Tárgyak:
- Az elméleti és a tényleges munkafolyamat összehasonlítása
- Indikátor diagram
- Nyomásváltozás a benzinmotor négyütemű folyamata során
- Nyomásváltozás a dízelmotor négyütemű folyamata során
- Nyomásváltozás változó üzemi körülmények között
- Az áramlás elvesztése
- A gyújtás időzítésének hatása a jelződiagramra
- Nyomás alakulása a p-α diagramban
- Csúcs gáznyomás
- Átlagos gáznyomás
Az elméleti és a tényleges munkafolyamat összehasonlítása:
A benzin- vagy dízelmotor munkafolyamatánál egy PV diagrammal van dolgunk (P = nyomás, V = térfogat), amely a nyomás és a térfogat összefüggését jelzi a négyütemű folyamatban. Erről bővebb információ a következő oldalon található: Seiliger folyamat.
Az elméleti ciklusfolyamat ideális motorban zajlik, amelyben nincsenek maradék gázok vagy veszteségek. A valóságban az elméleti munkafolyamat eltér a tényleges munkafolyamattól a következő eltérések miatt:
- a henger nemcsak friss töltetet, hanem az előző munkaciklusból származó maradék gázt is tartalmaz;
- az üzemanyag nem teljes égése;
- az égés nem pontosan azonos térfogaton vagy nyomáson megy végbe;
- hőcsere a gáz és a palackfal között;
- a munkaváltás során áramlási veszteségek lépnek fel;
- mindig van (minimális) gázszivárgás a dugattyúgyűrűk mentén;
- a fajhő a nyomással és a hőmérséklettel változik, ami befolyásolja az égést.
A tényleges munkafolyamat menetét az indikátor diagrammal rögzítjük.
Jelző diagram:
A jelződiagram a hengerben (a dugattyú felett) lévő gáznyomást mutatja két főtengely-fordulat alatt. A diagram meghatározása egy nyomásmérés során történt, amely a hengerben történt.
A mutatott jelződiagram egy benzinmotorra vonatkozik. A piros vonal a dugattyúlökethez viszonyított nyomásváltozást jelzi. A tényleges mérés során a p Max értéket kapjuk. Erre később kitérünk. A diagram alatt egy henger látható, benne dugattyúval. A Vs és Vc betűk a lökettérfogatot és a kompressziós térfogatot jelzik.
Az alábbiakban felsoroljuk az ábrán használt rövidítéseket:
- p0: légköri légnyomás;
- pmax: maximális nyomás a hengerben;
- S: a dugattyúlöket;
- Vs: lökettérfogat;
- Vc: tömörítési térfogat;
- W: munkaerő (+ pozitív és – negatív);
- Gyújtás: gyújtási nyomaték;
- Io: kinyílik a bemeneti szelep;
- Mi: kipufogószelep zár;
- Van: bemeneti szelep zár;
- Uo: kinyílik a kipufogószelep
Nyomásváltozás a benzinmotor négyütemű folyamata során:
Az indikátor diagramot négy különböző helyzetben tekinthetjük meg:
- Szívólöket: a dugattyú TDC-ről TDC-re mozog, és beszívja a levegőt. A térfogat növekszik, mert megnő a dugattyú feletti tér.
A nyomás állandó marad*. Az indikátordiagram piros vonala tól indul a naar b; - Kompressziós löket: a dugattyú felfelé mozog és összenyomja a levegőt. A levegő mennyisége csökken, miközben a nyomás nő. A piros vonal ezt mutatja a pontok között b en c. A gyújtás a kompressziós löket végén történik;
- Teljesítménylöket: Miután a gyújtógyertya szikrázik, eltart egy ideig, amíg a keverék teljesen leég. Ezt a folyamatot látjuk a pontok között c en d. A gyújtás által felszabaduló erő lefelé nyomja a dugattyút. A térfogat nő és a nyomás csökken. Ezt látjuk a betűk között d en e;
- Kipufogólöket: Kinyílik a kipufogószelep, és a dugattyú kinyomja a kipufogógázokat. A térfogat csökken, a nyomás állandó marad (e naar a).
A hibridjárművek gyártói manapság egyre inkább alkalmazkodnak hozzá Atkinson-Miller elv a mechanikai ellenállás csökkentésére a kompressziós löket során. Ezt tükrözi az indikátor diagramban a kompressziós löket emelkedő vonala.
*A magyarázatban egyenlő nyomásról beszélünk a szívólöket alatt. Ez részben helyes. A szívólöket során a dugattyú gyorsulása a maximális érték körülbelül 60 fokos a TDC után. A beáramló levegő nem tudja követni a dugattyút. Ebben a pillanatban a maximális negatív nyomás körülbelül -0,2 bar jön létre. Ezután a hengernyomás ismét megemelkedik. A beáramló levegő tömegtehetetlensége biztosítja, hogy a levegő továbbra is a hengerbe áramlik, miközben a dugattyú ismét felfelé mozog. Az alulnyomás nagysága a fojtószelep helyzetétől és a fordulatszámtól függ. Egy további zárt fojtószelep nagyobb vákuumot biztosít állandó motorfordulatszám mellett. A fenti szövegben és képekben figyelmen kívül hagytuk a maximális dugattyúgyorsulás alatti megnövekedett alulnyomást.
