Индикаторная диаграмма

Индикаторная диаграмма – зависимость давления рабочего тела от объёма цилиндра (рис. 2) – является наиболее информативным источником, позволяющим анализировать процессы, происходящие в цилиндре двигателя внутреннего сгорания. Такты работы двигателя, осуществляющиеся за четыре хода поршня от ВМТ до НМТ показаны на индикаторной диаграмме в координатах p – V следующими отрезками кривой:

r₀ – a₀ – такт впуска;

a₀ – c – такт сжатия;

c – z – b₀ – такт рабочего хода (расширения);

b₀ – r₀ – такт выпуска.

На диаграмме отмечены следующие характерные точки:

b, r – моменты открытия и закрытия выпускного клапана, соответственно;

u, a – моменты открытия и закрытия впускного клапана, соответственно;

Площадь диаграммы, определяющая работу за цикл, состоит из площади, соответствующей положительной индикаторной работе, полученной за такты сжатия и рабочего хода, и площади, соответствующей отрицательной работе, затрачиваемой на очистку и наполнение цилиндра в тактах впуска и выпуска. Отрицательную работу цикла обычно относят к механическим потерям в двигателе.

Таким образом, общая энергия, сообщаемая валу поршневого двигателя за один цикл L, может быть определена алгебраическим сложением работы тактов L = L_вп + L_сж + L_рх + L_вып. Мощность, передаваемая валу, определится произведением этой суммы на количество тактов рабочего хода в единицу времени (n/2) и на число цилиндров двигателя i:

. (1)

Рис. 2. Типичная индикаторная диаграмма четырехтактного

двигателя внутреннего сгорания

Определенная таким образом мощность двигателя называется средней индикаторной мощностью.

Индикаторная диаграмма позволяет разделить цикл четырехтактного двигателя на следующие процессы:

u – r₀ – r – a₀ – a – впуск;

a – θ – c' – сжатие;

θ – c' – c – z – f – смесеобразование и сгорание;

z – f – b – расширение;

b – b₀ – u – r₀ – r – выпуск.

Приведенная типичная индикаторная диаграмма справедлива и для дизельного двигателя. В этом случае точка θ будет соответствовать моменту подачи топлива в цилиндр.

На диаграмме обозначены:

V_c – объем камеры сгорания (объем цилиндра над поршнем, находящимся в ВМТ);

V_a – полный объем цилиндра (объем цилиндра над поршнем в начале такта сжатия);

V_n – рабочий объем цилиндра, V_n = V_a – V_c.

Степень сжатия .

Такт и процесс впуска

Назначение такта впуска состоит в том, чтобы наполнить рабочий объем цилиндра горючей смесью, представляющей собой газообразную смесь паров топлива с воздухом.

В момент начала такта впуска поршень находится в ВМТ, а объем камеры сгорания заполнен оставшимися от предыдущего такта (выпуска) продуктами сгорания, имеющими температуру t_пс = 1000…1100 ºС и давление p_пс ≈ 1,05 кг/см².

В такте впуска коленчатый вал поворачивается на угол от 0º до 180º, при этом впускной клапан открыт. При движении поршня от ВМТ к НМТ в цилиндрах двигателя создается некоторое разряжение. Разность давлений между давлением внутри цилиндра p_а является причиной поступления наружного воздуха в цилиндр. Наполнение цилиндра горючей смесью происходит до тех пор, пока имеется разность между давлением в цилиндре и давлением окружающей среды ∆ p = p₀ – p_а.

В момент, когда поршень достигнет НМТ, цилиндр будет заполнен вошедшей горючей смесью и оставшимися в камере сгорания продуктами сгорания. Свежей горючей смесью наполняется только рабочий объем цилиндра V_n, так как объем камеры сгорания V_с к моменту начала такта впуска был заполнен продуктами сгорания с давлением, превышающим атмосферное на 0,05…0,10 кГ/см².

Чем большее количество горючей смеси будет введено внутрь цилиндра за такт впуска, тем больше теплоты выделится при сгорании, тем выше поднимется давление в цилиндре и, следовательно, тем большая работа будет получена за один цикл.

Всасывание горючей смеси в цилиндр двигателя происходит за довольно короткий промежуток времени, при этом поршень движется с большой скоростью. В этих условиях движение смеси во всасывающих трубопроводах будет сопровождаться потерями из – за гидравлических сопротивлений. Потери будут тем больше, чем больше скорость движения горючей смеси. При характерных скоростях движения смеси, составляющих в поршневых двигателях 50…70 м/сек, сопротивления становятся столь значительными, что вызывают большие потери напора смеси по пути ее движения в цилиндр. В результате этого к моменту прихода поршня в НМТ давление над поршнем будет меньше наружного и составит приблизительно p_а = (0,8…0,9) ∙ p₀. Линия r₀ – a₀, представляющая такт впуска на индикаторной диаграмме (рис. 2.) расположится ниже уровня атмосферного давления (рис. 3.).

Рис. 3. Линия r₀ – a₀, представляющая такт впуска на индикаторной диаграмме

В реальных условиях работы двигателя, когда в конце такта впуска поршень переместится в НМТ, давление внутри цилиндра меньше атмосферного, и смесь еще продолжает поступать в цилиндр. Прекратить процесс впуска, т.е. закрыть впускной клапан в этот момент нецелесообразно, так как в цилиндр еще возможно дополнительное поступление смеси, несмотря на то, что поршень начинает свое обратное движение к ВМТ. Для лучшего наполнения цилиндра целесообразно держать впускной клапан открытым до тех пор, пока давление внутри цилиндра не сравняется с наружным. Кроме того, поступление смеси в цилиндр еще возможно и после выравнивания давления в цилиндре с атмосферным за счет инерции струи. Это позволяет закрыть впускной клапан с большим запозданием (точка «а» на рис. 3.) и увеличить продолжительность процесса впуска.

Угол, на который поворачивается коленчатый вал, от НМТ до момента закрытия впускного клапана, называется углом запаздывания закрытия впускного клапана. Этот угол для конкретного двигателя подбирается опытным путем по максимальной мощности и соответствующего ей числу оборотов.

Открытие впускного клапана происходит не сразу, а постепенно. В начальный момент (точки «и» на рис. 2. и рис. 3.) – еще в такте выпуска, впускной клапан открывается настолько незначительно, что давление остаточных газов в цилиндре не может преодолеть сопротивление потока воздуха в образовавшейся узкой щели между клапаном и его седлом. С другой стороны в целях улучшения наполнения цилиндра, желательно, чтобы при образовании растяжения в нем во время движения поршня от ВМТ к НМТ, впускной клапан был уже открыт, чтобы впуск смеси под влиянием разряжения в цилиндре стал более эффективным. Поэтому в поршневых двигателях впускные клапаны открываются не в ВМТ, а на 10…15º раньше.