Робочі цикли
3. Індикаторна діаграма робочого циклу чотиритактних двигунів
Графічне уявлення про тиск газів за зміни об'єму в циліндрі за цикл дає індикаторна діаграма. Вона може бути побудована за даними теплового розрахунку або знята під час випробування двигуна за допомогою спеціального приладу - індикатора. Площа індикаторної діаграми (рис. 3) у прийнятому масштабі характеризує роботу, яку здійснюють гази в циліндрі за один цикл.
При побудові індикаторної діаграми по осі абсцис у прийнятому масштабі відкладають об'єм циліндраV, а по осі ординат - абсолютний тиск газур. Характерними точками індикаторної діаграми є точкиa,c,z,b,r.
Процес впусканнягорючої суміші (для карбюраторних двигунів) або очищеного повітря (для дизелів) на індикаторних діаграмах характеризується кривоюr а, яка розташована нижче лінії атмосферного тискур0 . Це вказує на те, що процес впуску відбувається при деякому майже постійному розрідженні в циліндрі.
Рисунок 3 - Індикаторні діаграми чотиритактних двигунів:
а - карбюраторного; б - дизеля;р0 - атмосферний тиск;r- кінець процесу випуску;рr- тиск у кінці випуску; точкаа- кінець процесу впуску;ра- тиск у кінці впуску; точкас- кінець процесу стиснення;рс- номінальний тиск за ступенем стиснення; точкас'- початок горіння робочої суміші;рс″- дійсний тиск наприкінці процесу стиснення; прямаcz- процес згоряння; точкаz- відповідає розрахунковому тиску газів (pz); точкаz′- відповідає дійсному тиску газів (pz′); точкаb '- початок відкриттявипускного клапана та видалення відпрацьованих газів; точкаb- кінець процесу розширення;рb- тиск наприкінці розширення;Vz- об'єм, що змінюється над поршнем (точкиz,…,z) в циліндрі дизеля при постійному тискур;рi- середній індикаторний тиск; 1, 2, 3, 4 - площі округлень індикаторної діаграми.
Процес стисненняна індикаторній діаграмі характеризується кривоюас, яка показує, як збільшується тиск у циліндрі в міру зменшення об'єму робочої суміші при такті стиснення.
Початок горінняробочої суміші (точказ', рис. 3,а) визначається кутом випередження запалення та впливає на тиск в кінці такту стиснення (точкарс "). Практично тискрс″дорівнює 1,15 ÷ 1,25рс.
Процес згорянняробочої суміші на індикаторній діаграмі зображується прямою лінієюcz, яка показує, що процес згоряння відбувається зі швидким (за кілька мілісекунд) підвищенням тиску газів при майже постійному їх об'ємі. Справжній максимальний тискp′zу карбюраторних двигунах становить 0,83 ÷ 0,88pz при одночасному зміщенні точкиz′праворуч від лініїcz(у ВМТ) на 10 ÷ 15 ° кута повороту колінчастого валу.
Процес розширенняхарактеризується на індикаторній діаграмі кривоїzb, що показує, як зменшується тиск у циліндрі в міру збільшення об'єму внаслідок переміщення поршня при такті розширення.
Процес випускувідпрацьованих газів з циліндра на індикаторній діаграмі зображується кривоюb'r, яка проходить вище лінії атмосферного тискур0. Це означає, що тиск при такті випуску більше атмосферного та гази за рахунок підвищеного тискувиходять із циліндра в атмосферу, проте повністю очистити циліндри двигуна від продуктів згоряння практично неможливо.
Тому введено таке поняття: коефіцієнт залишкових газів, який характеризує ступінь забруднення свіжого заряду (паливної суміші) відпрацьованими газами і є відношенням маси продуктів згоряння, що залишилися в циліндрах, до маси свіжої горючої суміші. Для карбюраторних двигунів коефіцієнт залишкових газів дорівнює 0,06 ÷ 0,12, а для дизелів 0,03 ÷ 0,06.
Площа корисної (дійсної) індикаторної діаграми дещо менша за площу теоретичної індикаторної діаграми. Це зумовлено поступовим переходом одного такту в інший, відповідно відбувається округлення діаграми (на малюнку 3,бпоказано штрихуванням 1, 2, 3, 4). Зменшення площі дійсної діаграми відбувається з наступних причин:
зі збільшенням кута випередження запалювання чи впорскування палива лінія стискування більш плавно перетворюється на лінію згоряння, у своїй втрачається частина площі теоретичної діаграми (площа 2);
внаслідок того, що процес згоряння починається до приходу поршня у ВМТ (точказ'), а закінчується при повороті колінчастого валу на 15 20° після проходження ВМТ. В результаті максимальний тиск циклу знижується на 10 ÷ 15 % і корисна площа діаграми зменшується, причому у карбюраторних двигунів дещо більше, ніж у дизелів (площа 1);
випускний клапан відкривається за 40 ÷ 70° до приходу поршня в НМТ, внаслідок чого лінія розширення з точкиb 'плавно переходить у лінію випуску, при цьому втрачається частина корисної площі діаграми (площа 3).
Робота, що витрачається на здійснення процесів впуску та випуску, на індикаторній діаграмі визначається площею 4,укладеної між лініями впуску та випуску. Цю роботу називають насосними втратами та відносять її до механічних втрат двигуна.
Відношення площі дійсної індикаторної діаграми (відзначеної знаком «+») до площі теоретичної індикаторної діаграми називаєтьсякоефіцієнтом повноти діаграми, який дорівнює 0,92 ÷ 0,96. Якщо корисну площу індикаторної діаграми замінити площею рівновеликого прямокутника, у якого основа прямо пропорційно робочому об'єму циліндра, то висота прямокутника буде пропорційна середньому індикаторному тискуpi ,що представляє собою умовний постійний тиск газів, під дією якого під час робочого ходу поршень здійснює роботу, що дорівнює індикаторній роботі газів за цикл.
Середнім індикаторним тискомpiзазвичай користуються визначення індикаторної потужності, що є роботу, здійснювану газами в одиницю часу всередині циліндра двигуна.
Таким чином, основним показником, що визначає індикаторну потужність двигуна за інших рівних умов, є середній індикаторний тиск, який для карбюраторних двигунів лежить в межах 0,7 1,5 МПа, а для дизелів - 0,75 1,8 МПа.