A nyomás növekedése a dízelmotor négyütemű folyamata során:
Itt egy dízelmotor indikátor diagramját látjuk.
- szívólöket: a dugattyú TDC-ről TDC-re mozog, és levegőt szív be (ha a motor feltöltött);
- kompressziós löket: a dugattyú az ODP felé mozog. A levegő összenyomódik, és a hőmérséklet 100 Celsius-fok fölé emelkedik a nyomásnövekedés miatt. A kompressziós ütem végén a dízel üzemanyagot befecskendezik. Az üzemanyag-befecskendezés a TDC előtt 5-10 fokkal kezdődik, és a TDC után 10 és 15 fok között ér véget;
- teljesítménylöket: mivel a dízel üzemanyagot a kompressziós ütem végén fecskendezik be, az égni kezd, miközben a nyomás állandó marad. A (majdnem) vízszintes részben a nyomás állandó marad, miközben a térfogat növekszik.
A teljesítménylöketben az elméleti körfolyamatból származó izobár hőleadást látjuk.
A benzinmotorhoz hasonlóan azt látjuk, hogy a kipufogószelep kinyílik, mielőtt a dugattyú elérné a TDC-t. Szelepátfedés azért is előfordul, mert a bemeneti szelep korábban nyílik, mint a kipufogószelep.
Nyomásváltozás változó üzemi körülmények között:
A jelződiagramot meghatározó motortulajdonságok mellett az üzemi feltételek (értsd: motorterhelés) is befolyásolják ezt. A dugattyú feletti nagy nyomás nem mindig van jelen vagy nem szükséges.
Az alábbi három indikátordiagram a nyomásváltozást mutatja a főtengely fokokhoz viszonyítva. A diagramokat a következő feltételek mellett rögzítettük:
- részterhelés: 3/4 terhelés n = 4200 ford./percnél;
- teljes terhelés: n = 2500 ford./percnél;
- motorfék: n = 6000 ford./percnél, zárt fojtószeleppel.
Különbséget látunk a hengerben a maximális gáznyomásban a részterhelés és a teljes terhelés között. „Motorfékezéskor” a fojtószelep zárva van, és nagy vákuum van a szívócsatornában és a hengerben. Ennek a negatív nyomásnak köszönhetően a kompressziós nyomás nem haladja meg a 3-4 bart.
Áramlási veszteség:
A szívólöket során a hengerben vákuum keletkezik. A levegő beszívása energiába kerül. Ezt látjuk az indikátor diagramon is. Az a és b pontok között a piros vonal p0 (a külső légnyomás) alá csökken. E szaggatott vonal alatt (-W terület) vákuum van. Ezeket áramlási veszteségnek vagy öblítési veszteségnek nevezzük.
A negatív munka (-W) energiába kerül, ezért nem kívánatos. Az öblítés munkaigényes. A kimeneti nyomás nagyobb, mint a bemeneti nyomás. Az önfelszívó motorokon az öblítőhurok az óramutató járásával ellentétes irányban van.
A gyártók technikákat alkalmaznak az áramlási veszteségek korlátozására:
- változó szelep időzítés;
- gyors és nagy szelepnyitás;
- a bemeneti csatornák optimális méretezése;
- a csatornák sima folyása a szívócsatornában (megakadályozza az éles átmeneteket);
- feltöltés (turbó és/vagy mechanikus kompresszor segítségével.
A feltöltéssel felszerelt motorok esetében a jelződiagram kevésbé vagy egyáltalán nem mutat negatív tendenciát. A tekercshurok az óramutató járásával megegyező irányban fut, és most munkát végez. A töltőnyomás segít lenyomni a dugattyút (TDC-ről ODP-re) a szívólöket során. A szükséges kompresszormunkát a kipufogógázból vonják ki, mert a turbó kompresszorkerekét a turbinakerék hajtja. Ez azt jelenti, hogy a feltöltött motorok ugyanolyan körülmények között sokkal hatékonyabbak, mint az önszívó motorok.
A gyújtás időzítésének hatása a jelző diagramra:
A lehető legalacsonyabb üzemanyag-fogyasztás és magas hatásfok elérése érdekében fontos a következők elérése:
- rövid égési idő, így nagy égési sebesség. Ez a keverék összetételével kapcsolatos;
- az égés helyes ütemezése a dugattyú mozgásához képest. Ez közvetlenül kapcsolódik a gyújtás időzítéséhez. Az égési súlypontnak körülbelül 5-10 főtengely-fokkal kell lennie a TDC után. A súlypont az égés során fellépő hőleadás.
