科目：
- 理論上の労働プロセスと実際の労働プロセスの比較
- 指標図
- ガソリン エンジンの XNUMX ストローク プロセス中の圧力の進行
- ディーゼル エンジンの XNUMX ストローク プロセス中の圧力の進行
- さまざまな動作条件における圧力変動
- 流れの喪失
- 点火時期がインジケーターダイアグラムに及ぼす影響
- p-α線図における圧力の展開
- ピークガス圧力
- 平均ガス圧力
理論上の労働プロセスと実際の労働プロセスの比較:
ガソリンまたはディーゼル エンジンの作動プロセスでは、XNUMX ストローク プロセスにおける圧力と体積の関係を示す PV 線図 (P = 圧力、V = 体積) を扱います。 詳細については、次のページを参照してください。 セイリガープロセス。
理論上のサイクルプロセスは、残留ガスや損失が存在しない理想的なエンジン内で行われます。 実際には、理論上の労働プロセスは、次のような差異により実際の労働プロセスとは異なります。
- シリンダーには新しい充填物だけでなく、前の作業サイクルからの残留ガスも含まれています。
- 燃料の不完全燃焼。
- 燃焼は正確に同じ体積または圧力では進行しません。
- ガスとシリンダー壁の間の熱交換。
- ワーク変更中に流量損失が発生します。
- ピストンリングに沿ったガス漏れは常に（最小限）あります。
- 比熱は圧力と温度によって変化し、燃焼に影響します。
実際の作業工程の経過を指標図で記録します。
インジケーター図:
インジケーターの図は、クランクシャフトが XNUMX 回転する間のシリンダー (ピストンの上) 内のガス圧力を示します。 このダイアグラムは、シリンダー内で行われた圧力測定中に決定されました。
表示図はガソリンエンジンのものです。 赤い線はピストンのストロークに対する圧力変化を示します。 実際の測定では、p Max での値が得られます。 これについては後ほど説明します。 図の下にはピストンが入ったシリンダーがあります。 文字 Vs と Vc はストローク量と圧迫量を示します。
以下は、図で使用されている略語のリストです。
- p0: 大気圧。
- pmax: シリンダー内の最大圧力。
- Ｓ：ピストンのストローク。
- Vs: ストローク量。
- Vc: 圧縮ボリューム。
- W: 労働力 (+ プラスおよび - マイナス)。
- Ign: 点火の瞬間。
- Io: 入口バルブが開きます。
- 私たち: 排気バルブが閉じます。
- である: 入口バルブが閉じます。
- うお：排気バルブが開く
ガソリン エンジンの XNUMX ストローク プロセス中の圧力の進行:
インジケーター ダイアグラムは XNUMX つの異なる状況で表示できます。
- 吸気行程：ピストンが上死点から上死点まで移動して空気を吸い込みます。 ピストン上部の空間が増えるので体積が増えます。
圧力は一定に保たれます*。 指標図の赤い線は、 a NAAR b; - 圧縮行程：ピストンが上昇して空気を圧縮します。 圧力が増加すると、空気の体積は減少します。 赤い線は点間のこれを示しています b en c。 点火は圧縮ストロークの終わりに行われます。
- パワーストローク: スパークプラグが点火した後、混合気が完全に燃焼するまでには時間がかかります。 点の間にこのプロセスが表示されます c en d。 点火によって解放される力はピストンを下方に押します。 体積が増加し、圧力が減少します。 文字の間にこれが見えます d en e;
- 排気行程：排気バルブが開き、ピストンが排気ガスを押し出します。 体積は減少しますが、圧力は一定のままです (e NAAR a).
最近、ハイブリッド車メーカーはこれをますます採用しています。 アトキンソン・ミラーの法則 圧縮ストローク中の機械抵抗を低減します。 これは、指標図の圧縮行程の上昇線に反映されています。
※説明では吸気行程中の等圧について説明しています。 これは部分的には正しいです。 吸気行程中、ピストンの加速度は上死点後の約 60 度で最大になります。 流入空気はピストンに追従できません。 このとき、最大約 -0,2 bar の負圧が発生します。 その後、シリンダー圧力は再び上昇します。 入ってくる空気の質量慣性により、ピストンが再び上方に移動する間も空気はシリンダー内に流れ込みます。 負圧の大きさは、スロットル バルブの位置と速度によって異なります。 スロットル バルブをさらに閉じると、一定のエンジン速度でより大きな負圧が得られます。 上記のテキストと画像では、ピストンの最大加速時の負圧の増加を無視しています。
ディーゼル エンジンの XNUMX ストローク プロセス中の圧力の進行:
ここではディーゼルエンジンの指標図を示します。
- 吸気行程: ピストンが TDC から TDC に移動し、空気を吸い込みます (エンジンが過給されている場合)。
- 圧縮ストローク: ピストンが ODP に向かって移動します。 空気は圧縮され、圧力の上昇により温度が100℃以上に上昇します。 圧縮行程の終わりにディーゼル燃料が噴射されます。 燃料噴射は上死点の 5 ～ 10 度前で始まり、上死点後 10 ～ 15 度の間で終了します。
- パワー行程: ディーゼル燃料は圧縮行程の終わりに噴射されるため、圧力が一定のまま燃焼が始まります。 （ほぼ）水平部分の圧力は一定のままですが、体積は増加します。
パワーストロークでは、理論上のサイクルプロセスからの等圧熱放散が見られます。
ガソリンエンジンと同様に、ピストンが上死点に達する前に排気バルブが開くことがわかります。 吸気バルブが排気バルブが閉じるよりも早く開くために、バルブ オーバーラップも発生します。
さまざまな動作条件での圧力変動:
インジケーター ダイアグラムを決定するエンジンの特性に加えて、動作条件 (つまりエンジン負荷) もこれに影響します。 ピストン上の高圧は必ずしも存在するわけではなく、また必要なわけでもありません。
以下の XNUMX つの指標図は、クランクシャフトの角度に応じた圧力変化を示しています。 図は次の条件で記録されました。
- 部分負荷: n = 3 rpm で 4/4200 負荷。
- 全負荷: n = 2500 rpm;
- エンジンブレーキ: スロットルバルブを閉じた状態で n = 6000 rpm。
部分負荷と全負荷では、シリンダー内の最大ガス圧力に違いが見られます。 「エンジンブレーキ」時には、スロットルバルブが閉じられ、吸気管とシリンダー内は高真空になります。 この負圧により、圧縮圧力は 3 ～ 4 bar を超えません。
流量損失:
吸気行程中、シリンダー内に真空が生成されます。 空気を吸い込むにはエネルギーがかかります。 これはインジケーター図にも見られます。 点 a と点 b の間では、赤い線は p0 (大気外気圧) を下回ります。 この点線の下には真空があります (領域 -W)。 これらをフロー損失またはフラッシング損失と呼びます。
負の仕事 (-W) はエネルギーを消費するため、望ましくありません。 すすぎには労力がかかります。 出口圧力は入口圧力よりも高くなります。 自吸式モーターではフラッシング ループは反時計回りになります。
メーカーは流量損失を制限するために次のような技術を適用しています。
- 可変バルブタイミング。
- 速くて大きなバルブの開き。
- 入口チャネルの最適なサイズ設定。
- 吸気管内のチャネルの滑らかな経過（急激な移行の防止）。
- 過給（ターボおよび/または機械式コンプレッサーによる。
スーパーチャージャーを備えたエンジンでは、インジケーター ダイアグラムにマイナスの傾向がほとんどまたはまったくありません。 コイル ループは時計回りに動作し、仕事を生成します。 ブースト圧力は、吸気ストローク中にピストンを押し下げるのに役立ちます（TDC から ODP まで）。 ターボのコンプレッサーホイールはタービンホイールによって駆動されるため、必要なコンプレッサーの仕事は排気ガスから抽出されます。 これは、同じ条件下では過給エンジンは自吸式エンジンに比べてはるかに効率が高いことを意味します。
点火時期がインジケーター図に与える影響:
可能な限り低い燃料消費量と高い効率を実現するには、次のことを達成することが重要です。
- 燃焼時間が短いので燃焼速度が速い。 これは混合物の組成に関係します。
- ピストンの動きに関連した燃焼の正しい位相。 これは点火時期に直接関係します。 燃焼重心は、TDC 後約 5 ～ 10 クランクシャフト度である必要があります。 重心は燃焼時に発生する熱です。
点火時期が早すぎたり遅すぎたりすると、シリンダー壁からの熱放出が増加し、品質の低下につながります。
- 点火が早すぎる: 圧縮行程中に燃焼が早く始まるため、圧力の上昇が早すぎます。 ピストンは燃焼圧により上死点手前で強力にブレーキがかかります。 点火が早すぎると最高圧力が高くなり、機械効率が低下し、エンジンに欠陥が生じるリスクが生じます。
- 点火が低すぎる: 燃焼の開始が遅すぎます。 ピストンはすでに ODP に向かって移動しており、膨張する空間内の圧力が不十分に高くなります。 まだ燃えているガスも排気バルブを通過して流れました。 その結果、温度が上がりすぎてしまいます。 希薄な混合気でも同じ結果が得られます。つまり、ガスの燃焼が遅すぎます。 混合気が薄すぎると、吸気ストロークの開始時にガスが燃焼します。 このため、キャブレターエンジンではバックファイアが発生する可能性があります。
最新のエンジン管理システムは、パラメータから正しい点火タイミングを決定します。どのような状況でも、点火タイミングはノッキング限界に可能な限り近づける必要があります。
p-α線図における圧力の展開:
指標線図は接線力線図に変換できます。 これは、接線力をクランク角度 (アルファ) の関数として示します。 インジケーター ダイアグラムを、圧力 (p) が角度 (α) の関数として表されるダイアグラム、つまり p-α ダイアグラムに変換します。
次の画像では、全負荷時のシリンダー内の圧力プロファイルが表示されます。
「インジケーター図」セクションにあるように、青い点はバルブが開閉するタイミングを示します。
- 入口バルブを開く (Io) および閉じる (Is)
- 排気バルブが開き (Uo)、閉じます (Us)。
さらに、クランクシャフトの角度から、エンジンがどのストロークで動作しているかがわかります。
- 0度：TDC（排気行程終了、吸気行程開始）
- 180度：ODP（吸気行程の終わり、圧縮行程の始まり）
- 360 度: TDC (圧縮行程の終わり、動力行程の始まり)
- 540度：ODP（動力行程の終わり、排気行程の始まり）
ピークガス圧力:
ピークガス圧力はパワーストローク中に最も高くなります。 圧力のレベルはエンジンの負荷によって異なります。エンジンが大きな出力を供給する場合、燃焼圧力は部分負荷の場合よりも高くなります。
以下の 4000 つの画像はこれを示しています。スロットル開度 TP (スロットル ポジション) は、クランク シャフトの回転 CA (クランク アングル) に対するエンジンの負荷の程度を示します。 平均的なガソリン エンジンでは、燃焼中に部分負荷で平均 5000 kPa の圧力が発生し、この場合は全負荷で約 6000 kPa の圧力が発生します。 多層噴射、カムシャフト調整、可変バルブリフトを備えたエンジンでは、圧力が XNUMX kPa を超える場合があります。
平均ガス圧力:
作業工程中、シリンダー内の圧力は大きく変化します。 吸気行程中には真空が発生し (排気ガス ターボが吸気圧力を増加させる場合)、圧縮行程後には圧力のピークが発生します。 ピークガス圧力が高いほど、燃焼はより強力になります。
燃焼プロセスの平均圧力を決定するには、インジケーター ダイアグラムを同じ幅の小さな長方形に分割します。 次の図は、青と緑の長方形を示しています。 青い長方形の面積を計算することで、正圧を計算できます。 次に、ここから緑色の三角形の面積を引きます。 次に、平均ピストン圧力が残ります。
平均ピストン圧力を使用して、とりわけ、エンジンの表示出力および有効出力を決定できます。 ページにアクセスしてください: 資産、損失、収益 詳細については、こちらをご覧ください。
画像では、赤い線が青い四角形の外側に出ていることがわかります。各四角形の幅を小さくして、より多くの四角形を隣り合わせに配置できれば、偏差はますます少なくなります。 これは無限に適用できます。 もちろん、実際にはそんなことはしません。 数学関数を適用することで、表面を数学的に決定できます。 これを行うのは 統合.
