Как по графику давления в цилиндре узнать, сколько работы дает один цикл? Двигай угол впрыска, подачу и наддув и смотри, как петля на диаграмме p–V худеет или толстеет вместе с мощностью.
Если записать давление датчиком и отложить его не по углу коленвала, а по объему, четыре такта замыкаются в петлю. На сжатии поршень идет вверх и сам тратит работу, на рабочем ходе газ давит на поршень сильнее и возвращает больше. Разница этих двух работ и есть площадь между линиями. Раньше такие диаграммы чертил механический прибор, индикатор, отсюда и название. Сейчас датчик давления ставят прямо в головку цилиндра и смотрят петлю на ноутбуке.
Площадь петли дает работу одного цилиндра за цикл. Поделив ее на рабочий объем, получаем среднее давление, а умножив на число циклов в секунду, мощность. Числа под формулами берутся из опыта.
Сколько работы за один цикл?
Работа газа это давление, умноженное на изменение объема. Складываем такие кусочки по всей петле: на рабочем ходе со знаком плюс, на сжатии со знаком минус. Получается площадь петли. Маленькая петля внизу, насосная, тоже входит в сумму.
Каким было бы давление, если бы оно не менялось?
Заменяем сложную петлю прямоугольником той же площади и шириной в рабочий объем. Его высота и есть среднее индикаторное давление. По нему удобно сравнивать двигатели разного размера.
Какая мощность у всех цилиндров?
Работа цикла pi · Vh умножается на число циклов в секунду. У четырехтактного цикл длится два оборота, поэтому циклов в минуту n / 2, а в секунду n / 120. И все это на i цилиндров.
В учебнике цикл дизеля рисуют из четырех чистых линий: сжатие без потерь, горение при постоянном давлении, расширение, мгновенный выпуск. Такой идеальный цикл и его КПД разбирают в физике, в теме «Циклы и КПД тепловых двигателей» (она готовится).
Настоящая петля «подъедена» со всех углов. Топливо горит не мгновенно, и часть тепла выделяется уже на ходу вниз. Стенки забирают тепло у горячего газа. Выпуск открывают заранее, за 50° до НМТ, и газы уходят, не доделав работу. На впуске и выпуске тратится работа на прокачку газа, это насосная петля.
Самое заметное, что можно испортить при ремонте, это угол впрыска. Его выставляют по метке, а в Common Rail задает блок управления (тема 3.5). Сдвиг на несколько градусов меняет площадь петли, а значит, и расход топлива на ту же работу.
У больших дизелей на каждом цилиндре есть индикаторный кран. Механик снимает диаграммы по всем цилиндрам и выравнивает подачу топлива, чтобы цилиндры работали одинаково.
На моторном стенде датчик давления в цилиндре показывает пик, скорость нарастания давления и момент воспламенения. По ним подбирают угол впрыска и форму струй форсунки.
Если у одного цилиндра петля меньше, у него хуже форсунка или компрессия. Блок управления видит это косвенно, по неравномерности вращения коленвала, и подсказывает код неисправности.
Среднее давление сравнивает двигатели разного размера. У атмосферного дизеля pi 8–10 бар, у карьерного с наддувом 20–28 бар. Значит, с одного литра наддув снимает вдвое-втрое больше.
При раннем впрыске давление растет слишком резко. Такая жесткая работа слышна как стук и со временем трескает перемычки поршня и разбивает вкладыши.
На 4000 м воздух на треть реже, и при отказе турбины петля резко уменьшается, а выпуск дымит. Почему так и как это лечат, в теме 3.4.
Давление посчитано для одного цилиндра по закону сохранения энергии с постоянным показателем 1,35: так учтено сжатие и расширение, но не потери тепла в стенки по отдельности. Тепло выделяется по двум плавным кривым Вибе: быстрая вспышка накопившегося топлива и основное горение. Задержка воспламенения постоянная, 6°. Недостаток воздуха без наддува учтен грубо: лишнее топливо почти не дает тепла. Давления на впуске и выпуске постоянные, без волн в трубах. Пик давления и pi получаются близкими к реальным для карьерного дизеля, но это учебная модель, а не расчет конкретного двигателя.