Измерение давления в цилиндре

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.

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]

T-SGDI – новый рабочий процесс ДВС

Специалистами компаний Ricardo и Petronas Research разработан рабочий процесс T-SGDI (Turbocharged Spray Gasoline Direct Injection), который позволяет использовать бензин в двигателе с искровым зажиганием так же эффективно, как в дизеле. Реализация этого процесса позволила снизить минимальный удельный расход топлива до 203 г/кВт’Ч.

Рабочий процесс T-SGDI обеспечивает устойчивое воспламенение и эффективное сжигание бедных смесей в двигателях с непосредственным впрыском топлива, послойным смесеобразованием и турбонаддувом. Непременным компонентом нового рабочего процесса является прерывистый впрыск топлива с возможностью изменения продолжительности пауз между подачами отдельных его доз. Процесс T-SGDI был реализован на разработанном компанией Ricardo 4-цилиндро-вом двигателе Volcano рабочим объемом 2 л. Диаметр цилиндра и ход поршня равны 86 мм при степени сжатия 10,7. Впрыск топлива осуществляется под давлением до 230 бар через многосопловые пьезоэлектрические форсунки фирмы Pectel+Driwen.

Форсунки могут открываться до 9 раз за цикл, но при данном исполнении двигателя подача топлива осуществляется не более 5 раз за цикл на рабочих режимах и до 8 раз при пуске двигателя и прогреве нейтрализатора ОГ. Двигатель Volcano оснащен четырьмя клапанами на цилиндр с регулируемыми впускными и выпускными фазами. Форсунка и свеча зажигания расположены вблизи оси цилиндра над чашеобразной камерой сгорания, выполненной в поршне. Наддув осуществляется турбокомпрессором Garrett с постоянной геометрией направляющего аппарата турбины.

Целью разработки было повышение экономичности бензиновых двигателей с наддувом и снижение выбросов вредных веществ с отработавшими газами путем расширения режимов эффективной работы на бедных смесях. При этом особое внимание уделялось организации послойного смесеобразования и прерывистому впрыску топлива. В результате стендовых испытаний и исследования рабочих процессов на одноцилиндровом двигателе с прозрачными стенками цилиндра удалось обеспечить устойчивое воспламенение и качественное сгорание бедных смесей при десятикратном (и более) избытке воздуха. При эффективном использовании бедных смесей отпадает необходимость в регулировании двигателя дросселированием на впуске. Последнее, как известно, является одной из причин ухудшения экономичности бензиновых двигателей при работе с частичными нагрузками. Теперь количественное регулирование нагрузки заменяется качественным, как в дизелях.

Многопараметровая характеристика 2-литрового 4-цилиндрового двигателя Volcano T-SGDI

Следует отметить, что применяемые на современных автомобильных двигателях системы послойного смесеобразования обеспечивают устойчивое воспламенение и быстрое сгорание бедных смесей только на режимах малых нагрузок и низких частот вращения. При применении рабочего процесса T-SGDI удалось расширить диапазон эффективного сжигания бедных смесей при наддуве до среднего эффективного давления 15 бар. У двигателя Volcano минимум удельного расхода топлива соответствует среднему эффективному давлению 13 бар при 2250 об/ мин, т.е. режимам, на которых наиболее часто работает двигатель автомобиля, особенно при эксплуатации в городе. Сочетание послойного смесеобразования с прерывистым впрыском позволило снизить выброс оксидов азота в 5-10 раз по сравнению с выбросами бензиновых двигателей, работающих на стехиометрических смесях.

На графике представлена многопараметро-вая характеристика двигателя Volcano T-SGDI, где цветами обозначены области действия различных факторов, способствующих снижению расхода топлива и выбросов вредных веществ. При низкой частоте вращения и малых нагрузках (голубая область 1) двигатель работает практически без наддува. Экономичность двигателя при работе на этих режимах удалось повысить в результате эффективного сжигания бедных смесей и применения качественного регулирования вместо количественного.

Предполагается, что дальнейшее улучшение рабочего процесса в области этих режимов может быть достигнуто в результате снижения противодавления на впуске, создаваемого турбокомпрессором. В розовой области 2 двигатель работает с невысоким наддувом и без регулирующего дросселирования на впуске. Эффективное сжигание бедных смесей поддерживается при этом в результате прерывистого впрыска бензина системой RicardoMivis, а рециркуляция отработавших газов в количестве до 10% способствует снижению выбросов вредных веществ.

