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.
Под индицированием понимается снятие с последующей обработкой индикаторных диаграмм, представляющих собой графическую зави-симость развиваемого в рабочем цилиндре давления в функции хода поршня S или пропорционального ему объема цилиндра V s (см. рис. 1 и 2).
Индикаторы «Майгак»
Диаграммы снимаются с каждого рабочего цилиндра с помощью спе-циального прибора — индикатора поршневого типа «Майгак». Наличие диаграммы позволяет определить важные для анализа рабочего процесса параметры Р i , Р с и Р макс. Диаграмма на рис. 1 типична для двигателей, при эксплуатации которых главная задача состояла в снижении уровня и содержания в выхлопе окислов азота. Для этого, как уже ранее отмечалось, осуществляется более поздний впрыск топлива и сгорание происходит с меньшим ростом давления и температур в камере сгорания.
Рис. 1 Индикаторная диаграмма двигателя МАН-БВ KL-MC
Если же главная цель состоит в повышении экономичности двигателя, то сгорание организуется с более ранней подачей топлива и, соответс-твенно, большим ростом давлений. При наличии электронной системы управления подачей топлива такая перестройка легко осуществляется.
На диаграмме рис. 2 четко видны два горба — сжатие и затем сгора-ние. Такой характер достигнут за счет еще более поздней подачи топлива. На рисунках приведены два вида диаграмм — свернутая, по которой оп-ределяется среднее индикаторное давление, и развернутая, позволяющая визуально оценить характер развития процессов. Подобные диаграммы можно получить при использовании поршневого индикатора «Майгак», для которого необходимо наличие , позволяющего
Рис. 2 Индикаторная диаграмма двигателя МАН-БВ SMC синхронизировать вращение барабана индикатора с движением поршня индицируемого цилиндра. Подключение привода позволяет получить свернутую диаграмму, планиметрированием площади которой определя-ется среднее индикаторное давление , представляющее собой некоторое среднее условное давление, действующее на поршень и совершающее в течение одного хода работу, равную работе газов за цикл.
P i = F инд.д / L m, где F инд.д — площадь диаграммы, пропорциональная работе газов за цикл, L — длина диаграммы, пропорциональная величине рабочего объема цилиндра, m — масштабный множитель, зависящий от жесткости пружины поршня индикатора.
По P i подсчитывается индикаторная мощность цилиндра N i = C P i n , где η — число оборотов 1/мин и С — постоянная цилиндра. Эффективная мощность N e = N i η мех кВт, η мех -механический кпд двигателя, который можно найти в документации по двигателю.
Перед тем, как приступить к индицированию, проверьте состояние индикаторного крана и привода. Возможные ошибки в их состоянии проиллюстрированы на рис. 3.
Гребенка (рис. 2) снимается при ручном управлении шнуром, отсоединенным от индикаторного привода. Наличие гребенки поз-воляет оценить стабильность циклов и более точно замерить Р макс . Если пики одинаковы, то это свидетельствует о стабильной работе топливной аппаратуры.
Важно отметить, что поршневые индикаторы обладают малой часто-той собственных колебаний. Последняя должна,как минимум, в 30 раз превышать число оборотов двигателя. В противном случае индикатор-ные диаграммы будут сниматься с искажениями. Поэтому применение
Рис. 3 Ошибки в настройке привода индикатора поршневых индикаторов ограничивается 300 об/мин. Индикаторы со стержневой пружиной обладают большей частотой собственных коле-баний и их применение допускается в двигателях с частотой вращения до 500-700 об/мин. Однако, в таких двигателях индикаторный привод отсутствует и приходится ограничиваться снятием гребенок или раз-вернутых диаграмм, по которым среднее не определить.
Второе ограничение касается величины максимального давления в цилиндрах. В современных двигателях с высоким уровнем форсировки оно достигает 15-18 МПа. При используемом в индикаторе «Майгак» пор-шне для дизелей диаметром 9,06 мм максимально жесткая пружина огра-ничивает Р макс = 15 МПа. При такой пружине точность измерения весьма низкая, так как масштаб пружины составляет 0,3 мм на 0,1 МПа.
Существенно также, что работа по индицированию довольно утоми-тельна и трудоемка, а точность результатов невысока. Малая точность обусловливается ошибками, возникающими из-за несовершенства инди-каторного привода и неточности обработки индикаторных диаграмм при их ручном планиметрировании. Для сведения — неточность индикатор-ного привода, выражающаяся в смещении ВМТ привода от ее истинного положения на 1°, приводит к ошибке примерно в 10%.
Индикаторная диаграмма двигателя внутреннего сгорания строится с использованием данных расчета рабочего процесса.
При построении на оси абсцисс откладывается отрезок АВ, (рис 8) соответствующий рабочему объему цилиндра, а по величине равный ходу поршня в масштабе M s . Масштаб M s обычно принимается 1:1, 1,5:1 или 2:1.
Отрезок ОА (мм), соответствующий объему камеры сгорания, определяется из уравнения
ОА = АВ/(ε – 1) (2.28)
Отрезок z′z для дизелей, работающих по циклу со смешенным подводом теплоты (рис. 9)
z′z = ОА(ρ – 1) (2.29)
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 V c и V a и между V z и V b , по уравнению политропы .
Рис. 8. Индикаторная диаграмма бензинового двигателя
Рис. 9. Индикаторная диаграмма дизельного двигателя
Для политропы сжатия 
, откуда
, (2.30)
где p x и V x – давление и объем в искомой точке процесса сжатия.
Отношение V a /V x изменяется в пределах 1÷ ε.
Аналогично для политропы расширения
(2.31)
Для бензиновых двигателей отношение V b /V x изменяется в интервале 1÷ε , для дизелей – 1÷ δ.
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
р i = M p /AB
где F – площадь диаграммы a c′c″z д b′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.
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
Для дизеля, работающего по циклу со смешенным подводом теплоты при V = const и р = const
Среднее индикаторное давление p i 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 φ и и величиной среднего давления насосных потерь Δp i .
Коэффициент полноты диаграммы φ и принимается равным:
для карбюраторных двигателей …………………….…. 0,94÷0,97
для двигателей с электронным впрыском топлива…… 0,95÷0,98
для дизелей………………………………………………. 0,92÷0,95
Среднее давление насосных потерь (МПа) при процессах впуска и выпуска
Δp i = p r – p a . (3.3)
Для четырехтактных двигателей без наддува величина Δp i положительна. В двигателях с наддувом от приводного нагнетателя при p a > p r величина Δp i отрицательна. При газотурбинном наддуве значение p a может быть как больше, так и меньше p r , т.е. величина Δp i 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 p i отличается от только на коэффициент полноты диаграммы
p i = φ и . (3.4)
При работе на полной нагрузке величина p i (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 N i – работа, совершаемая газами внутри цилиндра в единицу времени.
Для многоцилиндрового двигателя индикаторная мощность (кВт) равна
N i = p i V h in /(30τ ), (3.5)
где p i – среднее индикаторное давление, МПа;
V h – рабочий объем одного цилиндра, л (дм 3);
i – число цилиндров;
n – частота вращения коленчатого вала двигателя, мин -1 ;
τ – тактность двигателя. Для четырехтактного двигателя τ=4.
Индикаторная мощность одного цилиндра
N i = p i V h n /(30τ ), (3.6)
Индикаторный КПД η i 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.
Для 1 кг топлива
η i = L i /Н и , (3.7)
где L i – теплота, эквивалентная индикаторной работе, МДж/кг;
Н и – низшая теплота сгорания топлива, МДж/кг.
Для автомобильных и тракторных двигателей, работающих на жидком топливе
η i = p i ·l 0 ·α /(Н и ·ρ k ·η V), (3.8)
где p i выражено в МПа; l 0 – в кг/кг топл.; Н и – в МДж/кг топл.; ρ k – в кг/м 3 .
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
для дизелей…………………………………………………. 0,40÷0,50
Удельный индикаторный расход топлива g i характеризует экономичность действительного цикла
g i = 3600/(η i Н и) или g i = 3600 ρ 0 η V /(p i ·l 0 ·α) . (3.10)
Удельный расход топлива на номинальном режиме:
для двигателей с электронным впрыском топлива …g i = 180÷230 г(кВт·ч)
для карбюраторных двигателей………………………g i = 210÷275 г(кВт·ч)
для дизелей……………………………………….……g i = 170÷210 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 N e .
N e =N i - N мп (3.9)
где N мп 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 p мп, которое характеризует удельную работу механических потерь (приходящуюся на единицу рабочего объема) при осуществлении рабочего цикла.
При аналитическом определении N e (кВт) она рассчитывается по формуле:
N e = p e V h in /(30τ ) (3.10)
где p e =L e /V h - среднее эффективное давление (МПа), т. е. полезная работа, получаемая за цикл с единицы рабочего объема;
V h – рабочий объем цилиндра, л;
n – число оборотов коленчатого вала, мин -1
Эффективный крутящий момент М е (Н∙м)
М е = (3∙10 4 /π)(N e /n ) (3.11)
При расчете ДВС среднее эффективное давление (МПа) определяют как
p e = p i - p мп (3.12)
Среднее давление механических потерь p мп (МПа) для двигателей различного типа определяется по определяется по эмпирическим формулам:
для бензиновых двигателей с числом цилиндров до шести и отношением S/D>1
p мп =0,049 + 0,0152V п.ср;
для бензиновых двигателей с числом цилиндров до шести и отношением S/D≤1
p мп =0,034 + 0,0113V п.ср
для четырехтактных дизелей с неразделенными камерами
p мп =0,089 + 0,0118V п.ср
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..
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.
