Диаграмма работы дизеля. Построение индикаторной диаграммы. Определение среднего индикаторного давления по индикаторной диаграмме

Индикаторная диаграмма ДВС (рис.1) строится с использованием данных расчета процессов рабочего цикла двигателя. При построении диаграммы необходимо выбрать масштаб с таким расчетом, чтобы получить высоту равной 1,2... 1,7 ее основания.

Рис.1 Индикаторная диаграмма дизельного двигателя

Рис. 1 Индикаторная диаграмма дизельного двигателя

В начале построения на оси абсцисс (основание диаграммы) в масштабе откладывается отрезок S а = S с + S,

где S – рабочий ход поршня (от ВМТ до НМТ).

Отрезок S с, соответствующий объему камеры сжатия (V с), определяется по выражению S с = S / - 1.

Отрезок S соответствует рабочему объему V h цилиндра, а по величине равен ходу поршня. Отметить точки, соответствующие положению поршня в ВМТ, точки А, В, НМТ.

По оси ординат (высота диаграммы) откладывается давление в масштабе 0,1 МПа в миллиметре.

На линии ВМТ наносятся точки давлений р г, р с, р z .

На линии НМТ наносятся точки давлений р а, р в.

Для дизельного двигателя необходимо еще нанести координаты точки, соответствующей концу расчетного процесса сгорания. Ордината этой точки будет равна р z , а абсцисса определяется по выражению

S z = S с   , мм. (2.28)

Построение линии сжатия и расширения газов можно проводить в такой последовательности. Произвольно между ВМТ и НМТ выбирается не менее 3 объемов или отрезков хода поршня V х1 , V х2 , V х3 (или S х1 , S х2 , S х3).

И подсчитывается давление газов

На линии сжатия

На линии расширения

Все построенные точки плавно соединяются между собой.

Затем производится скругление переходов (при каждом изменении давления на стыках расчетных тактов), учитываемое при расчетах коэффициентом полноты диаграммы.

Для карбюраторных двигателей скругление в конце сгорания (точка Z) проводится по ординате р z = 0,85 Р z mах.

2.7 Определение среднего индикаторного давления по индикаторной диаграмме

Среднее теоретическое индикаторное давление р" i представляет собой высоту прямоугольника, равного площади индикаторной диаграммы в масштабе давления

МПа (2.31)

где F i - площадь теоретической индикаторной диаграммы, мм 2 , ограниченная линиями ВМТ, НМТ, сжатия и расширения, может быть определена с помощью планиметра, методом интегрирования, либо другим способом; S - длина индикаторной диаграммы (ход поршня), мм (расстояние между линиями ВМТ, НМТ);

 p - масштаб давления, выбранный при построении индикаторной диаграммы, МПа / мм.

Действительное индикаторное давление

р i = р i ΄ ∙ φ п, МПа, (2.32)

где  п - коэффициент неполноты площади индикаторной диаграммы; учитывает отклонение действительного процесса от теоретического (скругление при резком изменении давлений, для карбюраторных двигателей  п =0,94.. .0,97; для дизелей  п = 0,92.. .0,95);

р = р r - р а - среднее давление насосных потерь в процессе впуска и выпуска для двигателей без наддува.

После определения р i по индикаторной диаграмме сравнивают его с ранее подсчитанным (формула 1.4) и определяют расхождение в процентах.

Среднее эффективное давление р е равно

р е = р i – р мп,

где р мп определено по формуле 1.6.

Тогда подсчитайте мощность по зависимости
и сравните с заданной. Расхождение должно быть не более 10…15%, если больше следует пересчитать процессы.

Лекция 4

ДЕЙСТВИТЕЛЬНЫЕ ЦИКЛЫ ДВС

1. Отличие действительных циклов четырехтактных двигателей от теоретических

1.1. Индикаторная диаграмма

2. Процессы газообмена

2.1. Влияние фаз газораспределения на процессы газообмена

2.2. Параметры процесса газообмена

2.3. Факторы, влияющие на процессы газообмена

2.4. Токсичность отработавших газов и пути предотвращения загрязнения окружающей среды

3. Процесс сжатия

3.1. Параметры процесса сжатия

4. Процесс сгорания

4.1. Скорость сгорания

4.2. Химические реакции при сгорании

4.3. Процесс сгорания в карбюраторном двигателе

4.4. Факторы, влияющие на процесс сгорания в карбюраторном двигателе

4.5. Детонация

4.6. Процесс сгорания топливной смеси в дизеле

4.7. Жесткая работа дизеля

5. Процесс расширения

5.1. Назначение и протекание процесса расширения

5.2. Параметры процесса расширения

Отличие действительных циклов четырехтактных двигателей от теоретических

Наибольший КПД можно теоретически получить только в результате использования термодинамического цикла, варианты которого были рассмотрены в предыдущей главе.

