Что показывает индикаторная диаграмма двигателя

Что показывает индикаторная диаграмма 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; р_а — давление в конце впуска; точка с — конец процесса сжатия; р_с — номи­нальное давление по степени сжатия; точка с’ — начало горения рабочей смеси; р_с″ — действительное давление в конце процесса сжатия; прямая cz — процесс сгорания; точка z — соответствует расчетному давлению газов ( p_z); точка z′ — соответствует действительному давлению газов ( p_z′); точка b ′ — начало открытия выпускного клапана и удаления отработавших газов; точка b — конец процесса расширения; р _b — давление в конце расширения; V_z — 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 р_с″). Практически давление р_с″ равно 1,15 ÷ 1,25 р_с.

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.

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.

Маневровые локомотивы

Индикаторные диаграммы рабочего процесса четырех- и двухтактных дизелей

Так же, как и диаграмму термодинамического цикла, можно изобразить в координатах р-V и действительный цикл двигателя внутреннего сгорания. Полученная при этом диаграмма называется индикаторной.

Диаграмма четырехтактного дизеля. Вначале рассмотрим рабочий цикл четырехтактного дизеля, не имеющего наддува.

Первый такт — наполнение. Когда поршень дизеля двигается слева направо, открывается впускной клапан 3 (рис. 19) и воздух из атмосферы поступает в цилиндр. В двигателях без наддува процесс наполнения цилиндра происходит вследствие разрежения

Рис. 19. Диаграмма рабочего цикла четырехтактного дизеля и схема его устройства:

1 — поршень; 2 — цилиндр; 3 — впускной клапан; 4 — форсунка; 5 — выпускной клапан в нем, а давление воздуха в цилиндре достигает 0,085-0,09 МПа, поэтому линия наполнения цилиндра располагается ниже атмосферной (0,1 МПа). В действительности линия наполнения не прямая, так как на нее оказывают влияние неравномерность скорости движения поршня, фазы открытия и закрытия клапанов, конструкция входного патрубка и другие факторы. Для более полной зарядки цилиндра воздухом принимаются меры к снижению сопротивления проходу воздуха в цилиндр. Качество зарядки цилиндра оценивается коэффициентом наполнения ц„, который обычно равен0,8-0,88. Это значит, что цилиндр дизеля наполняется воздухом только на 80-88 % по сравнению с тем количеством воздуха, которое поместилось бы в рабочем объеме цилиндра при нормальных условиях окружающей среды. Коэффициент наполнения зависит главным образом от температуры и давления воздуха в точке а (см. рис. 19). Чем выше давление и чем ниже температура воздуха в точке а, тем больше коэффициент наполнения (рис. 20).

Второй такт — сжатие. Поршень движется справа налево, впускной клапан закрывается, воздух в цилиндре сжимается. При этом температура его в точке с повышается до 500-750 °С, а давление может возрастать до 5- 7 МПа. Процесс сжатия на диаграмме изображен линией ас (см. рис. 19). Когда поршень еще не дошел до верхней мертвой точки (в.м.т.) на 18-30° угла поворота коленчатого вала, через форсунку 4 в цилиндр впрыскивается жидкое топливо, которое в точке с воспламеняется и начинает гореть. Подача топлива прекращается после того, как поршень уже пройдет в.м.т. на 10-15° и снова начнет двигаться слева направо. Поступившее в цилиндр топливо перемешивается с воздухом и начинает гореть. На диаграмме процесс горения изображен ломаной линией сг’г.

