Что показывает индикаторная диаграмма двигателя

ИНДИКАТОРНАЯ ДИАГРАММА

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).

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.

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.

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Развернутая индикаторная диаграмма

Развернутая индикаторная диаграмма , снятая с двигателя 44 — 42 5 / 60 ( 400 л. с., 187 об / мин) при работе под нагрузкой 260 кет, дана на фиг. Увеличение давления сжатия по сравнению с полученным без выключения подачи топлива объясняется более высокой температурой в цилиндре. [1]

Развернутую индикаторную диаграмму строят следующим образом. Отрезок Vh ( см. рис. 25 — 1, а) делят на две равные части и величиной У / / 2, равной в определенном масштабе радиусу кривошипа, из центра О очерчивают полуокружность. Если из этого центра провести лучи под углами ф 30, 60, 90, 120 и 150 к оси абсцисс до пересечения с линией полуокружности и из их концов провести линии, параллельные оси ординат, то эти линии в масштабе, принятом для радиуса г кривошипа, отсекут на оси абсцисс отрезки, равные пройденной части хода поршня при бесконечной длине шатуна. [3]

Часть развернутой индикаторной диаграммы карбюраторного двигателя , построенная по углу поворота коленчатого вала, показана на рис. 260, а. Процесс сгорания смеси в двигателе начинается с момента проскакивания искры между электродами свечи зажигания в точке m с опережением pjj. Период / от момента зажигания ( точка т) до момента видимого повышения давления ( точка ft) называют ( индукционным) периодом процесса горения или периодом задержки воспламенения. В течение этого периода происходит предпламенное окисление топлива с незначительным повышением температуры и без повышения давления. Скорость сгорания в этой фазе в основном определяется свойствами топлива и составом смеси. На продолжительность этой фазы оказывают влияние: коэффициенты избытка воздуха и остаточных газов. В период протекания первой фазы сгорает около 6 — 8 % смеси объема от общего объема камеры сгорания. Продолжительность этой фазы соответствует 4 — 6 угла поворота коленчатого вала. [4]

На рисунке 3.6 изображена развернутая индикаторная диаграмма дизеля в функции от угла поворота коленчатого вала. Процесс сгорания в дизеле условно делят на четыре периода. [6]

На рис. 120 приведена развернутая индикаторная диаграмма работы двигателя с воспламенением от сжатия. Во время хода сжатия приблизительно за 10 — 15 до в. На диаграмме это отмечено как начало впрыска. [7]

На рис. 59 приведены две развернутые индикаторные диаграммы : первая cc zb, изображенная сплошной линией, снята с работающего двигателя при полностью открытой дроссельной заслонке, а вторая, показанная штриховой линией, — — при выключенном зажигании. [9]

Таким образом может быть снята развернутая индикаторная диаграмма по углу поворота коленчатого вала. [10]

Первая фаза, определяемая на развернутой индикаторной диаграмме углом Да, и точками 2 и 3, представляет собой период задержки повышения давления. На продолжительность этой фазы оказывают влияние коэффициенты избытка воздуха и остаточных газов, структура молекул топлива, энергия источника зажигания, степень сжатия и нагрузка двигателя. Во время первой фазы сгорает около 6 — 8 % смеси, находящейся в камере сгорания. Продолжительность первой фазы составляет 4 — 6 угла поворота коленчатого вала. [11]

На ней цифрой / отмечены линии развернутой индикаторной диаграммы , цифрой 2 — кривые давлений силы инерции, нанесенные на каждый ход поршня. Штриховой линией дана линия давления сил тяжести. [12]

Для графического перестроения этой диаграммы в развернутую индикаторную диаграмму по углу поворота коленчатого вала pf рг ( ф) по формуле ( 258) вычисляют и откладывают на диаграмме перемещения s поршня от в. [14]