Teemad:
- Teoreetilise ja tegeliku tööprotsessi võrdlus
- Näidiku diagramm
- Rõhu progresseerumine bensiinimootori neljataktilise protsessi käigus
- Rõhu progresseerumine diiselmootori neljataktilise protsessi käigus
- Rõhu kõikumine erinevatel töötingimustel
- Voolu kaotus
- Süüteajastuse mõju näidiku diagrammile
- Rõhu areng p-α diagrammil
- Gaasi tipprõhk
- Keskmine gaasirõhk
Teoreetilise ja tegeliku tööprotsessi võrdlus:
Bensiini- või diiselmootori tööprotsessis käsitleme PV diagrammi (P = rõhk, V = maht), mis näitab rõhu ja ruumala suhet neljataktilises protsessis. Lisateavet selle kohta leiate lehelt: Seiliger protsess.
Teoreetiline tsükliprotsess toimub ideaalses mootoris, milles ei esine jääkgaase ega -kadusid. Tegelikkuses erineb teoreetiline tööprotsess tegelikust tööprotsessist järgmiste kõrvalekallete tõttu:
- silinder ei sisalda mitte ainult värsket laengut, vaid ka eelmise töötsükli jääkgaasi;
- kütuse mittetäielik põlemine;
- põlemine ei toimu täpselt võrdse mahu või rõhu juures;
- soojusvahetus gaasi ja silindri seina vahel;
- töövahetuse käigus tekivad voolukadud;
- piki kolvirõngaid on alati (minimaalne) gaasileke;
- erisoojus muutub rõhu ja temperatuuriga, mis mõjutab põlemist.
Näitajadiagrammiga fikseeritakse tegeliku tööprotsessi kulg.
Näidiku diagramm:
Näidiku diagramm näitab gaasirõhku silindris (kolvi kohal) kahe väntvõlli pöörde ajal. Diagramm määrati silindris toimunud rõhu mõõtmise käigus.
Näidatud näidiku diagramm on bensiinimootori kohta. Punane joon näitab rõhu muutust kolvi käigu suhtes. Tegeliku mõõtmise ajal saadakse väärtus p Max. Me käsitleme seda hiljem. Diagrammi all on silinder, mille sees on kolb. Tähed Vs ja Vc näitavad käigu mahtu ja kokkusurumismahtu.
Järgmine on joonisel kasutatud lühendite loend:
- p0: atmosfääriõhu rõhk;
- pmax: maksimaalne rõhk silindris;
- S: kolvikäik;
- Vs: käigu maht;
- Vc: tihendusmaht;
- W: tööjõud (+ positiivne ja – negatiivne);
- Süüte: süütemoment;
- Io: sisselaskeventiil avaneb;
- Meie: väljalaskeklapp sulgub;
- Kas: sisselaskeventiil sulgub;
- Uo: väljalaskeklapp avaneb
Rõhu progresseerumine bensiinimootori neljataktilise protsessi ajal:
Näitaja diagrammi saame vaadata neljas erinevas olukorras:
- Sisselaskekäik: kolb liigub TDC-lt TDC-le ja imeb õhku. Helitugevus suureneb, kuna kolvi kohal olev ruum suureneb.
Rõhk jääb konstantseks*. Punane joon indikaatori diagrammil jookseb alates a naar b; - Surumiskäik: kolb liigub üles ja surub õhu kokku. Õhu maht väheneb, samal ajal kui rõhk tõuseb. Punane joon näitab seda punktide vahel b en c. Süütamine toimub survetakti lõpus;
- Jõukäik: pärast süüteküünla sädeme tekkimist kulub segu täielikuks põlemiseks veidi aega. Näeme seda protsessi punktide vahel c en d. Süütest vabanev jõud surub kolvi allapoole. Maht suureneb ja rõhk väheneb. Näeme seda tähtede vahel d en e;
- Väljalaskekäik: Väljalaskeklapp avaneb ja kolb surub heitgaasid välja. Maht väheneb, rõhk jääb konstantseks (e naar a).
Hübriidsõidukite tootjad kohandavad seda tänapäeval üha enam Atkinson-Milleri põhimõte mehaanilise takistuse vähendamiseks survetakti ajal. See kajastub indikaatori diagrammil survetakti tõusvas joones.
*Selgituses räägime võrdsest rõhust sisselaskelöögi ajal. See on osaliselt õige. Sisselasketakti ajal on kolvi kiirendus maksimaalne ligikaudu 60 kraadi juures pärast TDC-d. Sissetulev õhk ei saa kolvi järgida. Sel hetkel tekib maksimaalne alarõhk ligikaudu -0,2 baari. Seejärel tõuseb silindri rõhk uuesti. Sissetuleva õhu massiinerts tagab, et õhk voolab endiselt silindrisse, samal ajal kui kolb liigub uuesti üles. Alurõhu suurus sõltub drosselklapi asendist ja kiirusest. Veel üks suletud drosselklapp tagab suurema vaakumi püsiva mootori pöörlemiskiiruse juures. Oleme ülaltoodud tekstis ja piltides tähelepanuta jätnud suurenenud alarõhku kolvi maksimaalse kiirenduse ajal.
Rõhu progresseerumine diiselmootori neljataktilise protsessi ajal:
Siin näeme diiselmootori indikaatorite diagrammi.
- sisselasketakt: kolb liigub TDC-lt TDC-le ja imeb õhku (kui mootor on ülelaaditud);
- survetakt: kolb liigub ODP suunas. Õhk surutakse kokku ja temperatuur tõuseb rõhu tõusu tõttu üle 100 kraadi Celsiuse järgi. Kompressioonitakti lõpus pihustatakse diislikütust. Kütuse sissepritse algab 5–10 kraadi enne TDC-d ja lõpeb 10–15 kraadi pärast TDC-d;
- võimsustakti: kuna diislikütust pihustatakse survetakti lõpus, hakkab see põlema, samal ajal kui rõhk jääb konstantseks. Rõhk (peaaegu) horisontaalses osas jääb konstantseks, samal ajal kui maht suureneb.
Jõulöögis näeme isobaarilist soojuse hajumist teoreetilisest tsükliprotsessist.
Nagu bensiinimootori puhul, näeme, et väljalaskeklapp avaneb enne, kui kolb jõuab TDC-ni. Klapi kattumine tekib ka seetõttu, et sisselaskeklapp avaneb varem kui väljalaskeklapp sulgub.
Rõhu kõikumine erinevatel töötingimustel:
Lisaks indikaatordiagrammi määravatele mootori omadustele mõjutavad seda ka töötingimused (loe: mootori koormus). Kõrge rõhk kolvi kohal ei ole alati olemas ega vajalik.
Allpool olevad kolm indikaatoridiagrammi näitavad rõhu kõikumist väntvõlli kraadide suhtes. Diagrammid registreeriti järgmistel tingimustel:
- osakoormus: 3/4 koormus n = 4200 p/min;
- täiskoormus: n = 2500 p/min juures;
- mootoriga pidurdamine: n = 6000 p/min suletud gaasiklapiga.
Näeme erinevusi maksimaalses gaasirõhus silindris osakoormuse ja täiskoormuse vahel. Mootori pidurdamisel on gaasiklapp suletud ning sisselasketorus ja silindris on suur vaakum. Selle negatiivse rõhu tõttu ei ole surverõhk suurem kui 3 kuni 4 baari.
Voolu kadu:
Sisselasketakti ajal tekib silindris vaakum. Õhu imemine maksab energiat. Seda näeme ka indikaatorite diagrammil. Punktide a ja b vahel langeb punane joon alla p0 (atmosfääri välisõhu rõhk). Selle punktiirjoone all (ala -W) on vaakum. Nimetame neid voolukadudeks või loputuskadudeks.
Negatiivne töö (-W) maksab energiat ja on seetõttu ebasoovitav. Loputamine nõuab tööd. Väljalaskerõhk on suurem kui sisendrõhk. Iseimevatel mootoritel on loputusahel vastupäeva.
Tootjad kasutavad voolukadude piiramiseks meetodeid:
- muutuv klapi ajastus;
- kiire ja suur klapi avamine;
- sisselaskekanalite optimaalne suurus;
- sisselaskekanali kanalite sujuv kulg (vältib teravaid üleminekuid);
- ülelaadimine (turbo- ja/või mehaanilise kompressori abil.
Ülelaadimisega varustatud mootoritel on indikaatorite diagrammil negatiivne trend vähem või puudub üldse. Pooli aas jookseb päripäeva ja toodab nüüd tööd. Ülestõukerõhk aitab sisselasketakti ajal kolvi alla suruda (TDC-lt ODP-le). Heitgaasist ammutatakse vajalik kompressoritöö, sest turbo kompressoriratast veab turbiiniratas. See tähendab, et ülelaadimisega mootorid on samades tingimustes palju tõhusamad kui isehingavad mootorid.
Süüteajastuse mõju näidiku diagrammile:
Väikseima võimaliku kütusekulu ja kõrge efektiivsuse saavutamiseks on oluline saavutada järgmine:
- lühike põlemisaeg, seega suur põlemiskiirus. See on seotud segu koostisega;
- põlemise õige faasimine kolvi liikumise suhtes. See on otseselt seotud süüte ajastusega. Põlemise raskuskese peaks pärast TDC-d olema umbes 5–10 väntvõlli kraadi. Raskuskese on põlemisel tekkiv soojuseraldus.
Nii liiga varajane kui ka liiga hiline süüteajastus suurendab soojuse eraldumist läbi silindri seina ja seetõttu halveneb kvaliteet.
- Liiga varane süütamine: rõhk tõuseb liiga vara, kuna põlemine algab survetakti ajal varakult. Kolb pidurdab tugevalt enne TDC-d põlemisrõhu toimel. Liiga varajane süütamine toob kaasa kõrge ülemise rõhu, mille tulemuseks on mehaanilise efektiivsuse vähenemine ja mootori rikete oht.
- Liiga madal süüde: põlemine algab liiga hilja. Kolb liigub juba ODP suunas, mistõttu rõhk laienevas ruumis muutub ebapiisavalt kõrgeks. Veel põlevad gaasid voolasid mööda ka väljalaskeklappidest. Selle tulemusena tõuseb temperatuur liiga kõrgele. Lahja segu annab sama tulemuse: gaas põleb liiga aeglaselt. Kui segu on liiga lahja, põleb gaas ikkagi sisselasketakti alguses. Sel põhjusel võib karburaatormootorites tekkida tagasilöök.
Kaasaegne mootori juhtimissüsteem määrab õige süüteajastuse oma parameetrite järgi: igal juhul peab süüte ajastus olema võimalikult lähedal koputuspiirile.
Rõhu areng p-α diagrammil:
Indikaatordiagrammi saab teisendada tangentsiaaljõu diagrammiks. See näitab tangentsiaalset jõudu vända nurga (alfa) funktsioonina. Näitaja diagrammi teisendame diagrammiks, milles rõhk (p) on kujutatud nurga (α) funktsioonina: p-α diagramm.
Järgmisel pildil näeme rõhuprofiili silindris täiskoormusel.
Sinised punktid näitavad, nagu jaotises "indikaatori diagramm", millal klapid avanevad ja sulguvad:
- Sisselaskeklappide avamine (Io) ja sulgemine (Is).
- Väljalaskeventiilid avanevad (Uo) ja sulguvad (Us).
Lisaks näeme väntvõlli kraadide järgi, millisel käigul mootor töötab:
- 0 kraadi: TDC (väljalasketakti lõpp, sisselasketakti algus)
- 180 kraadi: ODP (sisselasketakti lõpp, survetakti algus)
- 360 kraadi: TDC (survetakti lõpp, jõutakti algus)
- 540 kraadi: ODP (jõutakti lõpp, väljalasketakti algus)
Gaasi tipprõhk:
Gaasi tipprõhk on kõrgeim jõutakti ajal. Rõhu tase sõltub mootori koormusest: kui mootor annab palju võimsust, on põlemisrõhk suurem kui osalise koormuse korral.
Neli allolevat pilti näitavad seda: drosselklapi ava TP (throttle Position) näitab, kui suurel määral mootor on koormatud väntvõlli pöörlemiskiiruse CA (vända nurk) suhtes. Keskmises bensiinimootoris tekib põlemisel osakoormusel rõhk keskmiselt 4000 kPa ja sel juhul täiskoormusel umbes 5000 kPa. Kihilise sissepritse, nukkvõlli reguleerimise ja muudetava ventiili tõstejõuga mootorites võib rõhk tõusta üle 6000 kPa.
Keskmine gaasirõhk:
Tööprotsessi käigus varieerub rõhk silindris tohutult. Sisselasketakti ajal on vaakum (kui heitgaaside turbo tagab suurenenud sisselaskeõhu rõhu) ja pärast survetakti on rõhu tipp. Mida kõrgem on gaasi tipprõhk, seda võimsam on põlemine.
Põlemisprotsessi keskmise rõhu määramiseks saame indikaatori diagrammi jagada väikesteks võrdse laiusega ristkülikuteks. Järgmisel pildil on sinised ja rohelised ristkülikud. Arvutades siniste ristkülikute pindala, saame arvutada positiivse rõhu. Seejärel lahutame roheliste kolmnurkade pindala. Seejärel jääb meile keskmine kolvirõhk.
Kolvi keskmise rõhuga saame muuhulgas määrata mootori näidatud ja efektiivse võimsuse. Külasta lehte: vara, kahjud ja tulud selle kohta rohkem lugeda.
Pildil näeme, et punane joon jääb sinistest ristkülikutest väljapoole: kui muudaksime iga ristküliku laiuse väiksemaks ja saaksime seetõttu rohkem ristkülikuid üksteise kõrvale paigutada, saaksime hälbeid järjest vähem. Saame seda reklaami lõputult rakendada. Tegelikult me seda muidugi ei tee. Matemaatiliste funktsioonide rakendamisel saame pinna matemaatiliselt määrata. Teeme seda koos integreerida.
