Aiheet:
- Teoreettisen ja todellisen työprosessin vertailu
- Indikaattorikaavio
- Paineen eteneminen bensiinimoottorin nelitahtiprosessin aikana
- Paineen eteneminen dieselmoottorin nelitahtiprosessin aikana
- Paineen vaihtelu vaihtelevissa käyttöolosuhteissa
- Virtauksen menetys
- Sytytyksen ajoituksen vaikutus ilmaisinkaavioon
- Paineen kehitys p-α-kaaviossa
- Kaasun huippupaine
- Keskimääräinen kaasunpaine
Teoreettisen ja todellisen työprosessin vertailu:
Bensiini- tai dieselmoottorin työprosessissa on kyse PV-diagrammista (P = paine, V = tilavuus), joka osoittaa paineen ja tilavuuden välisen suhteen nelitahtisessa prosessissa. Lisätietoja tästä löytyy sivulta: Seiliger-prosessi.
Teoreettinen sykliprosessi tapahtuu ihanteellisessa moottorissa, jossa ei ole jäännöskaasuja tai -häviöitä. Todellisuudessa teoreettinen työprosessi eroaa todellisesta työprosessista seuraavien poikkeamien vuoksi:
- sylinteri ei sisällä vain tuoretta panosta, vaan myös edellisen työjakson jäännöskaasua;
- polttoaineen epätäydellinen palaminen;
- palaminen ei etene täsmälleen samalla tilavuudella tai paineella;
- lämmönvaihto kaasun ja sylinterin seinämän välillä;
- virtaushäviöitä tapahtuu työn vaihdon aikana;
- männänrenkaita pitkin on aina (minimaalinen) kaasuvuoto;
- ominaislämpö muuttuu paineen ja lämpötilan mukaan, mikä vaikuttaa palamiseen.
Varsinaisen työprosessin kulku tallennetaan indikaattorikaavioon.
Indikaattorikaavio:
Ilmaisinkaavio näyttää kaasun paineen sylinterissä (männän yläpuolella) kahden kampiakselin kierroksen aikana. Kaavio määritettiin sylinterissä suoritetun paineen mittauksen aikana.
Esitetty ilmaisinkaavio on bensiinimoottorista. Punainen viiva osoittaa paineen vaihtelun männän iskun suhteen. Varsinaisen mittauksen aikana saadaan arvo p Max. Palataan tähän myöhemmin. Kaavion alla on sylinteri, jonka sisällä on mäntä. Kirjaimet Vs ja Vc osoittavat iskutilavuuden ja puristustilavuuden.
Seuraavassa on luettelo kuvassa käytetyistä lyhenteistä:
- p0: ilmakehän ilmanpaine;
- pmax: suurin paine sylinterissä;
- S: männän isku;
- Vs: iskutilavuus;
- Vc: pakkaustilavuus;
- W: työvoima (+ positiivinen ja – negatiivinen);
- Sytytys: sytytysmomentti;
- Io: tuloventtiili avautuu;
- Me: pakoventtiili sulkeutuu;
- Onko: tuloventtiili sulkeutuu;
- Uo: pakoventtiili aukeaa
Paineen eteneminen bensiinimoottorin nelitahtiprosessin aikana:
Voimme tarkastella indikaattorikaaviota neljässä eri tilanteessa:
- Imuisku: mäntä siirtyy TDC:stä TDC:hen ja imee ilmaa. Tilavuus kasvaa, koska männän yläpuolella oleva tila kasvaa.
Paine pysyy vakiona*. Ilmaisinkaavion punainen viiva alkaa a naar b; - Puristusisku: mäntä liikkuu ylöspäin ja puristaa ilmaa. Ilmamäärä pienenee paineen noustessa. Punainen viiva osoittaa tämän pisteiden välillä b en c. Sytytys tapahtuu puristustahdin lopussa;
- Tehoisku: Sytytystulpan kipinöiden jälkeen kestää jonkin aikaa, ennen kuin seos palaa kokonaan. Näemme tämän prosessin pisteiden välissä c en d. Sytytyksen vapauttama voima työntää mäntää alaspäin. Tilavuus kasvaa ja paine laskee. Näemme tämän kirjainten välissä d en e;
- Pakoisku: Pakoventtiili avautuu ja mäntä työntää pakokaasut ulos. Tilavuus pienenee, paine pysyy vakiona (e naar a).
Hybridiajoneuvojen valmistajat mukauttavat sitä yhä enemmän nykyään Atkinson-Millerin periaate vähentää mekaanista vastusta puristusiskun aikana. Tämä näkyy ilmaisinkaaviossa puristusiskun nousevassa linjassa.
* Selityksessä puhumme yhtä suuresta paineesta imuiskun aikana. Tämä on osittain oikein. Imuiskun aikana männän kiihtyvyys on suurin noin 60 astetta TDC:n jälkeen. Tuloilma ei voi seurata mäntää. Tällä hetkellä syntyy suurin alipaine noin -0,2 bar. Sitten sylinterin paine nousee jälleen. Tuloilman massahitaus varmistaa, että ilmaa virtaa edelleen sylinteriin männän liikkuessa taas ylöspäin. Alipaineen suuruus riippuu kuristusventtiilin asennosta ja nopeudesta. Toinen suljettu kaasuventtiili tarjoaa suuremman tyhjiön vakionopeudella. Olemme jättäneet huomioimatta lisääntyneen alipaineen männän maksimikiihtyvyyden aikana yllä olevassa tekstissä ja kuvissa.
