Развернутая диаграмма бензинового двигателя

Анализ индикаторной диаграммы 4-х тактного бензинового ДВС.

Процессы, происходящие в цилиндрах поршневого двигателя, помимо круговой диаграммы, могут быть изображены в виде индикаторной диаграммы, названной так потому, что ее вычерчивает особый прибор — индикатор (от латинского слова — indico, что значит указываю, определяю). Индикаторная диаграмма — это графическое отображение изменения давления газа в цилиндре поршневого двигателя в зависимости от перемещения поршня или утла поворота кривошипа.
Если индикатор вычерчивает кривую линию, которая показывает, как изменяется давление в цилиндре в зависимости от угла поворота кривошипа, то такая диаграмма называется развернутой. Положение любой точки на кривой этой диаграммы определяет величину давления в цилиндре при соответствующем угле поворота вала.
Развернутая индикаторная диаграмма (рис. 24) показывает, например, что наибольшее давление в цилиндре дизеля 10Д100 8,72 МПа (89 кгс/см2) достигается при угле поворота кривошипа нижнего коленчатого вала, равном 7° после в. м. т.

Рис. 24. Развернутая индикаторная диаграмма дизеля с наддувом

По этой диаграмме может быть получена (пересчетом) кривая изменения температуры газов в цилиндре в зависимости от угла поворота кривошипа. На так называемой свернутой индикаторной диаграмме (рис. 25) изменение давления дано в зависимости от положения поршня.

Рис. 25. Индикаторная диаграмма дизеля без наддува

Участок 3—А, выделенный на рис. 26, а, соответствует горению топлива при постоянном объеме. Такой процесс, называемый изохорным (слово «изохорный» происходят от греческих слов isos — равный, одинаковый и chora — место, пространство, занимаемое чем-нибудь), возможен только при очень быстром, почти мгновенном сгорании топлива. Однако практически в двигателе с самовоспламенением от сжатия вся порция жидкого топлива не может быть впрыснута в цилиндр мгновенно и тем более мгновенно сгореть.

Поэтому часть топлива сгорает не при постоянном объеме, а за время перемещения поршня на величину AS (рис. 26, б). В этот период постепенного (а не мгновенного!) сгорания топлива давление газов в цилиндре не повышается, а остается постоянным (изобарный процесс- слово «изобарный» происходит от isos и греческого baros, что означает вес, тяжесть), так как при перемещении поршня одновременно увеличивается объем газов в цилиндре. На рис. 26, б (справа) выделена линия А—4, изображающая горение топлива при постоянном давлении. Рабочий цикл дизеля называется циклом со смешанным сгоранием (линия 3—А—4 на рис. 25), так как на линии 5—Б имеет место изохорическое сгорание, а на линии А—4 — изобарическое. Для большей наглядности отдельные участки индикаторной диаграммы четырехтактного дизеля без наддува представлены на рис. 27.

Рис. 27. Графическое изображение отдельных участков индикаторной диаграммы для дизеля без наддува и соответствующие положения поршня в цилиндре

Из всех процессов, с которыми мы познакомились, только во время одного процесса А—Б (см. рис. 25) совершается полезная работа. Остальные процессы являются вспомогательными, и на их выполнение затрачивается некоторая часть полезной работы, создаваемой в соседних цилиндрах.
Рассмотрим более подробно процесс, происходящий от точки 3 до точки 4. Как указывалось выше, в конце сжатия в цилиндр подается топливо, которое воспламеняется. Предположим, что сгорание внутри цилиндра дизеля происходит настолько быстро, что поршень почти не успевает переместиться (см. рис. 26, а), т. е. будем считать, что объем цилиндра, ограниченный поршнем, практически за это время не изменится. Это, как указывалось, означает, что процесс горения топлива осуществляется при постоянном объеме, т. е. работа по перемещению поршня не совершается (работа равна нулю). На что же в таком случае идет тепло, выделяющееся при сгорании? Оно идет на нагревание рабочего тела. А с повышением температуры рабочего тела возрастает давление в цилиндре, объем которого в данном случае не меняется. В действительной индикаторной диаграмме изохорный и изобарный процессы четко не разграничены, а наоборот, первый постепенно переходит во второй, т. е. процесс сгорания происходит сложнее. Свернутая индикаторная диаграмма двухтактного дизеля показана на рис. 28. Легко видеть, что в отличие от четырехтактного дизеля, здесь отсутствуют такты впуска воздуха и выпуска.

