3. Індикаторна діаграма робочого циклу чотиритактних двигунів

Графічне представлення про тиск газів при зміні обсягу в циліндрі за цикл дає індикаторна діаграма. Вона може бути побудована за даними теплового розрахунку або знята при випробуванні двигуна за допомогою спеціального приладу - індикатора. Площа індикаторної діаграми (рис. 3) в прийнятому масштабі характеризує роботу, що здійснюються газами в циліндрі за один цикл.

При побудові індикаторної діаграми по осі абсцис в прийнятому масштабі відкладають обсяг циліндра V, а по осі ординат - абсолютний тиск газу р. Характерними точками індикаторної діаграми є точки а, з, z, b, r.

Процес впуску горючої суміші (для карбюраторних двигунів) або очищеного повітря (для дизелів) на індикаторних діаграмах характеризується кривою r а, яка розташована нижче лінії атмосферного тиску р 0. Це вказує на те, що процес впуску відбувається при деякому майже постійному розрідженні в циліндрі.

Малюнок 3 - Індикаторні діаграми чотиритактних двигунів:

а - карбюраторного; б - дизеля; р 0 - атмосферний тиск; r - кінець процесу випуску; р r - тиск в кінці випуску; точка а - кінець процесу впуску; ра - тиск в кінці впуску; точка з - кінець процесу стиснення; рс - номінальний тиск за ступенем стиснення; точка з '- початок горіння робочої суміші; рс "- дійсне тиск в кінці процесу стиснення; пряма cz - процес згоряння; точка z - відповідає розрахунковому тиску газів (pz); точка z '- відповідає дійсному тиску газів (pz'); точка b '- початок відкриття випускного клапана і видалення відпрацьованих газів; точка b - кінець процесу розширення; р b - тиск в кінці розширення; Vz - змінюється обсяг над поршнем (точки z, ..., z) в циліндрі дизеля при постійному тиску р; р i - середнє індикаторне тиск; 1, 2, 3, 4 - площі заокруглень індикаторної діаграми.

Процес стиснення на індикаторної діаграмі характеризується кривою ас, яка показує, як збільшується тиск в циліндрі в міру зменшення обсягу робочої суміші при такті стиснення.

Початок горіння робочої суміші (точка з ', рис. 3, а) визначається кутом випередження запалювання і впливає на тиск в кінці такту стиснення (точка рс "). Практично тиск рс "одно 1,15 ÷ 1,25 рс.

Процес згоряння робочої суміші на індикаторної діаграмі зображується прямою лінією cz, яка показує, що процес згоряння відбувається з швидким (за кілька мілісекунд) підвищенням тиску газів при майже постійному їх обсязі. Дійсне максимальний тиск p'z в карбюраторних двигунах становить 0,83 ÷ 0,88 p z при одночасному зміщенні точки z 'вправо від лінії cz (в ВМТ) на 10 ÷ 15 ° кута повороту колінчастого вала.

Процес розширення характеризується на індикаторної діаграмі кривої zb, яка б показала, як зменшується тиск в циліндрі в міру збільшення обсягу внаслідок переміщення поршня при такті розширення.

Процес випуску відпрацьованих газів з циліндра на індикаторної діаграмі зображується кривої b'r, яка проходить вище лінії атмосферного тиску р 0. Це означає, що тиск при такті випуску більше атмосферного і гази за рахунок підвищеного тиску виходять з циліндра в атмосферу, однак повністю очистити циліндри двигуна від продуктів згоряння практично неможливо.

Тому введено таке поняття: коефіцієнт залишкових газів, який характеризує ступінь забруднення свіжого заряду (горючої суміші) відпрацьованими газами і являє собою відношення маси продуктів згоряння, що залишилися в циліндрах, до маси свіжої горючої суміші. Для карбюраторних двигунів коефіцієнт залишкових газів дорівнює 0,06 ÷ 0,12, а для дизелів 0,03 ÷ 0,06.

Площа корисною (дійсної) індикаторної діаграми трохи менше площі теоретичної індикаторної діаграми. Це обумовлено поступовим переходом одного такту в інший, відповідно відбувається округлення діаграми (на малюнку 3, б показано штрихуванням 1, 2, 3, 4). Зменшення площі дійсної діаграми відбувається з наступних причин:

при збільшенні кута випередження запалювання або упорскування палива лінія стиснення більш плавно переходить в лінію згоряння, при цьому втрачається частина площі теоретичної діаграми (площа 2);

внаслідок того, що процес згоряння починається до приходу поршня в ВМТ (точка з '), а закінчується при повороті колінчастого вала на 15 ÷ 20 ° після проходження ВМТ. В результаті максимальний тиск циклу знижується на 10 ÷ 15% і корисна площа діаграми зменшується, причому у карбюраторних двигунів дещо більше, ніж у дизелів (площа 1);

випускний клапан відкривається за 40 ÷ 70 ° до приходу поршня в НМТ, внаслідок чого лінія розширення з точки b 'плавно переходить в лінію випуску, при цьому втрачається частина корисної площі діаграми (площа 3).

Робота, що витрачається на здійснення процесів впуску та випуску, на індикаторної діаграмі визначається площею 4, укладеної між лініями впуску та випуску. Цю роботу називають насосними втратами і відносять її до механічних втрат двигуна.

Відношення площі дійсної індикаторної діаграми (зазначеної знаком «+») до площі теоретичної індикаторної діаграми називається коефіцієнтом повноти діаграми, який дорівнює 0,92 ÷ 0,96. Якщо корисну площу індикаторної діаграми замінити площею рівновеликого прямокутника, у якого основа прямо пропорційно робочому об'єму циліндра, то висота прямокутника буде пропорційна середньому індикаторному тиску p i, який представляє собою умовне постійний тиск газів, під дією якого під час робочого ходу поршень здійснює роботу, рівну індикаторної роботі газів за цикл.

Середнім індикаторним тиском p i зазвичай користуються для визначення індикаторної потужності, яка представляє собою роботу, що здійснюються газами в одиницю часу всередині циліндра двигуна.

Таким чином, основним показником, який визначає індикаторну потужність двигуна при інших рівних умовах, є середнє індикаторне тиск, яке для карбюраторних двигунів лежить в межах 0,7 ÷ 1,5 МПа, а для дизелів - 0,75 ÷ 1,8 МПа.