Indicateurdiagram

Onderwerpen:

  • Indicateurdiagram
  • Drukverloop tijdens het vierslagproces
  • Stromingsverlies
  • Piek gasdruk
  • Gemiddelde gasdruk

Indicateurdiagram:
Het indicateurdiagram weergeeft de gasdruk in de cilinder (boven de zuiger) tijdens twee krukasomwentelingen. Het diagram is vastgesteld tijdens een drukmeting die in de cilinder heeft plaatsgevonden.

In de afgebeelde indicateurdiagram geeft de rode lijn het drukverloop ten opzichte van de zuigerslag aan. Bij een werkelijke meting verkrijgt men bij p Max een waarde. Hier gaan we later op in. Onder het diagram is een cilinder met daarin een zuiger te zien. De letters Vs en Vc geven het slagvolume en het compressievolume aan.

Hier volgt een lijst met afkortingen die in de afbeelding worden gebruik:

  • p0: atmosferische luchtdruk;
  • pmax: maximale druk in cilinder;
  • S: slag van de zuiger;
  • Vs: slagvolume;
  • Vc: compressievolume;
  • W: arbeid (positief en negatief);
  • Ign: ontstekingsmoment;
  • Io: inlaatklep opent;
  • Us: uitlaatklep sluit;
  • Is: inlaatklep sluit;
  • Uo: uitlaatklep opent

Drukverloop tijdens het vierslagproces:
Het indicateurdiagram kunnen we in vier verschillende situaties bekijken:

  • Inlaatslag: de zuiger beweegt van BDP naar ODP en zuigt de lucht naar binnen. Het volume stijgt doordat de ruimte boven de zuiger steeds kleiner wordt. De druk blijft constant. De rode lijn in het indicateurdiagram loopt van a naar b;
  • Compressieslag: de zuiger beweegt omhoog en comprimeert de lucht. Het luchtvolume daalt, terwijl de druk toeneemt. De rode lijn toont dit tussen de punten b en c. Aan het einde van de compressieslag vindt de ontsteking plaats;
  • Arbeidsslag: nadat de bougie vonkt, duurt het enige tijd voordat het mengsel is volledig is verbrandt. Dit proces zien we tussen de punten c en d. Door de kracht die met de ontsteking is vrijgekomen wordt de zuiger omlaag gedrukt. Het volume neemt toe en de druk neemt af. Dit zien we tussen de letters d en e;
  • Uitlaatslag: de uitlaatklep opent en de zuiger duwt de uitlaatgassen naar buiten. Het volume neemt af, de druk blijft constant (e naar a).
Inlaatslag
Compressieslag
Arbeidsslag
Uitlaatslag

Stromingsverlies:
Tijdens de inlaatslag ontstaat er een onderdruk in de cilinder. Het aanzuigen van de lucht kost energie. Ook dit zien we terug in het indicateurdiagram. Tussen de punten a en b daalt de rode lijn onder p0 (de atmosferische buitenluchtdruk). Onder deze stippellijn heerst een vacuüm. We noemen dit “stromingsverliezen”.

De negatieve arbeid (-W) is ongewenst. Bij motoren met een turbocompressor wordt dit negatieve gebied deels opgeheven: tijdens de inlaatslag vindt er al in kleine mate drukvulling plaats. Het gebied -W wordt kleiner: de onderdruk daalt en de rode lijn komt dichter bij p0 te liggen.

Piek gasdruk:
De piek gasdruk is tijdens de arbeidsslag het hoogst. De hoogte van de druk hangt af van de motorbelasting: wanneer de motor veel vermogen levert, zal de verbrandingsdruk hoger zijn dan in deellast.

De onderstaande vier afbeeldingen laten dit zien: de gasklepopening TP (Throttle Position) geven een indicatie in hoeverre de motor wordt belast ten opzichte van de krukasverdraaiing CA (Crank Angle). Bij een gemiddelde benzinemotor ontstaat er tijdens de verbranding in deellast een druk van gemiddeld 4000 kPa en in vollast in dit geval rond de 5000 kPa. Bij motoren met gelaagde inspuiting, nokkenasverstelling en variabele kleplichthoogte kan de druk boven de 6000 kPa stijgen.

Gemiddelde gasdruk:
Tijdens het arbeidsproces varieert de druk in de cilinder enorm. Tijdens de inlaatslag heerst er een onderdruk (indien een uitlaatgasturbo zorgt voor een verhoogde inlaatluchtdruk), en na de compressieslag volgt er een drukpiek. Hoe hoger de piek gasdruk is, hoe krachtiger de verbranding verloopt.

Om de gemiddelde druk van het verbrandingsproces te bepalen, kunnen we het indicateurdiagram opdelen in kleine rechthoeken met gelijke breedtes. De volgende afbeelding toont blauwe en groene rechthoeken. Met het berekenen van het oppervlak van de blauwe rechthoeken kunnen we de positieve druk berekenen. Vervolgens trekken we daar de oppervlakte van de groene driehoeken vanaf. We houden dan de gemiddelde zuigerdruk over.

Met de gemiddelde zuigerdruk kunnen we onder anderen het geïndiceerde en effectieve vermogen van de motor bepalen. Bezoek de pagina: vermogens, verliezen en rendementen om hier meer over te lezen.

In de afbeelding zien we dat de rode lijn buiten de blauwe rechthoeken valt: als we de breedte van iedere rechthoek kleiner zouden maken en we zouden daardoor meer rechthoeken naast elkaar kunnen plaatsen, krijgen we een steeds minder grote afwijking. Dit kunnen we tot in het oneindige toepassen. Natuurlijk gaan we dat in werkelijkheid niet doen. Met het toepassen van wiskundige functies kunnen we het oppervlak mathematisch bepalen. Dit doen we met integreren.