Рис. 28. Индикаторная диаграмма двухтактного двигателя

По мере развития тепловых двигателей и увеличения их быстроходности совершенствовались и индикаторные приборы. Простые по устройству механические индикаторы уступили место более сложным, которые позволяют не только получать индикаторные диаграммы отдельных процессов и судить о правильности их протекания, но даже наблюдать эти процессы непосредственно на экране (визуальные наблюдения).

По дисциплине «силовые агрегаты»

23. Способы повышения мощности ДВС.

Увеличение рабочего объема

Увеличение степени сжатия

МИНУС: Возникает необходимость перейти на бензин с более высоким октановым числом и следить за его качеством, т.к. повышается риск детонации.

Читайте также:  Ниссан патфайндер видео двигатель

Чип-тюнинг

МИНУСЫ: Практикуемая в таких случаях отмена ограничения максимальных оборотов надвигатель ведет к повышению износа двигателя, а увеличение подачи топлива на переходных режимах подразумевает увеличение расхода топлива. Цена подобной модификации стоит немалых денег.

Источник

Развернутая диаграмма бензинового двигателя

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 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 р. 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.

Источник

Индикаторные диаграммы ДВС

Исследование работы реального поршневого двигателя целесообразно производить по диаграмме, в которой дается изменение давления в цилиндре в зависимости от положения поршня за весь

цикл. Такую диаграмму, снятую 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. 7.6.1 изображена индикаторная диаграмма двигателя, работающего с быстрым сгоранием топлива при посто­янном объеме. В качестве горючего для этих двигателей применяют легкое топливо бензин, светильный или генераторный газ, спирты и др.

При ходе поршня из левого 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, линия 0-1 не является термодинамическим процессом, так как в нем основные параметры не изменяются, а изменяются только масса и объем смеси в цилиндре. При обратном движении поршня всасывающий клапан закрывается, происходит сжатие горючей смеси. Процесс сжатия на диаграмме изображается кривой 1-2, которая называется линией сжатия. В точке 2, когда поршень еще немного не дошел до левого мертвого положения, происходит воспламенение горючей смеси от электрической искры. Сгорание горючей смеси происходит почти мгновенно, т. е. практически при постоянном объеме. Этот процесс на диаграмме изображается кривой 2-3. В результате сгорания топлива температура газа резко возрастает и давление увеличивается (точка 3). Затем продукты горения расширяются. Поршень перемещается в правое мертвое положение, и газы совершают полезную работу. На индикаторной диаграмме процесс расшире­ния изображается кривой 3-4, называемой линией расширения. В точке 4 открывается выхлопной клапан, и давление в цилиндре падает почти до наружного давления. При дальнейшем движении поршня справа налево из цилиндра удаляются продукты сгорания через выхлопной клапан при давлении, несколько превышающем атмосферное давление. Этот процесс изображается на диаграмме кривой 4-0 и называется линией выхлопа.

Читайте также:  Подобрать двигатель для гриндера

Эффективной мощностью Ne называют мощность, получаемую на коленчатом валу двигателя. Она меньше индикаторной мощности Ni на величину мощности, затрачиваемой на трение в двигателе (трение поршней о стенки цилиндров, шеек коленчатого вала о подшипники и др.) и приведение в действие вспомогательных механизмов (газораспределительного механизма, вентилятора, водяного, масляного и топливного насосов, генератора и др.).

Для определения величины эффективной мощности двигателя можно воспользоваться приведенной выше формулой для индикаторной мощности, заменив в ней среднее индикаторное давление pi средним эффективным давлением рее меньше pi на величину механических потерь в двигателе)

Индикаторной мощностью Ni называют мощность, развиваемую газами внутри цилиндра двигателя. Единицами измерения мощности являются лошадиные силы (л. с.) или киловатты (квт); 1 л. с. = 0,7355 квт.

Для определения индикаторной мощности двигателя необходимо знать среднее индикаторное давление pi т. е. такое условное постоянное по величине давление, которое, действуя на поршень в течение только одного такта сгорание—расширение, могло бы совершить работу, равную работе газов в цилиндре за весь цикл.

