Předměty:
- Srovnání teoretického a skutečného pracovního procesu
- Graf indikátorů
- Průběh tlaku během čtyřdobého procesu benzínového motoru
- Průběh tlaku během čtyřdobého procesu vznětového motoru
- Kolísání tlaku během různých provozních podmínek
- Ztráta průtoku
- Vliv časování zapalování na diagram indikátorů
- Vývoj tlaku v p-α diagramu
- Špičkový tlak plynu
- Průměrný tlak plynu
Srovnání teoretického a skutečného pracovního procesu:
V pracovním procesu benzínového nebo naftového motoru máme co do činění s PV diagramem (P = tlak, V = objem), který udává vztah mezi tlakem a objemem ve čtyřdobém procesu. Více informací o tomto naleznete na stránce: Seiligerův proces.
Proces teoretického cyklu probíhá v ideálním motoru, ve kterém nejsou přítomny žádné zbytkové plyny ani ztráty. Ve skutečnosti se teoretický pracovní proces liší od skutečného pracovního procesu v důsledku následujících odchylek:
- válec obsahuje nejen čerstvou náplň, ale i zbytkový plyn z předchozího pracovního cyklu;
- nedokonalé spalování paliva;
- spalování neprobíhá přesně při stejném objemu nebo tlaku;
- výměna tepla mezi plynem a stěnou válce;
- při změně práce dochází ke ztrátám proudění;
- podél pístních kroužků dochází vždy k (minimálnímu) úniku plynu;
- měrné teplo se mění s tlakem a teplotou, což ovlivňuje spalování.
Průběh vlastního pracovního procesu je zaznamenáván indikátorovým diagramem.
Diagram indikátoru:
Diagram indikátoru ukazuje tlak plynu ve válci (nad pístem) během dvou otáček klikového hřídele. Diagram byl stanoven při měření tlaku, které probíhalo ve válci.
Zobrazené schéma indikátoru je zážehového motoru. Červená čára označuje kolísání tlaku vzhledem ke zdvihu pístu. Během aktuálního měření se získá hodnota p Max. Tomu se budeme věnovat později. Pod diagramem je válec s pístem uvnitř. Písmena Vs a Vc označují zdvihový objem a objem komprese.
Následuje seznam zkratek použitých na obrázku:
- p0: atmosférický tlak vzduchu;
- pmax: maximální tlak ve válci;
- S: zdvih pístu;
- Vs: zdvihový objem;
- Vc: kompresní objem;
- W: porod (+ pozitivní a – negativní);
- Ign: moment zážehu;
- Io: vstupní ventil se otevře;
- Us: výfukový ventil se zavře;
- Je: vstupní ventil se zavře;
- Uo: výfukový ventil se otevře
Vývoj tlaku během čtyřdobého procesu benzínového motoru:
Indikátorový diagram můžeme zobrazit ve čtyřech různých situacích:
- Sací zdvih: píst se pohybuje z TDC do TDC a nasává vzduch. Objem se zvětšuje, protože se zvětšuje prostor nad pístem.
Tlak zůstává konstantní*. Červená čára v diagramu indikátoru začíná a NAZV b; - Kompresní zdvih: píst se pohybuje nahoru a stlačuje vzduch. Objem vzduchu se snižuje, zatímco tlak stoupá. Červená čára to ukazuje mezi body b en c. K zapálení dochází na konci kompresního zdvihu;
- Výkonový zdvih: Po zajiskření zapalovací svíčky nějakou dobu trvá, než se směs zcela spálí. Tento proces vidíme mezi tečkami c en d. Síla uvolněná zapalováním tlačí píst dolů. Objem se zvětšuje a tlak klesá. Vidíme to mezi písmeny d en e;
- Výfukový zdvih: Výfukový ventil se otevře a píst vytlačí výfukové plyny ven. Objem se zmenšuje, tlak zůstává konstantní (e NAZV a).
Výrobci hybridních vozidel jej v dnešní době stále více přizpůsobují Princip Atkinson-Miller ke snížení mechanické odolnosti během kompresního zdvihu. To se odráží ve stoupající linii kompresního zdvihu v indikátorovém diagramu.
*Ve vysvětlení mluvíme o stejném tlaku během sacího zdvihu. To je částečně správné. Během sacího zdvihu je zrychlení pístu maximální přibližně 60 stupňů po TDC. Přiváděný vzduch nemůže následovat píst. V tomto okamžiku se vytvoří maximální podtlak přibližně -0,2 bar. Poté tlak ve válci opět stoupne. Hmotnostní setrvačnost přiváděného vzduchu zajišťuje, že vzduch stále proudí do válce, zatímco píst se opět pohybuje nahoru. Velikost podtlaku závisí na poloze škrticí klapky a otáčkách. Další uzavřená škrticí klapka poskytuje větší podtlak při konstantních otáčkách motoru. V textu a na obrázcích výše jsme zanedbali zvýšený podtlak při maximálním zrychlení pístu.
Průběh tlaku během čtyřdobého procesu dieselového motoru:
Zde vidíme indikátorový diagram dieselového motoru.
- sací zdvih: píst se pohybuje z TDC do TDC a nasává vzduch (pokud je motor přeplňován);
- kompresní zdvih: píst se pohybuje směrem k ODP. Vzduch je stlačen a teplota se díky nárůstu tlaku zvýší na více než 100 stupňů Celsia. Na konci kompresního zdvihu je vstřikována motorová nafta. Vstřikování paliva začíná 5 až 10 stupňů před TDC a končí mezi 10 a 15 stupni po TDC;
- výkonový zdvih: protože nafta je vstřikována na konci kompresního zdvihu, začne hořet, zatímco tlak zůstává konstantní. Tlak v (téměř) vodorovné části zůstává konstantní, zatímco objem roste.
Ve výkonovém zdvihu vidíme izobarický odvod tepla z procesu teoretického cyklu.
Stejně jako u benzínového motoru vidíme, že výfukový ventil se otevírá dříve, než píst dosáhne TDC. K překrytí ventilů dochází také proto, že vstupní ventil se otevře dříve, než se uzavře výfukový ventil.
Kolísání tlaku během různých provozních podmínek:
Kromě vlastností motoru určujících indikátorový diagram na to mají vliv i provozní podmínky (čti: zatížení motoru). Vysoký tlak nad pístem není vždy přítomen nebo nutný.
Tři níže uvedené diagramy indikátorů ukazují kolísání tlaku ve vztahu ke stupním klikového hřídele. Diagramy byly zaznamenány za následujících podmínek:
- částečné zatížení: 3/4 zatížení při n = 4200 ot./min;
- plné zatížení: při n = 2500 ot./min;
- brzdění motorem: při n = 6000 ot/min se zavřenou škrticí klapkou.
Vidíme rozdíly v maximálním tlaku plynu ve válci mezi částečným a plným zatížením. Při „brzdění motorem“ je škrticí klapka uzavřena a v sacím traktu a ve válci je vysoký podtlak. Díky tomuto podtlaku není kompresní tlak vyšší než 3 až 4 bary.
Ztráta průtoku:
Během sacího zdvihu vzniká ve válci podtlak. Nasávání vzduchu stojí energii. Vidíme to také v indikátorovém diagramu. Mezi body aab červená čára klesne pod p0 (atmosférický venkovní tlak vzduchu). Pod touto tečkovanou čarou (plocha -W) je vakuum. Těmto ztrátám říkáme průtokové ztráty nebo proplachovací ztráty.
Záporná práce (-W) stojí energii a je proto nežádoucí. Oplachování vyžaduje práci. Výstupní tlak je vyšší než vstupní tlak. Proplachovací smyčka je u samonasávacích motorů proti směru hodinových ručiček.
Výrobci používají techniky k omezení ztrát průtoku:
- variabilní časování ventilů;
- rychlé a velké otevření ventilu;
- optimální dimenzování vstupních kanálů;
- hladký průběh kanálů v sacím traktu (zabránění ostrým přechodům);
- přeplňování (pomocí turba a/nebo mechanického kompresoru.
Motory vybavené přeplňováním mají v indikátorovém diagramu menší nebo žádný negativní trend. Smyčka cívky běží ve směru hodinových ručiček a nyní vytváří práci. Plnicí tlak pomáhá tlačit píst dolů (z TDC do ODP) během sacího zdvihu. Potřebná práce kompresoru se odebírá z výfukových plynů, protože kolo kompresoru turba je poháněno kolem turbíny. To znamená, že přeplňované motory jsou za stejných podmínek mnohem účinnější ve srovnání se samonasávacími motory.
Vliv časování zapalování na diagram indikátoru:
Pro dosažení co nejnižší spotřeby paliva a vysoké účinnosti je důležité dosáhnout následujícího:
- krátká doba hoření, takže vysoká rychlost hoření. To souvisí se složením směsi;
- správné fázování spalování ve vztahu k pohybu pístu. To přímo souvisí s časováním zapalování. Těžiště spalování by mělo být přibližně 5 až 10 stupňů klikového hřídele po TDC. Těžiště je uvolňování tepla, ke kterému dochází při spalování.
Příliš brzké i příliš pozdní načasování zapalování vede ke zvýšenému uvolňování tepla stěnou válce a tím ke snížení kvality.
- Příliš brzké zapálení: tlak stoupá příliš brzy, protože spalování začíná brzy během kompresního zdvihu. Píst je před TDC silně brzděn spalovacím tlakem. Příliš brzké zapálení vede k vysokým horním tlakům, což má za následek snížení mechanické účinnosti a riziko závad motoru.
- Příliš nízké zapálení: spalování je zahájeno příliš pozdě. Píst se již pohybuje směrem k ODP, což způsobuje, že tlak v expandujícím prostoru není dostatečně vysoký. Stále hořící plyny proudily i kolem výfukových ventilů. V důsledku toho teplota stoupá příliš vysoko. Chudá směs dává stejný výsledek: plyn hoří příliš pomalu. Pokud je směs příliš chudá, plyn bude stále hořet na začátku sacího zdvihu. Z tohoto důvodu může u karburátorových motorů dojít ke zpětnému vzplanutí.
Moderní systém řízení motoru určuje správné načasování zážehu ze svých parametrů: za všech okolností musí být načasování zážehu co nejblíže limitu klepání.
Vývoj tlaku v p-α diagramu:
Indikátorový diagram lze převést na diagram tangenciálních sil. To ukazuje tangenciální sílu jako funkci úhlu kliky (alfa). Diagram indikátoru převedeme na diagram, ve kterém je tlak (p) znázorněn jako funkce úhlu (α): diagram p-α.
Na následujícím obrázku vidíme profil tlaku ve válci při plném zatížení.
Modré body označují, jako v části „diagram indikátorů“, kdy se ventily otevírají a zavírají:
- Otevírání (Io) a zavírání (Is) vstupních ventilů
- Výfukové ventily se otevírají (Uo) a zavírají (Us).
Kromě toho můžeme vidět ze stupňů klikového hřídele, na kterém zdvihu motor pracuje:
- 0 stupňů: TDC (konec výfukového zdvihu, začátek sacího zdvihu)
- 180 stupňů: ODP (konec sacího zdvihu, začátek kompresního zdvihu)
- 360 stupňů: TDC (konec kompresního zdvihu, začátek silového zdvihu)
- 540 stupňů: ODP (konec výkonového zdvihu, začátek výfukového zdvihu)
Špičkový tlak plynu:
Špičkový tlak plynu je nejvyšší během elektrického zdvihu. Úroveň tlaku závisí na zatížení motoru: když motor dodává velký výkon, spalovací tlak bude vyšší než při částečném zatížení.
Čtyři obrázky níže to ukazují: otevření škrticí klapky TP (Throttle Position) udává míru zatížení motoru ve vztahu k natočení klikového hřídele CA (Crank Angle). V průměrném zážehovém motoru vzniká při spalování při částečném zatížení tlak v průměru 4000 kPa a v tomto případě kolem 5000 kPa při plném zatížení. U motorů s vrstveným vstřikováním, seřízením vačkového hřídele a proměnným zdvihem ventilů může tlak stoupnout nad 6000 kPa.
Průměrný tlak plynu:
Během pracovního procesu se tlak ve válci enormně mění. Během sacího zdvihu je podtlak (pokud turbo výfukových plynů poskytuje zvýšený tlak nasávaného vzduchu) a po kompresním zdvihu je tlaková špička. Čím vyšší je špičkový tlak plynu, tím je spalování výkonnější.
Pro určení průměrného tlaku spalovacího procesu můžeme indikátorový diagram rozdělit na malé obdélníky stejné šířky. Na následujícím obrázku jsou modré a zelené obdélníky. Výpočtem plochy modrých obdélníků můžeme vypočítat přetlak. Poté od toho odečteme plochu zelených trojúhelníků. Pak nám zůstane průměrný tlak pístu.
Průměrným tlakem pístu můžeme mimo jiné určit udávaný a efektivní výkon motoru. Navštivte stránku: aktiv, ztrát a výnosů přečíst si o tom více.
Na obrázku vidíme, že červená čára spadá mimo modré obdélníky: pokud bychom šířku každého obdélníku zmenšili a mohli bychom tedy umístit více obdélníků vedle sebe, dostali bychom stále menší odchylku. Toto můžeme aplikovat do nekonečna. Ve skutečnosti to samozřejmě neuděláme. Použitím matematických funkcí můžeme plochu určit matematicky. Děláme to s integrovat.
