Принцип действия и индикаторная диаграмма двухтактного дизеля. Рабочий цикл и индикаторная программа двигателя Построение индикаторной диаграммы дизельного двигателя

Индикаторная диаграмма двигателя внутреннего сгорания строится с использованием данных расчета рабочего процесса.

При построении на оси абсцисс откладывается отрезок АВ, (рис 8) соответствующий рабочему объему цилиндра, а по величине равный ходу поршня в масштабе M s . Масштаб M s обычно принимается 1:1, 1,5:1 или 2:1.

Отрезок ОА (мм), соответствующий объему камеры сгорания, определяется из уравнения

ОА = АВ/(ε – 1) (2.28)

Отрезок z′z для дизелей, работающих по циклу со смешенным подводом теплоты (рис. 9)

z′z = ОА(ρ – 1) (2.29)

За тем по данным расчета параметров действительного цикла на диаграмме откладывают в выбранном масштабе величины давлений в характерных точках: a, c, z, z, b, r.

Построение политроп сжатия и расширения можно производить аналитическим или графическим методом. При аналитическом методе построения политроп сжатия и расширения вычисляется ряд точек для промежуточных объемов, расположенных между V c и V a и между V z и V b , по уравнению политропы .

Рис. 8. Индикаторная диаграмма бензинового двигателя

Рис. 9. Индикаторная диаграмма дизельного двигателя

Для политропы сжатия , откуда

, (2.30)

где p x и V x – давление и объем в искомой точке процесса сжатия.

Отношение V a /V x изменяется в пределах 1÷ ε.

Аналогично для политропы расширения

(2.31)

Для бензиновых двигателей отношение V b /V x изменяется в интервале 1÷ε , для дизелей – 1÷ δ.

Определение ординат расчетных точек политроп сжатия и расширения удобно производить в табличной форме.

Построение индикаторной диаграммы производят, соединяя точки а и с, z и b плавными кривыми, а точки b и a, c и z – прямыми линиями.

Процессы впуска и выпуска принимают протекающими при р = const и V = const

Для проверки правильности построения диаграммы определяют

р i = M p /AB

где F – площадь диаграммы a c′c″z д b′b″a .

Расчет индикаторных и эффективных показателей ДВС

Индикаторные показатели

Рабочий цикл двигателя внутреннего сгорания характеризуется средним индикаторным давлением, индикаторной мощностью, индикаторным КПД и удельным индикаторным расходом топлива.

Теоретическое среднее индикаторное давление – это отношение теоретической расчетной работы газов за один цикл к ходу поршня.

Для бензиновых двигателей, работающих по циклу с подводом теплоты при V = const, теоретическое среднее индикаторное давление

Для дизеля, работающего по циклу со смешенным подводом теплоты при V = const и р = const

Среднее индикаторное давление p i действительного цикла отличается от значения на величину, пропорциональную уменьшению расчетной диаграммы за счет скругления в точках с, z, b.

Уменьшение теоретического среднего индикаторного давления вследствие отклонения действительного процесса от расчетного цикла оценивается коэффициентом полноты диаграммы φ и и величиной среднего давления насосных потерь Δp i .

Коэффициент полноты диаграммы φ и принимается равным:

для карбюраторных двигателей …………………….…. 0,94÷0,97

для двигателей с электронным впрыском топлива…… 0,95÷0,98

для дизелей………………………………………………. 0,92÷0,95

Среднее давление насосных потерь (МПа) при процессах впуска и выпуска

Δp i = p r – p a . (3.3)

Для четырехтактных двигателей без наддува величина Δp i положительна. В двигателях с наддувом от приводного нагнетателя при p a > p r величина Δp i отрицательна. При газотурбинном наддуве значение p a может быть как больше, так и меньше p r , т.е. величина Δp i может быть как отрицательной, так и положительной.

При проведении расчетов потери на газообмен учитываются в работе, затрачиваемой на механические потери. В связи с этим принимают, что среднее индикаторное давление p i отличается от только на коэффициент полноты диаграммы

p i = φ и . (3.4)

При работе на полной нагрузке величина p i (МПа) достигает:

для четырехтактных бензиновых двигателей…………………… 0,6÷1,4

для четырехтактных форсированных бензиновых двигателей… до 1,6

для четырехтактных дизелей без наддува………………………. 0,7÷1,1

для четырехтактных дизелей с наддувом……………………….. до 2,2

Индикаторная мощность N i – работа, совершаемая газами внутри цилиндра в единицу времени.

Для многоцилиндрового двигателя индикаторная мощность (кВт) равна

N i = p i V h in /(30τ ), (3.5)

где p i – среднее индикаторное давление, МПа;

V h – рабочий объем одного цилиндра, л (дм 3);

i – число цилиндров;

n – частота вращения коленчатого вала двигателя, мин -1 ;

τ – тактность двигателя. Для четырехтактного двигателя τ=4.

