Что такое индикаторная диаграмма поршневого двигателя

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.

Рис. 26. Графическое изображение процессов горения в координатах p-V (давление — объем)
а) сгорание смеси при постоянном объеме (изохорный процесс); б) сгорание смеси при постоянном давлении (изобарный процесс)

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).

Читайте также:  Какая компрессия должна быть в двигателе зил 130 с ураловской поршневой

Источник

Что такое индикаторная диаграмма поршневого 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 впуска горючей смеси (для карбюраторных двигателей) или очищенного воздуха (для дизелей) на индикаторных диаграммах характеризуется кривой r а , которая расположена ниже линии атмосферного давления р. 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; р — 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 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);

Читайте также:  Двигатели аир тех характеристики

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.

Отношение площади действительной индикаторной диаграм­мы (отмеченной знаком «+») к площади теоретической индика­торной диаграммы называется коэффициентом полноты диаграммы, который равен 0,92 ÷ 0,96. Если полезную площадь индика­торной диаграммы заменить площадью равновеликого прямоуголь­ника, у которого основание прямо пропорционально рабочему объему цилиндра, то высота прямоугольника будет пропорцио­нальна среднему индикаторному давлению p i , представляющему собой условное постоянное давление газов, под действием которого во время рабочего хода поршень совершает работу, равную индикаторной работе газов за цикл.

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.

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.

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

Из описания работы процесса реального двигателя внутрен­него сгорания с быстрым сгоранием 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.

Рассмотрим идеальный термодинамический цикл двигателя с изохорным подводом количества теплоты (v=соnst), состоящий из двух изохор и двух адиабат.

На рис. 70.2 и 70.3 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 2-3 рабочему телу сообща­ется количество теплоты . От точки 3 рабочее тело расширяется по адиабате 3-4. Наконец, по изохоре 4-1 рабочее тело возвращает­ся в первоначальное состояние, при этом отводится количество теплоты в теплоприемник. Характеристиками цикла являются степень сжатия и степень повышения давления .

Читайте также:  Как вытащить поршень из двигателя 2109

Определяем термический КПД этого цикла, полагая, что теплоемкость и величина постоянны:

.

Количество подведенной теплоты , а количество отведенной теплоты .

Тогда термический КПД цикла

.

Рис. 7.6.2 Рис. 7.6.3

Термический КПД цикла с подводом количества теплоты при постоянном объеме

. (7.6.1) (17:1)

Из уравнения (70.1) следует, что термический КПД такого цикла зависит от степени сжатия и показателя адиабаты или от при­роды рабочего тела. КПД увеличивается с возрастанием и . От степени повышения давления , термический КПД не зависит.

С учетом – диаграммы (рис. 70.3) КПД определяем из соотношения площадей:

= (пл. 6235—пл. 6145)/пл. 6235 = пл. 1234/пл. 6235.

Очень наглядно можно проиллюстрировать зависимость КПД от увеличения на – диаграмме (рис. 7.70.3).

При равенстве площадей подведенного количества теплоты в двух циклах (пл. 67810=пл. 6235), 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

Такими высокими достоинствами обладают двигатели, работающие с постепенным сгоранием топлива при постоянном давлении. В них воздух сжимается в цилиндре двигателя, а жидкое топливо распыляется сжатым воздухом от компрессора. Раздельное сжатие позволяет применять высокие степени сжатия (до ) и исключает преждевременное самовоспламенение топлива. Процесс горения топлива при постоянном давлении обеспечивается соответствующей регулировкой топливной форсунки. Создание такого двигателя связывают с именем немецкого инженера Дизеля, впервые разработавшего конструкцию подобного двигателя.

Рассмотрим идеальный цикл двигателя с постепенным сгоранием топлива при постоянном давлении, т. е. цикл с подводом количества теплоты при постоянном давлении. На рис. 70.4 и 70.5 изображен этот цикл в и диаграммах. Осуществляется он следующим образом. Газообразное рабочее тело с начальными параметрами , , сжимается по адиабате 1-2; затем телу по изобаре 2-3 сообщается некоторое количество теплоты . От точки 3 рабочее тело расширяется по адиабате 3-4. И наконец, по изохоре 4-1 рабочее тело возвращается в первоначальное состоя­ние, при этом в теплоприемник отводится теплота .

Характеристиками цикла являются степень сжатия и степень предварительного расширения .

Определим термический КПД цикла, полагая, что теплоемкости и и их отношение постоянны:

.

Количество подведенной теплоты

,

количество отведенной теплоты

Термический КПД цикла

Рис. 7.6.4 Рис. 7.6.5

Среднее индикаторное давление в цикле с подводом теплоты при определяется из формулы

Среднее индикаторное давление увеличивается с возрастанием и .

Цикл с подводом количества теплоты в процессе при и , или цикл со смешанным подводом количества теплоты.

Двигатели с постепенным сгоранием топлива при имеют некоторые недостатки. Одним из них является наличие компрессора, применяемого для подачи топлива, на работу которого расходуется 6–10% от общей мощности двигателя, что усложняет конструкцию и уменьшает экономичность двигателя. Кроме того, необходимо иметь сложные устройства насоса, форсунки и т. д.

Стремление упростить и улучшить работу таких двигателей привело к созданию бескомпрессорных двигателей, в которых топливо механически распыляется при давлениях 50–70 МПа. Проект бескомпрессорного двигателя высокого сжатия со смешанным подводом количества теплоты разработал русский инженер Г. В. Тринклер. Этот двигатель лишен недостатков обоих разобранных типов двигателей. Жидкое топливо топливным насосом подается через топливную форсунку в головку цилиндра в виде мельчайших капелек. Попадая в нагретый воздух, топливо само­воспламеняется и горит в течение всего периода, пока открыта форсунка: вначале при постоянное объеме, а затем при постоян­ном давлении.

Идеальный цикл двигателя со смешанным подводом количества теплоты изображен в – и – диаграммах на рис. 70.6 и 70.7.

Рис. 7.6.6 Рис. 7.6.7

Рабочее тело с параметрами , , сжимается по адиабате 1-2 до точки 2. По изохоре 2-3 к ра­бочему телу подводится первая

доля теплоты . По изобаре 3-4 подводится вторая доля теплоты .

От точки 4 рабочее тело расширяется по адиабате 4-5. И наконец, по изохоре 5-1 рабочее тело возвращается в первоначальное состояние – в точку 1, при этом отводится теплота в теплоприемник. Характеристиками цикла являются степень сжатия , степень повышения давления и степень предварительного расширения .

Определим термический КПД цикла при условии, что теплоемкости , и показатель адиабаты постоянны:

Первая доля подведенного количества теплоты

.

Вторая доля подведенного количества теплоты

.

Количество отведенной теплоты

.

Источник