3.3.2 进气系数（容积系数）在线视频

同学

你好

今天我们来学习3.3节实际循环进气量

及进气系数中的第二讲

进气系数中的容积系数

容积系数的概念

我们在前面已经讲过

它表示的是由于余隙容积中的气体膨胀所造成

的实际循环进气量的减少

它的定义式是

VS’比上行程容积Vh

VS’呢

就是气缸的行程容积Vh

减去余隙容积膨胀以后所占据的这部分容积△v1

剩下的这部分容积就是VS’

下面我们来看一下容积系数的计算表达式

容积系数λV等于VS'比上Vh那么

经过化简以后

我们就可以把它写成1减去△V1比上V

的形式

△V1我们可以根据膨胀过程的过程方程式

来表达出来

我们近似认为膨胀开始点处于排气压力

那么我们就可以写出来

P2乘以V0的m次方

它就等于谁呢

膨胀到这一点

就是P1乘以V0加上△V1的m次方

把这个式子整理一下

我们就可以得到△V1的表达式

那么对于理想气体容积系数λV的表达式

就可以写成这样一个形式

我们定义v0比上Vh叫做相对余隙容积系数

α

相对余隙容积系数

这里面P2比P1就是名义压比

那么这样的话容积系数的

对于理想气体的表达式就可以写成

1

减去α乘以ε的m分之一次方减1

这是一个很简洁的表达形式

那么可以看出来容积系数和三个因素有关系

一个是相对余隙容积

α

还有一个就是膨胀过程的过程指数m

那么理想气体的λv 容积系数的表达式

已经写出来了

那么我们现在看一下实际气体的

过程方程的表达式

那么对于实际气体来说

那么我们也只要是把这个过程方程写成

实际气体的

过程方程的表达式就可以了

那么要得到这个过程表达式

因为考虑到实际气体里面

我们喜欢用mT

也就是温度过程指数来表征压力和容积的关系

所以我们首先写出一个状态方程

然后写出来一个温度和压力之间的过程方程

这两个方程联立的话就可以得到实际气体的

过程方程

那么对于实际气体的话

我们做一些假设的话

可以写出λV的表达式是1减去α

括号Z1比Z3 ε的kT分之一减1

是这样一个表达式

这是实际气体的过程

方程的表达式

实际上这里面就暗含了几点假设

第一点假设认为膨胀开始点C点它和3点的

状态是一样的

膨胀过程开始点

C点认为它的压力就是排气压力P2

那么这里面这个Pc比上P4

实际上就近似

等于这个压比ε那么这个C点的压缩因子

Z3那么

它就等于

ZC就等于位于排气压力的3点的压缩因子

Z3

第二点假设是因为压缩机的转速比较高

那么气体和壁面来不及换热

或者说在高压级里面换热面积比较小的话

气体和壁面热交换比较弱

就可以近似认为这个4点和1点的它的状态

参数是相同的

也就是它的温度相同

压力相同

然后膨胀过程指数我们这写成一个

KT认为它的过程指数mT它是近似等于温度

绝热指数KT的

所以从这个式子表达式可以看出来

对于实际气体容积系数的表达式

相比理想气体

多了压缩因子Z的影响

一是多了压缩因子

Z1比Z3

多了它的影响

下面我们就以理想气体为例

分析一下容积系数的主要的影响因素

前面我们学习了理想气体的容积系数的表达式

那么从表达式里面或者从PV图里面

我们都可以看出来主要的影响因素

首先第一个主要影响因素是相对余隙容积

α

那么相对余隙容积的话

相对余隙容积越大的话

那么将来膨胀过程所占据的容积

所占据的气缸的行程容积

△V1也就越大

那么就会使我们实际进来的新鲜气量减少

容积系数减小

第二个因素

可以看出来的话

那么也会使得膨胀过程最后所占据的一个容积

△V1也是越大的

那么也会使容积系数减小

第三个就是膨胀过程指数

膨胀过程指数m的影响 膨胀过程

指数m的影响

那么膨胀过程指数它实际上主要取决于气体和

周围环境的换热情况

从总体来讲

膨胀过程它是一个吸热过程

这个过程中吸收的热量越多

膨胀过程指数越小

膨胀过程就越平缓

也就是我们从PV图上看这个过程就会向右偏

那么这样的话就会使

气体膨胀后占据的容积也就越大

容积系数也就越小

当然如果膨胀过程中存在泄漏

那么也会影响膨胀过程指数的大小

那么不同的气体性质

它的膨胀过程指数也不一样

值得一提的是什么

就是相对余隙容积和压比它是有限制的

如果它增大到一定的程度的话

就会导致容积系数为零

也就是说没有新鲜气量

能够进入气缸

比如说我们以理想气体为例

当压比等于3的时候

膨胀过程指数等于1.2的话

那么如果相对余隙容积达到0.667

也就是余隙容积大概是

行程容积的3分之2的时候

那么我们的进气量就为零

下面我们分别来看一下

影响容积系数的各个因素

我们首先来看一下这张PV图

我们看一下

相对余隙容积改变的时候

对容积系数的影响

那么我们假设气缸的行程容积Vh是不变的

我们通过改变纵坐标的位置

从这个地方移到这个地方

再移到这个地方来表明它的相对余隙容积的

变化

当余隙容积是V0的时候

那么它的进气量的话

那么可以用VS'来表示

就是V0的话可以用这个容积来表示它的一个

进气量

那么如果余隙容积增大会怎么样

我们看一下

如果这是V0的膨胀过程线

如果余隙容积增加到V0'

那么这时候它的膨胀过程线怎么改变呢

那么膨胀过程线就会从

3点的话膨胀到这个位置

那么膨胀过程所占据的容积

就是△V1'