Индикаторная мощность одного цилиндра

N i = p i V h n /(30τ ), (3.6)

Индикаторный КПД η i характеризует степень использования в действительном цикле теплоты топлива для получения полезной работы и представляет собой отношение теплоты, эквивалентной индикаторной работе цикла, ко всему количеству теплоты, внесенной в цилиндр с топливом.

Для 1 кг топлива

η i = L i /Н и , (3.7)

где L i – теплота, эквивалентная индикаторной работе, МДж/кг;

Н и – низшая теплота сгорания топлива, МДж/кг.

Для автомобильных и тракторных двигателей, работающих на жидком топливе

η i = p i ·l 0 ·α /(Н и ·ρ k ·η V), (3.8)

где p i выражено в МПа; l 0 – в кг/кг топл.; Н и – в МДж/кг топл.; ρ k – в кг/м 3 .

В автомобильных и тракторных двигателях, работающих на номинальном режиме, величина индикаторного КПД составляет:

для двигателей с электронным впрыском топлива……… 0,35÷0,45

для карбюраторных двигателей…………………………… 0,30÷0,40

для дизелей…………………………………………………. 0,40÷0,50

Удельный индикаторный расход топлива g i характеризует экономичность действительного цикла

g i = 3600/(η i Н и) или g i = 3600 ρ 0 η V /(p i ·l 0 ·α) . (3.10)

Удельный расход топлива на номинальном режиме:

для двигателей с электронным впрыском топлива …g i = 180÷230 г(кВт·ч)

для карбюраторных двигателей………………………g i = 210÷275 г(кВт·ч)

для дизелей……………………………………….……g i = 170÷210 г(кВт·ч)

Эффективные показатели

Эффективными показателями называют величины, характеризующие работу двигателя, снимаемую с его вала и полезно используемую. К числу эффективных показателей относятся: эффективная мощность, крутящий момент, среднее эффективное давление, удельный эффективный расход, эффективный КПД.

Эффективная мощность . Полезная работа, получаемая на валу двигателя в единицу времени называется эффективной мощностью N e .

N e =N i - N мп (3.9)

где N мп мощность механических потерь.

Эффективная мощность дана студенту в исходных данных для проектирования ДВС (см. задание на выполнение курсового проекта).

Под механическими потерями понимают потери на все виды механического трения, осуществление газообмена, привод вспомогательных механизмов (водяного, масляного, топливного насосов, вентилятора, генератора и пр.), вентиляционные потери, связанные с движением деталей двигателя в среде воздушно-масляной эмульсии и воздуха, а также на привод компрессора.

Механические потери оценивают средним давлением механических потерь p мп, которое характеризует удельную работу механических потерь (приходящуюся на единицу рабочего объема) при осуществлении рабочего цикла.

При аналитическом определении N e (кВт) она рассчитывается по формуле:

N e = p e V h in /(30τ ) (3.10)

где p e =L e /V h - среднее эффективное давление (МПа), т. е. полезная работа, получаемая за цикл с единицы рабочего объема;

V h – рабочий объем цилиндра, л;

n – число оборотов коленчатого вала, мин -1

Эффективный крутящий момент М е (Н∙м)

М е = (3∙10 4 /π)(N e /n ) (3.11)

При расчете ДВС среднее эффективное давление (МПа) определяют как

p e = p i - p мп (3.12)

Среднее давление механических потерь p мп (МПа) для двигателей различного типа определяется по определяется по эмпирическим формулам:

для бензиновых двигателей с числом цилиндров до шести и отношением S/D>1

p мп =0,049 + 0,0152V п.ср;

для бензиновых двигателей с числом цилиндров до шести и отношением S/D≤1

p мп =0,034 + 0,0113V п.ср

для четырехтактных дизелей с неразделенными камерами

p мп =0,089 + 0,0118V п.ср

Индикаторная диаграмма ДВС (рис.1) строится с использованием данных расчета процессов рабочего цикла двигателя. При построении диаграммы необходимо выбрать масштаб с таким расчетом, чтобы получить высоту равной 1,2... 1,7 ее основания.

Рис.1 Индикаторная диаграмма дизельного двигателя

Рис. 1 Индикаторная диаграмма дизельного двигателя

В начале построения на оси абсцисс (основание диаграммы) в масштабе откладывается отрезок S а = S с + S,

где S – рабочий ход поршня (от ВМТ до НМТ).

Отрезок S с, соответствующий объему камеры сжатия (V с), определяется по выражению S с = S / - 1.

Отрезок S соответствует рабочему объему V h цилиндра, а по величине равен ходу поршня. Отметить точки, соответствующие положению поршня в ВМТ, точки А, В, НМТ.

По оси ординат (высота диаграммы) откладывается давление в масштабе 0,1 МПа в миллиметре.

На линии ВМТ наносятся точки давлений р г, р с, р z .

На линии НМТ наносятся точки давлений р а, р в.

Для дизельного двигателя необходимо еще нанести координаты точки, соответствующей концу расчетного процесса сгорания. Ордината этой точки будет равна р z , а абсцисса определяется по выражению

S z = S с   , мм. (2.28)

Построение линии сжатия и расширения газов можно проводить в такой последовательности. Произвольно между ВМТ и НМТ выбирается не менее 3 объемов или отрезков хода поршня V х1 , V х2 , V х3 (или S х1 , S х2 , S х3).

И подсчитывается давление газов

На линии сжатия

На линии расширения

Все построенные точки плавно соединяются между собой.

Затем производится скругление переходов (при каждом изменении давления на стыках расчетных тактов), учитываемое при расчетах коэффициентом полноты диаграммы.

Для карбюраторных двигателей скругление в конце сгорания (точка Z) проводится по ординате р z = 0,85 Р z mах.

2.7 Определение среднего индикаторного давления по индикаторной диаграмме

Среднее теоретическое индикаторное давление р" i представляет собой высоту прямоугольника, равного площади индикаторной диаграммы в масштабе давления

МПа (2.31)

где F i - площадь теоретической индикаторной диаграммы, мм 2 , ограниченная линиями ВМТ, НМТ, сжатия и расширения, может быть определена с помощью планиметра, методом интегрирования, либо другим способом; S - длина индикаторной диаграммы (ход поршня), мм (расстояние между линиями ВМТ, НМТ);

 p - масштаб давления, выбранный при построении индикаторной диаграммы, МПа / мм.

Действительное индикаторное давление

р i = р i ΄ ∙ φ п, МПа, (2.32)

где  п - коэффициент неполноты площади индикаторной диаграммы; учитывает отклонение действительного процесса от теоретического (скругление при резком изменении давлений, для карбюраторных двигателей  п =0,94.. .0,97; для дизелей  п = 0,92.. .0,95);

р = р r - р а - среднее давление насосных потерь в процессе впуска и выпуска для двигателей без наддува.

После определения р i по индикаторной диаграмме сравнивают его с ранее подсчитанным (формула 1.4) и определяют расхождение в процентах.

Среднее эффективное давление р е равно

р е = р i – р мп,

где р мп определено по формуле 1.6.

Тогда подсчитайте мощность по зависимости
и сравните с заданной. Расхождение должно быть не более 10…15%, если больше следует пересчитать процессы.

По результатам исследований строят графики зависимости дебита скважины от забойного давления Р заб или от депрессии (Р пл -Р заб), называемые индикаторными диаграммами (ИД).

Индикаторные диаграммы (ИД) добывающих скважин располагаются ниже оси абсцисс, а водонагнетательных - выше этой оси.

Обе индикаторные диаграммы (Q = f(Р заб) и Q = f()) строят в тех случаях, когда скважины эксплуатируются при сравнительно больших депрессиях (более 0,5…1,0 МПа). Ошибки измерений при этом обычно не приводят к большому разбросу точек при построении ИД в координатах Q = f(Р заб) (тем более для Q = f()).

При малых депрессиях (порядка 0,2…0,3 МПа) разброс точек может быть настолько большим, что индикаторную диаграмму в координатах Q = f(Р заб) построить не удается. В этих случаях на каждом режиме следует измерять и Р заб, и Р пл, а индикаторную диаграмму строить в координатах Q = f(). Депрессия, определяемая на каждом режиме, имеет меньшую относительную ошибку, чем Р заб, т.к. при измерениях за один спуск прибора абсолютные ошибки Р пл и Р заб примерно одинаковы и поэтому на разность =Р пл -Р заб почти не влияют. Либо используют не глубинные манометры, а глубинные дифференциальные манометры.

Если процесс фильтрации жидкости в пласте подчиняется линейному закону, т. е. индикаторная линия имеет вид прямой, зависимость дебита гидродинамически совершенной скважины от депрессии на забое описывается формулой Дюпюи

где Q -- объемный дебит скважины в пластовых условиях; Р пл -- среднее давление на круговом контуре радиуса R к.

Рис. 5.2. Индикаторная диаграмма Q=f(Р заб)

Считается, что давление на забое через некоторое время после остановки скважины становится примерно равным среднему пластовому давлению, установившемуся на круговом контуре с радиусом, равным половине среднего расстояния между исследуемой скважиной и соседними, ее окружающими.

Индикаторная диаграмма Q=f() строит-ся для определения коэффициента продуктивности скважин К.

В пределах справедливости линейного зако-на фильтрации жидкости, т. е. при линейной зависимости Q=f(),коэффициент продуктивности является величиной постоянной иРис. 5.3 Индикаторная диаграмма Q = f()

численно равен тангенсу угла наклона индикаторной линии к оси дебитов (оси абсцисс). По коэффициенту продуктивности скважин, определенному методом установившихся отборов, можно вычислить также другие параметры пласта.

Откуда коэффициент гидропроводности

И проницаемость пласта в призабойной зоне

Приведенные выше формулы справедливы для случая исследования гидродинамически совершенной скважины (вскрывшей пласт на всю его толщину и имеющей открыты забой) и измеряемые величны (дебит, динамическая вязкость и др.) приведены к пластовым условиям.

Реальные индикаторные диаграммы не всегда получаются прямолинейными (Рис 5.4). Искривление индикаторной диаграммы характеризует характер фильтрации жидкости в призабойной зоне пласта.

Рис. 5.4. Индикаторные кривые при фильтрации по пласту однофазной жидкости: 1 - установившаяся фильтрация по линейному закону Дарси; 2- неустановившаяся фильтрация или фильтрация с нарушением линейного закона Дарси при больших Q ; 3 - нелинейный закон фильтрации.

Искривление индикаторной линии в сторону оси P (рис. 5.4, кривая 2) означает увеличение фильтрационных сопротивлений по сравнению со случаем фильтрации по закону Дарси. Это объясняется тремя причинами:

1. Превышение скорости фильтрации в ПЗП критических скоростей при котрых линейный закон Дарси нарушается (V>V кр)

2. Образованием вокруг скважины области двухфазной (нефть+газ) фильтрации при Р заб <Р нас. Чем меньше Р заб, тем больше радиус этой области.

3. Изменения проницаемости и раскрытости микротрещин в породе при изменении внутрипластового давления вследствие изменения Рзаб.

Искривление ИД в сторону оси Q (рис. 5.4, кривая 3) объясняется двумя причинами:

1) некачественные измерения при проведении исследований;

2)неодновременным вступлением в работу отдельных прослоев или пропластков.

Продуктивные пласты, как правило, неоднородны. Глубинные дебитограммы для них:

Площадь заштрихованного прямоугольника прямо пропорциональна дебиту каждого пропластка. С уменьшением Р заб (т.е. с ростом P=Р пл -Р заб) растет работающая толщина пласта (h эф.), откуда по формуле Дюпюи растет Q (рис 5.4, кривая 3). Ошибка в определении пластового давления может привести к искривлению начального участка индикаторной диаграммы, построенной в координатах Q=f().

Рис. 5.5. Индикаторная диаграмма: 2 - замеренное пластовое давление соответствует фактическому; 1, 3 - замеренное пластовое давление соответственно завышено и занижено против фактического.

Очевидно, если замеренное пластовое давление окажется выше фактического, то построенная индикаторная диаграмма (рис. 5.5, кривая 1) будет располагаться ниже фактической. При этом фактические точки будут располагаться параллельно, но выше построенных по замеренным значениям. Экстраполяция в начало координат создает видимость искривления индикаторной кривой к оси депрессии.

Если замеренное пластовое давление окажется ниже фактического, то индикаторная диаграмма в своем начальном участке при экстраполяции его в начало координат может стать выпуклой к оси дебитов (рис. 5.5, кривая 3 ). Это может привести исследователя к выводу, что вся кривая имеет выпуклый к оси дебитов вид. Для случая искривления индикаторной линии в сторону оси депрессий (Рис. 5.6, а) при нарушении линейного закона фильтрации скорость фильтрации вблизи перфорационных отверстий становится настолько большой, что числа Рейнольдса превышают критические. Уравнение индикаторной линии записывают в виде:

а саму индикаторную диаграмму индикаторную линию для ее спрямления изображают в координатах

где а и b - постоянные численные коэффициенты.

Получим индикаторную прямую в координатах Др/Q=f(Q) отсекающую на оси ординат отрезок, равный а , с тангенсом угла наклона к оси Q , равным b (рис. 5.6, б). В этом случае коэффициент продуктивности К является величиной переменной, зависящей от дебита скважины.

Рис. 5.6 Индикаторная диаграмма при нелинейном законе фильтрации: а - ИД в координатах Др - Q; б - ИД в координатах Др /Q - Q.

Отрезок а , отсекаемый на оси ординат может быть выражен как

где, (с 1 и с 2 - фильтрационные сопротивления, обусловленные несовершенст-вом скважины по степени и характеру вскрытия).

По отрезку а , отсекаемому на оси Др/Q , находятся гидропроводность и проницаемость пласта

Коэффициент b зависит от конструкции забоя скважины.

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.

Главная » Тюнинг » Принцип действия и индикаторная диаграмма двухтактного дизеля. Рабочий цикл и индикаторная программа двигателя Построение индикаторной диаграммы дизельного двигателя