Μαθήματα:
- Σύγκριση θεωρητικής και πραγματικής εργασιακής διαδικασίας
- Ενδεικτικό διάγραμμα
- Πρόοδος πίεσης κατά τη διάρκεια της τετράχρονης διαδικασίας ενός βενζινοκινητήρα
- Πρόοδος πίεσης κατά τη διάρκεια της τετράχρονης διαδικασίας ενός κινητήρα ντίζελ
- Διακύμανση πίεσης σε διάφορες συνθήκες λειτουργίας
- Απώλεια ροής
- Επίδραση του χρονισμού ανάφλεξης στο διάγραμμα ένδειξης
- Ανάπτυξη πίεσης στο διάγραμμα p-α
- Μέγιστη πίεση αερίου
- Μέση πίεση αερίου
Σύγκριση θεωρητικής και πραγματικής εργασιακής διαδικασίας:
Στη διαδικασία εργασίας ενός βενζινοκινητήρα ή πετρελαιοκινητήρα έχουμε να κάνουμε με ένα διάγραμμα ΦΒ (P = πίεση, V = όγκος) που δείχνει τη σχέση μεταξύ της πίεσης και του όγκου στην τετράχρονη διαδικασία. Περισσότερες πληροφορίες σχετικά με αυτό μπορείτε να βρείτε στη σελίδα: Διαδικασία Seiliger.
Η διαδικασία του θεωρητικού κύκλου λαμβάνει χώρα σε έναν ιδανικό κινητήρα, στον οποίο δεν υπάρχουν υπολειμματικά αέρια ή απώλειες. Στην πραγματικότητα, η θεωρητική διαδικασία εργασίας διαφέρει από την πραγματική διαδικασία εργασίας λόγω των ακόλουθων αποκλίσεων:
- ο κύλινδρος περιέχει όχι μόνο φρέσκο φορτίο, αλλά και υπολειμματικό αέριο από τον προηγούμενο κύκλο εργασίας.
- ατελής καύση του καυσίμου.
- η καύση δεν προχωρά ακριβώς με τον ίδιο όγκο ή πίεση.
- ανταλλαγή θερμότητας μεταξύ του αερίου και του τοιχώματος του κυλίνδρου.
- Απώλειες ροής συμβαίνουν κατά την αλλαγή εργασίας.
- υπάρχει πάντα (ελάχιστη) διαρροή αερίου κατά μήκος των δακτυλίων του εμβόλου.
- η ειδική θερμότητα αλλάζει με την πίεση και τη θερμοκρασία, γεγονός που επηρεάζει την καύση.
Η πορεία της πραγματικής διαδικασίας εργασίας καταγράφεται με το ενδεικτικό διάγραμμα.
Ενδεικτικό διάγραμμα:
Το διάγραμμα ένδειξης δείχνει την πίεση αερίου στον κύλινδρο (πάνω από το έμβολο) κατά τη διάρκεια δύο περιστροφών του στροφαλοφόρου άξονα. Το διάγραμμα προσδιορίστηκε κατά τη διάρκεια μιας μέτρησης πίεσης που πραγματοποιήθηκε στον κύλινδρο.
Το ενδεικτικό διάγραμμα που εμφανίζεται είναι βενζινοκινητήρας. Η κόκκινη γραμμή δείχνει τη διακύμανση της πίεσης σε σχέση με τη διαδρομή του εμβόλου. Κατά τη διάρκεια μιας πραγματικής μέτρησης, λαμβάνεται μια τιμή στο p Max. Θα πάμε σε αυτό αργότερα. Κάτω από το διάγραμμα είναι ένας κύλινδρος με ένα έμβολο μέσα. Τα γράμματα Vs και Vc υποδεικνύουν τον όγκο διαδρομής και τον όγκο συμπίεσης.
Ακολουθεί μια λίστα με τις συντομογραφίες που χρησιμοποιούνται στο σχήμα:
- p0: ατμοσφαιρική πίεση αέρα.
- pmax: μέγιστη πίεση στον κύλινδρο.
- S: διαδρομή του εμβόλου.
- Vs: όγκος διαδρομής.
- Vc: όγκος συμπίεσης;
- W: εργασία (+ θετικό και – αρνητικό);
- Ign: ροπή ανάφλεξης.
- Io: η βαλβίδα εισόδου ανοίγει.
- Εμάς: η βαλβίδα εξαγωγής κλείνει.
- Είναι: η βαλβίδα εισόδου κλείνει.
- Uo: η βαλβίδα εξαγωγής ανοίγει
Πρόοδος πίεσης κατά τη διάρκεια της τετράχρονης διαδικασίας ενός βενζινοκινητήρα:
Μπορούμε να δούμε το διάγραμμα ένδειξης σε τέσσερις διαφορετικές καταστάσεις:
- Διαδρομή εισαγωγής: το έμβολο μετακινείται από το TDC στο TDC και αναρροφά τον αέρα. Ο όγκος αυξάνεται επειδή ο χώρος πάνω από το έμβολο αυξάνεται.
Η πίεση παραμένει σταθερή*. Η κόκκινη γραμμή στο διάγραμμα ένδειξης προέρχεται από a να b; - Διαδρομή συμπίεσης: το έμβολο κινείται προς τα πάνω και συμπιέζει τον αέρα. Ο όγκος του αέρα μειώνεται ενώ η πίεση αυξάνεται. Η κόκκινη γραμμή το δείχνει αυτό ανάμεσα στα σημεία b en c. Η ανάφλεξη λαμβάνει χώρα στο τέλος της διαδρομής συμπίεσης.
- Τροφοδοσία: Αφού το μπουζί ανάψει, χρειάζεται λίγος χρόνος για να καεί τελείως το μείγμα. Βλέπουμε αυτή τη διαδικασία ανάμεσα στις τελείες c en d. Η δύναμη που εκλύεται από την ανάφλεξη σπρώχνει το έμβολο προς τα κάτω. Ο όγκος αυξάνεται και η πίεση μειώνεται. Αυτό το βλέπουμε ανάμεσα στα γράμματα d en e;
- Διαδρομή εξάτμισης: Η βαλβίδα εξαγωγής ανοίγει και το έμβολο σπρώχνει τα καυσαέρια προς τα έξω. Ο όγκος μειώνεται, η πίεση παραμένει σταθερή (e να a).
Οι κατασκευαστές υβριδικών οχημάτων το προσαρμόζουν όλο και περισσότερο αυτές τις μέρες Αρχή Atkinson-Miller για μείωση της μηχανικής αντίστασης κατά τη διάρκεια της διαδρομής συμπίεσης. Αυτό αντικατοπτρίζεται στην ανοδική γραμμή της διαδρομής συμπίεσης στο διάγραμμα δείκτη.
*Στην εξήγηση μιλάμε για ίση πίεση κατά το εγκεφαλικό επεισόδιο εισαγωγής. Αυτό είναι εν μέρει σωστό. Κατά τη διάρκεια της διαδρομής εισαγωγής, η επιτάχυνση του εμβόλου είναι μέγιστη σε περίπου 60 μοίρες μετά το TDC. Ο εισερχόμενος αέρας δεν μπορεί να ακολουθήσει το έμβολο. Εκείνη τη στιγμή δημιουργείται η μέγιστη αρνητική πίεση περίπου -0,2 bar. Στη συνέχεια, η πίεση του κυλίνδρου αυξάνεται ξανά. Η αδράνεια μάζας του εισερχόμενου αέρα διασφαλίζει ότι ο αέρας εξακολουθεί να ρέει στον κύλινδρο ενώ το έμβολο κινείται ξανά προς τα πάνω. Το μέγεθος της υποπίεσης εξαρτάται από τη θέση της βαλβίδας πεταλούδας και την ταχύτητα. Μια επιπλέον κλειστή βαλβίδα γκαζιού παρέχει μεγαλύτερο κενό σε σταθερές στροφές κινητήρα. Παραμελήσαμε την αυξημένη υποπίεση κατά τη μέγιστη επιτάχυνση του εμβόλου στο παραπάνω κείμενο και τις εικόνες.
Πρόοδος πίεσης κατά τη διάρκεια της τετράχρονης διαδικασίας ενός κινητήρα ντίζελ:
Εδώ βλέπουμε ένα ενδεικτικό διάγραμμα ενός κινητήρα ντίζελ.
- διαδρομή εισαγωγής: το έμβολο μετακινείται από το TDC στο TDC και αναρροφά αέρα (εάν ο κινητήρας είναι υπερτροφοδοτούμενος).
- διαδρομή συμπίεσης: το έμβολο κινείται προς το ODP. Ο αέρας συμπιέζεται και η θερμοκρασία ανεβαίνει σε περισσότερους από 100 βαθμούς Κελσίου λόγω της αύξησης της πίεσης. Στο τέλος της διαδρομής συμπίεσης το καύσιμο ντίζελ εγχέεται. Η έγχυση καυσίμου ξεκινά 5 έως 10 μοίρες πριν από το TDC και τελειώνει μεταξύ 10 και 15 μοίρες μετά το TDC.
- ισχύς διαδρομής: επειδή το καύσιμο ντίζελ εγχέεται στο τέλος της διαδρομής συμπίεσης, αρχίζει να καίγεται ενώ η πίεση παραμένει σταθερή. Η πίεση στο (σχεδόν) οριζόντιο τμήμα παραμένει σταθερή, ενώ ο όγκος αυξάνεται.
Στη διαδρομή ισχύος βλέπουμε την ισοβαρική απαγωγή θερμότητας από τη διαδικασία του θεωρητικού κύκλου.
Όπως και με τον βενζινοκινητήρα, βλέπουμε ότι η βαλβίδα εξαγωγής ανοίγει πριν το έμβολο φτάσει στο TDC. Η επικάλυψη βαλβίδας συμβαίνει επίσης επειδή η βαλβίδα εισαγωγής ανοίγει νωρίτερα από το κλείσιμο της βαλβίδας εξαγωγής.
Διακύμανση πίεσης σε διάφορες συνθήκες λειτουργίας:
Εκτός από τις ιδιότητες του κινητήρα που καθορίζουν το διάγραμμα δείκτη, οι συνθήκες λειτουργίας (διαβάστε: φορτίο κινητήρα) επηρεάζουν επίσης αυτό. Η υψηλή πίεση πάνω από το έμβολο δεν είναι πάντα παρούσα ή απαραίτητη.
Τα τρία παρακάτω ενδεικτικά διαγράμματα δείχνουν τη διακύμανση της πίεσης σε σχέση με τις μοίρες του στροφαλοφόρου άξονα. Τα διαγράμματα καταγράφηκαν υπό τις ακόλουθες συνθήκες:
- μερικό φορτίο: 3/4 φορτίο σε n = 4200 rpm;
- πλήρες φορτίο: σε n = 2500 σ.α.λ.
- πέδηση κινητήρα: στις n = 6000 σ.α.λ. με κλειστή βαλβίδα γκαζιού.
Βλέπουμε διαφορές στη μέγιστη πίεση αερίου στον κύλινδρο μεταξύ μερικού και πλήρους φορτίου. Όταν "φρενάρει κινητήρα", η βαλβίδα του γκαζιού είναι κλειστή και υπάρχει μεγάλο κενό στην οδό εισαγωγής και στον κύλινδρο. Λόγω αυτής της αρνητικής πίεσης, η πίεση συμπίεσης δεν είναι μεγαλύτερη από 3 έως 4 bar.
Απώλεια ροής:
Κατά τη διάρκεια της διαδρομής εισαγωγής, δημιουργείται ένα κενό στον κύλινδρο. Το πιπίλισμα του αέρα κοστίζει ενέργεια. Αυτό το βλέπουμε και στο διάγραμμα δείκτη. Μεταξύ των σημείων a και b η κόκκινη γραμμή πέφτει κάτω από το p0 (την ατμοσφαιρική εξωτερική πίεση αέρα). Υπάρχει ένα κενό κάτω από αυτή τη διακεκομμένη γραμμή (περιοχή -W). Αυτές τις ονομάζουμε απώλειες ροής ή απώλειες έκπλυσης.
Το αρνητικό έργο (-W) κοστίζει ενέργεια και επομένως είναι ανεπιθύμητο. Το ξέβγαλμα απαιτεί εργασία. Η πίεση εξόδου είναι υψηλότερη από την πίεση εισόδου. Ο βρόχος έκπλυσης είναι αριστερόστροφα σε κινητήρες αυτόματης πλήρωσης.
Οι κατασκευαστές εφαρμόζουν τεχνικές για τον περιορισμό των απωλειών ροής:
- μεταβλητός χρονισμός βαλβίδας.
- γρήγορο και μεγάλο άνοιγμα βαλβίδας.
- βέλτιστο μέγεθος των καναλιών εισόδου.
- ομαλή πορεία των καναλιών στην οδό εισαγωγής (αποτροπή απότομων μεταβάσεων).
- υπερτροφοδότηση (μέσω ενός στροβιλοσυμπιεστή ή/και μηχανικού συμπιεστή.
Οι κινητήρες εξοπλισμένοι με υπερτροφοδότηση έχουν μικρότερη ή καθόλου αρνητική τάση στο διάγραμμα ένδειξης. Ο βρόχος πηνίου λειτουργεί δεξιόστροφα και τώρα παράγει έργο. Η πίεση υπερπλήρωσης βοηθά στην ώθηση του εμβόλου προς τα κάτω (από TDC σε ODP) κατά τη διάρκεια της διαδρομής εισαγωγής. Η απαιτούμενη εργασία συμπιεστή εξάγεται από τα καυσαέρια, επειδή ο τροχός του συμπιεστή του στροβίλου κινείται από τον τροχό του στροβίλου. Αυτό σημαίνει ότι οι υπερτροφοδοτούμενοι κινητήρες είναι πολύ πιο αποδοτικοί υπό τις ίδιες συνθήκες σε σύγκριση με τους αυτοαναρροφούμενους κινητήρες.
Επίδραση του χρονισμού ανάφλεξης στο διάγραμμα ένδειξης:
Για να επιτύχετε τη χαμηλότερη δυνατή κατανάλωση καυσίμου και υψηλή απόδοση, είναι σημαντικό να επιτύχετε τα ακόλουθα:
- σύντομο χρόνο καύσης, άρα υψηλή ταχύτητα καύσης. Αυτό έχει να κάνει με τη σύνθεση του μείγματος.
- σωστή φάση της καύσης σε σχέση με την κίνηση του εμβόλου. Αυτό σχετίζεται άμεσα με το χρονισμό ανάφλεξης. Το κέντρο βάρους της καύσης θα πρέπει να είναι περίπου 5 έως 10 μοίρες στροφαλοφόρου μετά το TDC. Το κέντρο βάρους είναι η απελευθέρωση θερμότητας που συμβαίνει κατά την καύση.
Τόσο ο πολύ πρώιμος όσο και ο πολύ καθυστερημένος χρονισμός ανάφλεξης οδηγεί σε αυξημένη απελευθέρωση θερμότητας μέσω του τοιχώματος του κυλίνδρου και επομένως σε μείωση της ποιότητας.
- Πολύ πρώιμη ανάφλεξη: η πίεση αυξάνεται πολύ νωρίς επειδή η καύση ξεκινά νωρίς κατά τη διάρκεια της διαδρομής συμπίεσης. Το έμβολο φρενάρει δυνατά πριν από το TDC από την πίεση καύσης. Η πολύ πρόωρη ανάφλεξη οδηγεί σε υψηλές κορυφαίες πιέσεις, με αποτέλεσμα τη μείωση της μηχανικής απόδοσης και τον κίνδυνο ελαττωμάτων του κινητήρα.
- Πολύ χαμηλή ανάφλεξη: η καύση ξεκινά πολύ αργά. Το έμβολο κινείται ήδη προς το ODP, με αποτέλεσμα η πίεση στον διαστελλόμενο χώρο να γίνει ανεπαρκώς υψηλή. Τα αέρια που εξακολουθούσαν να καίγονται πέρασαν επίσης από τις βαλβίδες εξαγωγής. Ως αποτέλεσμα, η θερμοκρασία ανεβαίνει πολύ ψηλά. Ένα άπαχο μείγμα δίνει το ίδιο αποτέλεσμα: το αέριο καίγεται πολύ αργά. Εάν το μείγμα είναι πολύ άπαχο, το αέριο θα εξακολουθεί να καίγεται στην αρχή της διαδρομής εισαγωγής. Για το λόγο αυτό, μπορεί να προκύψει μπούμερανγκ σε κινητήρες με καρμπυρατέρ.
Ένα σύγχρονο σύστημα διαχείρισης κινητήρα καθορίζει τον σωστό χρονισμό ανάφλεξης από τις παραμέτρους του: υπό οποιεσδήποτε συνθήκες, ο χρονισμός ανάφλεξης πρέπει να είναι όσο το δυνατόν πιο κοντά στο όριο κρουσμάτων.
Ανάπτυξη πίεσης στο διάγραμμα p-α:
Το ενδεικτικό διάγραμμα μπορεί να μετατραπεί στο διάγραμμα εφαπτομενικής δύναμης. Αυτό δείχνει την εφαπτομενική δύναμη ως συνάρτηση της γωνίας του στρόφαλου (άλφα). Μετατρέπουμε το διάγραμμα δείκτη σε ένα διάγραμμα στο οποίο η πίεση (p) απεικονίζεται σε συνάρτηση με τη γωνία (α): το διάγραμμα p-α.
Στην παρακάτω εικόνα βλέπουμε το προφίλ πίεσης στον κύλινδρο κατά το πλήρες φορτίο.
Τα μπλε σημεία υποδεικνύουν, όπως στην ενότητα "διάγραμμα ένδειξης", πότε ανοίγουν και κλείνουν οι βαλβίδες:
- Άνοιγμα (Io) και κλείσιμο (Is) βαλβίδων εισαγωγής
- Οι βαλβίδες εξαγωγής ανοίγουν (Uo) και κλείνουν (Us).
Επιπλέον, μπορούμε να δούμε από τις μοίρες του στροφαλοφόρου άξονα σε ποια διαδρομή λειτουργεί ο κινητήρας:
- 0 μοίρες: TDC (τέλος διαδρομής εξάτμισης, αρχή διαδρομής εισαγωγής)
- 180 μοίρες: ODP (τέλος διαδρομής εισαγωγής, έναρξη διαδρομής συμπίεσης)
- 360 μοίρες: TDC (τέλος διαδρομής συμπίεσης, έναρξη διαδρομής ισχύος)
- 540 μοίρες: ODP (τέλος διαδρομής ισχύος, αρχή διαδρομής εξάτμισης)
Μέγιστη πίεση αερίου:
Η μέγιστη πίεση αερίου είναι η υψηλότερη κατά τη διάρκεια της διαδρομής ισχύος. Το επίπεδο πίεσης εξαρτάται από το φορτίο του κινητήρα: όταν ο κινητήρας αποδίδει μεγάλη ισχύ, η πίεση καύσης θα είναι υψηλότερη από ό,τι στο μερικό φορτίο.
Οι τέσσερις παρακάτω εικόνες δείχνουν αυτό: το άνοιγμα γκαζιού TP (Θέση πεταλούδας) δίνει μια ένδειξη του βαθμού φόρτισης του κινητήρα σε σχέση με την περιστροφή του στροφαλοφόρου άξονα CA (Γωνία στροφάλου). Σε έναν μέσο βενζινοκινητήρα, δημιουργείται κατά μέσο όρο πίεση 4000 kPa κατά την καύση με μερικό φορτίο και σε αυτή την περίπτωση περίπου 5000 kPa με πλήρες φορτίο. Σε κινητήρες με πολυεπίπεδο ψεκασμό, ρύθμιση εκκεντροφόρου και μεταβλητή ανύψωση βαλβίδων, η πίεση μπορεί να αυξηθεί πάνω από 6000 kPa.
Μέση πίεση αερίου:
Κατά τη διάρκεια της διαδικασίας εργασίας, η πίεση στον κύλινδρο ποικίλλει πάρα πολύ. Κατά τη διάρκεια της διαδρομής εισαγωγής υπάρχει κενό (εάν ένας στρόβιλος καυσαερίων παρέχει αυξημένη πίεση αέρα εισαγωγής), και μετά τη διαδρομή συμπίεσης υπάρχει μια κορυφή πίεσης. Όσο υψηλότερη είναι η μέγιστη πίεση αερίου, τόσο πιο ισχυρή είναι η καύση.
Για να προσδιορίσουμε τη μέση πίεση της διαδικασίας καύσης, μπορούμε να διαιρέσουμε το διάγραμμα δείκτη σε μικρά ορθογώνια ίσου πλάτη. Η παρακάτω εικόνα δείχνει μπλε και πράσινα ορθογώνια. Υπολογίζοντας το εμβαδόν των μπλε ορθογωνίων μπορούμε να υπολογίσουμε τη θετική πίεση. Στη συνέχεια αφαιρούμε το εμβαδόν των πράσινων τριγώνων από αυτό. Στη συνέχεια, μας μένει η μέση πίεση εμβόλου.
Με τη μέση πίεση του εμβόλου μπορούμε να προσδιορίσουμε, μεταξύ άλλων, την υποδεικνυόμενη και αποτελεσματική ισχύ του κινητήρα. Επισκεφθείτε τη σελίδα: περιουσιακά στοιχεία, ζημίες και αποδόσεις για να διαβάσετε περισσότερα για αυτό.
Στην εικόνα βλέπουμε ότι η κόκκινη γραμμή πέφτει έξω από τα μπλε ορθογώνια: αν κάναμε το πλάτος κάθε ορθογωνίου μικρότερο και θα μπορούσαμε επομένως να τοποθετήσουμε περισσότερα ορθογώνια το ένα δίπλα στο άλλο, θα είχαμε όλο και λιγότερη απόκλιση. Μπορούμε να εφαρμόσουμε αυτό το ad infinitum. Φυσικά, στην πραγματικότητα δεν πρόκειται να το κάνουμε αυτό. Εφαρμόζοντας μαθηματικές συναρτήσεις μπορούμε να προσδιορίσουμε μαθηματικά την επιφάνεια. Αυτό το κάνουμε με ενσωματώνουν.