Важнейшие условия протекания термодинамических циклов:

· неизменность рабочего тела;

· отсутствие всяких тепловых и газодинамических потерь, кроме обязательного отвода теплоты холодильником.

В реальных поршневых ДВС механическая работа получается в результате протекания действительных циклов.

Действительным циклом двигателя называется совокупность периодически повторяющихся тепловых, химических и газодинамических процессов, в результате которых термохимическая энергия топлива преобразуется в механическую работу.

Действительные циклы имеют следующие принципиальные отличия от термодинамических циклов:

Действительные циклы являются разомкнутыми, и каждый из них осуществляется с использованием своей порции рабочего тела;

Вместо подвода теплоты в действительных циклах происходит процесс сгорания, который протекает с конечными скоростями;

Изменяется химический состав рабочего тела;

Теплоемкость рабочего тела, представляющего собой реальные газы изменяющегося химического состава, в действительных циклах постоянно меняется;

Идет постоянный теплообмен между рабочим телом и окружающими его деталями.

Все это приводит к дополнительным потерям теплоты, что в свою очередь ведет к снижению КПД действительных циклов.

Индикаторная диаграмма

Если термодинамические циклы изображают зависимость изменения абсолютного давления (р ) от изменения удельного объема (υ ), то действительные циклы изображаются как зависимости изменения давления (р ) от изменения объема (V ) (свернутая индикаторная диаграмма) или изменения давления от угла поворота коленчатого вала (φ), которая называется развернутой индикаторной диаграммой.

На рис. 1 и 2 показаны свернутая и развернутая индикаторные диаграммы четырехтактных двигателей.

Развернутая индикаторная диаграмма может быть получена экспериментально с помощью специального прибора - индикатора давления. Индикаторные диаграммы можно получить и расчетным путем на основе теплового расчета двигателя, но менее точные.

Рис. 1. Свернутая индикаторная диаграмма четырехтактного двигателя
с принудительным воспламенением

Рис. 2. Развернутая индикаторная диаграмма четырехтактного дизеля

Индикаторные диаграммы используются для изучения и анализа процессов, протекающих в цилиндре двигателя. Так, например, площадь свернутой индикаторной диаграммы, ограниченная линиями сжатия, сгорания и расширения, соответствует полезной или индикаторной работе L i действительного цикла. Величиной индикаторной работы характеризуется полезный эффект действительного цикла:

, (3.1)

где Q 1 - количество подведенной в действительном цикле теплоты;

Q 2 - тепловые потери действительного цикла.

В действительном цикле Q 1 зависит от массы и теплоты сгорания топлива, вводимого в двигатель за цикл.

Степень использования подводимой теплоты (или экономичность действительного цикла) оценивают индикаторным КПД η i , который представляет собой отношение теплоты, преобразованной в полезную работу L i , к теплоте подведенного в двигатель топлива Q 1 :

, (3.2)

С учетом формулы (1) формулу (2) индикаторного КПД можно записать так:

, (3.3)

Следовательно, теплоиспользование в действительном цикле зависит от величины тепловых потерь. В современных ДВС эти потери составляют 55 –70 %.

Основные составляющие тепловых потерь Q 2 :

Потери теплоты с отработавшими газами в окружающую среду;

Потери теплоты через стенки цилиндра;

Неполнота сгорания топлива из-за местного недостатка кислорода в зонах горения;

Утечка рабочего тела из рабочей полости цилиндра из-за неплотности прилегающих деталей;

Преждевременный выпуск отработавших газов.

Для сравнения степени использования теплоты в действительных и термодинамических циклах используют относительный КПД

В автомобильных двигателях η o от 0,65 до 0,8.

