока во впускной и выпускной системах приводят к уменьшению впускного потока, что снижает общую подачу массы в цилиндр. В некоторых условиях настройка плунжера может увеличить или уменьшить эффективность накачки 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 атмосферных двигателей . Добавление давления наддува во впускном коллекторе от нагнетателя или турбокомпрессора может увеличить VE, но окончательный расчет воздушной массы в цилиндре учитывает большую часть этого преимущества с помощью члена давления в n = PV/RT , который берется из давления во впускном коллекторе.
Многие высокопроизводительные автомобили используют тщательно расположенные воздухозаборники и настроенные выхлопные системы, которые используют волны давления для подачи воздуха в цилиндры и из них, используя резонанс системы . Двухтактные двигатели очень чувствительны к этой концепции и могут использовать расширительные камеры , которые возвращают вытекающую топливовоздушную смесь обратно в цилиндр. Более современная технология для четырехтактных двигателей , изменение фаз газораспределения , пытается решить проблему изменения объемного КПД с изменением скорости двигателя: на более высоких скоростях двигателю необходимо, чтобы клапаны открывались на больший процент времени цикла для перемещения заряда. вход и выход из двигателя.
Объемный КПД выше 100% может быть достигнут за счет использования принудительной индукции, такой как наддув или турбонаддув . При правильной настройке объемный КПД выше 100% также может быть достигнут на двигателях без наддува . Предел для безнаддувных двигателей составляет около 130%; [6] Эти двигатели обычно имеют компоновку DOHC с четырьмя клапанами на цилиндр . Этот процесс называется инерционным наддувом и использует резонанс впускного коллектора и массы воздуха для достижения давления, превышающего атмосферное, во 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 заменены вращающейся втулкой вокруг поршня или, альтернативно, вращающейся втулкой под головкой блока цилиндров. В этой системе порты могут быть сколь угодно большими, вплоть до всей стенки цилиндра. Однако существует практический верхний предел, обусловленный прочностью втулки: при больших размерах давление внутри цилиндра может «лопнуть» втулку, если отверстие слишком велико.
Объемный КПД гидравлического насоса означает процент фактического потока жидкости из насоса по сравнению с потоком из насоса без утечек. Другими словами, если расход насоса объемом 100 куб.см составляет 92 куб.см (на оборот), то объемный КПД составит 92%. Объемный КПД будет меняться в зависимости от давления и скорости работы насоса, поэтому при сравнении объемного КПД должна быть доступна информация о давлении и скорости. Когда для объемного КПД указывается одно число, оно обычно соответствует номинальному давлению и скорости.
В электронике объемный КПД количественно определяет производительность некоторой электронной функции на единицу объема, обычно в минимально возможном пространстве. Это желательно, поскольку передовые конструкции должны вмещать увеличивающуюся функциональность в меньшие корпуса, например, максимизируя энергию, запасаемую в аккумуляторе, питающем мобильный телефон. Помимо накопления энергии в батареях, концепция объемного КПД появляется при проектировании и применении конденсаторов , где «произведение CV» представляет собой показатель качества, рассчитываемый путем умножения емкости (C) на максимальное номинальное напряжение (V), деленное на объем. Понятие объемного КПД можно применить к любой измеримой электронной характеристике, включая сопротивление , емкость , индуктивность , напряжение , ток , накопление энергии и т. д.