Третий такт — расширение газа. В начале третьего хода поршня происходит сгорание топлива, которое теоретически заканчивается в точке г. Давление в точке г возрастает до 8-13 МПа, а температура до 1750- 2100 К. После точки г происходит расширение газов, которое продолжается до тех пор, пока не откроется выпускной клапан. Последний открывается в точке е’ на 40-55° до нижнего положения поршня, когда давление в цилиндре достигает 0,5-0,8 МПа, а температура 1000-1100 К- Предварение открытия выпускного клапана способствует уменьшению сопротивления выходу отработавших газов через выпускную систему и, следовательно, лучшей очистке цилиндра от отработавших

Рис. 20. Изменение коэффициента наполнения цилиндров г),, в зависимости от давления и температуры воздуха в цилиндре в начале сжатия

Рис. 21. Индикаторная диаграмма четырехтактного дизеля с газотурбинным наддувом:

ря — давление в период наполнения; рг давление в цилиндре в период выпуска; рк — давление воздуха в наддувочном коллекторе; V,, объем камеры сжатия: объем, описываемый поршнем, V* — полный объем цилиндра газов. Ход расширения является полезным рабочим ходом, так как в этот период газы с большим давлением действуют на поршень дизеля в направлении его движения и совершают полезную работу, отдавая ее нагрузочному агрегату.

Четвертый такт — выпуск газов. Поршень движется справа налево, вы-

Рис. 22. Диаграмма рабочего цикла двухтактного дизеля и схема его устройства:

А — продувочное окно; В — выпускное окно. 1 — цилиндр; > — поршень; ,3 — форсунка пускной клапан 5 открыт и газы выталкиваются из цилиндра. Процесс выпуска газов на диаграмме изображен линией e’er. Удаление газов происходит при давлении 0,11-0,12 МПа, поэтому линия выпуска газов располагается выше атмосферной линии. Температура газов за выпускным клапаном равна 700-900 К-

Для более совершенной продувки и зарядки цилиндра воздухом впускной и выпускной клапаны на протяжении 50-100° поворота кривошипа коленчатого вала открыты одновременно. Это так называемое «перекрытие» клапанов обеспечивает хорошую очистку цилиндров от продуктов сгорания топлива и более полное заполнение рабочего объема воздухом, а также охлаждение днища поршня и выпускных клапанов потоком холодного воздуха. Качество очистки цилиндра от отработавших газов оценивается коэффициентом остаточных газов у, который представляет собой отношение количества оставшихся в цилиндре от предыдущего цикла газов к величине поступившего в цилиндр свежего воздушного заряда. Обычно у — = 0,024-0,1.

Особенности рабочего цикла четырехтактного дизеля с газотурбинным наддувом. В дизелях с наддувом процесс зарядки цилиндра происходит иначе, чем у двигателей без наддува. Турбокомпрессор засасывает воздух из атмосферы при давлении р0 (рис. 21) и сжимает до давления рк- Сжатый в турбокомпрессоре воздух прежде, чем попасть в цилиндр, проходит через охладитель, впускной коллектор и выпускные клапаны; на пути от турбокомпрессора до цилиндра его давление снижается от рк до р„. Поэтому линия давления впуска расположена ниже линии рк и выше атмосферной линии (Ро).

После заполнения цилиндра воздухом поршень, двигаясь от точки а налево, сжимает воздух. Процесс сжатия изображен кривой ас. В конце сжатия в цилиндр впрыскивается топливо, которое воспламеняется в точке с. Процесс сгорания показан линиями cz’ и г’г. Расширение газов происходит по кривой ге. В точке е открываются выпускные клапаны, и отработавшие газы выталкиваются в газовую турбину (при давлении рт), а затем выбрасываются в атмосферу. Таким образом, линия выпуска газа из цилиндра расположена выше атмосферной и ниже линии наполнения. В четырехтактных двигателях энергии отработавших газов вполне достаточно, чтобы нагнетатель сжимал воздух до давления рк, более высокого, чем рг. В результате наддува площадь индикаторной диаграммы, а следовательно, и мощность дизеля значительно возрастают.

Следует отметить, что в действительности процесс сгорания происходит не по прямым линиям с г’ и г’г, а по штриховой линии (см. рис. 21).

