Temos:
- Teorinio ir faktinio darbo proceso palyginimas
- Indikatoriaus diagrama
- Slėgio progresija benzininio variklio keturtakčio proceso metu
- Slėgio progresavimas dyzelinio variklio keturtakčio proceso metu
- Slėgio kitimas įvairiomis eksploatavimo sąlygomis
- Srauto praradimas
- Uždegimo laiko įtaka indikatoriaus diagramai
- Slėgio raida p-α diagramoje
- Didžiausias dujų slėgis
- Vidutinis dujų slėgis
Teorinio ir faktinio darbo proceso palyginimas:
Benzininio arba dyzelinio variklio darbo procese mes susiduriame su PV diagrama (P = slėgis, V = tūris), kuri parodo slėgio ir tūrio ryšį keturių taktų procese. Daugiau informacijos apie tai galite rasti puslapyje: Seiliger procesas.
Teorinio ciklo procesas vyksta idealiame variklyje, kuriame nėra likutinių dujų ar nuostolių. Iš tikrųjų teorinis darbo procesas skiriasi nuo tikrojo darbo proceso dėl šių nukrypimų:
- balione yra ne tik šviežias įkrovimas, bet ir likusios dujos iš ankstesnio darbo ciklo;
- nepilnas kuro degimas;
- degimas nevyksta tiksliai esant vienodam tūriui ar slėgiui;
- šilumos mainai tarp dujų ir baliono sienelės;
- keičiant darbą atsiranda srauto nuostolių;
- išilgai stūmoklio žiedų visada yra (minimalus) dujų nuotėkis;
- specifinė šiluma keičiasi priklausomai nuo slėgio ir temperatūros, o tai turi įtakos degimui.
Rodiklių diagrama fiksuojama faktinio darbo proceso eiga.
Indikatoriaus diagrama:
Indikatoriaus diagrama rodo dujų slėgį cilindre (virš stūmoklio) per du alkūninio veleno apsisukimus. Diagrama buvo nustatyta atliekant slėgio matavimą, kuris vyko cilindre.
Rodoma indikatoriaus diagrama yra benzininio variklio. Raudona linija rodo slėgio pokytį, palyginti su stūmoklio eiga. Faktinio matavimo metu gaunama vertė p Max. Į tai pakalbėsime vėliau. Žemiau diagramos yra cilindras su stūmokliu viduje. Raidės Vs ir Vc nurodo eigos tūrį ir suspaudimo tūrį.
Toliau pateikiamas paveiksle naudojamų santrumpų sąrašas:
- p0: atmosferos oro slėgis;
- pmax: didžiausias slėgis cilindre;
- S: stūmoklio eiga;
- Vs: smūgio tūris;
- Vc: suspaudimo tūris;
- W: darbas (+ teigiamas ir – neigiamas);
- Uždegimas: uždegimo momentas;
- Io: atsidaro įleidimo vožtuvas;
- Mes: išmetimo vožtuvas užsidaro;
- Ar: įleidimo vožtuvas užsidaro;
- Uo: atsidaro išmetimo vožtuvas
Slėgio progresas benzininio variklio keturtakčio proceso metu:
Rodiklio diagramą galime peržiūrėti keturiose skirtingose situacijose:
- Įsiurbimo eiga: stūmoklis juda iš TDC į TDC ir įsiurbia orą. Tūris didėja, nes didėja erdvė virš stūmoklio.
Slėgis išlieka pastovus*. Raudona linija indikatoriaus diagramoje eina nuo a naar b; - Suspaudimo eiga: stūmoklis juda aukštyn ir suspaudžia orą. Oro tūris mažėja, o slėgis didėja. Raudona linija tai rodo tarp taškų b en c. Uždegimas vyksta suspaudimo takto pabaigoje;
- Galios eiga: po to, kai uždegimo žvakė įsižiebia, reikia šiek tiek laiko, kol mišinys visiškai sudegs. Šį procesą matome tarp taškų c en d. Uždegimo atpalaiduojama jėga stumia stūmoklį žemyn. Tūris didėja, o slėgis mažėja. Tai matome tarp raidžių d en e;
- Išmetimo eiga: atsidaro išmetimo vožtuvas ir stūmoklis išstumia išmetamąsias dujas. Tūris mažėja, slėgis išlieka pastovus (e naar a).
