المواضيع:
- مقارنة عملية العمل النظرية والفعلية
- مخطط المؤشر
- تطور الضغط أثناء عملية رباعية الأشواط لمحرك البنزين
- تطور الضغط أثناء العملية رباعية الأشواط لمحرك الديزل
- اختلاف الضغط خلال ظروف التشغيل المختلفة
- فقدان التدفق
- تأثير توقيت الإشعال على مخطط المؤشر
- تطور الضغط في مخطط p-α
- ذروة ضغط الغاز
- متوسط ضغط الغاز
مقارنة عملية العمل النظرية والفعلية:
في عملية عمل محرك البنزين أو الديزل، فإننا نتعامل مع مخطط PV (P = الضغط، V = الحجم) الذي يشير إلى العلاقة بين الضغط والحجم في العملية رباعية الأشواط. مزيد من المعلومات حول هذا يمكن العثور عليها في الصفحة: عملية سيليجر.
تتم عملية الدورة النظرية في محرك مثالي، حيث لا توجد غازات أو خسائر متبقية. وفي الواقع تختلف عملية العمل النظرية عن عملية العمل الفعلية بسبب الانحرافات التالية:
- لا تحتوي الأسطوانة على شحنة جديدة فحسب، بل تحتوي أيضًا على الغاز المتبقي من دورة العمل السابقة؛
- الاحتراق غير الكامل للوقود.
- لا يتم الاحتراق تمامًا عند نفس الحجم أو الضغط؛
- التبادل الحراري بين الغاز وجدار الاسطوانة.
- تحدث خسائر التدفق أثناء تغيير العمل؛
- يوجد دائمًا (حد أدنى) تسرب للغاز على طول حلقات المكبس؛
- وتتغير الحرارة النوعية مع الضغط ودرجة الحرارة، مما يؤثر على الاحتراق.
يتم تسجيل مسار عملية العمل الفعلية باستخدام مخطط المؤشر.
مخطط المؤشر:
يوضح الرسم البياني المؤشر ضغط الغاز في الأسطوانة (فوق المكبس) أثناء دورتين للعمود المرفقي. تم تحديد الرسم التخطيطي أثناء قياس الضغط الذي تم إجراؤه في الأسطوانة.
الرسم البياني للمؤشر الموضح هو لمحرك البنزين. يشير الخط الأحمر إلى اختلاف الضغط بالنسبة لسكتة المكبس. أثناء القياس الفعلي، يتم الحصول على قيمة عند p Max. سوف نذهب إلى هذا لاحقا. يوجد أسفل الرسم البياني أسطوانة بها مكبس بداخلها. يشير الحرفان Vs وVc إلى حجم الحد وحجم الضغط.
فيما يلي قائمة بالاختصارات المستخدمة في الشكل:
- p0: ضغط الهواء الجوي؛
- pmax: الحد الأقصى للضغط في الاسطوانة؛
- S: شوط المكبس؛
- مقابل: حجم السكتة الدماغية؛
- Vc: حجم الضغط؛
- W: المخاض (+ إيجابي و- سلبي)؛
- Ign: لحظة الاشتعال.
- IO: يفتح صمام المدخل؛
- نحن: إغلاق صمام العادم؛
- هو: إغلاق صمام المدخل؛
- Uo: يفتح صمام العادم
تطور الضغط أثناء العملية رباعية الأشواط لمحرك البنزين:
يمكننا عرض مخطط المؤشر في أربع حالات مختلفة:
- شوط السحب: يتحرك المكبس من TDC إلى TDC ويمتص الهواء. يزداد الحجم بسبب زيادة المساحة فوق المكبس.
يبقى الضغط ثابتا*. يمتد الخط الأحمر في مخطط المؤشر من a إلى b; - شوط الضغط: يتحرك المكبس للأعلى ويضغط الهواء. يقل حجم الهواء مع زيادة الضغط. والخط الأحمر يوضح ذلك بين النقاط b en c. يتم الإشعال في نهاية شوط الضغط.
- شوط الطاقة: بعد اشتعال شمعة الإشعال، يستغرق الخليط بعض الوقت حتى يحترق بالكامل. نرى هذه العملية بين النقاط c en d. القوة المنطلقة من الإشعال تدفع المكبس إلى الأسفل. يزداد الحجم وينخفض الضغط. ونرى ذلك بين الحروف d en e;
- شوط العادم: ينفتح صمام العادم ويقوم المكبس بدفع غازات العادم إلى الخارج. يقل الحجم ويظل الضغط ثابتا (e إلى a).
يقوم مصنعو السيارات الهجينة بتكييفها بشكل متزايد هذه الأيام مبدأ أتكينسون ميلر لتقليل المقاومة الميكانيكية أثناء شوط الضغط. وينعكس هذا في الخط الصاعد لضربة الضغط في مخطط المؤشر.
*نتحدث في الشرح عن الضغط المتساوي أثناء شوط السحب. وهذا صحيح جزئيا. أثناء شوط السحب، يصل تسارع المكبس إلى الحد الأقصى عند حوالي 60 درجة بعد TDC. لا يمكن للهواء الوارد أن يتبع المكبس. في تلك اللحظة يتم إنشاء الحد الأقصى للضغط السلبي بحوالي -0,2 بار. ثم يرتفع ضغط الاسطوانة مرة أخرى. يضمن القصور الذاتي الشامل للهواء الوارد استمرار تدفق الهواء إلى الأسطوانة بينما يتحرك المكبس للأعلى مرة أخرى. يعتمد حجم الضغط المنخفض على موضع صمام الخانق والسرعة. يوفر صمام الخانق المغلق الإضافي فراغًا أكبر عند سرعة المحرك الثابتة. لقد أهملنا الضغط المنخفض المتزايد أثناء أقصى تسارع للمكبس في النص والصور أعلاه.
تطور الضغط أثناء العملية رباعية الأشواط لمحرك الديزل:
هنا نرى رسم تخطيطي لمحرك الديزل.
- شوط السحب: يتحرك المكبس من TDC إلى TDC ويمتص الهواء (إذا كان المحرك مزودًا بشحن فائق)؛
- شوط الضغط: يتحرك المكبس نحو ODP. ينضغط الهواء وترتفع درجة حرارته إلى أكثر من 100 درجة مئوية بسبب زيادة الضغط. وفي نهاية شوط الضغط يتم حقن وقود الديزل. يبدأ حقن الوقود من 5 إلى 10 درجات قبل TDC وينتهي بين 10 و15 درجة بعد TDC؛
- شوط القدرة: نظرًا لأنه يتم حقن وقود الديزل في نهاية شوط الضغط، فإنه يبدأ في الاحتراق بينما يظل الضغط ثابتًا. ويظل الضغط في الجزء الأفقي (تقريبًا) ثابتًا، بينما يزداد الحجم.
في شوط القدرة نرى تبديد الحرارة متساوي الضغط من عملية الدورة النظرية.
وكما هو الحال في محرك البنزين، نرى أن صمام العادم يفتح قبل وصول المكبس إلى TDC. يحدث تداخل الصمام أيضًا لأن صمام المدخل يفتح قبل إغلاق صمام العادم.
اختلاف الضغط خلال ظروف التشغيل المختلفة:
بالإضافة إلى خصائص المحرك التي تحدد مخطط المؤشر، فإن ظروف التشغيل (اقرأ: حمل المحرك) تؤثر أيضًا على ذلك. الضغط العالي فوق المكبس ليس موجودًا أو ضروريًا دائمًا.
توضح الرسوم البيانية الثلاثة أدناه تغير الضغط بالنسبة لدرجات العمود المرفقي. تم تسجيل المخططات في ظل الظروف التالية:
- الحمل الجزئي: 3/4 تحميل عند n = 4200 دورة في الدقيقة؛
- الحمولة الكاملة: عند n = 2500 دورة في الدقيقة؛
- فرملة المحرك: عند n = 6000 دورة في الدقيقة مع إغلاق صمام الخانق.
نرى اختلافات في الحد الأقصى لضغط الغاز في الأسطوانة بين الحمل الجزئي والحمل الكامل. عند "فرملة المحرك"، يتم إغلاق صمام الخانق ويكون هناك فراغ كبير في قناة السحب وفي الأسطوانة. وبسبب هذا الضغط السلبي، فإن ضغط الضغط لا يزيد عن 3 إلى 4 بار.
فقدان التدفق:
أثناء شوط السحب، يتم إنشاء فراغ في الاسطوانة. إن امتصاص الهواء يكلف طاقة. نرى هذا أيضًا في مخطط المؤشر. بين النقطتين a وb ينخفض الخط الأحمر إلى ما دون p0 (ضغط الهواء الخارجي في الغلاف الجوي). يوجد فراغ أسفل هذا الخط المنقط (المساحة -W). نحن نسمي هذه الخسائر التدفق أو خسائر التنظيف.
الشغل السالب (-W) يكلف طاقة وبالتالي فهو غير مرغوب فيه. الشطف يتطلب عمالة. ضغط المخرج أعلى من ضغط المدخل. تكون حلقة التنظيف عكس اتجاه عقارب الساعة في المحركات ذاتية التحضير.
يطبق المصنعون تقنيات للحد من خسائر التدفق:
- توقيت الصمام المتغير
- فتح صمام سريع وكبير.
- التحجيم الأمثل لقنوات المدخل؛
- المسار السلس للقنوات في قناة السحب (منع التحولات الحادة) ؛
- الشحن الفائق (عن طريق ضاغط توربيني و/أو ميكانيكي.
المحركات المجهزة بشحن فائق لها اتجاه سلبي أقل أو لا يوجد أي اتجاه سلبي في مخطط المؤشر. تدور حلقة الملف في اتجاه عقارب الساعة وتنتج الآن شغلًا. يساعد الضغط المعزز على دفع المكبس إلى الأسفل (من TDC إلى ODP) أثناء شوط السحب. يتم استخراج عمل الضاغط المطلوب من غاز العادم، لأن عجلة الضاغط في التيربو يتم تشغيلها بواسطة العجلة التوربينية. وهذا يعني أن المحركات فائقة الشحن تكون أكثر كفاءة في ظل نفس الظروف مقارنة بمحركات الشفط الذاتي.
تأثير توقيت الإشعال على مخطط المؤشر:
لتحقيق أقل استهلاك ممكن للوقود وكفاءة عالية، من المهم تحقيق ما يلي:
- وقت احتراق قصير، وبالتالي سرعة احتراق عالية. هذا له علاقة بتركيبة الخليط؛
- المراحل الصحيحة للاحتراق فيما يتعلق بحركة المكبس. هذا يرتبط مباشرة بتوقيت الإشعال. يجب أن يكون مركز ثقل الاحتراق حوالي 5 إلى 10 درجات في العمود المرفقي بعد TDC. مركز الثقل هو إطلاق الحرارة الذي يحدث أثناء الاحتراق.
يؤدي توقيت الإشعال المبكر جدًا والمتأخر جدًا إلى زيادة إطلاق الحرارة عبر جدار الأسطوانة وبالتالي انخفاض الجودة.
- الاشتعال المبكر جدًا: يرتفع الضغط مبكرًا جدًا لأن الاحتراق يبدأ مبكرًا أثناء شوط الانضغاط. يتم فرملة المكبس بقوة قبل TDC بواسطة ضغط الاحتراق. يؤدي الإشعال المبكر جدًا إلى ارتفاع الضغوط العلوية، مما يؤدي إلى انخفاض الكفاءة الميكانيكية وخطر حدوث عيوب في المحرك.
- اشتعال منخفض للغاية: يبدأ الاحتراق بعد فوات الأوان. يتحرك المكبس بالفعل نحو ODP، مما يتسبب في أن يصبح الضغط في المساحة المتوسعة مرتفعًا بشكل غير كافٍ. كما تدفقت الغازات التي لا تزال مشتعلة عبر صمامات العادم. ونتيجة لذلك، ترتفع درجة الحرارة بشكل كبير. يعطي الخليط الخالي من الدهون نفس النتيجة: يحترق الغاز ببطء شديد. إذا كان الخليط خفيفًا جدًا، فسيظل الغاز مشتعلًا في بداية شوط السحب. لهذا السبب، يمكن أن تحدث نتائج عكسية في محركات المكربن.
يحدد نظام إدارة المحرك الحديث توقيت الإشعال الصحيح من خلال معلماته: في جميع الظروف، يجب أن يكون توقيت الإشعال أقرب ما يمكن إلى حد الضرب.
تطور الضغط في مخطط p-α:
يمكن تحويل مخطط المؤشر إلى مخطط القوة العرضية. يوضح هذا القوة العرضية كدالة لزاوية الكرنك (ألفا). نقوم بتحويل مخطط المؤشر إلى رسم تخطيطي يتم فيه تصوير الضغط (p) كدالة للزاوية (α): الرسم البياني p-α.
في الصورة التالية نرى ملف الضغط في الاسطوانة أثناء التحميل الكامل.
تشير النقاط الزرقاء، كما في قسم "مخطط المؤشر"، إلى الوقت الذي تفتح فيه الصمامات وتغلق:
- فتح (Io) وإغلاق (Is) صمامات الدخول
- تفتح صمامات العادم (Uo) وتغلق (Us).
بالإضافة إلى ذلك، يمكننا أن نرى من خلال درجات العمود المرفقي ما هي السكتة الدماغية التي يعمل عليها المحرك:
- 0 درجة: TDC (نهاية شوط العادم، بداية شوط السحب)
- 180 درجة: ODP (نهاية شوط السحب، بداية شوط الضغط)
- 360 درجة: TDC (نهاية شوط الضغط، بداية شوط القدرة)
- 540 درجة: ODP (نهاية شوط القدرة، بداية شوط العادم)
ذروة ضغط الغاز:
ذروة ضغط الغاز تكون أعلى أثناء شوط القدرة. يعتمد مستوى الضغط على حمل المحرك: عندما يوفر المحرك قدرًا كبيرًا من الطاقة، سيكون ضغط الاحتراق أعلى منه عند التحميل الجزئي.
الصور الأربع أدناه توضح ذلك: فتحة الخانق TP (موضع الخانق) تعطي إشارة إلى مدى تحميل المحرك بالنسبة لدوران العمود المرفقي CA (زاوية الكرنك). في محرك بنزين متوسط، يتم إنشاء ضغط يبلغ في المتوسط 4000 كيلو باسكال أثناء الاحتراق عند التحميل الجزئي وفي هذه الحالة حوالي 5000 كيلو باسكال عند التحميل الكامل. في المحركات ذات الحقن الطبقي، وتعديل عمود الحدبات، ورفع الصمام المتغير، يمكن أن يرتفع الضغط إلى أكثر من 6000 كيلو باسكال.
متوسط ضغط الغاز:
أثناء عملية العمل، يختلف الضغط في الأسطوانة بشكل كبير. أثناء شوط السحب، يكون هناك فراغ (إذا كان توربو غاز العادم يوفر ضغطًا متزايدًا للهواء الداخل)، وبعد شوط الضغط، تكون هناك ذروة للضغط. كلما ارتفع ضغط الغاز الأقصى، كلما كان الاحتراق أقوى.
لتحديد متوسط ضغط عملية الاحتراق يمكننا تقسيم المخطط المؤشر إلى مستطيلات صغيرة متساوية العرض. الصورة التالية توضح المستطيلات الزرقاء والخضراء. ومن خلال حساب مساحة المستطيلات الزرقاء يمكننا حساب الضغط الإيجابي. ثم نطرح مساحة المثلثات الخضراء من هذا. ثم يتبقى لدينا متوسط ضغط المكبس.
من خلال متوسط ضغط المكبس يمكننا تحديد، من بين أمور أخرى، القوة المشار إليها والفعالة للمحرك. قم بزيارة الصفحة: الأصول والخسائر والعوائد لقراءة المزيد عن هذا.
في الصورة نرى أن الخط الأحمر يقع خارج المستطيلات الزرقاء: إذا أردنا أن نجعل عرض كل مستطيل أصغر وبالتالي يمكننا وضع المزيد من المستطيلات بجانب بعضها البعض، فسنحصل على انحراف أقل وأقل. يمكننا تطبيق هذا الإعلان إلى ما لا نهاية. وبطبيعة الحال، في الواقع لن نفعل ذلك. من خلال تطبيق الدوال الرياضية يمكننا تحديد السطح رياضيا. نحن نفعل هذا مع دمج.
