Emner:
- Sammenligning av teoretisk og faktisk arbeidsprosess
- Indikatordiagram
- Trykkprogresjon under firetaktsprosessen til en bensinmotor
- Trykkprogresjon under firetaktsprosessen til en dieselmotor
- Trykkvariasjon under varierende driftsforhold
- Tap av flyt
- Påvirkning av tenningstidspunkt på indikatordiagram
- Trykkutvikling i p-α diagrammet
- Topp gasstrykk
- Gjennomsnittlig gasstrykk
Sammenligning av teoretisk og faktisk arbeidsprosess:
I arbeidsprosessen til en bensin- eller dieselmotor har vi å gjøre med et PV-diagram (P = trykk, V = volum) som angir forholdet mellom trykket og volumet i firetaktsprosessen. Mer informasjon om dette finner du på siden: Seiliger prosess.
Den teoretiske syklusprosessen foregår i en ideell motor, der ingen restgasser eller tap er tilstede. I virkeligheten skiller den teoretiske arbeidsprosessen seg fra den faktiske arbeidsprosessen på grunn av følgende avvik:
- sylinderen inneholder ikke bare fersk ladning, men også restgass fra forrige arbeidssyklus;
- ufullstendig forbrenning av drivstoffet;
- forbrenningen skjer ikke nøyaktig ved likt volum eller trykk;
- varmeveksling mellom gassen og sylinderveggen;
- strømningstap oppstår under arbeidsendringen;
- det er alltid (minimal) gasslekkasje langs stempelringene;
- den spesifikke varmen endres med trykk og temperatur, noe som påvirker forbrenningen.
Forløpet av selve arbeidsprosessen registreres med indikatordiagrammet.
Indikatordiagram:
Indikatordiagrammet viser gasstrykket i sylinderen (over stempelet) under to veivakselomdreininger. Diagrammet ble bestemt under en trykkmåling som fant sted i sylinderen.
Indikatordiagrammet som vises er for en bensinmotor. Den røde linjen indikerer trykkvariasjonen i forhold til stempelslaget. Under en faktisk måling oppnås en verdi ved p Maks. Vi kommer inn på dette senere. Under diagrammet er en sylinder med et stempel inni. Bokstavene Vs og Vc indikerer slagvolumet og kompresjonsvolumet.
Følgende er en liste over forkortelser brukt i figuren:
- p0: atmosfærisk lufttrykk;
- pmax: maksimalt trykk i sylinder;
- S: slag av stempelet;
- Vs: slagvolum;
- Vc: kompresjonsvolum;
- W: arbeidskraft (+ positiv og – negativ);
- Ign: tenningsmoment;
- Io: innløpsventil åpner;
- Us: eksosventil stenger;
- Er: innløpsventil stenger;
- Uo: eksosventil åpner
Trykkprogresjon under firetaktsprosessen til en bensinmotor:
Vi kan se indikatordiagrammet i fire forskjellige situasjoner:
- Inntaksslag: stempelet beveger seg fra TDC til TDC og suger inn luften. Volumet øker fordi rommet over stempelet øker.
Trykket forblir konstant*. Den røde linjen i indikatordiagrammet går fra a naar b; - Kompresjonsslag: stempelet beveger seg opp og komprimerer luften. Luftvolumet avtar mens trykket øker. Den røde linjen viser dette mellom punktene b en c. Tenning finner sted ved slutten av kompresjonsslaget;
- Kraftslag: Etter at tennpluggen har gnist, tar det litt tid før blandingen brenner helt. Vi ser denne prosessen mellom prikkene c en d. Kraften som frigjøres av tenningen presser stempelet nedover. Volumet øker og trykket synker. Vi ser dette mellom bokstavene d en e;
- Eksosslag: Eksosventilen åpner og stempelet skyver eksosgassene ut. Volumet synker, trykket forblir konstant (e naar a).
Hybridbilprodusenter tilpasser det i økende grad i disse dager Atkinson-Miller-prinsippet for å redusere mekanisk motstand under kompresjonsslaget. Dette gjenspeiles i den stigende linjen til kompresjonsslaget i indikatordiagrammet.
*I forklaringen snakker vi om likt trykk under inntaksslaget. Dette er delvis riktig. Under inntaksslaget er stempelakselerasjonen maksimal ved ca. 60 grader etter TDC. Den innkommende luften kan ikke følge stempelet. I det øyeblikket skapes det maksimale undertrykket på ca. -0,2 bar. Sylindertrykket stiger deretter igjen. Massetregheten til den innkommende luften sørger for at luft fortsatt strømmer inn i sylinderen mens stempelet beveger seg oppover igjen. Størrelsen på undertrykket avhenger av posisjonen til strupeventilen og hastigheten. En ytterligere lukket gassventil gir større vakuum ved konstant motorturtall. Vi har neglisjert det økte undertrykket ved maksimal stempelakselerasjon i teksten og bildene ovenfor.
Trykkprogresjon under firetaktsprosessen til en dieselmotor:
Her ser vi et indikatordiagram av en dieselmotor.
- inntaksslag: stempelet beveger seg fra TDC til TDC og suger inn luft (hvis motoren er superladet);
- kompresjonsslag: stemplet beveger seg mot ODP. Luften komprimeres og temperaturen stiger til mer enn 100 grader celsius på grunn av trykkøkningen. Ved slutten av kompresjonsslaget injiseres dieseldrivstoffet. Drivstoffinnsprøytning begynner 5 til 10 grader før TDC og slutter mellom 10 og 15 grader etter TDC;
- kraftslag: fordi diesel injiseres på slutten av kompresjonsslaget, begynner det å brenne mens trykket forblir konstant. Trykket i den (nesten) horisontale delen holder seg konstant, mens volumet øker.
I kraftslaget ser vi den isobariske varmespredningen fra den teoretiske syklusprosessen.
Som med bensinmotoren ser vi at eksosventilen åpner seg før stempelet når TDC. Ventiloverlapping oppstår også fordi innløpsventilen åpner tidligere enn eksosventilen stenger.
Trykkvariasjon under varierende driftsforhold:
I tillegg til at motoregenskapene bestemmer indikatordiagrammet, påvirker også driftsforholdene (les: motorbelastning) dette. Høyt trykk over stempelet er ikke alltid tilstede eller nødvendig.
De tre indikatordiagrammene nedenfor viser trykkvariasjonen i forhold til veivakselgradene. Diagrammene ble registrert under følgende forhold:
- dellast: 3/4 last ved n = 4200 rpm;
- full belastning: ved n = 2500 rpm;
- motorbremsing: ved n = 6000 rpm med gassventilen lukket.
Vi ser forskjeller i maksimalt gasstrykk i sylinderen mellom dellast og full last. Ved «motorbremsing» er gassventilen stengt og det oppstår et høyt vakuum i inntakskanalen og i sylinderen. På grunn av dette undertrykket er kompresjonstrykket ikke høyere enn 3 til 4 bar.
Strømtap:
Under inntaksslaget skapes et vakuum i sylinderen. Å suge inn luften koster energi. Dette ser vi også i indikatordiagrammet. Mellom punktene a og b synker den røde linjen under p0 (det atmosfæriske ytre lufttrykket). Det er et vakuum under denne stiplede linjen (område -W). Vi kaller disse strømningstap eller spyletap.
Det negative arbeidet (-W) koster energi og er derfor uønsket. Skylling krever arbeid. Utløpstrykket er høyere enn innløpstrykket. Spylesløyfen er mot klokken på selvsugende motorer.
Produsenter bruker teknikker for å begrense strømningstap:
- variabel ventil timing;
- rask og stor ventilåpning;
- optimal dimensjonering av innløpskanaler;
- jevnt forløp av kanalene i inntakskanalen (forhindrer skarpe overganger);
- superlading (ved hjelp av en turbo og/eller mekanisk kompressor.
Motorer utstyrt med superlading har mindre eller ingen negativ trend i indikatordiagrammet. Spoleløkken går med klokken og produserer nå arbeid. Ladetrykket hjelper til med å presse stempelet ned (fra TDC til ODP) under inntaksslaget. Det nødvendige kompressorarbeidet trekkes ut av eksosgassen, fordi kompressorhjulet til turboen drives av turbinhjulet. Dette betyr at superladede motorer er mye mer effektive under de samme forholdene sammenlignet med selvsugende motorer.
Påvirkning av tenningstidspunkt på indikatordiagram:
For å oppnå lavest mulig drivstofforbruk og høy effektivitet er det viktig å oppnå følgende:
- kort forbrenningstid, så høy forbrenningshastighet. Dette har med blandingssammensetningen å gjøre;
- riktig innfasing av forbrenning i forhold til stempelbevegelse. Dette har direkte sammenheng med tenningstidspunktet. Forbrenningstyngdepunktet bør være ca. 5 til 10 veivakselgrader etter TDC. Tyngdepunktet er varmeavgivelsen som skjer ved forbrenning.
Både for tidlig og for sen tenningstidspunkt fører til økt varmeavgivelse gjennom sylinderveggen og dermed redusert kvalitet.
- For tidlig tenning: trykket stiger for tidlig fordi forbrenningen starter tidlig under kompresjonsslaget. Stempelet bremses kraftig før TDC av forbrenningstrykket. For tidlig tenning fører til høye topptrykk, noe som resulterer i redusert mekanisk effektivitet og risiko for motordefekter.
- For lav tenning: Forbrenningen settes i gang for sent. Stempelet beveger seg allerede mot ODP, noe som fører til at trykket i det ekspanderende rommet blir utilstrekkelig høyt. De fortsatt brennende gassene strømmet også forbi eksosventilene. Som et resultat stiger temperaturen for høyt. En mager blanding gir samme resultat: gassen brenner for sakte. Hvis blandingen er for mager, vil gassen fortsatt brenne ved begynnelsen av inntaksslaget. Av denne grunn kan tilbakeslag oppstå i forgassermotorer.
Et moderne motorstyringssystem bestemmer riktig tenningstidspunkt ut fra parameterne: under alle omstendigheter må tenningstidspunktet være så nært bankegrensen som mulig.
Trykkutvikling i p-α-diagrammet:
Indikatordiagrammet kan konverteres til tangentiell kraftdiagram. Denne viser tangentialkraften som funksjon av sveivvinkelen (alfa). Vi transformerer indikatordiagrammet til et diagram der trykket (p) er avbildet som en funksjon av vinkelen (α): p-α diagrammet.
På det følgende bildet ser vi trykkprofilen i sylinderen under full belastning.
De blå punktene indikerer, som i avsnittet "indikatordiagram", når ventilene åpnes og lukkes:
- Åpne (Io) og lukke (Is) innløpsventiler
- Eksosventiler åpner (Uo) og lukker (Us).
I tillegg kan vi se på veivakselgradene hvilket slag motoren jobber med:
- 0 grader: TDC (slutt på eksosslag, begynnelsen av inntaksslag)
- 180 grader: ODP (slutt på inntaksslag, begynnelsen av kompresjonsslag)
- 360 grader: TDC (slutt på kompresjonsslag, begynnelsen av kraftslag)
- 540 grader: ODP (slutt på kraftslag, begynnelsen av eksosslag)
Topp gasstrykk:
Toppgasstrykket er høyest under kraftslaget. Trykknivået avhenger av motorbelastningen: når motoren leverer mye kraft, vil forbrenningstrykket være høyere enn ved dellast.
De fire bildene under viser dette: gassåpningen TP (Throttle Position) gir en indikasjon på i hvilken grad motoren er belastet i forhold til veivakselrotasjonen CA (Crank Angle). I en gjennomsnittlig bensinmotor skapes det et trykk på i gjennomsnitt 4000 kPa ved forbrenning ved dellast og i dette tilfellet rundt 5000 kPa ved full belastning. I motorer med lagdelt innsprøytning, kamakseljustering og variabel ventilløft kan trykket stige over 6000 kPa.
Gjennomsnittlig gasstrykk:
Under arbeidsprosessen varierer trykket i sylinderen enormt. Under inntaksslaget er det et vakuum (hvis en eksosgassturbo gir økt inntakslufttrykk), og etter kompresjonsslaget er det en trykktopp. Jo høyere toppgasstrykk, desto kraftigere er forbrenningen.
For å bestemme gjennomsnittstrykket til forbrenningsprosessen, kan vi dele indikatordiagrammet i små rektangler med like bredder. Følgende bilde viser blå og grønne rektangler. Ved å beregne arealet til de blå rektanglene kan vi beregne det positive trykket. Vi trekker deretter arealet til de grønne trekantene fra dette. Vi sitter da igjen med gjennomsnittlig stempeltrykk.
Med gjennomsnittlig stempeltrykk kan vi blant annet bestemme motorens indikerte og effektive effekt. Besøk siden: eiendeler, tap og avkastning for å lese mer om dette.
På bildet ser vi at den røde linjen faller utenfor de blå rektanglene: hvis vi skulle gjøre bredden på hvert rektangel mindre og vi derfor kunne plassert flere rektangler ved siden av hverandre, ville vi fått mindre og mindre avvik. Vi kan bruke denne i det uendelige. Selvfølgelig, i virkeligheten kommer vi ikke til å gjøre det. Ved å bruke matematiske funksjoner kan vi bestemme overflaten matematisk. Dette gjør vi med integrere.