Тепловой баланс представляет собой распределение тепла, которое появляется в двигателе за время сгорания топлива, на полезное тепло для полноценного функционирования автомобиля и тепло, что можно квалифицировать как тепловые потери. Различают такие основные потери теплоты:

Нормальный уровень теплового баланса двигателя может быть разным в зависимости от режима работы. Определяется по результатам испытаний в условиях установившегося теплового режима. Тепловой баланс помогает определить степень соответствия конструкции двигателя и экономичности его работы, и в дальнейшем принять меры по регулировке определенных процессов с целью добиться более совершенной работы.

Источник

Построение индикаторной диаграммы. Индикаторная диаграмма двигателя внутреннего сгорания строится с использованием данных расчета рабочего процесса

Индикаторная диаграмма двигателя внутреннего сгорания строится с использованием данных расчета рабочего процесса.

При построении диаграммы ее масштабы рекомендуется выбирать с таким расчетом, чтобы получить высоту равной 1,2÷1,7 ее основания.

При построении на оси абсцисс откладывается отрезок АВ, (рис 8) соответствующий рабочему объему цилиндра, а по величине равный ходу поршня в масштабе Ms. Масштаб Ms обычно принимается 1:1, 1,5:1 или 2:1.

Отрезок ОА (мм), соответствующий объему камеры сгорания, определяется из уравнения

Отрезок z′z для дизелей, работающих по циклу со смешенным подводом теплоты (рис. 9)

При построении диаграммы рекомендуется выбирать масштабы давлений Мр = 0,02; 0,025; 0,04; 0,05; 0,07; 0,08; 0,09; 0,10 МПа в мм.

За тем по данным расчета параметров действительного цикла на диаграмме откладывают в выбранном масштабе величины давлений в характерных точках: a, c, z, z, b, r.

Построение политроп сжатия и расширения можно производить аналитическим или графическим методом. При аналитическом методе построения политроп сжатия и расширения вычисляется ряд точек для промежуточных объемов, расположенных между Vc и Va и между Vz и Vb, по уравнению политропы .

Рис. 8. Индикаторная диаграмма бензинового двигателя

Рис. 9. Индикаторная диаграмма дизельного двигателя

Для политропы сжатия , откуда

, (2.30)

где px и Vx – давление и объем в искомой точке процесса сжатия.

Отношение Va/Vx изменяется в пределах 1÷ ε.

Аналогично для политропы расширения

(2.31)

Определение ординат расчетных точек политроп сжатия и расширения удобно производить в табличной форме.

Построение индикаторной диаграммы производят, соединяя точки а и с, z и b плавными кривыми, а точки b и a, c и z – прямыми линиями.

Процессы впуска и выпуска принимают протекающими при р = const и V = const

Для проверки правильности построения диаграммы определяют

где F – площадь диаграммы ac′c″zдb′b″a.

Расчет индикаторных и эффективных показателей ДВС

Индикаторные показатели

Рабочий цикл двигателя внутреннего сгорания характеризуется средним индикаторным давлением, индикаторной мощностью, индикаторным КПД и удельным индикаторным расходом топлива.

Читайте также:  Проверка герметичности двигателя дымом

Теоретическое среднее индикаторное давление – это отношение теоретической расчетной работы газов за один цикл к ходу поршня.

Для бензиновых двигателей, работающих по циклу с подводом теплоты при V = const, теоретическое среднее индикаторное давление

. (3.1)

Для дизеля, работающего по циклу со смешенным подводом теплоты при V = const и р = const

. (3.2)

Среднее индикаторное давление pi действительного цикла отличается от значения на величину, пропорциональную уменьшению расчетной диаграммы за счет скругления в точках с, z, b.

Уменьшение теоретического среднего индикаторного давления вследствие отклонения действительного процесса от расчетного цикла оценивается коэффициентом полноты диаграммы φи и величиной среднего давления насосных потерь Δpi.

Коэффициент полноты диаграммы φи принимается равным:

для карбюраторных двигателей …………………….…. 0,94÷0,97

для двигателей с электронным впрыском топлива…… 0,95÷0,98

Среднее давление насосных потерь (МПа) при процессах впуска и выпуска

Для четырехтактных двигателей без наддува величина Δpi положительна. В двигателях с наддувом от приводного нагнетателя при pa > pr величина Δpi отрицательна. При газотурбинном наддуве значение pa может быть как больше, так и меньше pr, т.е. величина Δpi может быть как отрицательной, так и положительной.

