Индикаторная диаграмма

Индикаторная диаграмма – зависимость давления рабочего тела от объёма цилиндра (рис. 2) – является наиболее информативным источником, позволяющим анализировать процессы, происходящие в цилиндре двигателя внутреннего сгорания. Такты работы двигателя, осуществляющиеся за четыре хода поршня от ВМТ до НМТ показаны на индикаторной диаграмме в координатах p – V следующими отрезками кривой:

r ₀ – a ₀ – такт впуска;

a ₀ – c – такт сжатия;

c – z – b ₀ – такт рабочего хода (расширения);

b ₀ – r ₀ – такт выпуска.

На диаграмме отмечены следующие характерные точки:

b, r – моменты открытия и закрытия выпускного клапана, соответственно;

u, a – моменты открытия и закрытия впускного клапана, соответственно;

Рис. 2. Типичная индикаторная диаграмма четырехтактного

двигателя внутреннего сгорания

Площадь диаграммы, определяющая работу за цикл, состоит из площади, соответствующей положительной индикаторной работе, полученной за такты сжатия и рабочего хода, и площади, соответствующей отрицательной работе, затрачиваемой на очистку и наполнение цилиндра в тактах впуска и выпуска. Отрицательную работу цикла обычно относят к механическим потерям в двигателе.

Таким образом, общая энергия, сообщаемая валу поршневого двигателя за один цикл L, может быть определена алгебраическим сложением работы тактов L = L _вп + L _сж + L _рх + L _вып. Мощность, передаваемая валу, определится произведением этой суммы на количество тактов рабочего хода в единицу времени (n /2) и на число цилиндров двигателя i:

. ()

Определенная таким образом мощность двигателя называется средней индикаторной мощностью.

Индикаторная диаграмма позволяет разделить цикл четырехтактного двигателя на следующие процессы:

u – r ₀ – r – a ₀ – a – впуск;

a – θ – c' – сжатие;

θ – c' – c – z – f – смесеобразование и сгорание;

z – f – b – расширение;

b – b ₀ – u – r ₀ – r – выпуск.

Приведенная типичная индикаторная диаграмма справедлива и для дизельного двигателя. В этом случае точка θ будет соответствовать моменту подачи топлива в цилиндр.

На диаграмме обозначены:

V _c – объем камеры сгорания (объем цилиндра над поршнем, находящимся в ВМТ);

V_a – полный объем цилиндра (объем цилиндра над поршнем в начале такта сжатия);

V _n – рабочий объем цилиндра, V _n = V_a – V _c.

Степень сжатия.

Индикаторная диаграмма описывает рабочий цикл двигателя, а ограниченная его площадь – индикаторную работу цикла. Действительно, [ p ∙ ∆ V ] = (Н/м²) ∙ м³ = Н ∙ м = Дж.

Если принять, что на поршень действует некоторое условное постоянное давление p _i, совершающее в течение одного хода поршня работу, равную работе газов за цикл L, то

L = p _i ∙ V _h ()

где V _h – рабочий объем цилиндра.

Это условное давление p _i принято называть средним индикаторным давлением.

Среднее индикаторное давление численно равно высоте прямоугольника с основанием, равным рабочему объему цилиндра V _h площадью, равной площади, соответствующей работе L.

Так как полезная индикаторная работа пропорциональна среднему индикаторному давлению p _i, совершенство рабочего процесса в двигателе можно оценивать на величину этого давления. Чем больше давление p _i, тем больше работа L, и, следовательно, рабочий объем цилиндра используется лучше.

Зная среднее индикаторное давление p _i, рабочий объем цилиндра V _h, число цилиндров i и частоту вращения коленчатого вала n (об/мин), можно определить среднюю индикаторную мощность четырехтактного двигателя N _i

. ()

Произведение i ∙ V _h представляет собой рабочий объем двигателя.

Передача индикаторной мощности на вал двигателя сопровождается механическими потерями вследствие трения поршней и поршневых колец о стенки цилиндров, трения в подшипниках кривошипно–шатунного механизма. Кроме того, часть индикаторной мощности затрачивается на преодоление аэродинамических потерь, возникающих при вращении и колебании деталей, на приведение в действие механизма газораспределения, топливных, масляных и водяных насосов и других вспомогательных механизмов двигателя. Часть индикаторной мощности тратится на удаление продуктов сгорания и заполнение цилиндра свежим зарядом. Мощность, соответствующая всем этим потерям, называется мощностью механических потерь N _м.

В отличие от индикаторной мощности, полезную мощность, которую можно получить на валу двигателя, называют эффективной мощностью N _е. Эффективная мощность меньше индикаторной на величину механических потерь, т.е.

N _е = N _i – N _м. ()

Мощность N _м, соответствующую механическим потерям и эффективную мощность двигателя N _е определяют опытным путем при стендовых испытаниях с помощью специальных нагрузочных устройств.

Одним из основных показателей качества поршневого двигателя, характеризующего использование им индикаторной мощности для совершения полезной работы является механический КПД, определяемый как отношение эффективной мощности к индикаторной:

η _м = N _е/ N _i. ()

Общую энергию, сообщаемую валу поршневого двигателя, можно определить алгебраическим сложением работы тактов и умножив сумму на число рабочих тактов в единицу времени (n /2) и число цилиндров двигателя. Мощность, определяемая таким образом, может быть получена путем интегрирования зависимости давления в функции от объема изображенной на индикаторной диаграмме (рис 4.2,б), и называется средней индикаторной мощностью N. Эту мощность часто связывают с понятием индикаторного среднего эффективного давления р _i, рассчитывае­мого следующим образом:

(4.1)

Эффективная мощность N _e есть произведение индикаторной мощности N на механический КПД двигателя. Механический КПД двигателя уменьшается с увеличением частоты вращения двигателя из–за потерь на тре­ние и привод агрегатов.

Для построения характеристик авиационного поршневого двигателя его испытывают на балансирном станке с использованием воздушного винта изменяемого шага. Балансирный станок обеспечивает замер величины крутящего момента, числа оборотов коленчатого вала и расхода топлива. По величине замеренного крутящего момента М _кр и числу оборотов n определяется измеренная эффективная мощность двигателя

, Вт ()

Если двигатель снабжен редуктором, снижающим обороты винта, то формула для замеренной эффективной мощности имеет вид:

, Вт, ()

где i _р – передаточное число редуктора.

Учитывая зависимость эффективной мощности двигателя от атмосферных условий, замеренную мощность для сравнения результатов испытаний приводят к стандартным атмосферным условиям по формуле

, ()

где N _e – эффективная мощность двигателя, приведенная к стандартным атмосферным условиям;

t _изм – температура наружного воздуха во время испытаний, ºС;

B – давление наружного воздуха, мм.рт.ст.,

∆ р – абсолютная влажность воздуха, мм.рт.ст.

Эффективный удельный расход топлива g _е определяется по формуле:

, ()

где G _T и – расход топлива и эффективная мощность двигателя, измеренные при испытаниях.

Дата добавления: 2014-01-07