Предмети:
- Сравнение на теоретичен и реален трудов процес
- Индикаторна диаграма
- Прогресия на налягането по време на четиритактовия процес на бензинов двигател
- Прогресия на налягането по време на четиритактовия процес на дизелов двигател
- Промяна в налягането при различни работни условия
- Загуба на поток
- Влияние на момента на запалване върху индикаторната диаграма
- Развитие на налягането в p-α диаграмата
- Пиково налягане на газа
- Средно налягане на газа
Сравнение на теоретичен и реален трудов процес:
В процеса на работа на бензинов или дизелов двигател имаме работа с PV диаграма (P = налягане, V = обем), която показва връзката между налягането и обема в четиритактовия процес. Повече информация за това можете да намерите на страницата: Процес на Seiliger.
Процесът на теоретичния цикъл протича в идеален двигател, в който няма остатъчни газове или загуби. В действителност теоретичният трудов процес се различава от действителния поради следните отклонения:
- цилиндърът съдържа не само свеж заряд, но и остатъчен газ от предишния работен цикъл;
- непълно изгаряне на горивото;
- горенето не протича точно при еднакъв обем или налягане;
- топлообмен между газа и стената на цилиндъра;
- възникват загуби на поток по време на промяната на работата;
- винаги има (минимално) изтичане на газ по дължината на буталните пръстени;
- специфичната топлина се променя с налягането и температурата, което влияе върху горенето.
Ходът на реалния работен процес се записва с индикаторната диаграма.
Диаграма на индикатора:
Индикаторната диаграма показва налягането на газа в цилиндъра (над буталото) по време на два оборота на коляновия вал. Диаграмата е определена по време на измерване на налягането в цилиндъра.
Показаната индикаторна диаграма е за бензинов двигател. Червената линия показва изменението на налягането спрямо хода на буталото. По време на действително измерване се получава стойност при p Макс. Ще разгледаме това по-късно. Под диаграмата има цилиндър с бутало вътре. Буквите Vs и Vc показват обема на удара и обема на компресията.
Следва списък на съкращенията, използвани във фигурата:
- p0: атмосферно налягане на въздуха;
- pmax: максимално налягане в цилиндъра;
- S: ход на буталото;
- Vs: ударен обем;
- Vc: обем на компресия;
- W: труд (+ положителен и – отрицателен);
- Ign: момент на запалване;
- Io: входящият клапан се отваря;
- Us: изпускателният клапан се затваря;
- Е: входящият клапан се затваря;
- Uo: изпускателният клапан се отваря
Прогресия на налягането по време на четиритактовия процес на бензинов двигател:
Можем да видим диаграмата на индикатора в четири различни ситуации:
- Ход на засмукване: буталото се движи от ГМТ към ГМТ и засмуква въздух. Обемът се увеличава, защото пространството над буталото се увеличава.
Налягането остава постоянно*. Червената линия в диаграмата на индикатора започва от a naar b; - Компресионен ход: буталото се движи нагоре и компресира въздуха. Обемът на въздуха намалява, докато налягането се увеличава. Червената линия показва това между точките b en c. Запалването става в края на такта на компресия;
- Силов ход: След като запалителната свещ искри, отнема известно време, докато сместа изгори напълно. Виждаме този процес между точките c en d. Силата, освободена от запалването, избутва буталото надолу. Обемът се увеличава, а налягането намалява. Виждаме това между буквите d en e;
- Изпускателен ход: Изпускателният клапан се отваря и буталото избутва изгорелите газове навън. Обемът намалява, налягането остава постоянно (e naar a).
Производителите на хибридни превозни средства все повече го адаптират в наши дни Принцип на Аткинсън-Милър за намаляване на механичното съпротивление по време на такта на компресия. Това се отразява в нарастващата линия на хода на компресия в диаграмата на индикатора.
*В обяснението говорим за еднакво налягане по време на всмукателния такт. Това е отчасти правилно. По време на такта на всмукване ускорението на буталото е максимално при приблизително 60 градуса след ГМТ. Входящият въздух не може да следва буталото. В този момент се създава максимално отрицателно налягане от приблизително -0,2 bar. След това налягането в цилиндъра отново се повишава. Инерцията на масата на входящия въздух гарантира, че въздухът продължава да тече в цилиндъра, докато буталото отново се движи нагоре. Големината на подналягането зависи от положението на дроселната клапа и скоростта. Допълнителна затворена дроселна клапа осигурява по-голям вакуум при постоянна скорост на двигателя. Пренебрегнахме увеличеното подналягане по време на максимално ускорение на буталото в текста и изображенията по-горе.