剩下的气量

这部分气量才是我们进来的气量

那么如果余隙容积进一步增大

那么比如说余隙容积

现在纵坐标跑到这个位置

那么余隙容积变成V0''的话

那么这个过程线就会成这条曲线

那么这条曲线我们可以看出来的话

那么这时候进气量已经为零了

所以我们希望余隙容积越小越好

在其他条件不变的情况下

余隙容积越小

容积系数就越大

进气量就越多

但实际上余隙容积是不能无限制的减小的

它受到很多因素的限制

比如说它受到压缩机的结构形式

气阀结构

以及压缩机气量压比转速等很多因素的限制

那么我们前面已经讲过了余隙容积的构成

我们知道余隙容积的一部分

是由于某些气流通道中的气体排不出去造成的

这部分余隙容积与压缩机气阀的布置方式

结构种类等都有关系

另外一部分余隙容积

是由于考虑热膨胀以及

加工精度的影响

要保证压缩机的可靠性

在活塞和气缸盖之间要留有一定的间隙

这就与压缩机的压比冷却方式

流动阻力损失以及加工方式等等是相关的

那么一般情况下

那么压缩机中的相对余隙容积可以按照我们

参考的范围来进行取值

比如说低压级的话

我们可以取为0.07到0.12

中压级我们可以取为0.09到0.14

高压级可以取为0.1到0.18

那么对于一些小型的压缩机

高压级可以取为0.2

超高压压缩机的话可以取为0.25

那么还有一些特殊的压缩机

可以参考这些原则

按照经验选取

那么我给同学们提一个问题

为什么越到高压级相对余隙容积取值要大一些

我想有些同学可能已经想到了越到高压级的话

那么实际上气体经过压缩

它气缸容积是越小的

那么和外界的换热的面积也就越小

实际上它的压缩过程就更加接近绝热过程

接近绝热过程偏离等温过程的话

它的排气温度就比较高

那么零部件的热变形就比较大

这样的话

我们就要取的相对余隙容积要取大一些

另外的话

高压级的容积小

为了保证气阀等处有足够的气流的流通面积

相对余隙容积

它实际上也是不容易做小的

对于相对余隙容积α的取值

那么我们现在可以总结下面这些规律

第一

排气量相同的时候

活塞的速度相同

转速不同压缩机

对于转速高的压缩机

α的取值要大一些

这是因为转速越高

换热时间越短

压缩过程越接近绝热过程

第二

对于舌簧阀压缩机

α取值要小一些

对于直流阀的这个压缩机

α取值可以大一些

这个是由于气阀的结构特点决定的

第三点

气阀在缸盖上布置的话

比径向布置的这个α要取值小一些

这也是由于结构特点决定的

那么径向布置的气阀的气流通道

所形成的余隙容积会比较大一些

第四点

那么实际气体比理想气体的这个α

要取值大一些

这是由于实际气体具有不可压缩性

那么它的取值就要相对的大一点

根据理想气体的容积系数公式

那么我们现在看一下

影响容积系数的第二个因素 压比ε

当相对余隙容积和膨胀过程指数一定的时候

压力比越大

容积系数肯定是越低的

那么我们来看一下这张PV图

当压比比较低的话

对于同样一个余隙容积V0 压力比较低的话

它膨胀完以后所占据的气缸容积就比较小

当压比增加 同样是这个余隙容积的话

那么膨胀以后它所占据的气缸的容积就会比较大

甚至当压比大到一定的程度的话

比如说这是它的压比的话

从这到这儿的话

我们可以看出来的话

容积系数已经是为零了

没有新鲜的气体进入气缸了

全部是余隙容积的气体在气缸中来回的这样

压缩膨胀

没有新鲜气体的进入

所以说压缩机压比不能取值太高

这也是我们说

压缩机中要采用多级压缩的

重要原因之一

一般来说

压缩机中单级的压比可以取为3到4

只有在一些小型或者特殊压缩机中

它的压比可以取到八或者是更高

下面我们来看一下影响容积系数的第三个因素

膨胀过程指数m

膨胀过程指数

我们可以看一下

从PV图上来看一下

如果膨胀过程指数

如果是越小的

那么膨胀过程是越平缓的

膨胀过程指数越大

那么膨胀过程是越陡直的

那么所以从利用气缸容积的角度来看

我们希望膨胀过程指数越大越好

希望它是接近于绝热过程

这样的话就会使我们的膨胀结束以后

气体所占据的气缸的容积比较小

那么是谁影响膨胀过程指数

m呢

膨胀过程指数m

它的最主要的影响因素是热交换

转速越高

气缸的冷却越好

压比越小

热交换的面积越小

热交换越少

那么越接近绝热过程

越接近绝热过程

那么接近绝热过程的话

它的膨胀过程线就会比较陡直

它的容积系数就比较高

除了传热以外

泄漏也会影响膨胀过程指数的大小

而且这个影响是与泄漏的方向是有关的

如果在膨胀过程中有气体漏进来

气体漏入气缸

那么漏入气缸的话会使膨胀过程的指数m变小

因为这部分气体也会参与膨胀

那么使得最终气体膨胀所占据的容积就比较大

容积系数降低

如果以气体漏出气缸

那么这时候膨胀过程指数m是变大的

因为气体漏出去了

那么参与膨胀气体量就会减少

容积系数就会提高

一般来说

膨胀过程指数m是小于压缩过程指数n的

压缩过程指数

一般比较接近于绝热指数K

膨胀过程指数

与绝热过程指数K的关系

那么我们可以参考这张表格

我们以进气压力为1.5个大气压的情况为例

那么如果绝热指数是1.4

那么膨胀过程指数大概是1.2

那么有的同学就会想

为什么膨胀过程指数会小于压缩过程指数

为什么呢

这是因为膨胀过程和压缩过程相比

它的换热面积相同

但是膨胀过程中的气体量要少的多

所以膨胀过程中单位气量的换热面积

比压缩过程中单位气量的换热面积要大

所以压缩过程更接近于绝热过程

膨胀过程指数比较小

另外还由于膨胀过程

它是从气缸的外止点开始进行的

那么气缸接近缸盖的部位和活塞的表面温度

都是比较高的

那么膨胀过程温差就比较大

热交换比压缩过程强度比较大

所以过程指数比较小

下面我们来对本节的学习做一个小结

我们学习了容积系数的概念

以及容积系数在PV图中的表示

那么知道了容积系数主要影响影响因素包括

相对余隙容积 压比以及膨胀过程指数

那么希望大家在今后的学习中

能够对影响容积系数的具体因素再进行分析

好

今天的这节课就到这里

谢谢