原發表於東吳機研站 scumotor.twbbs.org
作者: skyripper (RA004E) 站內: RZ
標題: 估算節氣門關閉時的真空產生的負扭力(4T)
時間: Sat Sep 10 10:25:49 2005
假設某500cc的單缸四行程引擎於油門全關時有0.75 Bar的真空值, 由於引擎持續運轉, 巨觀而言可視為其平均真空, 故假設其為PMEP
PMEP = pumping mean effective pressure, 這個數據代表的從是BDC開始, 展開排氣行程掃氣, 而後經過上死點, 吸氣最後達到BDC的這段時間抵抗活塞的平均壓力, 其值可能為負(強制進氣情況若inlet pressure>backpressure則總和可以為正!)
NA情況無論油門開度大小吸氣時都有一定的真空阻力, 這個阻力跟活塞運動方向相抵抗, 如同要把爆炸燃燒完的廢氣推出汽缸外, 排氣背壓的阻礙, 都是做負功。這兩者合起來就叫做pumping loss, 要求pumping loss產生的負扭力可以經由PMEP來計算。
因為排氣部份實在太難以"想像", 且沒有實際數據佐證所以先佔不做估算, 只論理, 首先是收油的情況下, 引擎可能供給極少量的混合氣並且達到維持待速的量, 那此時尚有點火燃燒爆炸的事實, 廢氣照樣排出, 由於廢氣量小理當pumping loss較小。但若該引擎回油時"不供油", 那可能造成的情況是, 原先滯留在排氣頭段的廢氣可能會在排氣閥門打開之時倒灌回汽缸內, 在壓力平衡後再被活塞往外推回排氣頭段, 兩種情況都有不可避免的loss (我相信應該是有某種EFI是在完全收油時cut fuel的)
所以現在來討論有數據的部份, 排氣完了引擎從上死點開始要往下吸氣時, 如果MAP是持續的讀出0.75bar的真空, 那真實的缸內壓力會是怎麼變化?
由一些內燃機的書, 找part-throttle的P-V圖可以知道, TDC時負壓還沒那麼大, 隨著活塞下行立刻達到max負壓, 達到負壓的速度應該跟節氣門開度很有關。接近BDC時會負壓會稍稍回升一點點 (就是真空反而減少一些些)
由MEP計算成扭力的公式:
Torque = MEP * deltaV / 2 * pi
這是由引擎轉一圈所做的功推導而來
W(of one revolution) = bmep * delta V = 2 * pi * torque
套入本文假設的引擎參數,
pumping loss (negative torque) = PMEP * 500cc / 2 * pi
= 0.75kg-cm^2 * 500cm^3 / 6.283
= 59.68kg-cm 約等於 0.6kg-m
那又因為曲軸轉兩圈才有這麼一次吸氣行程所以要除2, 約等於-0.3kg-m, 如果換算成四缸2000cc的汽車引擎來看的話, 就是約1.2kg-m的負扭力。
現今引擎的的BMEP (brake mean effective pressure 平均有效制動壓力)都起碼有150psi以上, 換句話說就算是理想真空, 不過達到WOT時引擎扭力的1/10, 這個loss再加上排氣時段的pumping loss + friction loss (活塞,軸承,機油泵/水泵,氣門彈簧...etc) 等等總和即是引擎煞車做負功的主要來源. 不過由於機械損耗這部份是就算WOT也還是在做負功, 所以把pumping loss想成是引擎煞車的肇因也無不可。
(btw, 我內燃機課本裡是直接寫出了引擎煞車的主因是真空造成的pumping loss)
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以下為補充
BMEP = IMEP + PMEP - FMEP
(brake) = (indicated) + (pumping) - (friction)
brake MEP: 引擎扣掉所有損耗(friction+pumping)所能產生的推動活塞的平均壓力
這個數字可以直接換算成扭力, 或馬力(提供轉速的話)
換言之有馬力或扭力數據的話可以也算出這個值來檢視該引擎的效率如何.
indicated MEP: 引擎於BDC開始進行壓縮行程直到動力行程完遇見下一個BDC
所產生的推動活塞下行的平均壓力
pumping MEP: 前面都在講這個. 一般值為負而增壓情況可能為正
friction MEP: 機械摩擦對引擎產生的阻力.
