Эффективное давление рабочего процесса двигателя

Измерение давления в цилиндре

Что значит измерение давления в цилиндре?

Измерение давления в цилиндре лежит в основе индицирования давления в цилиндре: один из метрологических методов для измерения и анализа динамики давления внутри цилиндра поршневых двигателей внутреннего сгорания.

Из-за высокого давления измерение давления в цилиндре также называется индицированием высокого давления. Так называемое «индицирование низкого давления» служит дополнительным измерением давления в цилиндре. Его проводят во время фазы изменения заряда для передачи давления в систему впуска и выпуска. Для сопоставления измеренного давления с соответствующей рабочей фазой двигателя внутреннего сгорания при расчете учитывается положение поршня (угол поворота коленчатого вала) или время.

Такие методы позволяют получить информацию, необходимую для научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, а также для настройки работы двигателей. Они также составляют необходимую основу, в рамках которой производители двигателей могут соблюдать все более строгие законы об отработавших газах и оптимизировать эффективность своих двигателей.

Полученная в результате измерения динамика давления представляет важные данные для индицирования давления в цилиндре. Индицирование давления в цилиндре помогает более точно изучить термодинамические процессы во время сгорания и мощность двигателя. Полученные путем проведения данных мер результаты для оптимизации двигателей следующие:

  • Повышение эффективности
  • Увеличение мощности двигателя
  • Сокращение количества выбросов
  • Увеличение срока службы двигателя

Где проводят измерение давления в цилиндре?

Измерение давления в цилиндре применяется для разработки:

  • Двигателей автомобилей, мотоциклов и грузовых транспортных средств
  • Двигателей больших морских судов, например, 2-тактных и 4-тактных дизельных двигателей в судоходной промышленности
  • Стационарных больших двигателей, например, высокопроизводительных двигателей для электростанций

Какая технология используется при измерении давления в цилиндре?

Измерение давления в цилиндре производится при помощи высокотемпературных пьезоэлектрических датчиков давления, которые устанавливаются в головку цилиндра через специальное отверстие. Используются также измерительные свечи зажигания со встроенным высокотемпературным датчиком давления. Так как они просто вкручиваются на место обычной свечи зажигания, нет необходимости просверливать дополнительное отверстие. В дизельных двигателях измерение можно также проводить при помощи специальных адаптеров для свечей накаливания.

Измерительная цепочка дополняется усилителем заряда, системами сбора и обработки данных. В автомобильной сфере используются инновационные системы индицирования, в которых системы сбора и обработки данных объединены в одном устройстве и которые могут использоваться как на испытательных стендах, так и на передвижных.

Почему измерение динамики давления в цилиндре так важно?

Полученная в результате измерения динамика давления представляет важные данные для индицирования давления в цилиндре. В основном поршневые двигатели внутреннего сгорания — это тепловые двигатели: Путем сжигания они превращают химическую энергию, полученную из топливовоздушной смеси, в механическую работу и тепло.

Цель разработчиков — получение максимально высокого показателя механической работы из процесса преобразования, т. е. максимизация эффективности. Особую важность при этом представляют уровень и динамика давления в цилиндре над углом коленчатого вала, который действует на поршень. Эта динамика отображает процесс горения и, следовательно, процесс преобразования энергии в двигателе. Общая механическая работа, полученная за время рабочего цикла или хода, возникает в результате давления и последующих изменений объема камеры сгорания.

Какими параметрами характеризуется динамика давления в цилиндре?

Важными параметрами считаются уровень сигнала (пиковое давление), а также показатель среднего индикаторного давления за рабочий цикл.

Как технология оптического индицирования применяется для измерения давления в цилиндре?

Технология оптического индицирования используется в дополнение к измерению давления в цилиндре и других средств для оптимизации процессов сгорания. Это происходит при помощи высокоразвитых оптических анализаторов, которые с точностью определяют происхождение стука в двигателе, причину процессов перед воспламенением, а также процесс образования сажи в камере сгорания. Эти оптические средства могут быть встроены во все типы свечей зажигания. Другие системы могут объединять снимки со скоростных камер для визуализации быстрых подсистемных процессов, например, процесса впрыскивания и распространения пламени.

Измерение давления в цилиндре лежит в основе измерения и анализа динамики давления внутри цилиндра поршневых двигателей внутреннего сгорания.

Контроль камеры сгорания при помощи KiBox на примере двигателя большой мощности.

Дополнение к измерению давления в цилиндре: Пример оптического контроля камеры сгорания при помощи анализаторов в измерительной свече зажигания.

Оптическая измерительная свеча зажигания с анализаторами.

Эффективное давление рабочего процесса двигателя

Одним из наиболее современных отечественных двигателей является двигатели ВАЗ. Эти в целом не плохие двигатели по удельной мощности уступают зарубежным конкурентам. При одинаковой мощности они имеют увеличенный рабочий объем и, следовательно, ухудшенную топливную экономичность и повышенные выбросы СО2.

В качестве возможного направления решения данной проблемы может быть рассмотрено форсирование двигателя с помощью наддува при сокращении числа работающих цилиндров. При этом среднее эффективное давление и, следовательно, механический КПД на характерных режимах эксплуатации автомобиля могут быть существенно повышены с сохранением исходной номинальной мощности двигателя[1].

Читать еще:  Что такое гидроклин двигателя

В выключенных цилиндрах прекращается осуществление традиционного рабочего процесса ДВС, и они переводятся в режим продолженного расширения (эспандерный режим). Дополнительное расширение продуктов сгорания в цилиндрах способствует повышению эффективности утилизации энергии выпускных газов ДВС.

Реализация продолженного расширения

Рассмотрим реализацию рабочего цикла с разделенными тактами и продолженным расширением на примере двигателя ВАЗ 11194, хотя этот цикл может быть применен в любом четырехтактном четырехцилиндровом двигателе с порядком работы 1-3-4-2. При этом поставим задачу свести к минимуму конструктивные изменения деталей и узлов базового двигателя. Два внешних (рабочих) цилиндра четырехцилиндрового двигателя работают по обычному четырехтактному циклу. В двух внутренних (эспандерных) цилиндрах происходит продолженное расширение газов, которое может быть названо пятым тактом. Таким образом, в эспандерных цилиндрах осуществляются толь­ко такты расширения и выпуска отработавших газов.

Рабочий цикл двигателя состоит из четырех фаз (рис.1).

Фаза A. Поршни в рабочих цилиндрах движутся от ВМТ к НМТ. Поршни в эспандерных цилиндрах движутся от НМТ к ВМТ. В первом рабочем цилиндре осуществляется впуск свежего заряда, а во втором рабочем цилиндре – сгорание (предварительное расширение). В эспандерных цилиндрах осуществляется выпуск газов.

Фаза B. Поршни в рабочих цилиндрах движутся от НМТ к ВМТ. Поршни в эспандерных цилиндрах движутся от ВМТ к НМТ. В первом рабочем цилиндре осуществляется сжатие свежего заряда, а во втором рабочем цилиндре – вытеснение выпускных газов в эспандерные цилиндры. В эспандерных цилиндрах осуществляется процесс продолженного расширения выпускных газов из второго рабочего цилиндра.

Фаза C. Поршни в рабочих цилиндрах движутся от ВМТ к НМТ. Поршни в эспандерных цилиндрах движутся от НМТ к ВМТ. В первом рабочем цилиндре осуществляется сгорание (предварительное расширение), а во втором рабочем цилиндре – впуск свежего заряда. В эспандерных цилиндрах осуществляется выпуск газов.

Фаза D аналогична Фазе В, в которой первый и второй цилиндры ВД меняются местами.

Таким образом, рабочий цикл двигателя с продолженным расширением осуществляется за два оборота коленчатого вала и состоит из двух групп процессов. Первая группа включает процессы впуска и предварительного расширения в первом или втором рабочих цилиндрах и выпуск газов из эспандерных цилиндров. Вторая группа включает процессы сжатия и вытеснения выпускных газов в первом или втором рабочих цилиндрах и дополнительное расширение выпускных газов в эспандерных цилиндрах.

Расчетные исследования

Для оценки влияния на топливную экономичность уменьшения рабочего объема двигателя и продолженного расширения были проведены расчетные исследования его рабочего процесса. Рассмотрены следующие варианты двигателя:

  • стандартный вариант, при котором 4 цилиндра работают без наддува;
  • одна пара цилиндров работает с наддувом, а в другой паре цилиндров удаляются клапаны с целью ликвидации насосных потерь;
  • двигатель-эспандер (ДЭ), в котором одна пара цилиндров является рабочей, а в другой паре цилиндров – эспандерной- осуществляется продолженное расширение.

Во всех вариантах обеспечивается приблизительно одинаковая мощность двигателя. В качестве ограничивающих факторов при форсировании 2 цилиндров с помощью наддува были приняты: отсутствие детонации, максимальное давление сгорания не выше 5,5 МПа и максимальная температура газов на входе в турбину турбокомпрессора 1050 °С. Работоспособность двигателя ВАЗ 11194 с таким уровнем параметров была подтверждена в цикле испытаний в ГНЦ «НАМИ» [2]. В двух работающих цилиндрах, использующих наддув, степень сжатия стандартного двигателя 10,8 была уменьшена до 9,0. При этом был сохранен приемлемый уровень нагрузок на детали двигателя [3].

На рисунке 2 даны нагрузочные характеристики вариантов двигателя ВАЗ при частоте вращения коленчатого вала n=4000 мин-1.

Из сравнения вариантов на графике ge=f(pe) следует, что при одинаковой величине среднего эффективного давления стандартный вариант имеет меньший уровень удельного эффективного расхода топлива по сравнению с другими вариантами. Указанное объясняется пониженной степенью сжатия двигателя в вариантах с двумя рабочими цилиндрами, что вызывает уменьшение индикаторного КПД, а также увеличенными механическими потерями за счет двух выключенных цилиндров.

Картина меняется при сравнении вариантов на графике ge=f(Ne) при одинаковой мощности. Варианты с двумя рабочими цилиндрами по величине удельного эффективного расхода топлива выигрывают у стандартного варианта 4-цилиндрового двигателя без наддува, причем этот выигрыш существенно увеличивается при снижении мощности. На характерном режиме городского движения автомобиля Лада Калина (Ne=15 кВт; n=4000мин-1) вариант ДЭ с продолженным расширением по топливной экономичности более чем на 20% превосходит стандартный вариант двигателя.

Схема воздействия различных факторов на повышение топливной экономичности варианта «двигатель-эспандер» иллюстрируется рисунком 3.

Читать еще:  Газель 405 двигатель инжектор не набирает обороты

Форсирование двух рабочих цилиндров с помощью наддува позволяет обеспечить необходимую мощность двигателя на режимах частичных нагрузок при более высоком уровне среднего эффективного давления по сравнению со стандартным вариантом 4-цилиндрового двигателя без наддува. При этом ощутимо увеличивается механический КПД. Необходимость снижения степени сжатия для предотвращения детонации и уменьшения нагрузок на детали двигателя приводит к некоторому снижению индикаторного КПД, которое компенсируется за счет продолженного расширения газов в эспандерных цилиндрах.

Параметры вариантов двигателя ВАЗ 11194 даны в таблице 1.

Таблица 1 — Параметры вариантов двигателя ВАЗ 11194

Эффективное давление рабочего процесса двигателя

ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА ДВИГАТЕЛЕЙ МЕТОДОМ КОСВЕННОГО ИНДИЦИРОВАНИЯ

Малышев В.С. , Корегин А.Ю. (СМФ, кафедра СЭУ, МГТУ)

Давление газов в цилиндрах двигателя является пожалуй наиболее информативным показателем, определяющим его техническое состояние, а также качество рабочего цикла. По этой причине наиболее распространенным методом диагностирования двигателей является метод параметрической диагностики, связанный с получением и обработкой индикаторных диаграмм в цилиндрах двигателя. Вместе с этим, большинство современных транспортных дизельных ДВС не оборудуются индикаторными кранами это делает крайне затруднительным осуществление прямого индицирования ДВС. Нами предложен и отработан метод косвенного индицирования, заключающийся в том, что индикаторная диаграмма получается путем измерения напряжений в крепеже крышки (головки) цилиндров.

Базовыми тенденциями современного дизелестроения остаются повышение топливной эффективности и эксплуатационной надежности двигателей, а также их экологическая безопасность, связанная главным образом с жесткими требованиями по эмиссии выпускных газов. Удовлетворить эти требования может использование микропроцессорных систем управления двигателем. Надежная и эффективная система может быть реализована при максимальной информативности датчиков параметров процесса. Наиболее информативным параметром пожалуй является давление газов в цилиндрах двигателя. Снимаемые индикаторные диаграммы позволяют определять цилиндровую мощность, показатели механической напряженности двигателя, а обработка и анализ дают возможность оценивать техническое состояние двигателя, качество его регулировки и даже экономичность. На индицировании цилиндров основано большинство методов диагностики ДВС.

Двигатели транспортного типа не оборудуются индикаторными кранами, современные дизельные ДВС с непосредственным впрыском не оборудуются и свечами накаливания. Эти обстоятельства делают невозможным осуществление прямого индицирования современных транспортных ДВС. По этой причине для получения информации о протекании рабочего процесса используют либо специальные миниатюрные датчики давления, либо косвенные методы индицирования. Так фирмой «Optrand» (США) разработаны миниатюрные тензодатчики, которые можно устанавливать в форсунку, свечу зажигания или накаливания. Датчик состоит из трех основных частей: чувствительного элемента, непосредственно подвергающегося давлению газов, гибкого соединительного проводника и оптоэлектронного модуля. Среди известных методов косвенного индицирования можно выделить следующие: использование сигналов неравномерности вращения коленчатого вала для оценки индикаторных диаграмм цилиндров ДВС; определение давления путем установки тензодатчиков на уплотнительную прокладку газового стыка; определение давление в цилиндре путем использования датчиков вибрации и установления соответствия между давлением в цилиндре и вибрацией стенок цилиндра.

Следует признать, что все названные способы косвенного индицирования носят пока скорее постановочный характер, они используются в виде отдельных экспериментальных проработок, имеющих ограниченную точность и достаточно узкую сферу использования. Такое положение дает право исследователям предлагать и разрабатывать новые методы и средства диагностирования ДВС.

МЕТОД КОСВЕННОГО ИНДИЦИРОВАНИЯ ДВИГАТЕЛЕЙ

Анализ сил, действующих в остове двигателя, показывает, что наиболее полно давление в цилиндрах двигателя передается через крышку (или головку) шпилькам или болтам ее крепления к блоку. Предложенный метод индицирования заключается в том, что под гайку или болт крепления крышки (или головки) цилиндров помещают стальную шайбу с закрепленными на ней тензорезисторами. Выходной сигнал от тензорезистора через усилитель передается на аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и обрабатывается в ЭВМ.

Данный метод был опробован на ряде двигателей. Наиболее полное исследование было проведено в процессе стендовых испытаний двигателя 3Ч17,5/24 (3NVD24). В ходе испытаний одновременно проводилось прямое индицирование с помощью электропневматического стробоскопического индикатора МАИ-2А, диагностического комплекса К-748/I, а также предлагаемым методом косвенного индицирования. Все измерения проводились на пяти режимах работы двигателя: Ne=0;0,25;0,5;0,75 и 1,0Neном. В данном случае индикаторные диаграммы, снятые с помощью индикатора МАИ-2А рассматривались как эталонные, а диаграммы, снятые методами прямого и косвенного индицирования сопоставлялись с ним и оценивалась их точность.

В настоящее время отработка устройства для косвенного индицирования двигателей осуществляется на экспериментальной установке на базе двигателя 6ЧН12/14 лаборатории ДВС МГТУ. У данного двигателя отсутствуют индикаторные краны, что не позволяет осуществлять его индицирование прямым методом. Поэтому для исследования метода косвенного индицирования, в конструкцию крышки цилиндров были внесены конструктивные изменения, позволившие произвести установку датчика давления газов. Вид полученных диаграмм представлен на рис.1.

Читать еще:  Шаговый двигатель принцип работ

Рис.1. Индикаторные диаграммы, полученные прямым (1)
и косвенным (2) методами

Анализ результатов испытаний позволил сделать следующие заключения:

    Среднее индикаторное давление косвенного метода несколько занижено по сравнению с давлением прямого метода, но максимальное значение не превышает 5%, при этом значение среднего индикаторного давления pi оказалось практически равным pi, полученному при обработке индикаторных диаграмм, снятых с помощью индикатора МАИ-2А. Это дает основание утверждать, что значение pi, полученное предлагаемым методом более реально отражает действительную картину.

Жесткость работы двигателя ( ¶ P/ ¶j ), степень повышения давления l =Pz/Pc, а также значение максимального давления сгорания Pz при измерении косвенным методом также занижены по сравнению с методом прямого индицирования, но расхождения не превышают 5%.

  • Косвенный метод индицирования оказался наиболее точным при определении моментов самовоспламенения топлива и моментов достижения максимального давления сгорания относительно ВМТ. Это, по-видимому, связано с тем, что система блок — крышка — шпилька является максимально жесткой и, следовательно, изменение давления в цилиндре моментально воспринимается датчиком. Прямое индицирование дает задержку в нашем случае примерно на 1 ° поворота коленчатого вала, что вызвано дросселированием в индикаторном канале.
  • Таким образом, по результатам проведенных исследований на двигателях доказано, что предлагаемый метод косвенного индицирования уже в настоящее время является достаточно точным, а по ряду показателей и превосходящим методы прямого индицирования. Это делает возможным рекомендовать его для использования в системах централизованного контроля и диагностики, при проведении технического обслуживания и регулирования ДВС.

    Большая Энциклопедия Нефти и Газа

    Среднее эффективное давление

    Среднее эффективное давление характеризует напряженность рабочего цикла в зависимости от ряда факторов, среди которых основными являются степень сжатия, состав горючей смеси, наполнение и механические потери двигателя. [1]

    Среднее эффективное давление как разность р — — р м с повышением оборотов вначале также повышается и достигает максимума при числе оборотов п2; затем оно снижается и при Р1рм обращается в нуль. [2]

    Среднее эффективное давление /, соответствует эффективной работе, отнесенной к единице рабочего объема двигателя, и является основным его эффективным показателем. [3]

    Среднее эффективное давление определяв. [4]

    Среднее эффективное давление зависит от вида применяемого топлива, которое определяет допустимую степень сжатия двигателя при бездетонационной работе. [5]

    Средние эффективные давления реМ и peN, соответствующие максимальному крутящему моменту и максимальной мощности двигателя, так же как и литровая Л / л и поршневая Nn мощности двигателя, являются параметрами, характеризующими степень совершенства рабочего процесса двигателя и в известной мере совершенство его конструкции. Величины ре м и ре N могут быть определены либо путем проведения теплового расчета, либо намечены на основании данных испытаний успешно работающих двигателей, подобных проектируемому. В основном для увеличения среднего эффективного давления автомобильных и тракторных двигателей применяют следующие способы: повышение степени сжатия и применение обогащенных смесей ( в карбюраторных двигателях), увеличение коэффициента наполнения, снижение механических потерь, наддув, улучшение рабочего процесса в целом. Увеличение ре за счет повышения степени сжатия, а также за счет наддува сопровождается в карбюраторных двигателях значительным повышением давления рг конца сгорания и, следовательно, значительным увеличением нагрузки на детали двигателя. [6]

    Среднее эффективное давление pepir M Pi-рм; следовательно, эффективная мощность двигателя может быть изменена путем увеличения или уменьшения среднего индикаторного давления. [7]

    Среднее эффективное давление ре представляет собой отношение эффективной работы на валу двигателя к единице рабочего объема цилиндра. [8]

    Среднее эффективное давление дпзелей с воздушным охлаждением бывает примерно на 10 % ниже, что объясняется несколько меньшим коэффициентом наполнения. Массовые показатели — удельная и литровая массы — дизелей с воздушным охлаждением практически не отличаются от этих показателей для дизелей с жидкостным охлаждением. [9]

    Среднее эффективное давление ре является достаточно динамичным параметром, численное значение которого значительно возросло за последние 10 — 15 лет. [10]

    Среднее эффективное давление двигателя соответствует давлению лучших образцов тепловозных двигателей. [11]

    Среднее эффективное давление ре представляет собой отношение эффективной работы на валу двигателя к единице рабочего объема цилиндра. [12]

    Кривые средних эффективных давлений — Pef ( n) и удельных расходов топлива gf ( n), приведенные на фиг. [13]

    Каково среднее эффективное давление при работе шестнадцатицилиндрового двухтактного дизеля 16ДН23 / 30 эффективной мощностью 2 200 кет, если частота вращения вала 850 об / мин, диаметр цилиндра 230 мм, ход поршня 300 мм. [14]

    Каково среднее эффективное давление при работе шестнадцатицилиндрового двухтактного дизеля 16ДН23 / 30 с эффективной мощностью 3000 кВт, если частота вращения вала 850 об / мин, диаметр цилиндра 230 мм, ход поршня 300 мм. [15]

    Ссылка на основную публикацию
    Adblock
    detector