Hibridinių transporto priemonių gamintojai šiais laikais jį vis labiau pritaiko Atkinsono-Millero principas sumažinti mechaninį atsparumą suspaudimo takto metu. Tai atsispindi didėjančioje suspaudimo eigos linijoje indikatoriaus diagramoje.
*Paaiškinime kalbame apie vienodą slėgį įsiurbimo takto metu. Tai iš dalies teisinga. Įsiurbimo takto metu stūmoklio pagreitis yra didžiausias maždaug 60 laipsnių po TDC. Įeinantis oras negali sekti stūmoklio. Tuo metu susidaro didžiausias neigiamas slėgis apie -0,2 baro. Tada cilindro slėgis vėl pakyla. Įeinančio oro masės inercija užtikrina, kad oras vis dar tekėtų į cilindrą, o stūmoklis vėl juda aukštyn. Žemo slėgio dydis priklauso nuo droselio vožtuvo padėties ir greičio. Kitas uždarytas droselio vožtuvas užtikrina didesnį vakuumą esant pastoviems variklio sūkiams. Aukščiau esančiame tekste ir paveikslėliuose nepaisėme padidėjusio per mažo slėgio didžiausio stūmoklio pagreičio metu.
Slėgio progresas dyzelinio variklio keturtakčio proceso metu:
Čia matome dyzelinio variklio indikatorių diagramą.
- įsiurbimo eiga: stūmoklis juda iš TDC į TDC ir įsiurbia orą (jei variklis įkrautas);
- suspaudimo eiga: stūmoklis juda link ODP. Oras suspaudžiamas ir dėl slėgio padidėjimo temperatūra pakyla daugiau nei iki 100 laipsnių Celsijaus. Suspaudimo takto pabaigoje įpurškiamas dyzelinis kuras. Kuro įpurškimas prasideda 5–10 laipsnių prieš TDC ir baigiasi 10–15 laipsnių po TDC;
- galios taktas: kadangi dyzelinis kuras įpurškiamas suspaudimo takto pabaigoje, jis pradeda degti, o slėgis išlieka pastovus. Slėgis (beveik) horizontalioje dalyje išlieka pastovus, o tūris didėja.
Galios takte matome izobarinį šilumos išsklaidymą iš teorinio ciklo proceso.
Kaip ir benzininio variklio atveju, matome, kad išmetimo vožtuvas atsidaro prieš stūmokliui pasiekiant TDC. Vožtuvų persidengimas taip pat atsiranda dėl to, kad įleidimo vožtuvas atsidaro anksčiau nei užsidaro išmetimo vožtuvas.
Slėgio kitimas įvairiomis eksploatavimo sąlygomis:
Be indikatorių diagramą lemiančių variklio savybių, tam įtakos turi ir darbo sąlygos (skaitykite: variklio apkrova). Aukštas slėgis virš stūmoklio ne visada yra arba būtinas.
Toliau pateiktos trys indikatorių diagramos rodo slėgio kitimą alkūninio veleno laipsnių atžvilgiu. Diagramos buvo įrašytos tokiomis sąlygomis:
- dalinė apkrova: 3/4 apkrova esant n = 4200 aps./min.;
- pilna apkrova: esant n = 2500 aps./min.;
- stabdymas varikliu: esant n = 6000 aps./min., kai droselio sklendė uždaryta.
Matome didžiausio dujų slėgio balione skirtumus tarp dalinės ir visos apkrovos. Kai „stabdomas varikliu“, droselio sklendė uždaroma, o įsiurbimo takoje ir cilindre susidaro didelis vakuumas. Dėl šio neigiamo slėgio suspaudimo slėgis yra ne didesnis kaip 3–4 barai.
Srauto praradimas:
Įsiurbimo takto metu cilindre susidaro vakuumas. Oro įsiurbimas kainuoja energiją. Tai matome ir indikatorių diagramoje. Tarp taškų a ir b raudona linija nukrenta žemiau p0 (atmosferos išorės oro slėgis). Po šia punktyrine linija (sritis -W) yra vakuumas. Tai vadiname srauto nuostoliais arba praplovimo nuostoliais.
Neigiamas darbas (-W) kainuoja energiją, todėl yra nepageidautinas. Skalavimas reikalauja darbo. Išėjimo slėgis yra didesnis nei įėjimo slėgis. Praplovimo kilpa yra prieš laikrodžio rodyklę ant savisiurbių variklių.
Gamintojai taiko metodus srauto nuostoliams apriboti:
- kintamasis vožtuvo laikas;
- greitas ir didelis vožtuvo atidarymas;
- optimalus įleidimo kanalų dydis;
- sklandus kanalų eiga įsiurbimo trakte (užkertant kelią aštriems perėjimams);
- pripūtimas (naudojant turbokompresorių ir (arba) mechaninį kompresorių.
Variklių su pripūtimu indikatorių diagramoje neigiama tendencija yra mažesnė arba visai nėra. Ritės kilpa veikia pagal laikrodžio rodyklę ir dabar atlieka darbą. Pripūtimo slėgis padeda nustumti stūmoklį žemyn (nuo TDC iki ODP) įsiurbimo takto metu. Reikalingas kompresoriaus darbas išgaunamas iš išmetamųjų dujų, nes turbinos kompresoriaus ratą varo turbinos ratas. Tai reiškia, kad varikliai su kompresoriumi yra daug efektyvesni tomis pačiomis sąlygomis, lyginant su savaiminio įsiurbimo varikliais.
Uždegimo laiko įtaka indikatoriaus diagramai:
Norint pasiekti kuo mažesnes degalų sąnaudas ir didelį efektyvumą, svarbu pasiekti šiuos dalykus:
- trumpas degimo laikas, todėl didelis degimo greitis. Tai susiję su mišinio sudėtimi;
- teisingas degimo fazavimas atsižvelgiant į stūmoklio judėjimą. Tai tiesiogiai susiję su uždegimo laiku. Degimo svorio centras turi būti maždaug 5–10 alkūninio veleno laipsnių po TDC. Svorio centras yra šilumos išsiskyrimas, atsirandantis degimo metu.
Tiek per ankstyvas, tiek per vėlyvas uždegimo laikas padidina šilumos išsiskyrimą per cilindro sienelę ir dėl to pablogėja kokybė.
- Per ankstyvas uždegimas: slėgis pakyla per anksti, nes degimas prasideda anksti per suspaudimo taktą. Stūmoklis prieš TDC stipriai stabdomas dėl degimo slėgio. Per ankstyvas uždegimas sukelia aukštą viršutinį slėgį, todėl sumažėja mechaninis efektyvumas ir variklio defektų rizika.
- Per mažas uždegimas: degimas pradedamas per vėlai. Stūmoklis jau juda link ODP, todėl slėgis besiplečiančioje erdvėje tampa nepakankamai didelis. Vis dar degančios dujos taip pat tekėjo pro išmetimo vožtuvus. Dėl to temperatūra pakyla per aukštai. Liesas mišinys duoda tą patį rezultatą: dujos dega per lėtai. Jei mišinys yra per liesas, dujos vis tiek degs įsiurbimo takto pradžioje. Dėl šios priežasties karbiuratoriaus varikliuose gali kilti atvirkštinis uždegimas.
Šiuolaikinė variklio valdymo sistema teisingą uždegimo laiką nustato pagal savo parametrus: bet kokiomis aplinkybėmis uždegimo laikas turi būti kuo arčiau detonacijos ribos.
