Индикаторные диаграммы двс реферат

Обновлено: 05.07.2024

3. Индикаторная диаграмма рабочего цикла четырехтактных двигателей

Графическое представление о давлении газов при изменении объема в цилиндре за цикл дает индикаторная диаграмма. Она может быть построена по данным теплового расчета или снята при испытании двигателя с помощью специального прибора — индикатора. Площадь индикаторной диаграммы (рис. 3) в принятом масштабе характеризует работу, совершаемую газами в цилиндре за один цикл.

При построении индикаторной диаграммы по оси абсцисс в принятом масштабе откладывают объем цилиндра V, а по оси ординат — абсолютное давление газа р. Характерными точками индикаторной диаграммы являются точки а, с, z, b, r.

Процесс впуска горючей смеси (для карбюраторных двигателей) или очищенного воздуха (для дизелей) на индикаторных диаграммах характеризуется кривой r а , которая расположена ниже линии атмосферного давления р0. Это указывает на то, что процесс впуска происходит при некотором почти постоянном разрежении в цилиндре.


Рисунок 3 - Индикаторные диаграммы четырехтактных двигателей:

а — карбюраторного; б — дизеля; р0 — атмосферное давление; r — конец процесса выпуска; р r — давление в конце выпуска; точка а — конец процесса впус­ка; ра — давление в конце впуска; точка с — конец процесса сжатия; рс — номи­нальное давление по степени сжатия; точка с' — начало горения рабочей смеси; рс″ — действительное давление в конце процесса сжатия; прямая cz — процесс сгорания; точка z — соответствует расчетному давлению газов (pz); точка z′ — соответствует действительному давлению газов (pz′); точка b ′ - начало открытия выпускного клапана и удаления отработавших газов; точка b — конец процесса расширения; р b — давление в конце расширения; Vz — изменяющийся объем над поршнем (точки z, …, z) в цилиндре дизеля при постоянном давлении р; р i — среднее индикаторное давление; 1, 2, 3, 4 — площади скруглений индикаторной диаграммы.

Процесс сжатия на индикаторной диаграмме характеризуется кривой ас, которая показывает, как увеличивается давление в цилиндре по мере уменьшения объема рабочей смеси при такте сжатия.

Начало горения рабочей смеси (точка с', рис. 3, а) определяется углом опережения зажигания и влияет на давление в конце такта сжатия (точка рс″). Практически давление рс″ равно 1,15 ÷ 1,25 рс.

Процесс сгорания рабочей смеси на индикаторной диаграмме изображается прямой линией cz, которая показывает, что про­цесс сгорания происходит с быстрым (за несколько миллисекунд) повышением давления газов при почти постоянном их объеме. Действительное максимальное давление p′z в карбюраторных двигателях составляет 0,83 ÷ 0,88 p z при одновременном смещении точки z′ вправо от линии cz (в ВМТ) на 10 ÷ 15° угла поворота коленчатого вала.

Процесс расширения характеризуется на индикаторной диаграмме кривой zb, показывающей, как уменьшается давление в цилинд­ре по мере увеличения объема вследствие перемещения поршня при такте расширения.

Процесс выпуска отработавших газов из цилиндра на индика­торной диаграмме изображается кривой b'r, которая проходит выше линии атмосферного давления р0. Это означает, что давле­ние при такте выпуска больше атмосферного и газы за счет повышенного давления выходят из цилиндра в атмосферу, однако полностью очистить цилиндры двигателя от продуктов сгорания практически невозможно.

Поэтому введено следующее понятие: коэффициент остаточ­ных газов, который характеризует степень загрязнения свежего заряда (горючей смеси) отработавшими газами и представляет собой отношение массы продуктов сгорания, оставшихся в цилиндрах, к массе свежей горючей смеси. Для карбюраторных двигателей коэффициент остаточных газов равен 0,06 ÷ 0,12, а для дизелей 0,03 ÷ 0,06.

Площадь полезной (действительной) индикаторной диаграм­мы несколько меньше площади теоретической индикаторной ди­аграммы. Это обусловлено постепенным переходом одного такта в другой, соответственно происходит скругление диаграммы (на рисунке 3, б показано штриховкой 1, 2, 3, 4). Уменьшение площа­ди действительной диаграммы происходит по следующим при­чинам:

при увеличении угла опережения зажигания или впрыскива­ния топлива линия сжатия более плавно переходит в линию сго­рания, при этом теряется часть площади теоретической диаграм­мы (площадь 2);

вследствие того, что процесс сгорания начинается до прихо­да поршня в ВМТ (точка с'), а заканчивается при повороте ко­ленчатого вала на 15 ÷ 20° после прохождения ВМТ. В результате максимальное давление цикла снижается на 10 ÷ 15 % и полезная площадь диаграммы уменьшается, причем у карбюраторных двигателей несколько больше, чем у дизелей (площадь 1);

выпускной клапан открывается за 40 ÷ 70° до прихода порш­ня в НМТ, вследствие чего линия расширения с точки b ′ плавно переходит в линию выпуска, при этом теряется часть полезной площади диаграммы (площадь 3).

Работа, затрачиваемая на осуществление процессов впуска и выпуска, на индикаторной диаграмме определяется площадью 4, заключенной между линиями впуска и выпуска. Эту работу назы­вают насосными потерями и относят ее к механическим потерям двигателя.

Средним индикаторным давлением p i обычно пользуются для определения индикаторной мощности, которая представляет собой работу, совершаемую газами в единицу времени внутри ци­линдра двигателя.

Таким образом, основным показателем, определяющим ин­дикаторную мощность двигателя при прочих равных условиях, является среднее индикаторное давление, которое для карбю­раторных двигателей лежит в пределах 0,7 ÷ 1,5 МПа, а для дизе­лей - 0,75 ÷ 1,8 МПа.

· 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 Liдействительного цикла. Величиной индикаторной работы характеризуется полезный эффект действительного цикла:


, (3.1)

где Q1— количество подведенной в действительном цикле теплоты;

Q2 — тепловые потери действительного цикла.

В действительном цикле Q1 зависит от массы и теплоты сгорания топлива, вводимого в двигатель за цикл.

Степень использования подводимой теплоты (или экономичность действительного цикла) оценивают индикаторным КПД ηi, который представляет собой отношение теплоты, преобразованной в полезную работу Li, к теплоте подведенного в двигатель топлива Q1:


, (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 Q2:

• 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 ηo 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 (p0).

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.

Исследование работы реального поршневого двигателя целесообразно производить на диаграмме, в которой дается изменение давления в цилиндре в зависимости от положения поршня за весь цикл. Такую диаграмму, полученную с помощью специального прибора индикатора, называют индикаторной диаграммой. Площадь замкнутой фигуры индикаторной диаграммы изображает в определенном масштабе индикаторную работу газа за один цикл.

На рис. 10.1 изображена индикаторная диаграмма, двигателя, работающего с быстрым сгоранием топлива при постоянном объеме. В качестве горючего для этих двигателей принимают легкое топливо – бензин, светильный или генераторный газ, спирты и др.

При ходе поршня из левого крайнего (мертвого) положения в крайнее правое через всасывающий клапан засасывается горючая смесь, состоящая из паров и мелких частиц топлива и воздуха. Этот процесс изображается на диаграмме кривой 0-1, которая называется линией всасывания. Очевидно, что эта линия не является термодинамическим процессом, так как в нем основные параметры рабочего тела не изменяются. При обратном движении поршня всасывающий