При проведении расчетов потери на газообмен учитываются в работе, затрачиваемой на механические потери. В связи с этим принимают, что среднее индикаторное давление pi отличается от только на коэффициент полноты диаграммы

pi = φи . (3.4)

При работе на полной нагрузке величина pi (МПа) достигает:

для четырехтактных бензиновых двигателей…………………… 0,6÷1,4

для четырехтактных форсированных бензиновых двигателей… до 1,6

для четырехтактных дизелей без наддува………………………. 0,7÷1,1

для четырехтактных дизелей с наддувом……………………….. до 2,2

Индикаторная мощность Ni – работа, совершаемая газами внутри цилиндра в единицу времени.

Для многоцилиндрового двигателя индикаторная мощность (кВт) равна

где pi – среднее индикаторное давление, МПа;

Vh – рабочий объем одного цилиндра, л (дм 3 );

i – число цилиндров;

τ – тактность двигателя. Для четырехтактного двигателя τ=4.

Индикаторная мощность одного цилиндра

Индикаторный КПД ηi характеризует степень использования в действительном цикле теплоты топлива для получения полезной работы и представляет собой отношение теплоты, эквивалентной индикаторной работе цикла, ко всему количеству теплоты, внесенной в цилиндр с топливом.

где Li – теплота, эквивалентная индикаторной работе, МДж/кг;

Ни – низшая теплота сгорания топлива, МДж/кг.

Для автомобильных и тракторных двигателей, работающих на жидком топливе

В автомобильных и тракторных двигателях, работающих на номинальном режиме, величина индикаторного КПД составляет:

для двигателей с электронным впрыском топлива……… 0,35÷0,45

для карбюраторных двигателей…………………………… 0,30÷0,40

Удельный индикаторный расход топлива gi [/(кВт·ч)] характеризует экономичность действительного цикла

Удельный расход топлива на номинальном режиме:

для двигателей с электронным впрыском топлива …gi = 180÷230 г(кВт·ч)

для карбюраторных двигателей………………………gi = 210÷275 г(кВт·ч)

Эффективные показатели

Эффективными показателями называют величины, характеризующие работу двигателя, снимаемую с его вала и полезно используемую. К числу эффективных показателей относятся: эффективная мощность, крутящий момент, среднее эффективное давление, удельный эффективный расход, эффективный КПД.

Эффективная мощность. Полезная работа, получаемая на валу двигателя в единицу времени называется эффективной мощностью Ne.

где Nмп мощность механических потерь.

Эффективная мощность дана студенту в исходных данных для проектирования ДВС (см. задание на выполнение курсового проекта).

Под механическими потерями понимают потери на все виды механического трения, осуществление газообмена, привод вспомогательных механизмов (водяного, масляного, топливного насосов, вентилятора, генератора и пр.), вентиляционные потери, связанные с движением деталей двигателя в среде воздушно-масляной эмульсии и воздуха, а также на привод компрессора.

Механические потери оценивают средним давлением механических потерь pмп, которое характеризует удельную работу механических потерь (приходящуюся на единицу рабочего объема) при осуществлении рабочего цикла.

При аналитическом определении Ne (кВт) она рассчитывается по формуле:

где pe=Le/Vh — среднее эффективное давление (МПа), т. е. полезная работа, получаемая за цикл с единицы рабочего объема;

Vh – рабочий объем цилиндра, л;

Эффективный крутящий момент Ме (Н∙м)

При расчете ДВС среднее эффективное давление (МПа) определяют как

Среднее давление механических потерь pмп (МПа) для двигателей различного типа определяется по определяется по эмпирическим формулам:

для бензиновых двигателей с числом цилиндров до шести и отношением S/D>1

для бензиновых двигателей с числом цилиндров до шести и отношением S/D≤1

для четырехтактных дизелей с неразделенными камерами

для предкамерных дизелей

для дизелей с вихревыми камерами

В современных автомобильных и тракторных двигателях скорость Vп.ср (м/с) поршня изменяется в пределах:

бензиновые двигатели легковых автомобилей………12-20

бензиновые двигатели грузовых автомобилей……….9-16

дизельные двигатели автомобилей…………………. 7-14

дизельные двигатели тракторов………………………..6-11

Отношение среднего эффективного давления к среднему индикаторному давлению называется механическим КПД двигателя:

Эффективный КПД двигателя ηе определяется отношением количества теплоты, эквивалентной полезной работе на валу двигателя, к общему количеству теплоты, внесенной в двигатель с топливом и может быть рассчитан по формуле:

Удельный эффективный расход [г/(кВт∙ч)] жидкого топлива

Часовой расход топлива Gт (кг∙ч)

Источник