Paineen eteneminen dieselmoottorin nelitahtiprosessin aikana:
Tässä näemme dieselmoottorin indikaattorikaavion.
- imuisku: mäntä siirtyy TDC:stä TDC:hen ja imee ilmaa (jos moottori on ahdettu);
- puristusisku: mäntä liikkuu kohti ODP:tä. Ilma puristuu ja lämpötila nousee yli 100 celsiusasteeseen paineen nousun seurauksena. Puristustahdin lopussa dieselpolttoaine ruiskutetaan. Polttoaineen ruiskutus alkaa 5–10 astetta ennen TDC:tä ja päättyy 10–15 astetta TDC:n jälkeen;
- tehotahti: koska dieselpolttoaine ruiskutetaan puristustahdin lopussa, se alkaa palaa paineen pysyessä vakiona. Paine (melkein) vaakasuorassa osassa pysyy vakiona, kun taas tilavuus kasvaa.
Tehoiskussa näemme isobarisen lämmön haihtumisen teoreettisesta kiertoprosessista.
Kuten bensiinimoottorissa, näemme, että pakoventtiili avautuu ennen kuin mäntä saavuttaa TDC: n. Venttiilien päällekkäisyyttä esiintyy myös siksi, että tuloventtiili avautuu aikaisemmin kuin poistoventtiili sulkeutuu.
Paineen vaihtelu vaihtelevissa käyttöolosuhteissa:
Ilmaisinkaavion määräävien moottorin ominaisuuksien lisäksi tähän vaikuttavat myös käyttöolosuhteet (lue: moottorin kuormitus). Männän yläpuolella oleva korkea paine ei aina ole läsnä tai tarpeellinen.
Alla olevat kolme ilmaisinkaaviota osoittavat paineen vaihtelun kampiakselin asteiden suhteen. Kaaviot on tallennettu seuraavissa olosuhteissa:
- osakuorma: 3/4 kuormitus nopeudella n = 4200 rpm;
- täysi kuorma: n = 2500 rpm;
- moottorijarrutus: n = 6000 rpm kaasuventtiili kiinni.
Näemme eroja kaasun maksimipaineessa sylinterissä osakuorman ja täyden kuorman välillä. Kun "moottorijarruttaa", kaasuventtiili on kiinni ja imukanavassa ja sylinterissä on suuri tyhjiö. Tästä alipaineesta johtuen puristuspaine ei ole suurempi kuin 3-4 baaria.
Virtaushäviö:
Imuiskun aikana sylinteriin muodostuu tyhjiö. Ilman imeminen maksaa energiaa. Näemme tämän myös indikaattorikaaviossa. Pisteiden a ja b välissä punainen viiva putoaa alle p0:n (ilmakehän ulkoilman paine). Tämän katkoviivan alapuolella (alue -W) on tyhjiö. Kutsumme näitä virtaushäviöiksi tai huuhteluhäviöiksi.
Negatiivinen työ (-W) maksaa energiaa ja on siksi ei-toivottu. Huuhtelu vaatii työtä. Lähtöpaine on suurempi kuin tulopaine. Huuhtelusilmukka on vastapäivään itseimevissä moottoreissa.
Valmistajat soveltavat tekniikoita virtaushäviöiden rajoittamiseksi:
- muuttuva venttiilin ajoitus;
- nopea ja suuri venttiilin avaaminen;
- tulokanavien optimaalinen koko;
- kanavien tasainen kulku imukanavassa (estää terävät siirtymät);
- ahtaminen (turbolla ja/tai mekaanisella kompressorilla.
Ahtamalla varustetuilla moottoreilla on vähemmän tai ei ollenkaan negatiivista trendiä indikaattorikaaviossa. Kelasilmukka pyörii myötäpäivään ja tuottaa nyt työtä. Ahtopaine auttaa työntämään männän alas (TDC:stä ODP:hen) imuiskun aikana. Tarvittava kompressorityö otetaan pois pakokaasusta, koska turbon kompressoripyörää käyttää turbiinipyörä. Tämä tarkoittaa, että ahdettu moottori on paljon tehokkaampi samoissa olosuhteissa kuin itsehengittävä moottori.
Sytytyksen ajoituksen vaikutus ilmaisinkaavioon:
Jotta saavutetaan mahdollisimman pieni polttoaineenkulutus ja korkea hyötysuhde, on tärkeää saavuttaa seuraavat asiat:
- lyhyt palamisaika, joten korkea palamisnopeus. Tämä liittyy seoksen koostumukseen;
- oikea palamisen vaiheistus männän liikkeen suhteen. Tämä liittyy suoraan sytytyksen ajoitukseen. Palamispainopisteen tulee olla noin 5-10 kampiakseliastetta TDC:n jälkeen. Painopiste on palamisen aikana tapahtuva lämmön vapautuminen.
Sekä liian aikainen että liian myöhäinen sytytyksen ajoitus johtaa lisääntyneeseen lämmön vapautumiseen sylinterin seinämän läpi ja siten laadun heikkenemiseen.
- Liian aikainen sytytys: paine nousee liian aikaisin, koska palaminen alkaa aikaisin puristustahdin aikana. Mäntää jarruttaa voimakkaasti ennen TDC:tä palamispaineen vaikutuksesta. Liian aikainen sytytys johtaa korkeisiin yläpaineisiin, mikä heikentää mekaanista hyötysuhdetta ja moottorivikojen riskiä.
- Liian alhainen sytytys: palaminen alkaa liian myöhään. Mäntä liikkuu jo kohti ODP:tä, jolloin paine laajenevassa tilassa ei nouse tarpeeksi korkeaksi. Vielä palavat kaasut virtasivat myös pakoventtiilien ohi. Tämän seurauksena lämpötila nousee liian korkeaksi. Laiha seos antaa saman tuloksen: kaasu palaa liian hitaasti. Jos seos on liian laihaa, kaasu palaa silti imuiskun alussa. Tästä syystä kaasutinmoottoreissa voi tapahtua takaisku.
Nykyaikainen moottorinhallintajärjestelmä määrittää oikean sytytysajoituksen parametreistaan: sytytysajan tulee kaikissa olosuhteissa olla mahdollisimman lähellä nakutusrajaa.
Paineen kehitys p-α-kaaviossa:
Indikaattorikaavio voidaan muuntaa tangentiaalivoimakaavioksi. Tämä näyttää tangentiaalisen voiman kampikulman (alfa) funktiona. Muunnamme indikaattorikaavion kaavioksi, jossa paine (p) on kuvattu kulman (α) funktiona: p-α diagrammi.
Seuraavassa kuvassa nähdään paineprofiili sylinterissä täydellä kuormituksella.
Siniset pisteet osoittavat, kuten "osoitinkaavio" -osiossa, milloin venttiilit avautuvat ja sulkeutuvat:
- Tuloventtiilien avaaminen (Io) ja sulkeminen (Is).
- Pakokaasuventtiilit avautuvat (Uo) ja sulkeutuvat (Us).
Lisäksi kampiakselin asteista nähdään millä iskulla moottori toimii:
- 0 astetta: TDC (pakotahdin loppu, imutahdin alku)
- 180 astetta: ODP (imuiskun loppu, puristusiskun alku)
- 360 astetta: TDC (puristustahdin loppu, tehotahdin alku)
- 540 astetta: ODP (voimatahdin loppu, pakotahdin alku)
Kaasun huippupaine:
Kaasun huippupaine on korkein voimatahdin aikana. Paineen taso riippuu moottorin kuormituksesta: kun moottori tuottaa paljon tehoa, palamispaine on suurempi kuin osakuormituksella.
Alla olevat neljä kuvaa osoittavat tämän: Kaasuläpän aukko TP (Throttle Position) osoittaa, kuinka paljon moottoria kuormitetaan suhteessa kampiakselin kiertoon CA (Crank Angle). Keskivertobensiinimoottorissa palamisen aikana syntyy keskimäärin 4000 kPa paine osakuormituksella ja tässä tapauksessa noin 5000 kPa täydellä kuormalla. Moottoreissa, joissa on kerrosruiskutus, nokka-akselin säätö ja säädettävä venttiilin nosto, paine voi nousta yli 6000 kPa:n.
Keskimääräinen kaasunpaine:
Työprosessin aikana paine sylinterissä vaihtelee valtavasti. Imutahdin aikana on tyhjiö (jos pakokaasuturbo lisää imuilman painetta) ja puristustahdin jälkeen painehuippu. Mitä korkeampi kaasun huippupaine on, sitä tehokkaampi palaminen.
Palamisprosessin keskimääräisen paineen määrittämiseksi voimme jakaa indikaattorikaavion pieniin, yhtä leveisiin suorakulmioihin. Seuraavassa kuvassa on sininen ja vihreä suorakulmio. Laskemalla sinisten suorakulmioiden pinta-alan voimme laskea positiivisen paineen. Sitten vähennetään vihreiden kolmioiden pinta-ala. Sitten jäämme keskimääräiseen männänpaineeseen.
Keskimääräisellä männänpaineella voimme määrittää muun muassa moottorin ilmoitetun ja tehollisen tehon. Vieraile sivulla: varat, tappiot ja tuotot lukea lisää tästä.
Kuvasta nähdään, että punainen viiva putoaa sinisten suorakulmioiden ulkopuolelle: jos pienentäisimme jokaisen suorakulmion leveyttä ja voisimme siksi sijoittaa enemmän suorakulmioita vierekkäin, saisimme poikkeamaa yhä vähemmän. Voimme soveltaa tätä ilmoitusta loputtomiin. Todellisuudessa emme tietenkään aio tehdä niin. Matemaattisia funktioita soveltamalla voimme määrittää pinnan matemaattisesti. Teemme tämän kanssa integroida.