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一些快速的計算公式for BMEP
2-stroke BMEP = (HP * 6500) / (L * RPM)
4-stroke BMEP = (HP * 13000) / (L * RPM)
BMEP unit in PSI, L = displacement in liter
BMEP = 150.8 x TORQUE ÷ DISPLACEMENT
(PSI) (lb-ft) (cubic inch)
part2
作者: skyripper (RA004E) 看板: Car
標題: Re: 關於引擎煞車的問題
時間: Tue Oct 4 11:09:59 2005
> 請問有沒有人知道引擎煞車的作用原理
> 能說明越詳細越好
> 還有
前提都是四行程的話, 汽油引擎主要是靠收油門節氣門關閉所產生的真空, 阻礙吸氣行程的活塞下行, 這個真空越大作的負功越多, 產生的負扭力一樣傳到連桿, 曲軸, 被傳動放大產生了引擎煞車。光靠節氣門關閉能產生的負扭力大概不會超過引擎扭力的1/10, 不過還是存在的。
柴油引擎由於沒有節氣門, 引擎煞車是利用一種叫compression brake的原理, 比較有名的就是jake brake, 在引擎於壓縮行程快結束接近TDC時開啟排氣閥門, 以避免燃燒行程活塞下行recovery所做的功抵銷掉壓縮行程的負功。
講清楚一點, 如果把引擎能產生的扭力分成兩階段來看; 第一段是所謂的pmep所產生的扭力(通常為負值), pmep指的是"pumping mean effective pressure", 就是從排氣行程開始(BDC)直到吸氣行程結束經過兩個BDC之間的缸內平均壓力, 幾乎在一般的四行程引擎中這個值都是負的, 因為吸氣有阻礙, 排氣也有阻礙, 油門半開/關閉時節汽門造成的真空就是阻礙的來源, 而觸媒, 渦輪等設備也提供一個極大的排氣背壓(回壓)的來源, 這部份損失掉的扭力可以就稱作"pumping loss"
第二段則是所謂的imep所產生的扭力, 就是從壓縮行程開始(BDC)直到動力行程結束經過兩個BDC之間的平均壓力, imep指的是"indicated mean effective pressure", 這是引擎主要產生動力的部份, 把動力行程油氣爆炸產生的推動活塞下行的平均缸壓扣掉壓縮行程的平均缸壓就是imep
各種的mep乘上排氣量/(4*圓周率) 就可以求出該部分的扭力, 或許是正或許是負。而imep+pmep-fmep(friction, 機械損耗的mep)=bmep "brake mean effective pressure" 這個bmep的值越大引擎所表現的動力就越好。我常講一個觀念就是看引擎出力的好壞, 不要看"馬力/排氣量"的比值, 要看"扭力/排氣量"的比值, 指的就是要看bmep這個數據, 但是把mep扯出來大家一定聽到睡著所以只好用淺顯的方式來講。
回到主題, 引擎煞車既然是要減速, 那就要讓引擎作負功, 那在各個階段當然是產生越多阻礙越好, jake brake的作法就是從imep下手, 由於活塞上行壓縮空氣在作負功(氣體體積縮小產生的壓力是在抵抗活塞的), 但是在不點火的情況下, 換句話說柴油引擎不噴油的情況下, 活塞下行又把被壓縮的空氣體積給擴張了, 這裡的所做的功理論上來說是沒什麼損失的。(當然熱會被吸收掉一些, 不過可以不用討論) 如果在動力行程時打開排氣閥門, 讓壓縮的空氣blowdown跑出汽缸外, 那原本要recover壓縮行程所產生負功的現象就不見了。
這就是目前柴油車所利用的jake brake產生引擎煞車的原理。柴油引擎壓縮比都接近20:1或以上, 所以compression brake的損耗能量相當可觀。
此外還有一種方法; 在排氣行程時不打開排氣閥仍然讓活塞持續上升壓縮氣體來作負功, 而在接近TDC的時候打開排氣閥。廢氣一下子blowdown, 藉此來達到煞車的目的。跟compression brake有點像, 不過是在排氣行程的時候動手腳。
此外還可以利用電磁閥啟閉的方式堵住排氣管, 整個引擎變成一個大型的壓縮機, pumping loss一下子提高(就像汽油引擎節氣門突然關閉的樣子), 這稱作exhaust brake, 則是從pmep方面著手的設計。
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