Предметы:
- Сравнение теоретического и реального трудового процесса
- Индикаторная диаграмма
- Изменение давления в четырехтактном процессе бензинового двигателя
- Изменение давления в четырехтактном процессе дизельного двигателя
- Изменение давления при различных условиях эксплуатации
- Потеря потока
- Влияние момента зажигания на индикаторную диаграмму
- Развитие давления на диаграмме p-α
- Пиковое давление газа
- Среднее давление газа
Сравнение теоретического и фактического трудового процесса:
В рабочем процессе бензинового или дизельного двигателя мы имеем дело с PV-диаграммой (P = давление, V = объем), которая указывает на соотношение между давлением и объемом в четырехтактном процессе. Более подробную информацию об этом можно найти на странице: Процесс Зейлигера.
Теоретический цикл протекает в идеальном двигателе, в котором отсутствуют остаточные газы и потери. В действительности теоретический трудовой процесс отличается от реального трудового процесса вследствие следующих отклонений:
- в баллоне находится не только свежая заправка, но и остаточный газ от предыдущего рабочего цикла;
- неполное сгорание топлива;
- сгорание не происходит точно при одинаковом объеме или давлении;
- теплообмен между газом и стенкой цилиндра;
- потери потока возникают при смене работы;
- по поршневым кольцам всегда (минимальная) утечка газа;
- удельная теплоемкость изменяется в зависимости от давления и температуры, что влияет на горение.
Ход фактического рабочего процесса фиксируется индикаторной диаграммой.
Индикаторная диаграмма:
Индикаторная диаграмма показывает давление газов в цилиндре (над поршнем) во время двух оборотов коленчатого вала. Диаграмма определялась в ходе замера давления, проходившего в цилиндре.
Показанная индикаторная диаграмма относится к бензиновому двигателю. Красная линия показывает изменение давления относительно хода поршня. Во время фактического измерения получается значение p Max. Мы займемся этим позже. Ниже на схеме изображен цилиндр с поршнем внутри. Буквы Vs и Vc обозначают ударный объем и объем сжатия.
Ниже приведен список сокращений, использованных на рисунке:
- p0: атмосферное давление воздуха;
- pmax: максимальное давление в цилиндре;
- S: ход поршня;
- Vs: ударный объем;
- Vc: объем сжатия;
- W: труд (+ положительный и – отрицательный);
- Ign: момент зажигания;
- Io: впускной клапан открывается;
- Us: выпускной клапан закрывается;
- Is: впускной клапан закрывается;
- Uo: выпускной клапан открывается
Изменение давления в четырехтактном процессе бензинового двигателя:
Мы можем просмотреть диаграмму индикатора в четырех различных ситуациях:
- Такт впуска: поршень движется от ВМТ к ВМТ и всасывает воздух. Объем увеличивается, потому что увеличивается пространство над поршнем.
Давление остается постоянным*. Красная линия на диаграмме индикатора проходит от a Naar b; - Такт сжатия: поршень движется вверх и сжимает воздух. Объем воздуха уменьшается, а давление увеличивается. Красная линия показывает это между точками b en c. Зажигание происходит в конце такта сжатия;
- Рабочий ход: после того, как свеча зажигания зажжет искру, требуется некоторое время, чтобы смесь полностью сгорела. Мы видим этот процесс между точками c en d. Сила, возникающая при зажигании, толкает поршень вниз. Объем увеличивается, а давление уменьшается. Мы видим это между буквами d en e;
- Такт выпуска: выпускной клапан открывается, и поршень выталкивает выхлопные газы. Объем уменьшается, давление остается постоянным (e Naar a).
В наши дни производители гибридных автомобилей все чаще адаптируют его. Принцип Аткинсона-Миллера для уменьшения механического сопротивления во время такта сжатия. Это отражается восходящей линией хода сжатия на индикаторной диаграмме.
*В пояснении мы говорим о равном давлении во время такта впуска. Отчасти это правильно. Во время такта впуска ускорение поршня максимально при угле 60 градусов после ВМТ. Поступающий воздух не может следовать за поршнем. В этот момент создается максимальное отрицательное давление примерно -0,2 бар. Затем давление в цилиндре снова возрастает. Инерция массы поступающего воздуха гарантирует, что воздух продолжает поступать в цилиндр, в то время как поршень снова движется вверх. Величина разрежения зависит от положения дроссельной заслонки и скорости вращения. Дополнительный закрытый дроссельный клапан обеспечивает больший вакуум при постоянной частоте вращения двигателя. В тексте и изображениях выше мы не упустили из виду повышенное разрежение при максимальном ускорении поршня.
Изменение давления в четырехтактном процессе дизельного двигателя:
Здесь мы видим индикаторную схему дизельного двигателя.
- такт впуска: поршень движется от ВМТ к ВМТ и всасывает воздух (если двигатель с наддувом);
- такт сжатия: поршень движется в сторону ОДП. Воздух сжимается, а температура повышается до более чем 100 градусов по Цельсию из-за увеличения давления. В конце такта сжатия впрыскивается дизельное топливо. Впрыск топлива начинается за 5–10 градусов до ВМТ и заканчивается за 10–15 градусов после ВМТ;
- рабочий такт: поскольку дизельное топливо впрыскивается в конце такта сжатия, оно начинает сгорать, пока давление остается постоянным. Давление в (почти) горизонтальной части остается постоянным, а объем увеличивается.
В рабочем такте мы видим изобарное рассеивание тепла в результате теоретического цикла.
Как и в бензиновом двигателе, мы видим, что выпускной клапан открывается раньше, чем поршень достигнет ВМТ. Перекрытие клапанов также происходит потому, что впускной клапан открывается раньше, чем закрывается выпускной.
Изменение давления при различных условиях эксплуатации:
Помимо свойств двигателя, определяющих диаграмму показателей, на это влияют и условия эксплуатации (читай: нагрузка двигателя). Высокое давление над поршнем не всегда присутствует или необходимо.
Три индикаторные диаграммы ниже показывают изменение давления в зависимости от градусов коленчатого вала. Диаграммы записывались при следующих условиях:
- частичная нагрузка: 3/4 нагрузки при n = 4200 об/мин;
- полная нагрузка: при n = 2500 об/мин;
- Торможение двигателем: при n = 6000 об/мин при закрытой дроссельной заслонке.
Мы видим различия в максимальном давлении газа в цилиндре при частичной и полной нагрузке. При «торможении двигателем» дроссельная заслонка закрыта и во впускном тракте и в цилиндре создается высокое разрежение. Из-за этого отрицательного давления давление сжатия не превышает 3–4 бар.
Потеря потока:
Во время такта впуска в цилиндре создается вакуум. Всасывание воздуха требует затрат энергии. Это мы также видим на диаграмме индикатора. Между точками a и b красная линия опускается ниже p0 (атмосферное давление наружного воздуха). Ниже этой пунктирной линии (область -W) находится вакуум. Мы называем эти потери потока или потери на промывку.
Отрицательная работа (-W) требует затрат энергии и поэтому нежелательна. Промывка требует труда. Давление на выходе выше давления на входе. На самовсасывающих двигателях промывочный контур расположен против часовой стрелки.
Производители применяют методы ограничения потерь потока:
- изменяемые фазы газораспределения;
- быстрое и большое открытие клапана;
- оптимальные размеры входных каналов;
- плавное прохождение каналов во впускном тракте (предотвращение резких переходов);
- наддув (с помощью турбо и/или механического компрессора).
Двигатели, оснащенные наддувом, имеют меньшую отрицательную динамику на индикаторной диаграмме или ее отсутствие. Петля катушки вращается по часовой стрелке и теперь производит работу. Давление наддува помогает толкать поршень вниз (от ВМТ до ВМТ) во время такта впуска. Необходимая работа компрессора извлекается из выхлопных газов, поскольку колесо компрессора турбины приводится в движение колесом турбины. Это означает, что двигатели с наддувом гораздо более эффективны при тех же условиях по сравнению с атмосферными двигателями.
Влияние момента зажигания на индикаторную диаграмму:
Для достижения минимально возможного расхода топлива и высокого КПД важно добиться следующего:
- короткое время горения, поэтому высокая скорость горения. Это связано с составом смеси;
- правильная фазировка сгорания относительно движения поршня. Это напрямую связано с моментом зажигания. Центр тяжести сгорания должен находиться примерно на 5–10 градусов коленчатого вала после ВМТ. Центр тяжести – это тепловыделение, происходящее при горении.
Как слишком ранний, так и слишком поздний момент зажигания приводит к повышенному выделению тепла через стенку цилиндра и, следовательно, к снижению качества.
- Слишком раннее зажигание: давление повышается слишком рано, поскольку сгорание начинается раньше во время такта сжатия. Поршень сильно тормозится перед ВМТ давлением сгорания. Слишком раннее зажигание приводит к повышению верхнего давления, что приводит к снижению механического КПД и риску выхода из строя двигателя.
- Слишком слабое зажигание: сгорание начинается слишком поздно. Поршень уже движется в сторону ОДП, из-за чего давление в расширяющемся пространстве становится недостаточно высоким. Еще горящие газы также проходили мимо выпускных клапанов. В результате температура поднимается слишком высоко. Бедная смесь дает тот же результат: газ сгорает слишком медленно. Если смесь слишком бедная, газ все равно будет гореть в начале такта впуска. По этой причине в карбюраторных двигателях может возникнуть обратный огонь.
Современная система управления двигателем определяет правильный момент зажигания по своим параметрам: при любых обстоятельствах момент зажигания должен быть максимально приближен к пределу детонации.
Развитие давления на диаграмме p-α:
Индикаторную диаграмму можно преобразовать в диаграмму тангенциальной силы. Это показывает тангенциальную силу как функцию угла поворота коленчатого вала (альфа). Преобразуем индикаторную диаграмму в диаграмму, на которой давление (р) изображено в зависимости от угла (α): диаграмма p-α.
На следующем изображении мы видим профиль давления в цилиндре при полной нагрузке.
Синие точки указывают, как и в разделе «Индикаторная схема», в какое время открываются и закрываются клапаны:
- Открытие (Io) и закрытие (Is) впускных клапанов
- Выпускные клапаны открываются (Uo) и закрываются (Us).
Кроме того, по градусам коленвала мы можем видеть, на каком такте работает двигатель:
- 0 градусов: ВМТ (конец такта выпуска, начало такта впуска)
- 180 градусов: ODP (конец такта впуска, начало такта сжатия)
- 360 градусов: ВМТ (конец такта сжатия, начало рабочего хода)
- 540 градусов: ODP (конец рабочего хода, начало такта выпуска)
Пиковое давление газа:
Пиковое давление газа является самым высоким во время рабочего хода. Уровень давления зависит от нагрузки двигателя: когда двигатель выдает большую мощность, давление сгорания будет выше, чем при частичной нагрузке.
На четырех изображениях ниже показано это: открытие дроссельной заслонки TP (положение дроссельной заслонки) указывает на степень нагрузки двигателя по отношению к вращению коленчатого вала CA (угол поворота коленчатого вала). В среднем бензиновом двигателе при сгорании при частичной нагрузке создается давление в среднем 4000 кПа, а при полной нагрузке в данном случае около 5000 кПа. В двигателях с послойным впрыском, регулировкой распределительного вала и изменяемым подъемом клапанов давление может подниматься выше 6000 кПа.
Среднее давление газа:
В процессе работы давление в цилиндре сильно меняется. Во время такта впуска существует разрежение (если турбина выхлопных газов обеспечивает повышенное давление воздуха на впуске), а после такта сжатия наблюдается пик давления. Чем выше пиковое давление газа, тем мощнее сгорание.
Для определения среднего давления процесса горения можно разбить индикаторную диаграмму на небольшие прямоугольники одинаковой ширины. На следующем изображении показаны синие и зеленые прямоугольники. Рассчитав площадь синих прямоугольников, мы можем рассчитать положительное давление. Затем мы вычитаем из этого площадь зеленых треугольников. Тогда у нас остается среднее давление поршня.
По среднему давлению поршня мы можем определить, среди прочего, заявленную и эффективную мощность двигателя. Посетите страницу: активы, убытки и доходы чтобы узнать больше об этом.
На изображении мы видим, что красная линия выходит за пределы синих прямоугольников: если бы мы сделали ширину каждого прямоугольника меньше и, следовательно, могли бы разместить больше прямоугольников рядом друг с другом, мы бы получили все меньше и меньше отклонения. Мы можем применять это до бесконечности. Конечно, на самом деле мы не собираемся этого делать. Применяя математические функции, мы можем математически определить поверхность. Мы делаем это с интегрировать.
