Индикаторные диаграммы ДВС

Исследование работы реального поршневого двигателя целесообразно производить по диаграмме, в которой дается изменение давления в цилиндре в зависимости от положения поршня за весь

цикл. Такую диаграмму, снятую с по­мощью специального прибора индикато­ра, называют индикаторной диаграммой. Площадь замкнутой фигуры индикатор­ной диаграммы изображает в определенном масштабе индикаторную работу газа за один цикл.

На рис. 7.6.1 изображена индикаторная диаграмма двигателя, работающего с быстрым сгоранием топлива при посто­янном объеме. В качестве горючего для этих двигателей применяют легкое топливо бензин, светильный или генераторный газ, спирты и др.

При ходе поршня из левого мертвого положения в крайнее правое через всасывающий клапан засасывается горючая смесь, состоящая из паров и мелких частиц топлива и воздуха. Этот процесс изображается на диаграмме кривой 0-1, которая называется линией всасывания. Очевидно, линия 0-1 не является термодинамическим процессом, так как в нем основные параметры не изменяются, а изменяются только масса и объем смеси в цилиндре. При обратном движении поршня всасывающий клапан закрывается, происходит сжатие горючей смеси. Процесс сжатия на диаграмме изображается кривой 1-2, которая называется линией сжатия. В точке 2, когда поршень еще немного не дошел до левого мертвого положения, происходит воспламенение горючей смеси от электрической искры. Сгорание горючей смеси происходит почти мгновенно, т. е. практически при постоянном объеме. Этот процесс на диаграмме изображается кривой 2-3. В результате сгорания топлива температура газа резко возрастает и давление увеличивается (точка 3). Затем продукты горения расширяются. Поршень перемещается в правое мертвое положение, и газы совершают полезную работу. На индикаторной диаграмме процесс расшире­ния изображается кривой 3-4, называемой линией расширения. В точке 4 открывается выхлопной клапан, и давление в цилиндре падает почти до наружного давления. При дальнейшем движении поршня справа налево из цилиндра удаляются продукты сгорания через выхлопной клапан при давлении, несколько превышающем атмосферное давление. Этот процесс изображается на диаграмме кривой 4-0 и называется линией выхлопа.

Эффективной мощностью N_e называют мощность, получаемую на коленчатом валу двигателя. Она меньше индикаторной мощности N_i на величину мощности, затрачиваемой на трение в двигателе (трение поршней о стенки цилиндров, шеек коленчатого вала о подшипники и др.) и приведение в действие вспомогательных механизмов (газораспределительного механизма, вентилятора, водяного, масляного и топливного насосов, генератора и др.).

Для определения величины эффективной мощности двигателя можно воспользоваться приведенной выше формулой для индикаторной мощности, заменив в ней среднее индикаторное давление p_i средним эффективным давлением р_е (р_е меньше p_i на величину механических потерь в двигателе)

Индикаторной мощностью N_i называют мощность, развиваемую газами внутри цилиндра двигателя. Единицами измерения мощности являются лошадиные силы (л. с.) или киловатты (квт); 1 л. с. = 0,7355 квт.

Для определения индикаторной мощности двигателя необходимо знать среднее индикаторное давление p_i т. е. такое условное постоянное по величине давление, которое, действуя на поршень в течение только одного такта сгорание—расширение, могло бы совершить работу, равную работе газов в цилиндре за весь цикл.

Тепловой баланс представляет собой распределение тепла, которое появляется в двигателе за время сгорания топлива, на полезное тепло для полноценного функционирования автомобиля и тепло, что можно квалифицировать как тепловые потери. Различают такие основные потери теплоты:

• вызванные преодолением трения;
• возникающие из-за излучения тепла нагретыми внешними поверхностями двигателя;
• потери на привод некоторых вспомогательных механизмов.

Нормальный уровень теплового баланса двигателя может быть разным в зависимости от режима работы. Определяется по результатам испытаний в условиях установившегося теплового режима. Тепловой баланс помогает определить степень соответствия конструкции двигателя и экономичности его работы, и в дальнейшем принять меры по регулировке определенных процессов с целью добиться более совершенной работы.

Диагностика состояния двигателя по индикаторной диаграмме

Искажение формы индикаторной диаграммы позволяет обнаружить некоторые неисправности двигателя, связанные с нарушениями рабочих процессов. Если одно и то же искажение проявляется на диаграммах всех цилиндров, причина нарушения может быть общей для всего двигателя, как например ухудшение качества топлива или параметров его подготовки, неисправности в системе наддува, выхлопа или охлаждения двигателя, или неправильная регулировка механизма газораспределения. Ниже приведены некоторые характерные примеры неисправностей и соответствующих им искажений формы индикаторной диаграммы.

Задержка воспламенения топлива
Если топливо подается при оптимальной температуре и распылитель работает нормально, время между впрыском топлива и его воспламенением (задержка воспламенения) практически постоянно. Следовательно, нарушения момента воспламенения означают соответствующие нарушения процесса впрыска. Это может влиять на форму диаграммы мощности, однако наиболее ясно проявляется на развернутой диаграмме.

Раннее воспламенение
Это нарушение может вызвать ненормально высокий пик давления вблизи ВМТ. Возникающие ударные нагрузки передаются на детали главного движения и подшипники, что вызывает появление стука в двигателе («жесткая» работа). Несмотря на повышение термического КПД и снижение температуры выхлопа, это явление вредное, т.к. повышенные ударные нагрузки и вибрация могут привести к поломке двигателя.

Причинами раннего воспламенения могут быть неправильная регулировка топливного насоса ВД, поломка или неправильная установка запирающей иглы или пружины форсунки, несоответствующее качество топлива или перегрев деталей камеры сгорания.

Позднее воспламенение
Характерное для этого нарушения изменение формы диаграммы показано на рисунке ниже. Это снижение и смещение значительно позже ВМТ пика давления в цилиндре. Результатом является потеря мощности, так как сгорание топлива происходит не в самой выгодной фазе для совершения работы при движении поршня вниз. Это приводит к потерям производимой энергии, высокой температуре и дымности выхлопа.

Причиной позднего воспламенения может быть избыточная жесткость пружины форсунки, плохое распыление топлива, высокая вязкость или низкое качество топлива, неплотности или неправильная регулировка топливного насоса, низкая компрессия, недостаточная подача продувочного воздуха или переохлаждение деталей камеры сгорания.

Послесгорание
Это означает медленное или позднее сгорание топлива во время такта расширения, что приводит к повышению давления в конечной фазе такта по сравнению с нормой. Вследствие этого повышаются температура и давление выхлопа, в выхлопных газах присутствуют пламя, частицы несгоревшего топлива и сажи. В результате происходит повышенный износ выпускных клапанов, загрязнение выхлопного коллектора и системы газотурбонаддува, возникает риск возгорания в нагнетателе. Повышение температуры цилиндра может вызвать нарушения в работе системы смазки и, как следствие, поломки поршневых колец и задиры зеркала цилиндра. Возможно также выгорание головки поршня.

Подтекание форсунок
Обнаруживается по потере мощности исследуемого цилиндра, дымному выхлопу и высокой температуре выхлопных газов. Возможны также скачки давления или гидравлические удары в системе топливоподачи. Индикаторная диаграмма, снятая с такого цилиндра, покажет флуктуации давления в процессе расширения, вызванные вторичным воспламенением топлива, подтекающего из неплотной форсунки. Повышенные давления в конце линии расширения указывают также на наличие послесгорания.

Потери мощности могут быть вызваны нарушением процесса сгорания, вызванным волной давления от топливного насоса, которая стремится заполнить пустоту, образованную в результате утечек из форсунки. Это может вызвать также удары в системе. Горячие газы из цилиндра могут проникать сквозь неплотности в полость форсунки, вызывая отложение нагара в камере и засорение распылителя. Нагар может откладываться также на наружной поверхности распылителя вследствие сгорания просочившихся капель или пленки топлива.

При обнаружении указанных дефектов форсунка должна быть демонтирована и проверена. Чтобы избежать появления утечек в форсунках, необходим тщательный уход за топливными насосами и форсунками и смена форсунок в строгом соответствии с регламентом технического обслуживания. Топливо должно быть очищено и профильтровано, а также подаваться к распылителям при определенной температуре. Необходимо также поддерживать правильное значение температуры форсунок, не допуская как их перегрева, так и переохлаждения.

Засорение форсунок
Засорение форсунок может быть вызвано отложением загрязнений, содержащихся в топливе, в тонких каналах и отверстиях распылителя, а также образованием нагара во внутренних полостях при проникновении туда горячих газов из цилиндра через неплотности форсунки. Перегрев соплового наконечника также может вызвать отложение нагара как на внутренних, так и на наружных поверхностях распылителя. Это приводит, прежде всего, к потере мощности двигателя. Засорение трубок, соединяющих топливные насосы и форсунки, может привести даже к разрыву трубок со значительными утечками топлива и возможным серьезным авариям при его воспламенении на горячих поверхностях (например выхлопного коллектора). Обнаружить признаки засорения можно по конфигурации индикаторной диаграммы, а также по снижению температуры выхлопных газов.

Мерами устранения таких неполадок являются замена форсунок, очистка системы топливоподачи, внедрение эффективной системы очистки топлива (использование фильтров и центрифуг), а также поддержание в допустимых пределах температуры форсунок.

Низкая компрессия
Обнаруживается по заниженным давлениям на диаграмме сжатия. Она может быть также одной из наиболее частых причин неполного сгорания. Низкие давления конца сжатия могут иметь место из-за недостатка продувочного воздуха (неисправность нагнетателя, засорение продувочных окон или впускных клапанов и т.д.), или протечки воздуха мимо поршня в течение такта сжатия, которая может происходить из-за чрезмерного износа или поломки поршневых колец, износа втулки цилиндра, и т.д. Прорыв газов в картер обычно обнаруживается в такте расширения.

Прорыв газов
Прорыв газов – очень серьезная неисправность, когда продукты сгорания с высокой температурой перетекают мимо поршня между поршневыми кольцами и втулкой цилиндра. Это приводит к перегреву всех деталей поршневой группы, выгоранию смазки, и вызывает далее повреждения поверхности зеркала цилиндра с возможным заклиниванием поршня. В двухтактных двигателях продукты сгорания прорываются из цилиндра в подпоршневую полость, вызывая ее загрязнение, перегрев и даже появление пламени в продувочном коллекторе. В четырехтактных двигателях с тронковым поршнем горячие газы могут попасть в картер с серьезным риском взрыва в картере.

Это может быть вызвано чрезмерным износом втулки цилиндра, недостаточной смазкой цилиндра; изношенными, сломанными, пригоревшими или плохо установленными поршневыми кольцами; износом или загрязнением канавок поршня, вызывающими перекос или заклинивание колец; заполнение канавок нагаром, ограничивающим свободное перемещение колец. Все эти явления усиливаются, если двигатель перегружен.

При обнаружении этой неисправности следует измерить износ цилиндровой втулки и при необходимости заменить ее; провести ревизию поршня, зачистить кольцевые канавки и измерить их; при необходимости проточить канавки и установить новые кольца с правильными зазорами. Необходимо строго соблюдать регламент технического обслуживания системы смазки цилиндра и избегать перегрузок.

Неполное закрытие выпускного клапана
Неполное закрытие выпускного клапана на малых оборотах двигателя может быть обнаружено на индикаторной диаграмме, снятой индикатором со слабой пружиной. При этом диаграмма не дает точного значения фаз газораспределения, однако при сравнении с нормальной диаграммой можно определить, является ли открытие клапана ранним или поздним (см. рис. ниже).

Раннее открытие выпускного клапана вызывает потерю мощности, так как давление в конце такта расширения резко падает, сокращая продолжительность рабочего хода. Это создает высокую температуру выхлопа с риском перегрева и загрязнения выхлопного коллектора. Позднее открытие уменьшает эффективность продувки, сокращая период свободного выпуска. Это также влияет на режим работы газотурбонагнетателя.

Дросселирование выхлопа
При открытии выпускного клапана давление в цилиндре с загрязненными каналами выхлопа не падает достаточно быстро, что вызывает нарушения в нормальной работе системы продувки и ухудшает заполнение цилиндра свежим зарядом воздуха. В результате возникают потеря мощности, высокая температура выхлопа, дымление и возможные вибрации в турбонагнетателе. Причинами этого могут быть загрязнения выхлопа вследствие неэффективного сгорания или избыточной смазки цилиндра.