Прогресия на налягането по време на четиритактовия процес на дизелов двигател:
Тук виждаме индикаторна диаграма на дизелов двигател.
- такт на всмукване: буталото се движи от ГМТ към ГМТ и засмуква въздух (ако двигателят е с компресор);
- такт на компресия: буталото се движи към ODP. Въздухът се компресира и температурата се повишава до повече от 100 градуса по Целзий поради увеличаването на налягането. В края на такта на компресия дизеловото гориво се впръсква. Впръскването на гориво започва от 5 до 10 градуса преди ГМТ и завършва между 10 и 15 градуса след ГМТ;
- силов ход: тъй като дизеловото гориво се впръсква в края на такта на компресия, то започва да гори, докато налягането остава постоянно. Налягането в (почти) хоризонталната част остава постоянно, докато обемът се увеличава.
В силовия удар виждаме изобаричното разсейване на топлината от теоретичния цикъл на процеса.
Както при бензиновия двигател, виждаме, че изпускателният клапан се отваря преди буталото да достигне ГМТ. Припокриването на клапаните също възниква, защото входящият клапан се отваря по-рано, отколкото изпускателният клапан се затваря.
Промяна на налягането при различни работни условия:
В допълнение към характеристиките на двигателя, определящи диаграмата на индикатора, условията на работа (да се чете: натоварване на двигателя) също влияят върху това. Високото налягане над буталото не винаги е налице или необходимо.
Трите индикаторни диаграми по-долу показват промяната на налягането във връзка с градусите на коляновия вал. Диаграмите са записани при следните условия:
- частично натоварване: 3/4 натоварване при n = 4200 rpm;
- пълно натоварване: при n = 2500 об/мин;
- спиране на двигателя: при n = 6000 об/мин със затворена дроселова клапа.
Виждаме разлики в максималното налягане на газа в цилиндъра между частично и пълно натоварване. При „спиране на двигателя“ дроселовата клапа е затворена и във всмукателния тракт и в цилиндъра има висок вакуум. Поради това отрицателно налягане налягането на компресия не е по-високо от 3 до 4 бара.
Загуба на поток:
По време на такта на всмукване в цилиндъра се създава вакуум. Всмукването на въздуха струва енергия. Виждаме това и в диаграмата на индикатора. Между точки a и b червената линия пада под p0 (атмосферното налягане на външния въздух). Има вакуум под тази пунктирана линия (област -W). Ние наричаме тези загуби на поток или загуби от промиване.
Отрицателната работа (-W) струва енергия и следователно е нежелана. Изплакването изисква труд. Изходното налягане е по-високо от входното. Промивният контур е обратен на часовниковата стрелка при самозасмукващи двигатели.
Производителите прилагат техники за ограничаване на загубите на поток:
- променливо газоразпределение;
- бързо и голямо отваряне на клапана;
- оптимално оразмеряване на входните канали;
- плавен ход на каналите във всмукателния тракт (предотвратяване на резки преходи);
- компресор (посредством турбо и/или механичен компресор.
Двигателите, оборудвани с компресор, имат по-малко или никаква отрицателна тенденция в индикаторната диаграма. Примката на бобината се движи по посока на часовниковата стрелка и сега произвежда работа. Налягането на усилване помага да се избута буталото надолу (от TDC до ODP) по време на такта на всмукване. Необходимата компресорна работа се извлича от отработените газове, тъй като компресорното колело на турбото се задвижва от турбинното колело. Това означава, че двигателите с компресор са много по-ефективни при същите условия в сравнение с двигателите със самоаспириране.
Влияние на момента на запалване върху индикаторната диаграма:
За да се постигне възможно най-нисък разход на гориво и висока ефективност, е важно да се постигне следното:
- кратко време на горене, следователно висока скорост на горене. Това е свързано със състава на сместа;
- правилно фазиране на горенето във връзка с движението на буталото. Това е пряко свързано с момента на запалване. Центърът на тежестта на горенето трябва да бъде приблизително 5 до 10 градуса на коляновия вал след ГМТ. Центърът на тежестта е топлината, която се отделя по време на горенето.
