Vísir skýringarmynd

Viðfangsefni:

Samanburður á fræðilegu og raunverulegu vinnuferli
Vísir skýringarmynd
Þrýstingaframvinda í fjórgengisferli bensínvélar
Þrýstingaframvinda í fjórgengisferli dísilvélar
Þrýstingabreyting við mismunandi rekstraraðstæður
Tap á flæði
Áhrif kveikjutíma á vísir skýringarmynd
Þrýstiþróun í p-α skýringarmyndinni
Hámarks gasþrýstingur
Meðalgasþrýstingur

Samanburður á fræðilegu og raunverulegu vinnuferli:
Í vinnuferli bensín- eða dísilvélar erum við að fást við PV skýringarmynd (P = þrýstingur, V = rúmmál) sem gefur til kynna samband þrýstings og rúmmáls í fjórgengisferlinu. Nánari upplýsingar um þetta má finna á síðunni: Seiliger ferli.

Fræðilega hringrásarferlið fer fram í fullkominni vél, þar sem engin leifar af lofttegundum eða tapi eru til staðar. Í raun og veru er fræðilega vinnuferlið frábrugðið raunverulegu vinnuferlinu vegna eftirfarandi frávika:

hylkið inniheldur ekki aðeins ferska hleðslu, heldur einnig afgangsgas frá fyrri vinnulotu;
ófullkominn bruni eldsneytis;
brennsla fer ekki nákvæmlega fram við sama rúmmál eða þrýsting;
varmaskipti milli gassins og strokkveggsins;
flæðistap á sér stað við vinnubreytinguna;
það er alltaf (lágmarks) gasleki meðfram stimplahringunum;
sérvarminn breytist með þrýstingi og hitastigi sem hefur áhrif á bruna.

Gangur raunverulegs vinnuferlis er skráður með vísir skýringarmynd.

Vísir skýringarmynd:
Vísir skýringarmynd sýnir gasþrýsting í hylkinu (fyrir ofan stimpla) við tvo snúninga sveifaráss. Skýringarmyndin var ákvörðuð við þrýstingsmælingu sem fór fram í strokknum.

Vísarmyndin sem sýnd er er af bensínvél. Rauða línan gefur til kynna þrýstingsbreytinguna miðað við stimpilslagið. Við raunverulega mælingu fæst gildi við p Max. Við förum í þetta síðar. Fyrir neðan skýringarmyndina er strokkur með stimpli að innan. Stafirnir Vs og Vc gefa til kynna höggrúmmál og þjöppunarrúmmál.

Eftirfarandi er listi yfir skammstafanir sem notaðar eru á myndinni:

p0: loftþrýstingur í andrúmslofti;
pmax: hámarksþrýstingur í strokknum;
S: slag stimpilsins;
Vs: höggrúmmál;
Vc: þjöppunarrúmmál;
W: fæðing (+ jákvætt og – neikvætt);
Ign: kveikjustund;
Io: inntaksventill opnast;
Us: útblástursventil lokar;
Er: inntaksventil lokar;
Uo: útblástursventill opnast

Þrýstingur í fjórgengisferli bensínvélar:
Við getum skoðað vísir skýringarmyndina í fjórum mismunandi aðstæðum:

Inntaksslag: stimpillinn færist frá TDC til TDC og sogar loftið. Rúmmálið eykst vegna þess að rýmið fyrir ofan stimpilinn eykst.
Þrýstingurinn helst stöðugur*. Rauða línan í vísir skýringarmynd liggur frá a til b;
Þjöppunarslag: stimpillinn færist upp og þjappar saman loftinu. Loftmagnið minnkar á meðan þrýstingurinn eykst. Rauða línan sýnir þetta á milli punktanna b en c. Kveikja á sér stað í lok þjöppunarslagsins;
Kraftslag: Eftir að kertin kviknar tekur það nokkurn tíma fyrir blandan að brenna alveg. Við sjáum þetta ferli á milli punktanna c en d. Krafturinn sem kveikjan losar ýtir stimplinum niður á við. Rúmmálið eykst og þrýstingurinn minnkar. Við sjáum þetta á milli stafanna d en e;
Útblástursslag: Útblástursventillinn opnast og stimpillinn ýtir útblástursloftunum út. Rúmmálið minnkar, þrýstingurinn helst stöðugur (e til a).

Tvinnbílaframleiðendur aðlaga það í auknum mæli þessa dagana Atkinson-Miller meginreglan til að draga úr vélrænni mótstöðu meðan á þjöppunarslagi stendur. Þetta endurspeglast í hækkandi línu þjöppunarslagsins á vísir skýringarmyndinni.

*Í skýringunni er talað um jafnan þrýsting við inntakshögg. Þetta er að hluta til rétt. Meðan á inntakshögginu stendur er stimplahröðun hámarks um það bil 60 gráður á eftir TDC. Loftið sem kemur inn getur ekki fylgt stimplinum. Á því augnabliki myndast hámarks undirþrýstingur um það bil -0,2 bör. Hylkisþrýstingurinn hækkar svo aftur. Massa tregða loftsins sem kemur inn tryggir að loft flæðir enn inn í strokkinn á meðan stimpillinn færist upp aftur. Stærð undirþrýstings fer eftir stöðu inngjafarloka og hraða. Frekari lokaður inngjöfarventill gefur meira lofttæmi við stöðugan snúningshraða vélarinnar. Við höfum vanrækt aukinn undirþrýsting við hámarks stimpilhröðun í textanum og myndunum hér að ofan.

Þrýstingaframvinda í fjórgengisferli dísilvélar:
Hér sjáum við vísir skýringarmynd af dísilvél.

inntaksslag: stimpillinn færist frá TDC til TDC og sogar loft (ef vélin er með forþjöppu);
þjöppunarslag: stimpillinn færist í átt að ODP. Loftið er þjappað saman og hitinn fer upp í meira en 100 gráður á Celsíus vegna aukins þrýstings. Í lok þjöppunarslagsins er dísileldsneyti sprautað inn. Eldsneytisinnspýting byrjar 5 til 10 gráður fyrir TDC og endar á milli 10 og 15 gráður eftir TDC;
kraftslag: vegna þess að dísileldsneyti er sprautað í lok þjöppunarslagsins byrjar það að brenna á meðan þrýstingurinn helst stöðugur. Þrýstingurinn í (næstum) lárétta hlutanum helst stöðugur á meðan rúmmálið eykst.
Í aflhögginu sjáum við ísóbaríska hitaleiðni frá fræðilega hringrásarferlinu.

Eins og með bensínvélina sjáum við að útblástursventillinn opnast áður en stimpillinn nær TDC. Lokaskörun á sér einnig stað vegna þess að inntaksventillinn opnast fyrr en útblástursventillinn lokar.

Þrýstingabreyting við mismunandi notkunarskilyrði:
Auk þess að vélareiginleikar ákvarða vísir skýringarmyndina, hafa rekstrarskilyrði (les: vélarálag) einnig áhrif á þetta. Hár þrýstingur fyrir ofan stimpilinn er ekki alltaf til staðar eða nauðsynlegur.

Vísarmyndirnar þrjár hér að neðan sýna þrýstingsbreytinguna í tengslum við sveifarásargráðurnar. Skýringarmyndirnar voru skráðar við eftirfarandi skilyrði:

hlutahleðsla: 3/4 álag við n = 4200 rpm;
fullt álag: við n = 2500 rpm;
vélhemlun: við n = 6000 snúninga á mínútu með inngjöfarventil lokaðan.

Við sjáum mun á hámarks gasþrýstingi í hylkinu á milli hlutahleðslu og fullhleðslu. Þegar „vél bremsar“ er inngjöfarlokinn lokaður og það er mikið lofttæmi í inntakinu og í strokknum. Vegna þessa neikvæða þrýstings er þjöppunarþrýstingurinn ekki hærri en 3 til 4 bör.

Rennslistap:
Við inntakið myndast tómarúm í strokknum. Að soga í loftið kostar orku. Við sjáum þetta líka á vísir skýringarmyndinni. Á milli punkta a og b fellur rauða línan niður fyrir p0 (loftþrýstingur ytra andrúmsloftsins). Það er tómarúm fyrir neðan þessa punktalínu (svæði -W). Við köllum þetta flæðistap eða skolatap.

Neikvæða vinnan (-W) kostar orku og er því óæskileg. Skolun krefst vinnu. Úttaksþrýstingurinn er hærri en inntaksþrýstingurinn. Skollykkjan er rangsælis á sjálffræsandi mótorum.

Framleiðendur beita tækni til að takmarka flæðistap:

breytileg tímasetning ventla;
hratt og stórt lokaopnun;
ákjósanlegur stærð inntaksrása;
sléttur gangur rása í inntaksvegi (koma í veg fyrir skarpar umbreytingar);
forhleðslu (með túrbó og/eða vélrænni þjöppu.

Vélar búnar forhleðslu hafa minni eða enga neikvæða þróun á vísir skýringarmyndinni. Spólulykkjan liggur réttsælis og skilar nú vinnu. Aukaþrýstingurinn hjálpar til við að ýta stimplinum niður (frá TDC til ODP) meðan á inntakshögginu stendur. Nauðsynleg þjöppuvinna er dregin úr útblástursloftinu, vegna þess að þjöppuhjól túrbósins er knúið áfram af túrbínuhjólinu. Þetta þýðir að forþjöppuvélar eru mun skilvirkari við sömu aðstæður samanborið við sjálfsogandi vélar.

Áhrif kveikjutíma á vísir skýringarmynd:
Til að ná sem minnstri eldsneytisnotkun og mikilli nýtni er mikilvægt að ná eftirfarandi:

stuttur brunatími, svo mikill brunahraði. Þetta hefur með samsetningu blöndunnar að gera;
rétta fasa brennslu í tengslum við stimpilhreyfingu. Þetta tengist beint kveikjutímanum. Þyngdarpunktur brunans ætti að vera um það bil 5 til 10 gráður á sveifarás á eftir TDC. Þyngdarpunkturinn er varmalosunin sem verður við bruna.

Bæði of snemmt og of seint kveikjutími leiðir til aukinnar hitalosunar í gegnum strokkvegginn og þar af leiðandi minnkandi gæði.

Of snemma íkveikja: þrýstingurinn hækkar of snemma vegna þess að bruninn byrjar snemma á meðan þjöppunarhringurinn stendur yfir. Stimpillinn er kröftuglega bremsaður fyrir TDC af brennsluþrýstingnum. Of snemma kveikja leiðir til hás toppþrýstings, sem leiðir til minnkunar á vélrænni skilvirkni og hættu á bilun í vél.
Of lítil íkveikja: brennsla er hafin of seint. Stimpillinn er þegar að færast í átt að ODP, sem veldur því að þrýstingurinn í stækkandi rýminu verður ekki nægilega mikill. Enn brennandi lofttegundir streymdu einnig framhjá útblásturslokunum. Þess vegna hækkar hitinn of hátt. Mjúk blanda gefur sömu niðurstöðu: gasið brennur of hægt. Ef blandan er of magur mun gasið samt brenna í upphafi inntaksslagsins. Af þessum sökum getur bakslag komið fram í hreyflum með karburara.

Nútímalegt vélastýringarkerfi ákvarðar rétta kveikjutímann út frá breytum þess: undir öllum kringumstæðum verður kveikjutíminn að vera eins nálægt höggmörkum og hægt er.

Þrýstiþróun í p-α skýringarmyndinni:
Vísir skýringarmynd er hægt að breyta í snertikraft skýringarmynd. Þetta sýnir snertikraftinn sem fall af sveifhorninu (alfa). Við umbreytum vísir skýringarmyndinni í skýringarmynd þar sem þrýstingurinn (p) er sýndur sem fall af horninu (α): p-α skýringarmyndin.

Á eftirfarandi mynd sjáum við þrýstisniðið í strokknum við fullt álag.

Bláu punktarnir gefa til kynna, eins og í hlutanum „vísir skýringarmynd“, hvenær lokar opnast og lokast:

Opnun (Io) og lokun (Is) inntakslokum
Útblásturslokar opnast (Uo) og loka (Us).

Að auki getum við séð á sveifarásargráðunum hvaða högg vélin vinnur á:

0 gráður: TDC (lok útblástursslags, upphaf inntaksslags)
180 gráður: ODP (lok inntaksslags, upphaf þjöppunarslags)
360 gráður: TDC (lok þjöppunarslags, upphaf kraftslags)
540 gráður: ODP (lok kraftslags, upphaf útblástursslags)

Hámarks gasþrýstingur:
Hámarks gasþrýstingur er hæstur á meðan á aflkastinu stendur. Þrýstingurinn fer eftir álagi vélarinnar: þegar vélin skilar miklu afli verður brunaþrýstingurinn hærri en við hlutaálag.

Myndirnar fjórar hér að neðan sýna þetta: inngjafaropið TP (Throttle Position) gefur vísbendingu um hversu mikið álag vélarinnar er miðað við snúning sveifaráss CA (Crank Angle). Í meðalbensínvél myndast að meðaltali 4000 kPa þrýstingur við bruna á hlutahleðslu og í þessu tilviki um 5000 kPa við fullt álag. Í vélum með lagskiptri innspýtingu, stillingu kambása og breytilegri ventlalyftu getur þrýstingurinn farið upp fyrir 6000 kPa.

Meðal gasþrýstingur:
Meðan á vinnuferlinu stendur er þrýstingurinn í strokknum mjög breytilegur. Meðan á inntakshögginu stendur er lofttæmi (ef útblástursgastúrbó gefur aukinn inntaksloftþrýsting) og eftir þjöppunarslag er þrýstingshámark. Því hærra sem hámarks gasþrýstingur er, því öflugri er brennslan.

Til að ákvarða meðalþrýsting brennsluferlisins getum við skipt vísir skýringarmyndinni í litla ferhyrninga sem eru jafn breiðir. Eftirfarandi mynd sýnir bláa og græna ferhyrninga. Með því að reikna flatarmál bláu ferhyrninganna getum við reiknað út jákvæðan þrýsting. Við drögum síðan flatarmál grænu þríhyrninganna frá þessu. Við sitjum þá eftir með meðaltal stimplaþrýstings.

Með meðaltali stimplaþrýstings getum við ákvarðað meðal annars tilgreint og virkt afl vélarinnar. Farðu á síðuna: eignir, tap og ávöxtun að lesa meira um þetta.

Á myndinni sjáum við að rauða línan fellur utan bláu ferhyrninganna: ef við myndum gera breidd hvers ferhyrnings minni og við gætum þess vegna sett fleiri ferhyrninga við hliðina á öðrum, myndum við fá minna og minna frávik. Við getum beitt þessu óendanlega. Auðvitað, í raun og veru ætlum við ekki að gera það. Með því að beita stærðfræðilegum föllum getum við ákvarðað yfirborðið stærðfræðilega. Við gerum þetta með samþætta.

Tengdar síður: