Subiecte:
- Comparația procesului de muncă teoretic și real
- Diagrama indicatoare
- Progresia presiunii în timpul procesului în patru timpi al unui motor pe benzină
- Progresia presiunii în timpul procesului în patru timpi al unui motor diesel
- Variația presiunii în diferite condiții de funcționare
- Pierderea debitului
- Influența momentului de aprindere asupra diagramei indicatoare
- Evoluția presiunii în diagrama p-α
- Presiunea de vârf a gazului
- Presiunea medie a gazului
Comparația procesului de muncă teoretic și real:
În procesul de lucru al unui motor pe benzină sau diesel avem de-a face cu o diagramă PV (P = presiune, V = volum) care indică relația dintre presiune și volum în procesul în patru timpi. Mai multe informații despre aceasta găsiți pe pagina: Procesul Seiliger.
Procesul ciclului teoretic are loc într-un motor ideal, în care nu sunt prezente gaze reziduale sau pierderi. În realitate, procesul de muncă teoretic diferă de procesul real de muncă datorită următoarelor abateri:
- cilindrul conține nu numai sarcină proaspătă, ci și gaz rezidual din ciclul de lucru anterior;
- arderea incompletă a combustibilului;
- arderea nu are loc exact la volum sau presiune egală;
- schimb de căldură între gaz și peretele cilindrului;
- pierderile de debit apar în timpul schimbării lucrării;
- există întotdeauna o scurgere (minimă) de gaz de-a lungul segmentelor pistonului;
- căldura specifică se modifică cu presiunea și temperatura, ceea ce afectează arderea.
Cursul procesului efectiv de lucru este înregistrat cu diagrama indicator.
Diagrama indicatoare:
Diagrama indicatoare arată presiunea gazului în cilindru (deasupra pistonului) în timpul a două rotații ale arborelui cotit. Diagrama a fost determinată în timpul unei măsurători de presiune care a avut loc în cilindru.
Diagrama indicatoare prezentată este a unui motor pe benzină. Linia roșie indică variația presiunii în raport cu cursa pistonului. În timpul unei măsurători efective, se obține o valoare la p Max. Vom intra în asta mai târziu. Sub diagramă este un cilindru cu un piston în interior. Literele Vs și Vc indică volumul cursei și volumul compresiei.
Mai jos este o listă de abrevieri utilizate în figură:
- p0: presiunea aerului atmosferic;
- pmax: presiune maximă în cilindru;
- S: cursa pistonului;
- Vs: volumul cursei;
- Vc: volum de compresie;
- W: travaliu (+ pozitiv și – negativ);
- Ign: moment de aprindere;
- Io: supapa de admisie se deschide;
- Noi: supapa de evacuare se închide;
- Este: supapa de admisie se inchide;
- Uo: supapa de evacuare se deschide
Progresia presiunii în timpul procesului în patru timpi al unui motor pe benzină:
Putem vizualiza diagrama indicatorului în patru situații diferite:
- Cursa de admisie: pistonul se deplasează de la PMS la PMS și aspiră aer. Volumul crește deoarece spațiul de deasupra pistonului crește.
Presiunea rămâne constantă*. Linia roșie din diagrama indicatorului pleacă de la a la b; - Cursa de compresie: pistonul se deplasează în sus și comprimă aerul. Volumul de aer scade în timp ce presiunea crește. Linia roșie arată acest lucru între puncte b en c. Aprinderea are loc la sfârșitul cursei de compresie;
- Cursa de putere: După ce bujia declanșează scântei, este nevoie de ceva timp pentru ca amestecul să ardă complet. Vedem acest proces între puncte c en d. Forța eliberată de aprindere împinge pistonul în jos. Volumul crește și presiunea scade. Vedem asta între litere d en e;
- Cursa de evacuare: supapa de evacuare se deschide, iar pistonul împinge gazele de evacuare. Volumul scade, presiunea rămâne constantă (e la a).
Producătorii de vehicule hibride îl adaptează din ce în ce mai mult în aceste zile Principiul Atkinson-Miller pentru a reduce rezistența mecanică în timpul cursei de compresie. Acest lucru se reflectă în linia ascendentă a cursei de compresie din diagrama indicatorului.
*În explicație vorbim despre presiune egală în timpul cursei de admisie. Acest lucru este parțial corect. În timpul cursei de admisie, accelerația pistonului este maximă la aproximativ 60 de grade după PMS. Aerul care intra nu poate urma pistonul. În acel moment se creează presiunea negativă maximă de aproximativ -0,2 bar. Presiunea cilindrului crește apoi din nou. Inerția de masă a aerului care intră asigură că aerul încă mai curge în cilindru în timp ce pistonul se mișcă din nou în sus. Mărimea subpresiunii depinde de poziția supapei de accelerație și de turație. O supapă suplimentară de accelerație închisă asigură un vid mai mare la o turație constantă a motorului. Am neglijat subpresiunea crescută în timpul accelerației maxime a pistonului în textul și imaginile de mai sus.
Progresia presiunii în timpul procesului în patru timpi a unui motor diesel:
Aici vedem o diagramă indicatoare a unui motor diesel.
- cursa de admisie: pistonul se deplasează de la PMS la PMS și aspiră aer (dacă motorul este supraalimentat);
- cursa de compresie: pistonul se deplasează spre ODP. Aerul este comprimat și temperatura crește la peste 100 de grade Celsius din cauza creșterii presiunii. La sfarsitul cursei de compresie se injecteaza motorina. Injecția de combustibil începe cu 5 până la 10 grade înainte de PMS și se termină între 10 și 15 grade după PMS;
- cursa de putere: deoarece motorina este injectată la sfârșitul cursei de compresie, începe să ardă în timp ce presiunea rămâne constantă. Presiunea din partea (aproape) orizontală rămâne constantă, în timp ce volumul crește.
În cursa de putere vedem disiparea izobară a căldurii din procesul ciclului teoretic.
Ca și în cazul motorului pe benzină, vedem că supapa de evacuare se deschide înainte ca pistonul să atingă PMS. Suprapunerea supapelor apare, de asemenea, deoarece supapa de admisie se deschide mai devreme decât se închide supapa de evacuare.
Variația presiunii în diferite condiții de funcționare:
Pe lângă proprietățile motorului care determină diagrama indicatorului, condițiile de funcționare (a se citi: sarcina motorului) influențează și acest lucru. Presiunea ridicată deasupra pistonului nu este întotdeauna prezentă sau necesară.
Cele trei diagrame indicatoare de mai jos arată variația presiunii în raport cu gradele arborelui cotit. Diagramele au fost înregistrate în următoarele condiții:
- sarcină parțială: sarcină 3/4 la n = 4200 rpm;
- sarcina maxima: la n = 2500 rpm;
- frânarea motorului: la n = 6000 rpm cu supapa de accelerație închisă.
Vedem diferențe în presiunea maximă a gazului în cilindru între sarcina parțială și sarcina completă. La „frânarea motorului”, supapa de accelerație este închisă și există un vid ridicat în tractul de admisie și în cilindru. Datorită acestei presiuni negative, presiunea de compresie nu este mai mare de 3 până la 4 bar.
Pierderea debitului:
În timpul cursei de admisie, se creează un vid în cilindru. Aspirarea aerului costă energie. Vedem acest lucru și în diagrama indicatorului. Între punctele a și b linia roșie scade sub p0 (presiunea atmosferică a aerului exterior). Există un vid sub această linie punctată (zona -W). Acestea le numim pierderi de flux sau pierderi de spălare.
Lucrul negativ (-W) costă energie și, prin urmare, este nedorit. Clătirea necesită muncă. Presiunea de ieșire este mai mare decât presiunea de intrare. Bucla de spălare este în sens invers acelor de ceasornic la motoarele cu autoamorsare.
Producătorii aplică tehnici pentru a limita pierderile de curgere:
- sincronizare variabilă a supapelor;
- deschidere rapidă și mare a supapei;
- dimensionarea optimă a canalelor de admisie;
- cursul neted al canalelor în tractul de admisie (prevenirea tranzițiilor ascuțite);
- supraalimentare (prin intermediul unui turbo și/sau compresor mecanic.
Motoarele echipate cu supraalimentare au mai puțin sau nu au tendință negativă în diagrama indicatorului. Bucla bobinei rulează în sensul acelor de ceasornic și acum produce lucru. Presiunea de supraalimentare ajută la împingerea pistonului în jos (de la TDC la ODP) în timpul cursei de admisie. Lucrul necesar compresorului este extras din gazele de eșapament, deoarece roata compresorului turbo este antrenată de roata turbinei. Aceasta înseamnă că motoarele supraalimentate sunt mult mai eficiente în aceleași condiții în comparație cu motoarele cu autoaspirație.
Influența momentului de aprindere asupra diagramei indicatoare:
Pentru a obține cel mai mic consum posibil de combustibil și o eficiență ridicată, este important să obțineți următoarele:
- un timp scurt de ardere, deci o viteză mare de ardere. Acest lucru are de-a face cu compoziția amestecului;
- fazarea corectă a arderii în raport cu mișcarea pistonului. Acest lucru este direct legat de sincronizarea aprinderii. Centrul de greutate al arderii ar trebui să fie de aproximativ 5 până la 10 grade arborelui cotit după TDC. Centrul de greutate este degajarea de căldură care are loc în timpul arderii.
Timpul de aprindere atât prea devreme, cât și prea târziu duce la o eliberare crescută de căldură prin peretele cilindrului și, prin urmare, la o reducere a calității.
- Aprindere prea devreme: presiunea crește prea devreme deoarece arderea începe devreme în timpul cursei de compresie. Pistonul este frânat puternic înainte de PMS de către presiunea de ardere. Aprinderea prea devreme duce la presiuni superioare ridicate, rezultând o reducere a eficienței mecanice și a riscului de defecte ale motorului.
- Aprindere prea scăzută: arderea este inițiată prea târziu. Pistonul se deplasează deja spre ODP, ceea ce face ca presiunea din spațiul de expansiune să devină insuficient de mare. Gazele încă arzătoare au trecut și pe lângă supapele de evacuare. Ca urmare, temperatura crește prea mult. Un amestec slab dă același rezultat: gazul arde prea încet. Dacă amestecul este prea slab, gazul va arde în continuare la începutul cursei de admisie. Din acest motiv, la motoarele cu carburator se poate produce un foc invers.
Un sistem modern de management al motorului determină momentul corect de aprindere din parametrii săi: în toate circumstanțele, timpul de aprindere trebuie să fie cât mai aproape posibil de limita de detonare.
Evoluția presiunii în diagrama p-α:
Diagrama indicatorului poate fi convertită în diagrama forțelor tangențiale. Aceasta arată forța tangențială în funcție de unghiul manivelei (alfa). Transformăm diagrama indicator într-o diagramă în care presiunea (p) este reprezentată în funcție de unghiul (α): diagrama p-α.
În imaginea următoare vedem profilul de presiune în cilindru în timpul sarcinii complete.
Punctele albastre indică, ca în secțiunea „diagrama indicatoare”, la ce oră se deschid și se închid supapele:
- Deschiderea (Io) și închiderea (Is) supapelor de admisie
- Supapele de evacuare se deschid (Uo) și se închid (Us).
În plus, putem vedea din gradele arborelui cotit la ce cursă lucrează motorul:
- 0 grade: PMS (sfârșitul cursei de evacuare, începutul cursei de admisie)
- 180 de grade: ODP (sfârșitul cursei de admisie, începutul cursei de compresie)
- 360 de grade: TDC (sfârșitul cursei de compresie, începutul cursei de putere)
- 540 de grade: ODP (sfârșitul cursei de putere, începutul cursei de evacuare)
Presiunea de vârf a gazului:
Presiunea de vârf a gazului este cea mai mare în timpul cursei de putere. Nivelul de presiune depinde de sarcina motorului: atunci când motorul furnizează multă putere, presiunea de ardere va fi mai mare decât la sarcină parțială.
Cele patru imagini de mai jos arată acest lucru: deschiderea clapetei TP (Throttle Position) oferă o indicație despre măsura în care motorul este încărcat în raport cu rotația arborelui cotit CA (Crank Angle). Într-un motor mediu pe benzină, în timpul arderii la sarcină parțială se creează o presiune de 4000 kPa în medie și în acest caz în jur de 5000 kPa la sarcină maximă. La motoarele cu injecție stratificată, reglare a arborelui cu came și ridicare variabilă a supapei, presiunea poate crește peste 6000 kPa.
Presiunea medie a gazului:
În timpul procesului de lucru, presiunea în cilindru variază enorm. În timpul cursei de admisie există un vid (dacă un turbo cu gaze de eșapament asigură o presiune crescută a aerului de admisie), iar după cursa de compresie există un vârf de presiune. Cu cât presiunea de vârf a gazului este mai mare, cu atât arderea este mai puternică.
Pentru a determina presiunea medie a procesului de ardere, putem împărți diagrama indicatorului în dreptunghiuri mici de lățimi egale. Următoarea imagine prezintă dreptunghiuri albastre și verzi. Calculând aria dreptunghiurilor albastre putem calcula presiunea pozitivă. Apoi scădem aria triunghiurilor verzi din aceasta. Rămânem apoi cu presiunea medie a pistonului.
Cu presiunea medie a pistonului putem determina, printre altele, puterea indicată și efectivă a motorului. Viziteaza pagina: active, pierderi și profituri pentru a citi mai multe despre asta.
În imagine vedem că linia roșie cade în afara dreptunghiurilor albastre: dacă ar fi să micșorăm lățimea fiecărui dreptunghi și, prin urmare, am putea plasa mai multe dreptunghiuri unul lângă celălalt, am obține o abatere din ce în ce mai mică. Putem aplica acest lucru la infinit. Desigur, în realitate nu vom face asta. Aplicând funcții matematice putem determina suprafața în mod matematic. Facem asta cu integra.