Рис. 10.1. Индикаторная диаграмма поршневого двигателя

c подводом теплоты в процессе v = const

клапан закрывается, происходит сжатие горючей смеси – кривая 1-2 – линия сжатия. В точке 2, когда поршень еще немного не дошел до левого крайнего (мертвого) положения, происходит воспламенение горючей смеси от электрической искры. Сгорание смеси происходит почти мгновенно, т.е. при постоянном объеме – кривая 2-3 – линия повышения давления. В результате сгорания топлива температура и давление газов резко увеличиваются, (точка3). Затем продукты сгорания расширяются, поршень перемещается в правое мертвое положение, и газы совершают полезную работу. Кривая 3-4 – линия расширения. В точке 4 открывается всасывающий клапан, и давление в цилиндре падает почти до наружного. При последующем движении поршня в крайнее левое положения из цилиндра удаляются продукты сгорания через выхлопной клапан при давлении несколько большем атмосферного давления. Линия 4-1 – линия выхлопа. Далее цикл повторяется в таком же порядке.

Рассмотренный цикл совершается за четыре хода поршня (такта) за два оборота вала. Такие двигатели называются четырехтактными.

Из описания работы реального двигателя с быстрым сгора-

нием топлива при постоянном объеме видно, что он не является замкнутым. В нем имеются все признаки необратимых процессов: трение, химические реакции в рабочем теле, конечные скорости поршня, теплообмен при конечной разности температур и т.д.

Анализ такого цикла сточки зрения тепловых процессов невозможен, а поэтому исследуются не реальные процессы ДВС, а идеальные, обратимые циклы. В качестве рабочего тела принимают идеальный газ с постоянной теплоемкостью. Цилиндр заполнен постоянным количеством рабочего тела. Разность температур между источником теплоты и рабочим телом бесконечно малая. Подвод теплоты к рабочему телу происходит от внешних источников, а не за счет сжигания топлива. То же можно сказать об отводе теплоты.

Рассмотрим идеальный термодинамический цикл двигателя с изохорным подводом количества теплоты, состоящий из двух изохор и двух адиабат.

На рис. 10.2-а, б представлен цикл в и диаграммах, который осуществляется следующим образом.

Идеальный газ с начальными параметрами и сжимается по адиабате 1-2 до точки 2. По изохоре рабочему телу сообщается количество теплоты . От точки 3 рабочее тело расширяется по адиабате 3-4. По изохоре 4-1 рабочее тело возвращается в начальное состояние, при этом отводится количество теплоты в теплоприемник. Характеристиками цикла являются степень сжатия и степень повышения давления . Определим термический КПД этого цикла, полагая, что удельная теплоемкость и величина постоянны:

Количества подведенной и отведенной теплоты будут равны: , . Тогда термический КПД цикла –

Рис. 10.2. Цикл ДВС с подводом теплоты в процессе

а - диаграмма, б - диаграмма

Определим параметры рабочего тела во всех характерных точках цикла:

Подставляя найденные значения в уравнение для термодинамического КПД цикла, получаем

Таким образом, термический КПД цикла ДВС с подводом теплоты в процессе при

зависит от степени сжатия и показателя адиабаты и увеличивается с возрастанием этих характеристик. От степени повышения давления термический КПД этого цикла не зависит.

На - диаграмме (рис. 10.2-б) КПД определяется отношением соответствующих площадей

При равенстве площадей подведенного количества теплоты в двух циклах ( ), но при разных степенях сжатия КПД будет больше у цикла с большей степенью сжатия, так как в теплоприемник отводится меньшее количество теплоты, т.е. пл.61910

Теоретическая полезная удельная работа рабочего тела (продуктов сгорания горючего) зависит от взаимного расположения процессов расширения и сжатия. Увеличение средней разности давлений между линиями расширения и сжатия позволяет уменьшить размеры цилиндра двигателя. С учетом среднего давления (высота заштрихованного прямоугольника на рис. 10.2-а), теоретическая полезная удельная работа будет равна

Давление называют средним индикаторным давлением (среднее цикловое давление), т.е. это условное постоянное давление, под действием которого поршень в течение одного хода совершает работу, равную работе всего теоретического цикла.

Для рассматриваемого цикла с подводом теплоты при среднее индикаторное давление будет равно

Из приведенной формулы следует, что давление возрастает с увеличением параметров и . С другой стороны теоретическая полезная удельная работа , которую производит рабочее тело за один цикл, равна разности работ расширения и сжатия:

Построение индикаторной диаграммы ДВС производим в координатах р - V (давление - объем) или p-S (давление - ход поршня) на основании данных расчета рабочего процесса.

В начале построения на оси абсцисс откладывается отрезок АВ, соответствующий рабочему объему цилиндра, а по величине равный ходу поршня в масштабе , который в зависимости от величины хода поршня принимаем: .

Отрезок ОА, соответствующий объему камеры сгорания:


. (51)


Масштаб давлений принимаем: .


По данным теплового расчета на диаграмме откладываем в выбранном масштабе величины давлений в характерных точках: .

Построение политроп сжатия и расширения осуществляем графическим методом.

При построении из начала координат проводим луч ОС под произвольным углом а к оси абсцисс (), а также лучи OD и ОЕ под определенными углами и к оси ординат, равными:


; (52)


. (53)

Политропу расширения строим с помощью лучей ОС и ОЕ, начиная из точки z, а политропу сжатия строим с помощью лучей ОС и OD, начиная с точки с.


На заключительном этапе построения наносим линии впуска и выпуска, а также производим скругления с учетом фаз газораспределения, опережения зажигания (впрыска), скорости нарастания давления в процессе сгорания. Для этого на диаграмме отмечаем положение следующих характерных точек: .

Давление в конце такта сжатия:


. (54)

Для нанесения этих точек характерных точек на диаграмму установим взаимосвязь между углом поворота коленчатого вала и перемещением поршня. Применим для этого метод Брикса. Под индикаторной диаграммой строим вспомогательную полуокружность радиусом , равным половине хода поршня. Далее от центра полуокружности (точка ) в сторону н.м.т. откладываем поправку Брикса:


. (55)


где - для автомобильных двигателей:


.

Ориентировочные значения углов поворота коленчатого вала, определяющих положение характерных точек действительной индикаторной диаграммы:

; ;

; ;

; ;


.

Нанесенные на диаграмму характерные точки соединяются плавными кривыми.


Рисунок 1 – Индикаторная диаграмма бензинового двигателя

двигатель топливо скоростной

2. Расчет и построение внешней скоростной характеристики двигателя

Построение кривых скоростной характеристики ведем в интервале частот вращения коленчатого вала: от до .

Расчетные точки кривых эффективной мощности и эффективного удельного расхода топлива определим по следующим зависимостям:


; (56)


, (57)

где - соответственно номинальная эффективная мощность (кВт), частота вращения коленчатого вала при номинальной мощности (), удельный эффективный расход топлива при номинальной мощности () ;

- соответственно эффективная мощность (кВт), удельный эффективный расход топлива (), частота вращения коленчатого вала () в искомой точке скоростной характеристики;


- коэффициенты, значения которых устанавливают экспериментально.

Для бензинового двигателя: ; ; ; ; .

Рассчитанные точки кривых эффективной мощности и эффективного удельного расхода топлива сведем в таблицу 1.

Точки кривых эффективного крутящего момента и часового расхода топлива определим по формулам:


; (58)


(59)

Рассчитанные точки кривых эффективного крутящего момента и часового расхода топлива сведем в таблицу 1.

Таблица 1 – Значения эффективной мощности , эффективного удельного расхода топлива , эффективного крутящего момента и часового расхода топлива в зависимости от частоты вращения коленчатого вала .

По рассчитанным значениям параметров , , , для ряда значений n производим построение внешней скоростной характеристики.


Рисунок 2 – Внешняя скоростная характеристика бензинового двигателя

С помощью построенной характеристики определяем максимальный эффективный крутящий момент: и минимальный эффективный удельный расход топлива: , а также коэффициент приспособляемости К:


. (60)


где - эффективный крутящий момент при номинальной мощности.

Читайте также: