Предмети:
- Порівняння теоретичного та фактичного процесу праці
- Індикаторна діаграма
- Зміна тиску під час чотиритактного процесу бензинового двигуна
- Зміна тиску під час чотиритактного процесу дизельного двигуна
- Зміна тиску під час різних умов експлуатації
- Втрата потоку
- Вплив моменту запалювання на індикаторну діаграму
- Розвиток тиску на p-α діаграмі
- Піковий тиск газу
- Середній тиск газу
Порівняння теоретичного та фактичного трудового процесу:
У процесі роботи бензинового або дизельного двигуна ми маємо справу з діаграмою PV (P = тиск, V = об’єм), яка вказує на співвідношення між тиском і об’ємом у чотиритактному процесі. Більше інформації про це можна знайти на сторінці: Процес Сейлігера.
Теоретичний процес циклу відбувається в ідеальному двигуні, в якому немає залишкових газів або втрат. Насправді теоретичний трудовий процес відрізняється від реального трудового процесу такими відхиленнями:
- в балоні міститься не тільки свіжий заряд, але і залишковий газ від попереднього робочого циклу;
- неповне згоряння палива;
- горіння не відбувається точно при рівному обсязі або тиску;
- теплообмін між газом і стінкою циліндра;
- втрати потоку виникають під час зміни роботи;
- завжди є (мінімальний) витік газу вздовж поршневих кілець;
- питома теплоємність змінюється з тиском і температурою, що впливає на горіння.
Хід фактичного робочого процесу фіксується індикаторною діаграмою.
Діаграма індикатора:
Індикаторна діаграма показує тиск газу в циліндрі (над поршнем) за два оберти колінчастого вала. Діаграма була визначена під час вимірювання тиску, яке відбувалося в циліндрі.
Показана індикаторна діаграма відноситься до бензинового двигуна. Червона лінія вказує на зміну тиску відносно ходу поршня. Під час фактичного вимірювання отримано значення p Max. Ми поговоримо про це пізніше. Під схемою зображений циліндр з поршнем всередині. Букви Vs і Vc позначають ударний об'єм і об'єм стиснення.
Нижче наведено список скорочень, використаних на малюнку:
- p0: атмосферний тиск;
- pmax: максимальний тиск у балоні;
- S: хід поршня;
- Vs: ударний об'єм;
- Vc: об'єм стиснення;
- W: праця (+ позитивний і – негативний);
- Ign: момент запалювання;
- Io: впускний клапан відкривається;
- Us: випускний клапан закривається;
- Є: впускний клапан закривається;
- Uo: відкривається випускний клапан
Зміна тиску під час чотиритактного процесу бензинового двигуна:
Ми можемо переглянути діаграму індикатора в чотирьох різних ситуаціях:
- Такт впуску: поршень рухається від ВМТ до ВМТ і всмоктує повітря. Об'єм збільшується, оскільки збільшується простір над поршнем.
Тиск залишається постійним*. Червона лінія на індикаторній діаграмі проходить від a до b; - Такт стиснення: поршень рухається вгору і стискає повітря. Об’єм повітря зменшується, а тиск зростає. Червона лінія показує це між точками b en c. Запалювання відбувається в кінці такту стиснення;
- Силовий хід: після іскри від свічки запалювання потрібен деякий час, щоб суміш повністю згоріла. Ми бачимо цей процес між крапками c en d. Сила, що виділяється під час запалювання, штовхає поршень вниз. Об’єм збільшується, а тиск знижується. Ми бачимо це між літерами d en e;
- Такт випуску: випускний клапан відкривається, і поршень виштовхує вихлопні гази. Об'єм зменшується, тиск залишається постійним (e до a).
Сьогодні виробники гібридних автомобілів все більше адаптують його Принцип Аткінсона-Міллера для зменшення механічного опору під час такту стиснення. Це відображається у висхідній лінії такту стиснення на діаграмі індикатора.
*У поясненні ми говоримо про рівний тиск під час такту впуску. Це частково правильно. Під час такту впуску прискорення поршня досягає максимуму приблизно на 60 градусах після ВМТ. Вхідне повітря не може слідувати за поршнем. У цей момент створюється максимальний негативний тиск приблизно -0,2 бар. Потім тиск у циліндрі знову підвищується. Інерція маси вхідного повітря забезпечує те, що повітря все ще надходить у циліндр, поки поршень знову рухається вгору. Величина розрідженого тиску залежить від положення дросельної заслінки і частоти обертання. Додатково закрита дросельна заслінка забезпечує більший розрідження при постійній швидкості двигуна. Ми знехтували підвищеним розрядженням під час максимального прискорення поршня в тексті та зображеннях вище.
Зміна тиску під час чотиритактного процесу дизельного двигуна:
Тут ми бачимо індикаторну схему дизельного двигуна.
- такт впуску: поршень рухається від ВМТ до ВМТ і засмоктує повітря (якщо двигун наддув);
- такт стиснення: поршень рухається в бік ОРП. Повітря стискається, і температура підвищується до понад 100 градусів за Цельсієм через підвищення тиску. В кінці такту стиснення впорскується дизельне паливо. Впорскування палива починається за 5-10 градусів до ВМТ і закінчується між 10-15 градусами після ВМТ;
- силовий хід: оскільки дизельне паливо впорскується в кінці такту стиснення, воно починає горіти, а тиск залишається постійним. Тиск у (майже) горизонтальній частині залишається постійним, а об’єм збільшується.
У силовому такті ми бачимо ізобарне розсіювання тепла від процесу теоретичного циклу.
Як і у випадку з бензиновим двигуном, ми бачимо, що випускний клапан відкривається до того, як поршень досягне ВМТ. Перекриття клапанів також відбувається через те, що впускний клапан відкривається раніше, ніж випускний.
Зміна тиску під час різних умов експлуатації:
Крім властивостей двигуна, що визначають індикаторну діаграму, на це також впливають умови експлуатації (читай: навантаження двигуна). Високий тиск над поршнем не завжди присутній або необхідний.
Три індикаторні діаграми нижче показують зміну тиску в залежності від градусів колінчастого вала. Діаграми записували за таких умов:
- часткове навантаження: 3/4 навантаження при n = 4200 об/хв;
- повне навантаження: при n = 2500 об/хв;
- гальмування двигуном: при n = 6000 об/хв при закритій дросельній заслінці.
Ми бачимо різницю в максимальному тиску газу в циліндрі між частковим і повним навантаженням. При «гальмуванні двигуном» дросельна заслінка закрита, а у впускному тракті і в циліндрі виникає високе розрідження. Завдяки цьому негативному тиску тиск стиснення не перевищує 3-4 бар.
Втрата потоку:
Під час такту впуску в циліндрі створюється розрідження. Всмоктування повітря вимагає енергії. Ми також бачимо це на діаграмі індикатора. Між точками a і b червона лінія опускається нижче p0 (атмосферний зовнішній тиск). Під цією пунктирною лінією (область -W) є вакуум. Ми називаємо ці втрати потоку або втрати на промивання.
Від’ємна робота (-W) вимагає енергії і тому є небажаною. Полоскання вимагає праці. Тиск на виході вище, ніж на вході. На самовсмоктуючих двигунах контур промивання працює проти годинникової стрілки.
Виробники застосовують методи для обмеження втрат потоку:
- змінна фаза газорозподілу;
- швидке і велике відкриття клапана;
- оптимальний розмір вхідних каналів;
- плавний хід каналів у впускному тракті (запобігання різких переходів);
- наддув (за допомогою турбо- та/або механічного компресора.
Двигуни, оснащені наддувом, мають менший або відсутній негативний тренд на діаграмі показників. Петля котушки обертається за годинниковою стрілкою і тепер виконує роботу. Тиск наддуву допомагає штовхати поршень вниз (від ВМТ до ОВП) під час такту впуску. Необхідна робота компресора витягується з вихлопних газів, тому що колесо компресора турбіни приводиться в рух колесом турбіни. Це означає, що двигуни з наддувом набагато ефективніші за тих самих умов порівняно з двигунами з самонаддувом.
Вплив моменту запалювання на індикаторну діаграму:
Щоб досягти мінімально можливого споживання палива та високої ефективності, важливо досягти наступного:
- короткий час горіння, тому висока швидкість горіння. Це пов’язано зі складом суміші;
- правильна фаза згоряння по відношенню до руху поршня. Це безпосередньо стосується моменту запалювання. Центр ваги згоряння повинен бути приблизно на 5-10 градусів колінчастого вала після ВМТ. Центром ваги є тепловиділення, яке відбувається при горінні.
Як занадто раннє, так і занадто пізнє запалювання призводять до збільшення виділення тепла через стінку циліндра і, отже, до зниження якості.
- Занадто раннє запалювання: тиск підвищується занадто рано, оскільки згоряння починається рано під час такту стиснення. Поршень сильно гальмується перед ВМТ тиском згоряння. Занадто раннє запалювання призводить до високого верхнього тиску, що призводить до зниження механічної ефективності та ризику дефектів двигуна.
- Занадто низьке запалювання: горіння починається занадто пізно. Поршень вже рухається до ODP, через що тиск у просторі, що розширюється, стає недостатньо високим. Гази, що все ще горіли, також протікали повз випускні клапани. В результаті температура підвищується занадто високо. Збіднена суміш дає той самий результат: газ горить надто повільно. Якщо суміш занадто бідна, газ все одно буде горіти на початку такту впуску. З цієї причини в карбюраторних двигунах може виникнути зворотний вогонь.
Сучасна система керування двигуном визначає правильний момент запалювання за своїми параметрами: за будь-яких обставин момент запалювання має бути якомога ближчим до межі детонації.
Розвиток тиску на діаграмі p-α:
Індикаторну діаграму можна перетворити на діаграму тангенціальної сили. Це показує тангенціальну силу як функцію кута кривошипа (альфа). Перетворимо індикаторну діаграму на діаграму, на якій тиск (p) зображено як функція кута (α): діаграма p-α.
На наступному зображенні ми бачимо профіль тиску в циліндрі під час повного навантаження.
Сині точки вказують, як і в розділі «діаграма індикаторів», коли відкриваються та закриваються клапани:
- Відкриття (Io) і закриття (Is) впускних клапанів
- Випускні клапани відкриваються (Uo) і закриваються (Us).
Крім того, за ступенями колінчастого вала ми можемо побачити, на якому ході працює двигун:
- 0 градусів: ВМТ (кінець такту випуску, початок такту впуску)
- 180 градусів: ODP (кінець такту впуску, початок такту стиснення)
- 360 градусів: ВМТ (кінець такту стиснення, початок такту потужності)
- 540 градусів: ODP (кінець силового ходу, початок випускного ходу)
Піковий тиск газу:
Піковий тиск газу є найвищим під час силового ходу. Рівень тиску залежить від навантаження двигуна: коли двигун видає велику потужність, тиск згоряння буде вищим, ніж при частковому навантаженні.
Чотири зображення нижче показують це: відкриття дросельної заслінки TP (положення дросельної заслінки) показує ступінь навантаження двигуна по відношенню до обертання колінчастого вала CA (кут кривошипа). У середньостатистичному бензиновому двигуні під час згоряння при частковому навантаженні створюється в середньому 4000 кПа, а при повному навантаженні – близько 5000 кПа. У двигунах з пошаровим уприскуванням, регулюванням розподільного вала і регульованим підйомом клапана тиск може піднятися вище 6000 кПа.
Середній тиск газу:
У процесі роботи тиск в балоні змінюється в величезних межах. Під час такту впуску виникає розрідження (якщо турбіна вихлопних газів забезпечує підвищений тиск повітря на впуску), а після такту стиснення – пік тиску. Чим вищий піковий тиск газу, тим потужніше горіння.
Щоб визначити середній тиск процесу згоряння, ми можемо розділити індикаторну діаграму на маленькі прямокутники однакової ширини. На наступному зображенні показано сині та зелені прямокутники. Обчисливши площу синіх прямокутників, ми можемо обчислити позитивний тиск. Потім ми віднімаємо від цього площу зелених трикутників. Тоді ми залишимо середній тиск поршня.
За допомогою середнього тиску поршня ми можемо визначити, серед іншого, показану та ефективну потужність двигуна. Відвідайте сторінку: активи, втрати та доходи щоб прочитати більше про це.
На зображенні ми бачимо, що червона лінія виходить за межі синіх прямокутників: якби ми зменшили ширину кожного прямокутника і, отже, могли розмістити більше прямокутників один біля одного, ми отримували б усе менше відхилень. Ми можемо застосовувати це до нескінченності. Звичайно, насправді ми цього робити не будемо. Застосовуючи математичні функції, ми можемо математично визначити поверхню. Ми робимо це з інтегрувати.