Slėgio raida p-α diagramoje:
Indikatoriaus diagramą galima konvertuoti į tangentinės jėgos diagramą. Tai rodo tangentinę jėgą kaip švaistiklio kampo (alfa) funkciją. Indikatoriaus diagramą transformuojame į diagramą, kurioje slėgis (p) pavaizduotas kaip kampo (α) funkcija: p-α diagrama.
Toliau pateiktame paveikslėlyje matome slėgio profilį cilindre esant pilnai apkrovai.
Mėlyni taškai rodo, kaip ir "indikatoriaus diagramos" skyriuje, kada vožtuvai atsidaro ir užsidaro:
- Įleidimo vožtuvų atidarymas (Io) ir uždarymas (Is).
- Išmetimo vožtuvai atsidaro (Uo) ir užsidaro (Us).
Be to, iš alkūninio veleno laipsnių matome, kokiu taktu veikia variklis:
- 0 laipsnių: TDC (išmetimo takto pabaiga, įsiurbimo takto pradžia)
- 180 laipsnių: ODP (įsiurbimo takto pabaiga, suspaudimo eigos pradžia)
- 360 laipsnių: TDC (suspaudimo takto pabaiga, galios takto pradžia)
- 540 laipsnių: ODP (galios takto pabaiga, išmetimo takto pradžia)
Didžiausias dujų slėgis:
Didžiausias dujų slėgis yra didžiausias galios takto metu. Slėgio lygis priklauso nuo variklio apkrovos: kai variklis tiekia daug galios, degimo slėgis bus didesnis nei esant dalinei apkrovai.
Tai rodo keturi toliau pateikti paveikslėliai: droselio atidarymo TP (droselio padėtis) rodmuo rodo variklio apkrovos laipsnį alkūninio veleno sukimosi CA (alkūninio veleno kampo) atžvilgiu. Vidutiniame benzininiame variklyje degimo metu susidaro vidutiniškai 4000 kPa slėgis esant dalinei apkrovai ir šiuo atveju apie 5000 kPa esant pilnai apkrovai. Varikliuose su sluoksniuotu įpurškimu, skirstomojo veleno reguliavimu ir kintamu vožtuvo pakėlimu slėgis gali pakilti virš 6000 kPa.
Vidutinis dujų slėgis:
Darbo proceso metu slėgis cilindre labai skiriasi. Įsiurbimo takto metu susidaro vakuumas (jei išmetamųjų dujų turbokompresorius padidina įsiurbiamo oro slėgį), o po suspaudimo – slėgio pikas. Kuo didesnis didžiausias dujų slėgis, tuo galingesnis degimas.
Norėdami nustatyti vidutinį degimo proceso slėgį, indikatorių diagramą galime padalyti į mažus vienodo pločio stačiakampius. Toliau pateiktame paveikslėlyje pavaizduoti mėlyni ir žali stačiakampiai. Apskaičiuodami mėlynų stačiakampių plotą galime apskaičiuoti teigiamą slėgį. Tada iš to atimame žaliųjų trikampių plotą. Tada mums paliekamas vidutinis stūmoklio slėgis.
Pagal vidutinį stūmoklio slėgį, be kita ko, galime nustatyti nurodytą ir efektyvią variklio galią. Apsilankykite puslapyje: turtas, nuostoliai ir grąža norėdami sužinoti daugiau apie tai.
Paveikslėlyje matome, kad raudona linija patenka už mėlynų stačiakampių ribų: jei sumažintume kiekvieno stačiakampio plotį ir dėl to galėtume pastatyti daugiau stačiakampių vienas šalia kito, gautume vis mažiau nuokrypių. Galime taikyti šį skelbimą be galo. Žinoma, iš tikrųjų mes to nedarysime. Taikydami matematines funkcijas galime matematiškai nustatyti paviršių. Mes tai darome su integruoti.
