فاعل، موضوع:
- مقایسه روند کار نظری و واقعی
- نمودار نشانگر
- پیشرفت فشار در طول فرآیند چهار زمانه یک موتور بنزینی
- پیشرفت فشار در طول فرآیند چهار زمانه یک موتور دیزل
- تغییر فشار در شرایط عملیاتی متفاوت
- از دست دادن جریان
- تاثیر زمان اشتعال بر روی نمودار نشانگر
- توسعه فشار در نمودار p-α
- اوج فشار گاز
- فشار گاز متوسط
مقایسه روند کار نظری و واقعی:
در فرآیند کار یک موتور بنزینی یا دیزلی با یک نمودار PV (P = فشار، V = حجم) روبرو هستیم که نشان دهنده رابطه بین فشار و حجم در فرآیند چهار زمانه است. اطلاعات بیشتر در مورد این را می توانید در صفحه پیدا کنید: فرآیند سیلیگر
فرآیند چرخه نظری در یک موتور ایده آل انجام می شود که در آن هیچ گاز یا تلفات باقیمانده وجود ندارد. در واقع، فرآیند کار نظری با فرآیند واقعی کار به دلیل انحرافات زیر متفاوت است:
- سیلندر نه تنها حاوی شارژ تازه، بلکه گاز باقی مانده از چرخه کار قبلی است.
- احتراق ناقص سوخت؛
- احتراق دقیقاً با حجم یا فشار مساوی پیش نمی رود.
- تبادل حرارت بین گاز و دیواره سیلندر؛
- تلفات جریان در طول تغییر کار رخ می دهد.
- همیشه (حداقل) نشت گاز در امتداد رینگ های پیستون وجود دارد.
- گرمای ویژه با فشار و دما تغییر می کند که بر احتراق تأثیر می گذارد.
روند کار واقعی با نمودار نشانگر ثبت می شود.
نمودار شاخص:
نمودار نشانگر فشار گاز در سیلندر (بالای پیستون) را در طی دو چرخش میل لنگ نشان می دهد. نمودار در طی یک اندازه گیری فشار که در سیلندر انجام شد تعیین شد.
نمودار نشانگر نشان داده شده مربوط به یک موتور بنزینی است. خط قرمز نشان دهنده تغییر فشار نسبت به ضربه پیستون است. در طول یک اندازه گیری واقعی، مقداری در p Max به دست می آید. بعداً به این موضوع خواهیم پرداخت. در زیر نمودار یک سیلندر با یک پیستون در داخل است. حروف Vs و Vc حجم ضربه ای و حجم فشرده سازی را نشان می دهد.
در زیر لیستی از اختصارات استفاده شده در شکل آمده است:
- p0: فشار هوای اتمسفر؛
- pmax: حداکثر فشار در سیلندر.
- S: ضربه پیستون؛
- در مقابل: حجم ضربه;
- Vc: حجم فشرده سازی.
- W: کار (+ مثبت و - منفی)؛
- اشتعال: لحظه اشتعال.
- Io: دریچه ورودی باز می شود.
- ما: دریچه اگزوز بسته می شود.
- آیا: دریچه ورودی بسته می شود.
- Uo: دریچه اگزوز باز می شود
پیشرفت فشار در طول فرآیند چهار زمانه یک موتور بنزینی:
ما می توانیم نمودار نشانگر را در چهار موقعیت مختلف مشاهده کنیم:
- کورس ورودی: پیستون از TDC به TDC حرکت می کند و هوا را می مکد. حجم افزایش می یابد زیرا فضای بالای پیستون افزایش می یابد.
فشار ثابت می ماند*. خط قرمز در نمودار نشانگر از a نار b; - ضربه فشرده سازی: پیستون به سمت بالا حرکت می کند و هوا را فشرده می کند. حجم هوا کاهش می یابد در حالی که فشار افزایش می یابد. خط قرمز این را بین نقاط نشان می دهد b en c. احتراق در پایان ضربه فشرده سازی انجام می شود.
- پاور سکته: پس از جرقه زدن شمع، مدتی طول می کشد تا مخلوط کاملا بسوزد. ما این روند را بین نقاط می بینیم c en d. نیروی آزاد شده توسط احتراق، پیستون را به سمت پایین هل می دهد. حجم افزایش می یابد و فشار کاهش می یابد. این را بین حروف می بینیم d en e;
- کورس اگزوز: دریچه اگزوز باز می شود و پیستون گازهای خروجی را به بیرون هل می دهد. حجم کاهش می یابد، فشار ثابت می ماند (e نار a).
سازندگان خودروهای هیبریدی این روزها به طور فزاینده ای از آن استفاده می کنند اصل اتکینسون-میلر برای کاهش مقاومت مکانیکی در طول ضربه فشرده سازی. این در خط افزایش فشار فشار در نمودار نشانگر منعکس شده است.
*در توضیح در مورد فشار یکسان در هنگام سکته مصرفی صحبت می کنیم. این تا حدی درست است. در طول کورس ورودی، شتاب پیستون در حدود 60 درجه پس از TDC حداکثر است. هوای ورودی نمی تواند پیستون را دنبال کند. در آن لحظه حداکثر فشار منفی تقریباً -0,2 بار ایجاد می شود. سپس فشار سیلندر دوباره افزایش می یابد. اینرسی جرمی هوای ورودی تضمین می کند که هوا همچنان به داخل سیلندر جریان می یابد در حالی که پیستون دوباره به سمت بالا حرکت می کند. بزرگی فشار کم به موقعیت دریچه گاز و سرعت بستگی دارد. یک سوپاپ گاز بسته بیشتر خلاء بیشتری را در دور موتور ثابت ایجاد می کند. ما در متن و تصاویر بالا از افزایش فشار پایین در طول حداکثر شتاب پیستون غافل شده ایم.
پیشرفت فشار در طول فرآیند چهار زمانه یک موتور دیزل:
در اینجا نمودار نشانگر یک موتور دیزلی را می بینیم.
- کورس ورودی: پیستون از TDC به TDC حرکت می کند و هوا را می مکد (اگر موتور سوپرشارژ باشد).
- ضربه فشرده سازی: پیستون به سمت ODP حرکت می کند. هوا فشرده شده و در اثر افزایش فشار، دما به بیش از 100 درجه سانتیگراد می رسد. در پایان حرکت تراکم، سوخت دیزل تزریق می شود. تزریق سوخت 5 تا 10 درجه قبل از TDC شروع می شود و بین 10 تا 15 درجه بعد از TDC پایان می یابد.
- ضربه قدرتی: چون سوخت دیزل در انتهای کورس تراکم تزریق می شود، در حالی که فشار ثابت می ماند شروع به سوختن می کند. فشار در قسمت (تقریبا) افقی ثابت می ماند، در حالی که حجم افزایش می یابد.
در استروک توان شاهد اتلاف گرمای ایزوباریک از فرآیند سیکل نظری هستیم.
مانند موتور بنزینی، می بینیم که سوپاپ اگزوز قبل از رسیدن پیستون به TDC باز می شود. همپوشانی سوپاپ نیز به این دلیل رخ می دهد که دریچه ورودی زودتر از بسته شدن دریچه خروجی باز می شود.
تغییرات فشار در شرایط عملیاتی مختلف:
علاوه بر ویژگی های موتور که نمودار نشانگر را تعیین می کند، شرایط عملیاتی (بخوانید: بار موتور) نیز بر این امر تأثیر می گذارد. فشار زیاد بالای پیستون همیشه وجود ندارد یا ضروری نیست.
سه نمودار نشانگر زیر تغییرات فشار را در رابطه با درجه میل لنگ نشان می دهد. نمودارها تحت شرایط زیر ثبت شدند:
- بار بخشی: 3/4 بار در n = 4200 دور در دقیقه.
- بار کامل: در n = 2500 دور در دقیقه.
- ترمز موتور: در n = 6000 دور در دقیقه با دریچه گاز بسته.
ما شاهد تفاوت در حداکثر فشار گاز در سیلندر بین بار بخشی و بار کامل هستیم. هنگام "ترمز موتور"، دریچه گاز بسته است و خلاء زیادی در لوله ورودی و سیلندر وجود دارد. با توجه به این فشار منفی، فشار تراکم بالاتر از 3 تا 4 بار نیست.
از دست دادن جریان:
در طول کورس ورودی، خلاء در سیلندر ایجاد می شود. مکیدن هوا هزینه انرژی دارد. این را در نمودار نشانگر نیز مشاهده می کنیم. بین نقاط a و b خط قرمز به زیر p0 (فشار هوای بیرون اتمسفر) می رسد. در زیر این خط نقطه چین (منطقه -W) خلاء وجود دارد. ما به این تلفات جریان یا تلفات فلاشینگ می گوییم.
کار منفی (-W) هزینه انرژی دارد و بنابراین نامطلوب است. شستشو نیاز به کار دارد. فشار خروجی بیشتر از فشار ورودی است. حلقه فلاشینگ در موتورهای خود پرایمینگ در خلاف جهت عقربه های ساعت است.
سازندگان از تکنیک هایی برای محدود کردن تلفات جریان استفاده می کنند:
- زمان بندی متغیر سوپاپ؛
- باز شدن سریع و بزرگ شیر؛
- اندازه بهینه کانال های ورودی؛
- مسیر صاف کانال ها در مجرای ورودی (جلوگیری از انتقال شدید)؛
- سوپر شارژ (با استفاده از یک توربو و/یا کمپرسور مکانیکی.
موتورهای مجهز به سوپرشارژ روند منفی کمتری دارند یا در نمودار نشانگر هیچ روند منفی ندارند. حلقه سیم پیچ در جهت عقربه های ساعت اجرا می شود و اکنون کار تولید می کند. فشار بوست به فشار دادن پیستون به سمت پایین (از TDC به ODP) در طول کورس ورودی کمک می کند. کار کمپرسور مورد نیاز از گاز اگزوز استخراج می شود، زیرا چرخ کمپرسور توربو توسط چرخ توربین به حرکت در می آید. این بدان معناست که موتورهای سوپرشارژ در شرایط مشابه در مقایسه با موتورهای خود تنفس بسیار کارآمدتر هستند.
تاثیر زمان جرقه زنی بر روی نمودار نشانگر:
برای دستیابی به کمترین مصرف سوخت ممکن و راندمان بالا، دستیابی به موارد زیر ضروری است:
- زمان احتراق کوتاه، بنابراین سرعت احتراق بالا. این به ترکیب مخلوط مربوط می شود.
- مرحله بندی صحیح احتراق در رابطه با حرکت پیستون. این به طور مستقیم به زمان احتراق مربوط می شود. مرکز ثقل احتراق باید تقریباً 5 تا 10 درجه میل لنگ بعد از TDC باشد. مرکز ثقل آزاد شدن گرمایی است که در طی احتراق رخ می دهد.
زمان اشتعال خیلی زود و خیلی دیر منجر به افزایش انتشار گرما از طریق دیواره سیلندر و در نتیجه کاهش کیفیت می شود.
- احتراق خیلی زود: فشار خیلی زود افزایش می یابد زیرا احتراق در طول ضربه فشرده سازی زود شروع می شود. پیستون قبل از TDC توسط فشار احتراق به شدت ترمز می شود. احتراق خیلی زود منجر به فشارهای بالای بالا می شود و در نتیجه بازده مکانیکی کاهش می یابد و خطر نقص موتور کاهش می یابد.
- اشتعال خیلی کم: احتراق خیلی دیر شروع می شود. پیستون از قبل به سمت ODP حرکت می کند و باعث می شود فشار در فضای در حال گسترش به اندازه کافی زیاد نشود. گازهای هنوز در حال سوختن نیز از کنار دریچه های اگزوز عبور می کردند. در نتیجه دما خیلی بالا می رود. یک مخلوط بدون چربی همان نتیجه را می دهد: گاز خیلی آهسته می سوزد. اگر مخلوط بیش از حد لاغر باشد، گاز همچنان در ابتدای سکته ورودی می سوزد. به همین دلیل، در موتورهای کاربراتوری می‌تواند رخ دهد.
یک سیستم مدیریت موتور مدرن، زمان بندی صحیح احتراق را از روی پارامترهای خود تعیین می کند: تحت هر شرایطی، زمان احتراق باید تا حد امکان به حد ضربه نزدیک باشد.
توسعه فشار در نمودار p-α:
نمودار نشانگر را می توان به نمودار نیروی مماسی تبدیل کرد. این نیروی مماسی را تابعی از زاویه میل لنگ (آلفا) نشان می دهد. نمودار نشانگر را به نموداری تبدیل می کنیم که در آن فشار (p) به عنوان تابعی از زاویه (α) نشان داده می شود: نمودار p-α.
در تصویر زیر نمایه فشار در سیلندر را در هنگام بارگذاری کامل مشاهده می کنیم.
نقاط آبی رنگ، مانند بخش "نمودار نشانگر" نشان می دهد که سوپاپ ها در چه زمانی باز و بسته می شوند:
- باز کردن (Io) و بستن (Is) دریچه های ورودی
- دریچه های اگزوز باز می شوند (Uo) و بسته می شوند (Us).
علاوه بر این، از درجات میل لنگ می توانیم ببینیم که موتور بر روی کدام ضربه کار می کند:
- 0 درجه: TDC (پایان کورس اگزوز، شروع سکته ورودی)
- 180 درجه: ODP (پایان سکته مصرفی، شروع ضربه فشرده سازی)
- 360 درجه: TDC (پایان کورس فشرده سازی، شروع ضربه قدرت)
- 540 درجه: ODP (پایان حرکت برق، شروع حرکت اگزوز)
اوج فشار گاز:
اوج فشار گاز در طول ضربه قدرت بالاترین است. سطح فشار به بار موتور بستگی دارد: هنگامی که موتور قدرت زیادی ارائه می دهد، فشار احتراق بیشتر از بار بخشی خواهد بود.
چهار تصویر زیر این را نشان می دهد: TP باز شدن دریچه گاز (موقعیت دریچه گاز) نشان دهنده میزان بارگیری موتور در رابطه با چرخش میل لنگ CA (زاویه میل لنگ) است. در یک موتور بنزینی متوسط، فشاری به طور متوسط 4000 کیلو پاسکال در هنگام احتراق در بار جزئی و در این مورد حدود 5000 کیلو پاسکال در بار کامل ایجاد می شود. در موتورهای با تزریق لایه ای، تنظیم میل بادامک و بالابر متغیر سوپاپ، فشار می تواند به بالای 6000 کیلو پاسکال برسد.
فشار متوسط گاز:
در طول فرآیند کار، فشار در سیلندر بسیار متفاوت است. در طول کورس مکش خلاء وجود دارد (اگر یک توربو گاز اگزوز فشار هوای ورودی را افزایش دهد)، و پس از ضربه فشاری یک اوج فشار وجود دارد. هرچه اوج فشار گاز بیشتر باشد، احتراق قوی تر است.
برای تعیین فشار متوسط فرآیند احتراق، می توانیم نمودار نشانگر را به مستطیل های کوچک با عرض مساوی تقسیم کنیم. تصویر زیر مستطیل های آبی و سبز را نشان می دهد. با محاسبه مساحت مستطیل های آبی می توانیم فشار مثبت را محاسبه کنیم. سپس مساحت مثلث های سبز را کم می کنیم. سپس با فشار متوسط پیستون باقی می‌مانیم.
با فشار متوسط پیستون می توانیم از جمله قدرت مشخص و موثر موتور را تعیین کنیم. از صفحه دیدن کنید: دارایی ها، زیان ها و بازده ها برای خواندن بیشتر در این مورد
در تصویر می بینیم که خط قرمز خارج از مستطیل های آبی قرار می گیرد: اگر بخواهیم عرض هر مستطیل را کوچکتر کنیم و بنابراین بتوانیم مستطیل های بیشتری را در کنار یکدیگر قرار دهیم، انحراف کمتر و کمتری خواهیم داشت. ما می توانیم این ad infinitum اعمال کنیم. البته در واقع ما این کار را نمی کنیم. با اعمال توابع ریاضی می توانیم سطح را به صورت ریاضی تعیین کنیم. ما این کار را با ادغام کردن.