Действительный цикл четырехтактного двигателя совершается за два оборота коленчатого вала и состоит из следующих процессов:

Газообмена - впуск свежего заряда (см. рис. 1, кривая frak ) и выпуск отработавших газов (кривая b"b"rd );

Сжатия (кривая аkс"с" );

Сгорания (кривая c"c"zz" );

Расширения (кривая z z"b"b" ).

При впуске свежего заряда поршень движется, освобождая над собой объем, который заполняется смесью воздуха с топливом в карбюраторных двигателях и чистым воздухом в дизелях.

Начало впуска определяется открытием впускного клапана (точка f ), конец впуска - его закрытием (точка k ). Начало и конец выпуска соответствуют открытию и закрытию выпускного клапана соответственно в точках b" и d .

Не заштрихованная зона b"bb" на индикаторной диаграмме соответствует потере индикаторной работы вследствие падения давления в результате открытия выпускного клапана до прихода поршня в НМТ (предварение выпуска).

Сжатие фактически осуществляется с момента закрытия впускного клапана (кривая k-с" ). До закрытия впускного клапана (кривая а-k ) давление в цилиндре остается ниже атмосферного (p 0 ).

В конце процесса сжатия топливо воспламеняется (точка с" ) и быстро сгорает с резким нарастанием давления (точка z ).

Так как воспламенение свежего заряда происходит не в ВМТ, и сгорание протекает при продолжающемся перемещении поршня, расчетные точки с и z не соответствуют реально протекающим процессам сжатия и сгорания. В результате площадь индикаторной диаграммы (заштрихованная зона), а значит и полезная работа цикла меньше термодинамической или расчетной.

Воспламенение свежего заряда в бензиновых и газовых двигателях осуществляется от электрического разряда между электродами искровой свечи.

В дизелях топливо воспламеняется за счет теплоты нагретого от сжатия воздуха.

Образовавшиеся в результате сгорания топлива газообразные продукты создают давление на поршень, вследствие чего совершается такт расширения или рабочий ход. При этом энергия теплового расширения газа преобразуется в механическую работу.

Основное отличие 2-тактного двигателя от 4-тактного заключается в способе газообмена – очистки цилиндра от продуктов сгорания и зарядки его свежим воздухом или горячей смесью.

Устройства газораспределения 2-тактных двигателей – щели во втулке цилиндра, перекрываемые поршнем, и клапаны или золотники.

Рабочий цикл:

После сгорания топлива начинается процесс расширения газов (рабочий ход). Поршень движется к нижней мертвой точке (НМТ). В конце процесса расширения поршень 1 открывает впускные щели (окна) 3 (точка b) или открываются выпускные клапана, сообщая полость цилиндра через выхлопную трубу с атмосферой. При этом часть продуктов сгорания выходит из цилиндра и давление в нем падает до давления продувочного воздуха Pd. В точке d поршень открывает продувочные окна 2, через которые в цилиндр подается смесь топлива с воздухом под давлением 1,23-1,42 бар. Дальнейшее падение замедляется, т.к. в цилиндр поступает воздух. От точки d до НМТ одновременно открыты выпускные и продувочные окна. Период, в течении которого одновременно открыты продувочные и выпускные окна, называется продувкой. В этот период цилиндр наполняется смесью воздуха, а продукты сгорания вытесняются из него.

Второй такт соответствует ходу поршня от нижней к верхней мертвой точке. В начале хода продолжается процесс продувки. Точка f – конец продувки – закрытие впускных окон. В точке а закрываются выпускные окна и начинается процесс сжатия. Давление в цилиндре к концу зарядки несколько выше атмосферного. Оно зависит от давления продувочного воздуха. С момента окончания продувки и полного перекрытия выпускных окон начинается процесс сжатия. Когда поршень не доходит на 10-30град по углу поволрота колен.вала до ВМТ (точка с /), в цилиндр через форсунку подается топливо или производится зажигание смеси и цикл повторяется.

При одинаковых размерах цилиндра и частоте вращения мощность 2-тактного значительно больше, в 1,5-1,7 раза.

Среднее давление теоретической диаграммы ДВС.

Среднее индикаторное давление ДВС.

Это такое условно постоянное давление, которое, действуя на поршень, совершает работу, равную внутренней работе газа в течение всего рабочего цикла.

Графически p i в определенном масштабе равно высоте прямоугольника mm / hh / , по площади равного площади диаграммы и имеющего ту же длину.

f- площадь индикаторной диаграммы (мм 2)

l- длина инд.диаграммы - mh

k p - масштаб давления (Па/мм)

Среднее эффективное давление ДВС.

Это произведение механического кпд на среднее индикаторное давление.

Где η мех =N e /N i . При нормальном режиме работы η мех =0,7-0,85.

Механический КПД ДВС.

η мех =N e /N i

Отношение эффективной мощности к индикаторной.

При нормальном режиме работы η мех =0,7-0,85.

Индикаторная мощность ДВС.

Инд. мощность двигателя, получаемая внутри уилиндра, может быть определена с помощью индикаторной диаграммы, снимаемой специальным прибором – индикатором.

Инд.мощность – работа, совершаемая рабочим телом в цилиндре двигателя в ед.времени.

Инд.мощность одного цилиндра -

k- кратность двигателя

V-рабочий объем цилиндра

n-число рабочих ходов.

Эффективная мощность ДВС.

Полезно используемая мощность, снимаемая с колен.вала

N e =N i -N тр

N тр – сумма потерь мощности на трение между движущимися деталями двигателя и на приведение в действие вспомогательных механизмов (насосов, генератора, вентилятора и др.)

Определение эф.мощности двигателя в лабораторных условиях или при стендовых испытаниях производят с помощью спец.тормозных устройств – механических, гидравлических или электрических.

В четырехтактном двигателе рабочие процессы происходят следующим образом:

1. Такт впуска. При движении поршня от ВМТ к НМТ вследствие образующегося разряжения из воздухоочистителя в полость цилиндра через открытый впускной клапан поступает атмосферный воздух. Давление воздуха в цилиндре составляет 0.08 - 0.095 МПа, а температура 40 - 60 С.
2. Такт сжатия. Поршень движется от НМТ к ВМТ; впускной и выпускной клапаны закрыты, вследствие этого перемещающийся вверх поршень сжимает поступивший воздух. Для воспламенения топлива необходимо, чтобы температура сжатого воздуха была выше температуры самовоспламенения топлива. При ходе поршня к ВМТ цилиндр через форсунку впрыскивается дизельное топливо, подаваемое топливным насосом.
3. Такт расширения, или рабочий ход. Впрыснутое в конце такта сжатия топливо, перемешиваясь с нагретым воздухом, воспламеняется, и начинается процесс сгорания, характеризующийся быстрым повышением температуры и давления. При этом максимальное давление газов достигает 6-9 МПа, а температура 1800-2000 С. Под действием давления газов поршень 2 перемещается от ВМТ в НМТ - происходит рабочий ход. Около НМТ давление снижается до 0.3-0.5 МПа, а температура до 700 - 900 С.
4. Такт выпуска. Поршень перемещается от НМТ в ВМТ и через открытый выпускной клапан 6 отработавшие газы выталкиваются из цилиндра. Давление газов снижается до 0.11-0.12 МПа, а температура до 500-700 С. После окончания такта выпуска при дальнейшем вращении коленчатого вала рабочий цикл повторяется в той же последовательности.

Индикаторную диаграмму, снятую с помощью прибора-индикатора, называют индикаторной диаграммой (рис.1).

Рис. 1

Рассмотрим диаграмму:

0-1 - заполнение цилиндра воздухом (при внутреннем смесеобразовании) или рабочей смесью (при внешнем смесеобразовании) при давлении несколько ниже атмосферного из-за гидродинамического сопротивления впускных клапанов и всасывающего трубопровода,
1-2 - сжатие воздуха или рабочей смеси,
2-3"-3 - период горения рабочей смеси,
3-4 - рабочий ход поршня (расширение продуктов сгорания), совершается механическая работа,
4-5 - выхлоп отработавших газов, падение давления до атмосферного происходит практически при постоянном объеме,
5-0 - освобождение цилиндра от продуктов сгорания.

В реальных тепловых двигателях преобразование теплоты в работу связано с протеканием сложных необратимых процессов (имеются трение, химические реакции в рабочем теле, конечные скорости поршня, теплообмен и др.) Термодинамический анализ такого цикла невозможен Гельман В.М., Москвин М.В. Сельскохозяйственные тракторы и автомобили. - М.: Агропромиздат, 1987, ч I и П..