При применении нового рабочего процесса на двигателе с турбонаддувом удалось сдвинуть зону максимальной экономичности в сторону больших нагрузок (область 3). В обозначенной серым цветом области 4 двигатель работает на стехиометрической смеси, т.е. при подаче топлива в количестве, которое точно соответствует массе необходимого для его сжигания воздуха. Детонация предотвращается увеличением пауз между отдельными впрысками. В этой области может оказаться полезной рециркуляция охлажденных отработавших газов в количестве от 5 до 15%, особенно, если будут увеличены давление наддува или степень сжатия. В зеленой области 5 двигатель работает с наддувом, и необходимость в дросселировании воздуха на впуске отсутствует. Не требуется также рециркуляция отработавших газов, а система впрыска настраивается на максимальную экономичность. В синей области 6 двигатель работает практически без наддува, но и без дросселирования на впуске. При этом применяется рециркуляция отработавших газов в количестве от 10 до 30%. В результате доводки мощность двигателя Volcano T-SGDI была повышена до 197 кВт, а максимальный крутящий момент – до 391 Нм. Эти параметры достигаются при использовании бензина с октановым числом 95, но двигатель способен эффективно работать и на смесях бензина с различными спиртами.

Представленные выше характеристики двигателя Volcano T-SGDI позволяют рекомендовать его для установки на автомобили любого класса. Расчеты показали, что оснащенный этим двигателем легковой автомобиль массой 1800 кг будет расходовать в европейском цикле 6,1 л бензина на 100 км и выбрасывать углекислый газ в количестве 143 г/км, обеспечивая при этом выполнение норм выбросов вредных веществ Euro VI.

Эффективное давление рабочего процесса двигателя

Если обозначим площадь индикаторной диаграммы fмм 2 и длину ее l мм, то

где р ₁ — среднее индикаторное давление в кГ/см 2 ;

b — масштаб давлений индикаторной диаграммы — 1 ата — в мм.

Средним индикаторным давлением называется такое условное постоян­ное давление, действующее на поршень цилиндра двигателя, работа кото­рого в течение одного хода поршня равна работе действительного перемен­ного давления газов за один цикл.

Среднее индикаторное давление является показателем совершенства цикла двигателя и, кроме того, позволяет (как это будет показано в даль­нейшем) производить подсчет мощности, развиваемой в цилиндре двига­теля.

Среднее индикаторное давление расчетного цикла, или, как его назы­вают, среднее теоретическое индикаторное давление, может быть определено по площади расчетного цикла [по формуле (90)], либо аналитическим путем. Аналитический способ определения среднего теоретического индикаторного давления основан на том, что совершаемая работа за цикл, отнесенная к 1 м 3 рабочего объема цилиндра, и является искомым средним индикаторным дав­лением:

Принимая процесс сжатия политропным с показателем п ₁ , бу­дем иметь:

Знак минус в выражении работы L _ас показывает, что работа за про­цесс сжатия затрачивается. Работа за процесс сгорания с—z равна

Подставляя значения работы отдельных процессов в выражение (92), получим формулу для определения среднего теоретического индикаторного давления цикла смешанного подвода тепла:

При р = 1 получим среднее теоретическое индикаторное давление цикле с изохорным подводом тепла:

Как следует из полученных формул (93) и (94), р _i прямо пропорцио­нально р _с и зависит от изменения величин ?, ?, ?, n ₁ , п ₂ .

С увеличением степени сжатия е, степени повышения давления — ?, степени предварительного расширения ? и среднего значения показателя политропы сжатия — п ₁ , значение p _i ’; возрастает. Указанная зависимость объясняется тем, что при увеличении ?, ?и n ₁ увеличивается площадь ин­дикаторной диаграммы за счет увеличения высоты ее, а при увеличении ? происходит возрастание площади за счет уширения диаграммы. При уве­личении п ₂ , как это следует непосредственно из математической зависимости, р1 уменьшается, если все прочие величины остаются неизменными. В дей­ствительности увеличение п ₂ обусловливается уменьшением догорания топлива на линии расширения, а следовательно, возрастанием ? и р _i .