3. Индикаторная диаграмма рабочего цикла четырехтактных двигателей

Графическое представление о давлении газов при изменении объема в цилиндре за цикл дает индикаторная диаграмма. Она может быть построена по данным теплового расчета или снята при испытании двигателя с помощью специального прибора — индикатора. Площадь индикаторной диаграммы (рис. 3) в принятом масштабе характеризует работу, совершаемую газами в цилиндре за один цикл.

При построении индикаторной диаграммы по оси абсцисс в принятом масштабе откладывают объем цилиндра  V, а по оси ординат — абсолютное давление газа р. Характерными точками индикаторной диаграммы являются точки а, с, z, b, r.

Процесс впуска горючей смеси (для карбюраторных двигателей) или очищенного воздуха (для дизелей) на индикаторных диаграммах характеризуется кривой rа, которая расположена ниже линии атмосферного давления р₀. Это указывает на то, что процесс впуска происходит при некотором почти постоянном разрежении в цилиндре.

Рисунок 3 - Индикаторные диаграммы четырехтактных двигателей:

а — карбюраторного; б — дизеля; р₀ — атмосферное давление; r — конец        процесса выпуска; р_r — давление в конце выпуска; точка а — конец процесса впус­ка; р_а — давление в конце впуска; точка с — конец процесса сжатия;             р_с — номи­нальное давление по степени сжатия; точка с' — начало горения рабочей смеси; р_с″ — действительное давление в конце процесса сжатия; прямая cz — процесс сгорания; точка z — соответствует расчетному давлению газов (p_z); точка z′ — соответствует действительному давлению газов (p_z′); точка b′ - начало открытия выпускного клапана и удаления отработавших газов; точка b — конец процесса расширения; р_b — давление в конце расширения; V_z — изменяющийся объем над поршнем (точки z, …, z) в цилиндре дизеля при постоянном давлении р; р_i — среднее индикаторное давление; 1, 2, 3, 4 — площади скруглений индикаторной диаграммы.

Процесс сжатия на индикаторной диаграмме характеризуется кривой ас, которая показывает, как увеличивается давление в цилиндре по мере уменьшения объема рабочей смеси при такте сжатия.

Начало горения рабочей смеси (точка с', рис. 3, а) определяется углом опережения зажигания и влияет на давление в конце такта сжатия (точка р_с″). Практически давление р_с″ равно 1,15 ÷ 1,25 р_с.

Процесс сгорания рабочей смеси на индикаторной диаграмме изображается прямой линией cz, которая показывает, что про­цесс сгорания происходит с быстрым (за несколько миллисекунд) повышением давления газов при почти постоянном их объеме. Действительное максимальное давление p′_z  в карбюраторных двигателях составляет 0,83 ÷ 0,88 p_z при одновременном смещении точки z′ вправо от линии cz (в ВМТ) на 10 ÷ 15° угла поворота коленчатого вала.

Процесс расширения характеризуется на индикаторной диаграмме кривой zb, показывающей, как уменьшается давление в цилинд­ре по мере увеличения объема вследствие перемещения поршня при такте расширения.

Процесс выпуска отработавших газов из цилиндра на индика­торной диаграмме изображается кривой b'r, которая проходит выше линии атмосферного давления р₀. Это означает, что давле­ние при такте выпуска больше атмосферного и газы за счет повышенного давления выходят из цилиндра в атмосферу, однако полностью очистить цилиндры двигателя от продуктов сгорания практически невозможно.                                                  

Поэтому введено следующее понятие: коэффициент остаточ­ных газов, который характеризует степень загрязнения свежего заряда (горючей смеси) отработавшими газами и представляет собой отношение массы продуктов сгорания, оставшихся в цилиндрах, к массе свежей горючей смеси. Для карбюраторных двигателей коэффициент остаточных газов равен 0,06 ÷ 0,12, а для дизелей 0,03 ÷ 0,06.

Площадь полезной (действительной) индикаторной диаграм­мы несколько меньше площади теоретической индикаторной ди­аграммы. Это обусловлено постепенным переходом одного такта в другой, соответственно происходит скругление диаграммы (на рисунке 3, б показано штриховкой 1, 2, 3, 4). Уменьшение площа­ди действительной диаграммы происходит по следующим при­чинам:

при увеличении угла опережения зажигания или впрыскива­ния топлива линия сжатия более плавно переходит в линию сго­рания, при этом теряется часть площади теоретической диаграм­мы (площадь 2);

вследствие того, что процесс сгорания начинается до прихо­да поршня в ВМТ (точка с'), а заканчивается при повороте ко­ленчатого вала на 15 ÷ 20° после прохождения ВМТ. В результате максимальное давление цикла снижается на     10 ÷ 15 % и полезная площадь диаграммы уменьшается, причем у карбюраторных двигателей несколько больше, чем у дизелей (площадь 1);

выпускной клапан открывается за 40 ÷ 70° до прихода порш­ня в НМТ, вследствие чего линия расширения с точки b′ плавно переходит в линию выпуска, при этом теряется часть полезной площади диаграммы (площадь 3).

Работа, затрачиваемая на осуществление процессов впуска и выпуска, на индикаторной диаграмме определяется площадью 4, заключенной между линиями впуска и выпуска. Эту работу назы­вают насосными потерями и относят ее к механическим потерям двигателя.

Отношение площади действительной индикаторной диаграм­мы (отмеченной знаком «+») к площади теоретической индика­торной диаграммы называется коэффициентом полноты диаграммы, который равен 0,92 ÷ 0,96. Если полезную площадь индика­торной диаграммы заменить площадью равновеликого прямоуголь­ника, у которого основание прямо пропорционально рабочему объему цилиндра, то высота прямоугольника будет пропорцио­нальна среднему индикаторному давлению p_i, представляющему собой условное постоянное давление газов, под действием которого во время рабочего хода поршень совершает работу, равную индикаторной работе газов за цикл.

Средним индикаторным давлением p_i обычно пользуются для определения индикаторной мощности, которая представляет собой работу, совершаемую газами в единицу времени внутри ци­линдра двигателя.