Диаграмма двухтактного дизеля. Сжатие воздуха в цилиндре при движении поршня справа налево начинается в точке а и продолжается до точки с (рис. 22). За 16-25° угла поворота коленчатого вала до крайнего левого положения поршня через форсунку 3 в цилиндр при высоком давлении подается жидкое топливо (в мелкораспыленном виде), которое, соприкасаясь с нагретым до высокой температуры сжатым воздухом, воспламеняется. Образовавшиеся газы, стремясь расшириться, перемещают поршень вправо. Движущийся поршень через шатун вращает коленчатый вал. Не доходя до крайнего правого положения, поршень 2 своей кромкой открывает выпускное окно Б, давая выход отработавшим газам через глушитель наружу. Двигаясь дальше вправо, поршень открывает продувочное окно Л, через которое в цилиндр стремляется свежий воздух, имеющий повышенное давление. Воздух вытесняет отработавшие газы и заполняет цилиндр. Когда поршень изменит направление и начнет двигаться справа налево, он вначале закроет продувочное окно А, а затем выпускное Б, после чего начнется сжатие оставшегося в цилиндре воздуха. Таким образом, полный рабочий процесс (цикл) в двухтактном дизеле совершается за два кода поршня (такта), при этом коленчатый вал совершает один оборот.

В двухтактных дизелях продувочный воздух подается в цилиндры нагнетателем, приводимым в движение от вала дизеля, или турбокомпрессором. От качества продувки цилиндров зависит мощность и к.п.д. дизеля. Чтобы обеспечить хорошую продувку цилиндров воздухом и снизить тепловое напряжение деталей дизеля, соприкасающихся с горячими газами, в цилиндры подается значительно больше воздуха, чем требуется для горения топлива; во время продувки часть воздуха уходит через выпускные окна. Учитывая это, подача продувочного воздушного нагнетателя должна быть на 30-40 % больше, чем это необходимо для обеспечения полного сгорания топлива. При проектировании двухтактных двигателей конструкторы стремятся к тому, чтобы при наименьшей потере сжатого воздуха получалась бы наилучшая продувка и зарядка цилиндров. В двухтактных дизелях обычно энергии отработавших газов недостаточно для сжатия наддувочного воздуха до требуемого давления, так как давление это должно быть больше, чем давление в выпускном трубопроводе для качественной очистки цилиндров, а энергия выпускных газов (при прочих равных условиях) ниже, чем в четырехтактных двигателях, из-за разбавления газов холодным продувочным воздухом. Поэтому в двухтактных дизелях используется комбинированный наддув, при котором часть энергии, необходимой для сжатия наддувочного воздуха, отбирается от коленчатого вала двигателя (см. выше).

Схемы продувки двухтактных дизелей. Наиболее простая, но вместе с тем и наиболее несовершенная схема- так называемая поперечно-щелевая продувка, при которой в цилиндре может оставаться 15-20% отработавших газов (рис. 23,а). Такая продувка применяется в маломощных дизелях, для которых простота конструкции, а не экономичность, имеет решающее значение. Схема продувки, показанная на рис. 23,6, более совершенна. Благодаря обратному клапану 3 эта конструкция обеспечивает некоторый наддув цилиндров. Такая схема продувки применяется на тихоходных судовых двигателях.

Более совершенна прямоточная кла-панно-щелевая продувка (рис. 23,в). Сжатый воздух из нагнетателя поступает в цилиндр через нижние окна, а отработавшие газы удаляются через выпускные клапаны 3, размещенные в крышке цилиндра. При такой продувке на дизеле устанавливают распределительный вал. Клапанно-щелевая продувка применяется в тепловозных дизелях 11Д45 и 14Д40.

Наиболее совершенна прямоточно-щелевая продувка (рис. 23,г), которую можно осуществить в двигателях со встречно движущимися поршнями. Сжатый воздух от нагнетателя поступает через верхние окна (продувочные), а отработавшие газы удаляются из цилиндра через нижние (выпускные) окна. Чтобы можно было полнее зарядить цилиндр, нижний поршень, перекрывающий выпускные окна, несколько опережает (на 10-12° угла поворота коленчатого вала) верхний поршень, перекрывающий впускные окна.