Mind a túl korai, mind a túl késői gyújtási időzítés a hengerfalon keresztüli fokozott hőleadáshoz és ezáltal a minőség romlásához vezet.
- Túl korai gyújtás: a nyomás túl korán megemelkedik, mert a kompressziós ütemben korán megindul az égés. A dugattyút a TDC előtt erősen lefékezi az égési nyomás. A túl korai gyújtás magas felső nyomáshoz vezet, ami csökkenti a mechanikai hatékonyságot és a motor meghibásodásának kockázatát.
- Túl alacsony gyújtás: az égés túl későn indul be. A dugattyú már az ODP felé mozog, ami miatt a nyomás a táguló térben nem lesz kellően magas. A még égő gázok a kipufogószelepek mellett is elfolytak. Ennek eredményeként a hőmérséklet túl magasra emelkedik. A sovány keverék ugyanazt az eredményt adja: a gáz túl lassan ég. Ha a keverék túl sovány, a gáz a szívólöket elején még égni fog. Emiatt a karburátoros motorokban visszaégés léphet fel.
Egy modern motorvezérlő rendszer paraméterei alapján határozza meg a helyes gyújtási időzítést: a gyújtás időzítésének minden körülmények között a lehető legközelebb kell állnia a kopogási határértékhez.
Nyomás alakulása a p-α diagramban:
Az indikátor diagram átalakítható érintőleges erődiagrammá. Ez a tangenciális erőt mutatja a forgattyús szög (alfa) függvényében. Átalakítjuk az indikátor diagramot diagrammá, amelyben a nyomás (p) a szög (α) függvényében van ábrázolva: a p-α diagram.
A következő képen a nyomásprofilt látjuk a hengerben teljes terhelés alatt.
A kék pontok jelzik, mint a „jelződiagram” részben, hogy mikor nyitnak és zárnak a szelepek:
- Bemeneti szelepek nyitása (Io) és zárása (Is).
- A kipufogószelepek nyitnak (Uo) és zárnak (Us).
Ráadásul a főtengely fokozataiból láthatjuk, hogy a motor melyik löketen dolgozik:
- 0 fok: TDC (kipufogólöket vége, szívólöket kezdete)
- 180 fok: ODP (beszívási löket vége, kompressziós löket kezdete)
- 360 fok: TDC (kompressziós löket vége, erőlöket kezdete)
- 540 fok: ODP (teljesítménylöket vége, kipufogólöket eleje)
Csúcs gáznyomás:
A maximális gáznyomás a teljesítménylöket alatt a legmagasabb. A nyomás mértéke a motor terhelésétől függ: amikor a motor nagy teljesítményt ad le, az égési nyomás nagyobb lesz, mint részterhelésnél.
Az alábbi négy kép ezt mutatja: a fojtószelep nyitó TP (throttle Position) jelzi, hogy a motor milyen mértékben van terhelve a főtengely forgásához CA (Crank Angle) viszonyítva. Egy átlagos benzinmotorban részterhelésnél az égés során átlagosan 4000 kPa nyomás keletkezik, teljes terhelésnél pedig ez az 5000 kPa körüli. A réteges befecskendezéssel, vezérműtengely-állítással és változtatható szelepemeléssel rendelkező motorokban a nyomás 6000 kPa fölé emelkedhet.
Átlagos gáznyomás:
A munkafolyamat során a nyomás a hengerben óriási mértékben változik. A szívólöket alatt vákuum van (ha kipufogógáz-turbó biztosítja a megnövelt beszívott levegő nyomást), a kompressziós löket után pedig nyomáscsúcs. Minél nagyobb a gáz csúcsnyomása, annál erősebb az égés.
Az égési folyamat átlagos nyomásának meghatározásához az indikátor diagramot egyenlő szélességű kis téglalapokra oszthatjuk. A következő képen kék és zöld téglalapok láthatók. A kék téglalapok területének kiszámításával kiszámíthatjuk a pozitív nyomást. Ezután ebből kivonjuk a zöld háromszögek területét. Ezután marad az átlagos dugattyúnyomás.
Az átlagos dugattyúnyomással többek között meghatározhatjuk a motor jelzett és effektív teljesítményét. Látogassa meg az oldalt: eszközök, veszteségek és hozamok többet olvasni erről.
A képen azt látjuk, hogy a piros vonal a kék téglalapokon kívül esik: ha minden téglalap szélességét kicsinyítenénk, és ezért több téglalapot tudnánk egymás mellé helyezni, egyre kevesebb eltérést kapnánk. Ezt a végtelenségig alkalmazhatjuk. Természetesen a valóságban ezt nem fogjuk megtenni. Matematikai függvények alkalmazásával matematikailag meghatározhatjuk a felületet. Ezzel tesszük ezt egyesít.