Както твърде ранното, така и твърде късното време на запалване води до повишено отделяне на топлина през стената на цилиндъра и следователно до намаляване на качеството.
- Твърде ранно запалване: налягането се повишава твърде рано, защото горенето започва рано по време на такта на компресия. Буталото се спира силно преди ГМТ от налягането при горене. Твърде ранното запалване води до високо горно налягане, което води до намаляване на механичната ефективност и риск от дефекти на двигателя.
- Твърде слабо запалване: горенето започва твърде късно. Буталото вече се движи към ODP, което води до недостатъчно високо налягане в разширяващото се пространство. Все още горящите газове също преминаваха покрай изпускателните клапани. В резултат на това температурата се повишава твърде високо. Бедната смес дава същия резултат: газът гори твърде бавно. Ако сместа е твърде бедна, газът все още ще гори в началото на такта на всмукване. Поради тази причина в карбураторните двигатели може да възникне обратен огън.
Модерната система за управление на двигателя определя правилното време на запалване от своите параметри: при всички обстоятелства времето на запалване трябва да бъде възможно най-близо до границата на детонация.
Развитие на налягането в p-α диаграмата:
Диаграмата на индикатора може да се преобразува в диаграмата на тангенциалната сила. Това показва тангенциалната сила като функция на ъгъла на коляновия вал (алфа). Трансформираме индикаторната диаграма в диаграма, в която налягането (p) е изобразено като функция на ъгъла (α): p-α диаграмата.
На следващото изображение виждаме профила на налягането в цилиндъра по време на пълно натоварване.
Сините точки показват, както в раздела „индикаторна диаграма“, по кое време се отварят и затварят клапаните:
- Отваряне (Io) и затваряне (Is) на входните клапани
- Изпускателните клапани се отварят (Uo) и затварят (Us).
Освен това можем да видим от градусите на коляновия вал на кой ход работи двигателят:
- 0 градуса: ГМТ (край на такта на изпускане, начало на такт на всмукване)
- 180 градуса: ODP (край на такта на всмукване, начало на такта на компресия)
- 360 градуса: ГМТ (край на такта на компресия, начало на такта на мощност)
- 540 градуса: ODP (край на силов ход, начало на изпускателен ход)
Пиково налягане на газа:
Пиковото налягане на газа е най-високо по време на силовия ход. Нивото на налягане зависи от натоварването на двигателя: когато двигателят доставя голяма мощност, налягането при горене ще бъде по-високо, отколкото при частично натоварване.
Четирите изображения по-долу показват това: отварянето на дросела TP (положение на дросела) дава индикация за степента, до която двигателят е натоварен по отношение на въртенето на коляновия вал CA (ъгъл на коляновия вал). При среден бензинов двигател се създава налягане от средно 4000 kPa по време на горене при частично натоварване и в този случай около 5000 kPa при пълно натоварване. При двигатели с послойно впръскване, регулиране на разпределителния вал и променливо повдигане на клапана, налягането може да се повиши над 6000 kPa.
Средно налягане на газа:
По време на работния процес налягането в цилиндъра варира значително. По време на такта на всмукване има вакуум (ако турбото на отработените газове осигурява повишено налягане на входящия въздух), а след такта на компресия има пик на налягането. Колкото по-високо е пиковото налягане на газа, толкова по-мощно е горенето.
За да определим средното налягане на горивния процес, можем да разделим индикаторната диаграма на малки правоъгълници с еднаква ширина. Следното изображение показва сини и зелени правоъгълници. Чрез изчисляване на площта на сините правоъгълници можем да изчислим положителното налягане. След това изваждаме площта на зелените триъгълници от това. След това оставаме със средното налягане на буталото.
Със средното налягане на буталото можем да определим, наред с други неща, показаната и ефективна мощност на двигателя. Посетете страницата: активи, загуби и възвръщаемост за да прочетете повече за това.
На изображението виждаме, че червената линия пада извън сините правоъгълници: ако направим ширината на всеки правоъгълник по-малка и следователно можем да поставим повече правоъгълници един до друг, ще получим все по-малко отклонение. Можем да прилагаме това ad infinitum. Разбира се, в действителност няма да го направим. Чрез прилагане на математически функции можем да определим повърхността математически. Правим това с интегрирайте.
