emner:
- Sammenligning af teoretisk og faktisk arbejdsproces
- Indikatordiagram
- Trykprogression under XNUMX-takts processen i en benzinmotor
- Trykprogression under en dieselmotors firetaktsproces
- Trykvariation under varierende driftsforhold
- Tab af flow
- Indflydelse af tændingstidspunkt på indikatordiagram
- Trykudvikling i p-α diagrammet
- Maksimal gastryk
- Gennemsnitligt gastryk
Sammenligning af teoretisk og faktisk arbejdsproces:
I en benzin- eller dieselmotors arbejdsproces har vi at gøre med et PV-diagram (P = tryk, V = volumen), som angiver sammenhængen mellem trykket og volumen i XNUMX-taktsprocessen. Mere information om dette kan findes på siden: Seiliger proces.
Den teoretiske cyklusproces foregår i en ideel motor, hvor der ikke er restgasser eller tab til stede. I virkeligheden adskiller den teoretiske arbejdsproces sig fra den faktiske arbejdsproces på grund af følgende afvigelser:
- cylinderen indeholder ikke kun frisk ladning, men også restgas fra den foregående arbejdscyklus;
- ufuldstændig forbrænding af brændstoffet;
- forbrændingen forløber ikke nøjagtigt ved samme volumen eller tryk;
- varmeudveksling mellem gassen og cylindervæggen;
- flowtab forekommer under arbejdsændringen;
- der er altid (minimal) gaslækage langs stempelringene;
- den specifikke varme ændres med tryk og temperatur, hvilket påvirker forbrændingen.
Forløbet af selve arbejdsprocessen registreres med indikatordiagrammet.
Indikatordiagram:
Indikatordiagrammet viser gastrykket i cylinderen (over stemplet) under to krumtapakselomdrejninger. Diagrammet blev bestemt under en trykmåling, der fandt sted i cylinderen.
Det viste indikatordiagram er af en benzinmotor. Den røde linje angiver trykvariationen i forhold til stempelslaget. Under en faktisk måling opnås en værdi ved p Max. Det kommer vi ind på senere. Under diagrammet er en cylinder med et stempel indeni. Bogstaverne Vs og Vc angiver slagvolumen og kompressionsvolumen.
Følgende er en liste over forkortelser brugt i figuren:
- p0: atmosfærisk lufttryk;
- pmax: maksimalt tryk i cylinder;
- S: stemplets slag;
- Vs: slagvolumen;
- Vc: kompressionsvolumen;
- W: fødsel (+ positiv og – negativ);
- Ign: tændingsmoment;
- Io: indløbsventil åbner;
- Os: udstødningsventil lukker;
- Er: indløbsventil lukker;
- Uo: Udstødningsventil åbner
Trykprogression under en benzinmotors firetaktsproces:
Vi kan se indikatordiagrammet i fire forskellige situationer:
- Indsugningsslag: stemplet bevæger sig fra TDC til TDC og suger luften ind. Volumen øges, fordi rummet over stemplet øges.
Trykket forbliver konstant*. Den røde linje i indikatordiagrammet løber fra a naar b; - Kompressionsslag: stemplet bevæger sig op og komprimerer luften. Luftmængden falder, mens trykket stiger. Den røde linje viser dette mellem punkterne b en c. Tændingen finder sted ved slutningen af kompressionsslaget;
- Kraftslag: Efter tændrøret har gnister, tager det noget tid for blandingen at brænde helt. Vi ser denne proces mellem prikkerne c en d. Kraften frigivet af tændingen presser stemplet nedad. Volumen stiger og trykket falder. Det ser vi mellem bogstaverne d en e;
- Udstødningsslag: Udstødningsventilen åbner, og stemplet presser udstødningsgasserne ud. Volumen falder, trykket forbliver konstant (e naar a).
Hybridbilproducenter tilpasser det i stigende grad i disse dage Atkinson-Miller princippet for at reducere den mekaniske modstand under kompressionsslaget. Dette afspejles i den stigende linje af kompressionsslaget i indikatordiagrammet.
*I forklaringen taler vi om lige tryk under indsugningsslaget. Dette er delvist korrekt. Under indsugningsslaget er stempelaccelerationen maksimal ved ca. 60 grader efter TDC. Den indkommende luft kan ikke følge stemplet. I det øjeblik skabes det maksimale undertryk på ca. -0,2 bar. Derefter stiger cylindertrykket igen. Masseinertien af den indkommende luft sikrer, at der stadig strømmer luft ind i cylinderen, mens stemplet igen bevæger sig opad. Størrelsen af undertrykket afhænger af gasspjældsventilens position og hastigheden. En yderligere lukket gasspjæld giver større vakuum ved konstant motorhastighed. Vi har forsømt det øgede undertryk under maksimal stempelacceleration i teksten og billederne ovenfor.
Trykprogression under en dieselmotors firetaktsproces:
Her ser vi et indikatordiagram over en dieselmotor.
- indsugningsslag: stemplet bevæger sig fra TDC til TDC og suger luft ind (hvis motoren er superladet);
- kompressionsslag: stemplet bevæger sig mod ODP. Luften komprimeres, og temperaturen stiger til mere end 100 grader celsius på grund af trykstigningen. Ved slutningen af kompressionsslaget indsprøjtes dieselbrændstof. Brændstofindsprøjtning begynder 5 til 10 grader før TDC og slutter mellem 10 og 15 grader efter TDC;
- kraftslag: fordi dieselbrændstof indsprøjtes ved slutningen af kompressionsslaget, begynder det at brænde, mens trykket forbliver konstant. Trykket i den (næsten) vandrette del forbliver konstant, mens volumen stiger.
I kraftslaget ser vi den isobariske varmeafledning fra den teoretiske cyklusproces.
Ligesom med benzinmotoren ser vi, at udstødningsventilen åbner, inden stemplet når TDC. Ventiloverlapning opstår også, fordi indløbsventilen åbner tidligere, end udstødningsventilen lukker.
Trykvariation under varierende driftsforhold:
Udover at motoregenskaberne bestemmer indikatordiagrammet, har driftsforholdene (læs: motorbelastning) også indflydelse på dette. Højt tryk over stemplet er ikke altid til stede eller nødvendigt.
De tre indikatordiagrammer nedenfor viser trykvariationen i forhold til krumtapakslens grader. Diagrammerne blev optaget under følgende forhold:
- delbelastning: 3/4 belastning ved n = 4200 rpm;
- fuld belastning: ved n = 2500 rpm;
- motorbremsning: ved n = 6000 o/min med lukket gasspjæld.
Vi ser forskelle i det maksimale gastryk i cylinderen mellem dellast og fuld last. Ved "motorbremsning" er gasspjældet lukket, og der er højvakuum i indsugningskanalen og i cylinderen. På grund af dette undertryk er kompressionstrykket ikke højere end 3 til 4 bar.
Flowtab:
Under indsugningsslaget skabes et vakuum i cylinderen. At suge luften ind koster energi. Det ser vi også i indikatordiagrammet. Mellem punkterne a og b falder den røde linje under p0 (det atmosfæriske udelufttryk). Der er et vakuum under denne stiplede linje (område -W). Vi kalder disse flowtab eller skylletab.
Det negative arbejde (-W) koster energi og er derfor uønsket. Skylning kræver arbejde. Udgangstrykket er højere end indgangstrykket. Skyllesløjfen er mod uret på selvansugende motorer.
Producenter anvender teknikker til at begrænse strømningstab:
- variabel ventiltiming;
- hurtig og stor ventilåbning;
- optimal dimensionering af indløbskanaler;
- glat forløb af kanalerne i indtagskanalen (forhindrer skarpe overgange);
- overladning (ved hjælp af en turbo og/eller mekanisk kompressor.
Motorer udstyret med superladning har mindre eller ingen negativ tendens i indikatordiagrammet. Spoleløkken løber med uret og producerer nu arbejde. Ladetrykket hjælper med at skubbe stemplet ned (fra TDC til ODP) under indsugningsslaget. Det nødvendige kompressorarbejde udvindes af udstødningsgassen, fordi turboens kompressorhjul drives af turbinehjulet. Det betyder, at kompressormotorer er meget mere effektive under de samme forhold sammenlignet med selvsugende motorer.
Indflydelse af tændingstidspunkt på indikatordiagram:
For at opnå det lavest mulige brændstofforbrug og høj effektivitet er det vigtigt at opnå følgende:
- en kort forbrændingstid, så en høj forbrændingshastighed. Dette har at gøre med blandingens sammensætning;
- korrekt indfasning af forbrænding i forhold til stempelbevægelse. Dette er direkte relateret til tændingstidspunktet. Forbrændingens tyngdepunkt skal være ca. 5 til 10 krumtapaksel grader efter TDC. Tyngdepunktet er den varmeafgivelse, der sker ved forbrænding.
Både for tidlig og for sen tændingstidspunkt fører til øget varmeafgivelse gennem cylindervæggen og derfor en reduktion i kvaliteten.
- For tidlig tænding: trykket stiger for tidligt, fordi forbrændingen starter tidligt under kompressionsslaget. Stemplet er kraftigt bremset før TDC af forbrændingstrykket. For tidlig tænding fører til høje toptryk, hvilket resulterer i en reduktion af den mekaniske effektivitet og risikoen for motordefekter.
- For lav tænding: forbrændingen påbegyndes for sent. Stemplet bevæger sig allerede mod ODP, hvilket medfører, at trykket i det ekspanderende rum bliver utilstrækkeligt højt. De stadig brændende gasser strømmede også forbi udstødningsventilerne. Som følge heraf stiger temperaturen for højt. En mager blanding giver samme resultat: gassen brænder for langsomt. Hvis blandingen er for mager, vil gassen stadig brænde ved begyndelsen af indsugningsslaget. Af denne grund kan der opstå bagslag i karburatormotorer.
Et moderne motorstyringssystem bestemmer det korrekte tændingstidspunkt ud fra dets parametre: under alle omstændigheder skal tændingstidspunktet være så tæt som muligt på bankegrænsen.
Trykudvikling i p-α-diagrammet:
Indikatordiagrammet kan konverteres til tangentialkraftdiagrammet. Dette viser tangentialkraften som funktion af krumtapvinklen (alfa). Vi omdanner indikatordiagrammet til et diagram, hvor trykket (p) er afbildet som funktion af vinklen (α): p-α diagrammet.
På det følgende billede ser vi trykprofilen i cylinderen under fuld belastning.
De blå punkter angiver, som i afsnittet "indikatordiagram", på hvilket tidspunkt ventilerne åbner og lukker:
- Åbning (Io) og lukning af (Is) indløbsventiler
- Udstødningsventiler åbner (Uo) og lukker (Us).
Derudover kan vi se på krumtapakslens grader, hvilket slag motoren arbejder på:
- 0 grader: TDC (slut på udstødningsslag, begyndelsen af indsugningsslag)
- 180 grader: ODP (slut på indsugningsslag, begyndelse af kompressionsslag)
- 360 grader: TDC (slut på kompressionsslag, begyndelse af kraftslag)
- 540 grader: ODP (slut på kraftslag, begyndelsen af udstødningsslag)
Maksimal gastryk:
Det maksimale gastryk er højest under kraftslaget. Trykniveauet afhænger af motorbelastningen: når motoren leverer meget kraft, vil forbrændingstrykket være højere end ved dellast.
De fire billeder nedenfor viser dette: gasspjældsåbningen TP (Throttle Position) giver en indikation af, i hvor høj grad motoren er belastet i forhold til krumtapakslens rotation CA (Crank Angle). I en gennemsnitlig benzinmotor skabes et tryk på i gennemsnit 4000 kPa ved forbrænding ved dellast og i dette tilfælde omkring 5000 kPa ved fuld belastning. I motorer med lagdelt indsprøjtning, knastakseljustering og variabel ventilløft kan trykket stige over 6000 kPa.
Gennemsnitligt gastryk:
Under arbejdsprocessen varierer trykket i cylinderen enormt. Under indsugningsslaget er der et vakuum (hvis en udstødningsturbo giver øget indsugningslufttryk), og efter kompressionsslaget er der en tryktop. Jo højere spidsgastrykket er, desto kraftigere er forbrændingen.
For at bestemme det gennemsnitlige tryk af forbrændingsprocessen kan vi opdele indikatordiagrammet i små rektangler med lige store bredder. Følgende billede viser blå og grønne rektangler. Ved at beregne arealet af de blå rektangler kan vi beregne det positive tryk. Vi trækker derefter arealet af de grønne trekanter fra dette. Vi står så tilbage med det gennemsnitlige stempeltryk.
Med det gennemsnitlige stempeltryk kan vi blandt andet bestemme motorens angivne og effektive effekt. Besøg siden: aktiver, tab og afkast at læse mere om dette.
På billedet ser vi, at den røde linje falder uden for de blå rektangler: hvis vi skulle gøre bredden af hvert rektangel mindre, og vi derfor kunne placere flere rektangler ved siden af hinanden, ville vi få mindre og mindre afvigelse. Vi kan anvende dette i det uendelige. Selvfølgelig vil vi i virkeligheden ikke gøre det. Ved at anvende matematiske funktioner kan vi bestemme overfladen matematisk. Det gør vi med integrere.