При таком способе продувки в цилиндре почти не остается отработавших газов. Прямоточно-щелевая продувка применяется в тепловозных дизелях 2Д100 и 1 ОД 100.

Что показывает индикаторная диаграмма двигателя

Рабочий цикл двухтактного двигателя осуществляется за два такта (за один оборот коленчатого вала). Процессы выпуска и наполнения ци­линдра воздухом происходят только на части хода поршня (130—150° пово­рота коленчатого вала), а потому они значительно отличаются от таких же процессов в четырехтактных двигателях.

Процессы очистки цилиндра (выпу­ска) и продувки (наполнения) весьма сложны и зависят и от типа двигателя, и от самого устройства органов продувки и выпуска. В судовых двухтактных дизелях нашли применение различные устройства органов продувки и вы­пуска, т. е. различные системы продувок.

На рис. 8 изображена схема устройства двухтактного дизеля тронкового типа с прямоточно-клапанной продувкой.

В нижней части боковой поверхности рабочего цилиндра расположены продувочные окна, а в крышке цилиндра — выпускные клапаны. Продувоч­ный воздух нагнетается в цилиндр продувочным насосом (в рассматриваемой схеме — продувочный насос роторного типа, или объемный насос). Он рас­положен сбоку и приводится в действие от распределительного вала. Вы­пускные клапаны приводятся в действие от распределительного вала, число оборотов которого равно числу оборотов коленчатого вала.

Индикаторная диаграмма данного двигателя показана на рис. 9.

Первый такт — сжатие воздуха в цилиндре начинается с момента пере­крытия поршнем продувочных окон (точка 7, рис. 8 и 9). Выпускные кла­паны закрыты. Давление воздуха в конце сжатия (точка 2) достигает 35— 50 кГ/см 2 и температура 700—750° С.

Второй такт включает горение топлива, расширение продуктов сго­рания, выпуск и продувку. Процесс подачи топлива в цилиндр и его сго­рание заканчиваются так же, как и в четырехтактном дизеле, и осуще­ствляются в период расширения (точка 3). Начало подачи топлива — точка 2′ (рис. 9), а точка 2 — конец сжатия.

Максимальное давление цикла достигает 55—80 кГ/см 2 , а температу­ра 1700—1800° С.

При дальнейшем движении поршня от ВМТ к НМТ происходит расши­рение продуктов сгорания и в момент открытия выпускных клапанов (точка 4), которые открываются раньше открытия кромкой поршня продувоч­ных окон, начинается выпуск.

Открытие выпускных клапанов раньше открытия продувочных окон необходимо для снижения давления в цилиндре до давления продувочного воздуха к моменту открытия продувочных окон.

Следовательно, с момента начала открытия порш­нем продувочных окон (точка 5) до полного их открытия (точка 6) и вновь до момента закры­тия окон (точка 1, при обратном движении поршня от НМТ к ВМТ) происходит процесс продувки цилиндра.

Продувочный воздух, заполняя цилиндр, поднимается вверх, вытесняя отработавшие газы из цилиндра через клапаны в выпускной тракт.

Таким образом происходит одновременная очи­стка цилиндра от отработавших газов и на­полнение цилиндра свежим зарядом воз­духа.

Закрытие выпускных клапанов (конец вы­пуска) производится несколько позже закрытия поршнем продувочных окон (точка 6), что спо­собствует лучшей очистке верхней части цилин­дра от отработавших газов.

После закрытия выпускных клапанов рабочий цикл повторяется в той же последовательности.

На рис. 10 приведена развернутая индикаторная диаграмма рассма­триваемого двухтактного дизеля, а на рис. 11—его круговая диаграмма рас­пределения. Обозначения фаз распределения такие же, как и на рис. 9.

Как видно на индикаторной диаграмме, давление в цилиндре всегда выше атмосферного. Величина минимального давления в цилиндре зависит от величины давления продувочного воздуха. Давление продувочного воз­духа составляет 1,2—1,5 ата и при работе двигателя с наддувом повы­шается до 2,5 ата.

На круговой диаграмме (см. рис. 11) углы обозначают следующие фазы распределения.

Что показывает индикаторная диаграмма двигателя

Индикаторная диаграмма – график зависимости давление / объем в цилиндре работающего двигателя. Он представляет собой непрерывную линию, показывающую все изменения давления в течение одного полного машинного цикла. Индикаторная диаграмма помогает в понимании процессов, происходящих внутри двигателя. Многие современные двигатели комплектуются сложными пневмоэлектрическими, электрическими или компьютерными устройствами для измерения и записи давлений в цилиндрах как функции изменения объема или перемещения поршня в виде осциллограмм или компьютерных распечаток. На некоторых малооборотных двигателях можно получить индикаторные диаграммы каждого цилиндра, используя стандартный машинный индикатор.

Машинный индикатор
Основной узел индикатора – нагруженный пружинный поршень, который создает сжатие пружины пропорционально давлению в цилиндре. Поршень перемещает перо, присоединенное к концу рычага механизма параллельного перемещения. Индикаторная бумага с чувствительной поверхностью обернута вокруг барабана индикатора. Индикаторный штуцер выбранного цилиндра сначала продувается, чтобы очистить его от нагара, и затем к нему крепится индикатор. Шнур от барабана индикатора присоединяется через специальный индикаторный привод к какой-либо детали механизма главного движения двигателя, например, поперечине или ползуну крейцкопфа.

Соответствующие перемещению поршня изменения объема цилиндра регистрируются по горизонтальной оси в масштабе, зависящем от угла вращения барабана. Поворачивая индикаторный кран в положение вентиляции, получаем горизонтальную линию, представляющую атмосферное давление. Эта линия должна быть проведена на диаграмме для отсчета избыточного давления в цилиндре. Затем индикаторный кран открывают, и перо индикатора чертит на бумаге диаграмму для одного цикла двигателя. Давление записывается по вертикальной оси в масштабе, определяемом жесткостью пружины индикатора.

Могут быть получены четыре типа индикаторных диаграмм. Диаграмма для определения мощности снята с барабаном индикатора, вращающимся синфазно с движением поршня (см. рис. ниже).

Площадь этой диаграммы, в определенном масштабе, представляет работу, выполненную в течение цикла. Такая диаграмма используется для расчета индикаторной мощности и среднего индикаторного давления в цилиндре. Отклонения конфигурации диаграммы от идеальной свидетельствуют о нарушениях в протекании рабочих процессов. Максимальное или пиковое давление в цилиндре измеряется между атмосферной линией и наивысшей точкой диаграммы.

Диаграмма сжатия снимается как обычно с отключенной подачей топлива на цилиндр. Высота этой диаграммы показывает максимальное давление сжатия. Если кривые сжатия и расширения совпадают, это свидетельствует о правильной синхронизации механизма индикаторного привода с двигателем. Уменьшение высоты диаграммы сжатия обнаруживает ухудшение компрессии в цилиндре, которое может быть следствием износа цилиндровой втулки, неисправности поршневых колец, уменьшения подачи продувочного воздуха или неплотности выпускного клапана. Каждая из этих причин может повлечь за собой ухудшение условий процесса горения топлива.

Развернутая диаграмма снимается со смещением фазы вращения индикаторного барабана на 90 град. по отношению к движению поршня. Это позволяет более ясно представить изменение давления в процессе сгорания топлива. На основе анализа формы этой диаграммы проводится диагностика систем газораспределения и топливоподачи.

Диаграмма выпуска-впуска снимается на индикаторе со слабой пружиной. Это позволяет показать процессы выпуска-продувки в увеличенном масштабе, и таким образом выявить нарушение рабочих параметров этих процессов.