Diagram indikator

Subyek:

Perbandingan proses kerja teoritis dan aktual
Diagram indikator
Perkembangan tekanan selama proses empat langkah pada mesin bensin
Perkembangan tekanan selama proses empat langkah pada mesin diesel
Variasi tekanan selama berbagai kondisi pengoperasian
Hilangnya aliran
Pengaruh waktu pengapian pada diagram indikator
Perkembangan tekanan pada diagram p-α
Tekanan gas puncak
Tekanan gas rata-rata

Perbandingan proses kerja teoritis dan aktual:
Dalam proses kerja mesin bensin atau solar kita berhadapan dengan diagram PV (P = tekanan, V = volume) yang menunjukkan hubungan antara tekanan dan volume pada proses empat langkah. Informasi lebih lanjut tentang ini dapat ditemukan di halaman: Proses seiliger.

Proses siklus teoritis terjadi pada mesin ideal, dimana tidak ada gas sisa atau gas sisa. Pada kenyataannya, proses kerja teoritis berbeda dengan proses kerja sebenarnya karena adanya penyimpangan sebagai berikut:

silinder tidak hanya berisi muatan baru, tetapi juga gas sisa dari siklus kerja sebelumnya;
pembakaran bahan bakar yang tidak sempurna;
pembakaran tidak terjadi pada volume atau tekanan yang sama;
pertukaran panas antara gas dan dinding silinder;
terjadi kehilangan aliran selama pergantian pekerjaan;
selalu ada kebocoran gas (minimal) di sepanjang ring piston;
panas spesifik berubah seiring tekanan dan suhu, yang mempengaruhi pembakaran.

Jalannya proses kerja sebenarnya dicatat dengan diagram indikator.

Diagram indikator:
Diagram indikator menunjukkan tekanan gas di dalam silinder (di atas piston) selama dua putaran poros engkol. Diagram ditentukan selama pengukuran tekanan yang terjadi di dalam silinder.

Diagram indikator yang ditampilkan adalah mesin bensin. Garis merah menunjukkan variasi tekanan relatif terhadap langkah piston. Selama pengukuran sebenarnya, diperoleh nilai pada p Maks. Kita akan membahasnya nanti. Di bawah diagram adalah sebuah silinder dengan piston di dalamnya. Huruf Vs dan Vc menunjukkan volume sekuncup dan volume kompresi.

Berikut adalah daftar singkatan yang digunakan pada gambar:

p0: tekanan udara atmosfer;
pmax: tekanan maksimum dalam silinder;
S: langkah piston;
Vs: volume sekuncup;
Vc: volume kompresi;
W : tenaga kerja (+ positif dan – negatif);
Ign: momen penyalaan;
Io: katup masuk terbuka;
Kami: katup buang menutup;
Adalah: katup masuk menutup;
Uo: katup buang terbuka

Perkembangan tekanan selama proses empat langkah pada mesin bensin:
Kita dapat melihat diagram indikator dalam empat situasi berbeda:

Langkah masuk: piston bergerak dari TMA ke TMA dan menghisap udara. Volume bertambah karena ruang di atas piston bertambah.
Tekanannya tetap konstan*. Garis merah pada diagram indikator dimulai dari a naar b;
Langkah kompresi: piston bergerak ke atas dan memampatkan udara. Volume udara berkurang sementara tekanan meningkat. Garis merah menunjukkan ini di antara titik-titik tersebut b en c. Pengapian terjadi pada akhir langkah kompresi;
Power stroke: Setelah busi menyala, diperlukan waktu beberapa saat agar campuran dapat terbakar sempurna. Kami melihat proses ini di antara titik-titiknya c en d. Gaya yang dilepaskan oleh pengapian mendorong piston ke bawah. Volumenya bertambah dan tekanannya berkurang. Kita melihat ini di antara huruf-hurufnya d en e;
Langkah buang: Katup buang terbuka dan piston mendorong gas buang keluar. Volumenya mengecil, tekanannya tetap (e naar a).

Produsen kendaraan hybrid kini semakin banyak mengadaptasinya Prinsip Atkinson-Miller untuk mengurangi hambatan mekanis selama langkah kompresi. Hal ini tercermin dari garis naik langkah kompresi pada diagram indikator.

*Dalam penjelasannya kita berbicara tentang tekanan yang sama selama langkah masuk. Hal ini sebagian benar. Selama langkah masuk, akselerasi piston maksimum sekitar 60 derajat setelah TMA. Udara yang masuk tidak dapat mengikuti piston. Pada saat itu tekanan negatif maksimum sekitar -0,2 bar tercipta. Tekanan silinder kemudian naik lagi. Inersia massa udara yang masuk memastikan udara tetap mengalir ke dalam silinder sementara piston kembali bergerak ke atas. Besarnya tekanan bawah tergantung pada posisi katup throttle dan kecepatannya. Katup throttle yang lebih tertutup memberikan kevakuman yang lebih besar pada kecepatan mesin yang konstan. Kami telah mengabaikan peningkatan tekanan bawah selama akselerasi piston maksimum pada teks dan gambar di atas.

Perkembangan tekanan selama proses empat langkah pada mesin diesel:
Di sini kita melihat diagram indikator mesin diesel.

langkah masuk: piston bergerak dari TMA ke TMA dan menyedot udara (jika mesin supercharged);
langkah kompresi: piston bergerak menuju ODP. Udara dikompresi dan suhu naik hingga lebih dari 100 derajat Celcius karena peningkatan tekanan. Pada akhir langkah kompresi, bahan bakar diesel diinjeksikan. Injeksi bahan bakar dimulai 5 sampai 10 derajat sebelum TMA dan berakhir antara 10 dan 15 derajat setelah TDC;
power stroke: karena bahan bakar diesel diinjeksikan pada akhir langkah kompresi, maka bahan bakar tersebut mulai terbakar sementara tekanannya tetap konstan. Tekanan pada bagian (hampir) horizontal tetap konstan, sedangkan volume bertambah.
Pada power stroke kita melihat pembuangan panas isobarik dari proses siklus teoritis.

Seperti halnya mesin bensin, kita melihat katup buang terbuka sebelum piston mencapai TMA. Tumpang tindih katup juga terjadi karena katup masuk membuka lebih dulu dibandingkan katup buang menutup.

Variasi tekanan selama berbagai kondisi pengoperasian:
Selain properti mesin yang menentukan diagram indikator, kondisi pengoperasian (baca: beban mesin) juga mempengaruhi hal ini. Tekanan tinggi di atas piston tidak selalu ada atau diperlukan.

Tiga diagram indikator di bawah menunjukkan variasi tekanan sehubungan dengan derajat poros engkol. Diagram direkam dalam kondisi berikut:

beban sebagian: 3/4 beban pada n = 4200 rpm;
beban penuh: pada n = 2500 rpm;
pengereman mesin: pada n = 6000 rpm dengan katup throttle tertutup.

Kita melihat perbedaan tekanan gas maksimum di dalam silinder antara beban sebagian dan beban penuh. Saat “engine brake”, katup throttle tertutup dan terjadi kevakuman tinggi di saluran masuk dan di dalam silinder. Karena tekanan negatif ini, tekanan kompresi tidak lebih tinggi dari 3 sampai 4 bar.

Kehilangan aliran:
Selama langkah hisap, ruang hampa tercipta di dalam silinder. Mengisap udara membutuhkan energi. Kita juga melihatnya pada diagram indikator. Antara titik a dan b garis merah turun di bawah p0 (tekanan udara luar atmosfer). Ada ruang hampa di bawah garis putus-putus ini (area -W). Kami menyebutnya kerugian aliran atau kerugian pembilasan.

Usaha negatif (-W) membutuhkan energi dan oleh karena itu tidak diinginkan. Membilas membutuhkan tenaga kerja. Tekanan keluar lebih tinggi dari tekanan masuk. Putaran pembilasan berlawanan arah jarum jam pada motor self-priming.

Pabrikan menerapkan teknik untuk membatasi kehilangan aliran:

timing katup variabel;
pembukaan katup yang cepat dan besar;
ukuran saluran masuk yang optimal;
kelancaran saluran di saluran masuk (mencegah transisi tiba-tiba);
supercharging (melalui turbo dan/atau kompresor mekanis.

Mesin yang dilengkapi dengan supercharging memiliki tren negatif yang lebih sedikit atau tidak sama sekali dalam diagram indikator. Lingkaran kumparan berjalan searah jarum jam dan sekarang menghasilkan kerja. Peningkatan tekanan membantu mendorong piston ke bawah (dari TMA ke ODP) selama langkah hisap. Kerja kompresor yang diperlukan diambil dari gas buang, karena roda kompresor turbo digerakkan oleh roda turbin. Artinya, mesin supercharged jauh lebih efisien dalam kondisi yang sama dibandingkan mesin self-aspirating.

Pengaruh waktu pengapian pada diagram indikator:
Untuk mencapai konsumsi bahan bakar serendah mungkin dan efisiensi tinggi, penting untuk mencapai hal berikut:

waktu pembakaran yang singkat, sehingga kecepatan pembakarannya tinggi. Hal ini ada hubungannya dengan komposisi campuran;
pentahapan pembakaran yang benar sehubungan dengan pergerakan piston. Hal ini berhubungan langsung dengan waktu pengapian. Pusat gravitasi pembakaran harus kira-kira 5 hingga 10 derajat poros engkol setelah TMA. Pusat gravitasi adalah pelepasan panas yang terjadi selama pembakaran.

Waktu pengapian yang terlalu dini dan terlambat menyebabkan peningkatan pelepasan panas melalui dinding silinder dan oleh karena itu menurunkan kualitas.

Pengapian terlalu dini: tekanan naik terlalu dini karena pembakaran dimulai lebih awal pada langkah kompresi. Piston direm kuat sebelum TMA oleh tekanan pembakaran. Pengapian yang terlalu dini menyebabkan tekanan atas yang tinggi, sehingga mengakibatkan penurunan efisiensi mekanis dan risiko kerusakan mesin.
Pengapian terlalu rendah: pembakaran dimulai terlambat. Piston sudah bergerak menuju ODP, menyebabkan tekanan di ruang yang mengembang menjadi tidak cukup tinggi. Gas yang masih menyala juga mengalir melewati katup buang. Akibatnya suhu naik terlalu tinggi. Campuran yang kurus memberikan hasil yang sama: gas terbakar terlalu lambat. Jika campurannya terlalu kurus, gas akan tetap terbakar pada awal langkah pemasukan. Oleh karena itu, serangan balik bisa terjadi pada mesin karburator.

Sistem manajemen mesin modern menentukan waktu pengapian yang tepat dari parameternya: dalam keadaan apa pun, waktu pengapian harus sedekat mungkin dengan batas ketukan.

Perkembangan tekanan pada diagram p-α:
Diagram indikator dapat diubah menjadi diagram gaya tangensial. Hal ini menunjukkan gaya tangensial sebagai fungsi dari sudut engkol (alpha). Kami mengubah diagram indikator menjadi diagram di mana tekanan (p) digambarkan sebagai fungsi sudut (α): diagram p-α.

Pada gambar berikut kita melihat profil tekanan di dalam silinder saat beban penuh.

Titik biru menunjukkan, seperti pada bagian “diagram indikator”, pada jam berapa katup membuka dan menutup:

Membuka (Io) dan menutup (Is) katup masuk
Katup buang membuka (Uo) dan menutup (Us).

Selain itu, kita dapat melihat dari derajat poros engkol pada langkah mana mesin bekerja:

0 derajat: TDC (akhir langkah buang, awal langkah masuk)
180 derajat: ODP (akhir langkah masuk, awal langkah kompresi)
360 derajat: TDC (akhir langkah kompresi, awal langkah tenaga)
540 derajat: ODP (akhir langkah tenaga, awal langkah buang)

Tekanan gas puncak:
Tekanan gas puncak tertinggi terjadi pada saat power stroke. Tingkat tekanan tergantung pada beban mesin: ketika mesin menghasilkan banyak tenaga, tekanan pembakaran akan lebih tinggi dibandingkan pada beban sebagian.

Empat gambar di bawah menunjukkan hal ini: bukaan throttle TP (Throttle Position) memberikan indikasi sejauh mana beban mesin dalam kaitannya dengan putaran poros engkol CA (Crank Angle). Pada mesin bensin rata-rata, tekanan rata-rata 4000 kPa tercipta selama pembakaran pada beban sebagian dan dalam hal ini sekitar 5000 kPa pada beban penuh. Pada mesin dengan injeksi berlapis, penyetelan poros bubungan, dan pengangkatan katup variabel, tekanan dapat naik di atas 6000 kPa.

Tekanan gas rata-rata:
Selama proses kerja, tekanan di dalam silinder sangat bervariasi. Selama langkah masuk terdapat kevakuman (jika turbo gas buang memberikan peningkatan tekanan udara masuk), dan setelah langkah kompresi terjadi puncak tekanan. Semakin tinggi tekanan puncak gas, semakin kuat pembakarannya.

Untuk menentukan tekanan rata-rata proses pembakaran, kita dapat membagi diagram indikator menjadi persegi panjang kecil dengan lebar yang sama. Gambar berikut menunjukkan persegi panjang biru dan hijau. Dengan menghitung luas persegi panjang berwarna biru kita dapat menghitung tekanan positifnya. Kami kemudian mengurangi luas segitiga hijau dari ini. Kita kemudian mendapatkan tekanan piston rata-rata.

Dengan tekanan piston rata-rata kita dapat menentukan, antara lain, tenaga mesin yang ditunjukkan dan efektif. Kunjungi halaman: aset, kerugian dan pengembalian untuk membaca lebih lanjut tentang ini.

Pada gambar kita melihat bahwa garis merah berada di luar persegi panjang biru: jika kita memperkecil lebar masing-masing persegi panjang dan oleh karena itu kita dapat menempatkan lebih banyak persegi panjang di samping satu sama lain, deviasi kita akan semakin kecil. Kita dapat menerapkan hal ini tanpa batas waktu. Tentu saja, kenyataannya kami tidak akan melakukan hal itu. Dengan menerapkan fungsi matematika kita dapat menentukan permukaan secara matematis. Kami melakukan ini dengan terintegrasi.

Halaman terkait: