Przedmioty:
- Porównanie teoretycznego i rzeczywistego procesu pracy
- Schemat wskaźników
- Postęp ciśnienia w procesie czterosuwowym silnika benzynowego
- Postęp ciśnienia podczas procesu czterosuwowego silnika wysokoprężnego
- Zmiany ciśnienia w różnych warunkach pracy
- Utrata przepływu
- Wpływ czasu zapłonu na wykres wskaźników
- Rozwój ciśnienia na wykresie p-α
- Szczytowe ciśnienie gazu
- Średnie ciśnienie gazu
Porównanie teoretycznego i rzeczywistego procesu pracy:
W procesie pracy silnika benzynowego lub diesla mamy do czynienia z wykresem PV (P = ciśnienie, V = objętość), który wskazuje zależność pomiędzy ciśnieniem i objętością w procesie czterosuwowym. Więcej informacji na ten temat można znaleźć na stronie: Proces Seiligera.
Proces cyklu teoretycznego odbywa się w idealnym silniku, w którym nie występują żadne resztkowe gazy ani straty. W rzeczywistości teoretyczny proces pracy różni się od rzeczywistego procesu pracy z powodu następujących odchyleń:
- butla zawiera nie tylko świeży ładunek, ale także gaz resztkowy z poprzedniego cyklu pracy;
- niepełne spalanie paliwa;
- spalanie nie przebiega dokładnie przy tej samej objętości i ciśnieniu;
- wymiana ciepła między gazem a ścianką cylindra;
- straty przepływu powstają podczas zmiany pracy;
- zawsze występuje (minimalny) wyciek gazu wzdłuż pierścieni tłokowych;
- ciepło właściwe zmienia się wraz z ciśnieniem i temperaturą, co wpływa na spalanie.
Przebieg rzeczywistego procesu pracy rejestrowany jest za pomocą diagramu indykatorowego.
Schemat wskaźników:
Wykres indykatorowy pokazuje ciśnienie gazu w cylindrze (nad tłokiem) podczas dwóch obrotów wału korbowego. Wykres został wyznaczony podczas pomiaru ciśnienia jaki miał miejsce w cylindrze.
Przedstawiony schemat wskaźników dotyczy silnika benzynowego. Czerwona linia wskazuje zmianę ciśnienia w zależności od skoku tłoka. Podczas rzeczywistego pomiaru uzyskiwana jest wartość p Max. Zajmiemy się tym później. Poniżej schematu znajduje się cylinder z tłokiem w środku. Litery Vs i Vc wskazują objętość wyrzutową i objętość uciśnięć.
Poniżej znajduje się lista skrótów użytych na rysunku:
- p0: atmosferyczne ciśnienie powietrza;
- pmax: maksymalne ciśnienie w cylindrze;
- S: skok tłoka;
- Vs: objętość wyrzutowa;
- Vc: objętość kompresji;
- W: poród (+ dodatni i – ujemny);
- Ign: moment zapłonu;
- Io: otwiera się zawór wlotowy;
- Us: zawór wydechowy zamyka się;
- Jest: zawór wlotowy zamyka się;
- Uo: otwiera się zawór wydechowy
Rozwój ciśnienia podczas procesu czterosuwowego silnika benzynowego:
Diagram wskaźników możemy zobaczyć w czterech różnych sytuacjach:
- Suw dolotowy: tłok przesuwa się z GMP do GMP i zasysa powietrze. Objętość wzrasta, ponieważ zwiększa się przestrzeń nad tłokiem.
Ciśnienie pozostaje stałe*. Czerwona linia na wykresie wskaźnika biegnie od a naar b; - Suw sprężania: tłok porusza się w górę i spręża powietrze. Objętość powietrza zmniejsza się wraz ze wzrostem ciśnienia. Czerwona linia pokazuje to pomiędzy punktami b en c. Zapłon następuje na końcu suwu sprężania;
- Skok mocy: Po pojawieniu się iskry na świecy zapłonowej całkowite spalenie mieszanki zajmuje trochę czasu. Widzimy ten proces między kropkami c en d. Siła wytworzona przez zapłon popycha tłok w dół. Objętość wzrasta, a ciśnienie maleje. Widzimy to między literami d en e;
- Suw wydechowy: Zawór wydechowy otwiera się, a tłok wypycha spaliny. Objętość maleje, ciśnienie pozostaje stałe (e naar a).
Obecnie producenci pojazdów hybrydowych coraz częściej dostosowują to rozwiązanie Zasada Atkinsona-Millera w celu zmniejszenia oporu mechanicznego podczas suwu sprężania. Znajduje to odzwierciedlenie we rosnącej linii skoku sprężania na wykresie wskaźnikowym.
*W objaśnieniu mówimy o równym ciśnieniu podczas suwu ssania. Jest to częściowo słuszne. Podczas suwu ssania przyspieszenie tłoka jest maksymalne przy około 60 stopniach za GMP. Dopływające powietrze nie może podążać za tłokiem. W tym momencie powstaje maksymalne podciśnienie wynoszące około -0,2 bar. Następnie ciśnienie w cylindrze ponownie wzrasta. Bezwładność masy napływającego powietrza zapewnia, że powietrze nadal wpływa do cylindra, podczas gdy tłok ponownie porusza się w górę. Wielkość podciśnienia zależy od położenia przepustnicy i prędkości. Dalej zamknięta przepustnica zapewnia większe podciśnienie przy stałej prędkości obrotowej silnika. W powyższym tekście i ilustracjach pominęliśmy zwiększone podciśnienie podczas maksymalnego przyspieszania tłoka.
Rozwój ciśnienia podczas procesu czterosuwowego silnika wysokoprężnego:
Tutaj widzimy schemat wskaźników silnika wysokoprężnego.
- suw ssania: tłok przesuwa się z GMP do GMP i zasysa powietrze (jeśli silnik jest doładowany);
- suw sprężania: tłok przesuwa się w kierunku ODP. Powietrze zostaje sprężone, a temperatura wzrasta do ponad 100 stopni Celsjusza w wyniku wzrostu ciśnienia. Pod koniec suwu sprężania wtryskiwany jest olej napędowy. Wtrysk paliwa rozpoczyna się 5 do 10 stopni przed GMP i kończy się między 10 a 15 stopni za GMP;
- suw mocy: ponieważ olej napędowy jest wtryskiwany pod koniec suwu sprężania, zaczyna się on palić przy stałym ciśnieniu. Ciśnienie w (prawie) poziomej części pozostaje stałe, natomiast objętość wzrasta.
W suwie mocy widzimy izobaryczne odprowadzanie ciepła z teoretycznego procesu cyklu.
Podobnie jak w przypadku silnika benzynowego, zawór wydechowy otwiera się, zanim tłok osiągnie GMP. Nakładanie się zaworów występuje również dlatego, że zawór wlotowy otwiera się wcześniej niż zamyka się zawór wylotowy.
Zmiany ciśnienia w różnych warunkach pracy:
Oprócz właściwości silnika determinujących wykres indykatorowy, wpływ na to mają także warunki pracy (czytaj: obciążenie silnika). Wysokie ciśnienie nad tłokiem nie zawsze jest obecne lub konieczne.
Poniższe trzy diagramy wskaźników pokazują zmianę ciśnienia w zależności od stopni wału korbowego. Wykresy zostały zapisane w następujących warunkach:
- obciążenie częściowe: 3/4 obciążenia przy n = 4200 obr/min;
- pełne obciążenie: przy n = 2500 obr/min;
- hamowanie silnikiem: przy n = 6000 obr/min przy zamkniętej przepustnicy.
Widzimy różnice w maksymalnym ciśnieniu gazu w butli pomiędzy obciążeniem częściowym i pełnym. Podczas „hamowania silnikiem” przepustnica jest zamknięta, a w przewodzie dolotowym i cylindrze panuje wysokie podciśnienie. Z powodu tego podciśnienia ciśnienie sprężania nie jest wyższe niż 3 do 4 barów.
Utrata przepływu:
Podczas suwu ssania w cylindrze wytwarza się podciśnienie. Zasysanie powietrza kosztuje energię. Widzimy to również na wykresie wskaźników. Pomiędzy punktami a i b czerwona linia opada poniżej p0 (ciśnienie atmosferyczne na zewnątrz). Poniżej tej przerywanej linii (obszar -W) znajduje się próżnia. Nazywamy je stratami przepływu lub stratami podczas płukania.
Praca ujemna (-W) kosztuje energię i dlatego jest niepożądana. Płukanie wymaga pracy. Ciśnienie wylotowe jest wyższe niż ciśnienie wlotowe. W silnikach samozasysających pętla płucząca jest skierowana przeciwnie do ruchu wskazówek zegara.
Producenci stosują techniki ograniczające straty przepływu:
- zmienne fazy rozrządu;
- szybkie i duże otwarcie zaworu;
- optymalny wymiar kanałów wlotowych;
- płynny przebieg kanałów w przewodzie dolotowym (zapobiegający ostrym przejśćom);
- doładowanie (za pomocą turbosprężarki i/lub sprężarki mechanicznej.
Silniki wyposażone w doładowanie mają mniejszą tendencję ujemną na wykresie wskaźników lub nie mają jej wcale. Pętla cewki biegnie zgodnie z ruchem wskazówek zegara i wytwarza teraz pracę. Ciśnienie doładowania pomaga wcisnąć tłok w dół (od GMP do ODP) podczas suwu ssania. Wymagana praca sprężarki jest pobierana ze spalin, ponieważ koło sprężarki turbosprężarki napędzane jest przez koło turbiny. Oznacza to, że silniki doładowane są znacznie bardziej wydajne w tych samych warunkach w porównaniu z silnikami samossącymi.
Wpływ czasu zapłonu na wykres wskaźników:
Aby osiągnąć najniższe możliwe zużycie paliwa i wysoką wydajność, ważne jest osiągnięcie następujących celów:
- krótki czas spalania, a więc duża prędkość spalania. Ma to związek ze składem mieszaniny;
- prawidłowe fazowanie spalania w stosunku do ruchu tłoka. Ma to bezpośredni związek z czasem zapłonu. Środek ciężkości spalania powinien znajdować się około 5 do 10 stopni wału korbowego za GMP. Środek ciężkości to wydzielanie ciepła powstające podczas spalania.
Zarówno zbyt wczesny, jak i zbyt późny moment zapłonu prowadzi do zwiększonego uwalniania ciepła przez ściankę cylindra, a tym samym do obniżenia jakości.
- Zbyt wczesny zapłon: ciśnienie wzrasta zbyt wcześnie, ponieważ spalanie rozpoczyna się wcześnie podczas suwu sprężania. Tłok jest silnie hamowany przed GMP przez ciśnienie spalania. Zbyt wczesny zapłon prowadzi do wysokich ciśnień maksymalnych, co skutkuje zmniejszeniem sprawności mechanicznej i ryzykiem usterek silnika.
- Zbyt słaby zapłon: spalanie rozpoczyna się zbyt późno. Tłok zbliża się już do ODP, powodując, że ciśnienie w rozszerzającej się przestrzeni staje się niewystarczająco wysokie. Wciąż płonące gazy przepływały także przez zawory wydechowe. W rezultacie temperatura wzrasta zbyt wysoko. Uboga mieszanka daje ten sam efekt: gaz pali się zbyt wolno. Jeśli mieszanka jest zbyt uboga, gaz będzie nadal palił się na początku suwu ssania. Z tego powodu w silnikach gaźnikowych może wystąpić zapłon wsteczny.
Nowoczesny system zarządzania silnikiem określa prawidłowy czas zapłonu na podstawie jego parametrów: w każdych okolicznościach czas zapłonu musi być jak najbliżej granicy spalania stukowego.
Rozwój ciśnienia na wykresie p-α:
Wykres wskaźnikowy można przekształcić w wykres siły stycznej. To pokazuje siłę styczną jako funkcję kąta korby (alfa). Przekształcamy wykres wskaźnikowy na wykres, na którym ciśnienie (p) jest przedstawione jako funkcja kąta (α): wykres p-α.
Na poniższym obrazku widzimy profil ciśnienia w cylindrze podczas pełnego obciążenia.
Niebieskie punkty wskazują, podobnie jak w części „schemat wskaźników”, o której godzinie zawory się otwierają i zamykają:
- Otwieranie (Io) i zamykanie (Is) zaworów wlotowych
- Zawory wydechowe otwierają się (Uo) i zamykają (Us).
Dodatkowo na podstawie stopni wału korbowego możemy zobaczyć na jakim skoku pracuje silnik:
- 0 stopni: TDC (koniec suwu wydechu, początek suwu ssania)
- 180 stopni: ODP (koniec suwu ssania, początek suwu sprężania)
- 360 stopni: TDC (koniec suwu sprężania, początek suwu mocy)
- 540 stopni: ODP (koniec suwu mocy, początek suwu wydechu)
Szczytowe ciśnienie gazu:
Szczytowe ciśnienie gazu jest najwyższe podczas suwu pracy. Poziom ciśnienia zależy od obciążenia silnika: gdy silnik dostarcza dużą moc, ciśnienie spalania będzie wyższe niż przy częściowym obciążeniu.
Pokazują to cztery poniższe zdjęcia: otwarcie przepustnicy TP (położenie przepustnicy) wskazuje stopień obciążenia silnika w stosunku do obrotu wału korbowego CA (kąt korby). W przeciętnym silniku benzynowym podczas spalania przy częściowym obciążeniu powstaje ciśnienie średnio 4000 kPa, a w tym przypadku około 5000 kPa przy pełnym obciążeniu. W silnikach z wtryskiem warstwowym, regulacją wałka rozrządu i zmiennym skokiem zaworów ciśnienie może wzrosnąć powyżej 6000 kPa.
Średnie ciśnienie gazu:
Podczas procesu roboczego ciśnienie w cylindrze ulega ogromnym zmianom. Podczas suwu ssania występuje podciśnienie (jeśli turbosprężarka zapewnia zwiększone ciśnienie powietrza dolotowego), a po suwie sprężania następuje szczyt ciśnienia. Im wyższe szczytowe ciśnienie gazu, tym silniejsze spalanie.
Aby wyznaczyć średnie ciśnienie procesu spalania, możemy podzielić wykres indykatorowy na małe prostokąty o jednakowych szerokościach. Poniższy obraz przedstawia niebieskie i zielone prostokąty. Obliczając powierzchnię niebieskich prostokątów, możemy obliczyć nadciśnienie. Następnie odejmujemy od tego powierzchnię zielonych trójkątów. Pozostaje nam wówczas średnie ciśnienie tłoka.
Za pomocą średniego ciśnienia tłoka możemy określić m.in. moc indykowaną i efektywną silnika. Odwiedź stronę: aktywa, straty i zyski aby przeczytać więcej na ten temat.
Na obrazku widzimy, że czerwona linia wypada poza niebieskie prostokąty: gdybyśmy zmniejszyli szerokość każdego prostokąta i moglibyśmy umieścić więcej prostokątów obok siebie, otrzymalibyśmy coraz mniejsze odchylenie. Możemy to stosować w nieskończoność. Oczywiście w rzeczywistości tego nie zrobimy. Stosując funkcje matematyczne, możemy matematycznie wyznaczyć powierzchnię. Robimy to z zintegrować.
