Индикаторная диаграмма – зависимость давления рабочего тела от объёма цилиндра (рис. 2) – является наиболее информативным источником, позволяющим анализировать процессы, происходящие в цилиндре двигателя внутреннего сгорания. Такты работы двигателя, осуществляющиеся за четыре хода поршня от ВМТ до НМТ показаны на индикаторной диаграмме в координатах p – V следующими отрезками кривой:

r 0 – a 0 – такт впуска;

a 0 – c – такт сжатия;

c – z – b 0 – такт рабочего хода (расширения);

b 0 – r 0 – такт выпуска.

На диаграмме отмечены следующие характерные точки:

b , r – моменты открытия и закрытия выпускного клапана, соответственно;

u , a – моменты открытия и закрытия впускного клапана, соответственно;

Рис. 2. Типичная индикаторная диаграмма четырехтактного

двигателя внутреннего сгорания

Площадь диаграммы, определяющая работу за цикл, состоит из площади, соответствующей положительной индикаторной работе, полученной за такты сжатия и рабочего хода, и площади, соответствующей отрицательной работе, затрачиваемой на очистку и наполнение цилиндра в тактах впуска и выпуска. Отрицательную работу цикла обычно относят к механическим потерям в двигателе.

Таким образом, общая энергия, сообщаемая валу поршневого двигателя за один цикл L , может быть определена алгебраическим сложением работы тактов L = L вп + L сж + L рх + L вып. Мощность, передаваемая валу, определится произведением этой суммы на количество тактов рабочего хода в единицу времени (n /2) и на число цилиндров двигателя i :

Определенная таким образом мощность двигателя называется средней индикаторной мощностью.

Индикаторная диаграмма позволяет разделить цикл четырехтактного двигателя на следующие процессы:

u – r 0 – r – a 0 – a – впуск;

a – θ – c" – сжатие;

θ – c" – c – z – f – смесеобразование и сгорание;

z – f – b – расширение;

b – b 0 – u – r 0 – r – выпуск.

Приведенная типичная индикаторная диаграмма справедлива и для дизельного двигателя. В этом случае точка θ будет соответствовать моменту подачи топлива в цилиндр.

На диаграмме обозначены:

V c – объем камеры сгорания (объем цилиндра над поршнем, находящимся в ВМТ);

V a – полный объем цилиндра (объем цилиндра над поршнем в начале такта сжатия);

V n – рабочий объем цилиндра, V n = V a – V c .

Степень сжатия.

Индикаторная диаграмма описывает рабочий цикл двигателя, а ограниченная его площадь – индикаторную работу цикла. Действительно, [p ∙ ∆V ] = (Н/м 2) ∙ м 3 = Н ∙ м = Дж.

Если принять, что на поршень действует некоторое условное постоянное давление p i , совершающее в течение одного хода поршня работу, равную работе газов за цикл L , то

L = p i ∙ V h ()

где V h – рабочий объем цилиндра.

Это условное давление p i принято называть средним индикаторным давлением.

Среднее индикаторное давление численно равно высоте прямоугольника с основанием, равным рабочему объему цилиндра V h площадью, равной площади, соответствующей работе L .

Так как полезная индикаторная работа пропорциональна среднему индикаторному давлению p i , совершенство рабочего процесса в двигателе можно оценивать на величину этого давления. Чем больше давление p i , тем больше работа L , и, следовательно, рабочий объем цилиндра используется лучше.

Зная среднее индикаторное давление p i , рабочий объем цилиндра V h , число цилиндров i и частоту вращения коленчатого вала n (об/мин), можно определить среднюю индикаторную мощность четырехтактного двигателя N i

Произведение i ∙ V h представляет собой рабочий объем двигателя.

Передача индикаторной мощности на вал двигателя сопровождается механическими потерями вследствие трения поршней и поршневых колец о стенки цилиндров, трения в подшипниках кривошипно–шатунного механизма. Кроме того, часть индикаторной мощности затрачивается на преодоление аэродинамических потерь, возникающих при вращении и колебании деталей, на приведение в действие механизма газораспределения, топливных, масляных и водяных насосов и других вспомогательных механизмов двигателя. Часть индикаторной мощности тратится на удаление продуктов сгорания и заполнение цилиндра свежим зарядом. Мощность, соответствующая всем этим потерям, называется мощностью механических потерь N м.

В отличие от индикаторной мощности, полезную мощность, которую можно получить на валу двигателя, называют эффективной мощностью N е. Эффективная мощность меньше индикаторной на величину механических потерь, т.е.

N е = N i – N м. ()

Мощность N м, соответствующую механическим потерям и эффективную мощность двигателя N е определяют опытным путем при стендовых испытаниях с помощью специальных нагрузочных устройств.

Одним из основных показателей качества поршневого двигателя, характеризующего использование им индикаторной мощности для совершения полезной работы является механический КПД, определяемый как отношение эффективной мощности к индикаторной:

η м = N е /N i . ()

Общую энергию, сообщаемую валу поршневого двигателя, можно определить алгебраическим сложением работы тактов и умножив сумму на число рабочих тактов в единицу времени (n /2) и число цилиндров двигателя. Мощность, определяемая таким образом, может быть получена путем интегрирования зависимости давления в функции от объема изображенной на индикаторной диаграмме (рис 4.2,б), и называется средней индикаторной мощностью N . Эту мощность часто связывают с понятием индикаторного среднего эффективного давления р i , рассчитывае­мого следующим образом:

Эффективная мощность N e есть произведение индикаторной мощности N на механический КПД двигателя. Механический КПД двигателя уменьшается с увеличением частоты вращения двигателя из–за потерь на тре­ние и привод агрегатов.

Для построения характеристик авиационного поршневого двигателя его испытывают на балансирном станке с использованием воздушного винта изменяемого шага. Балансирный станок обеспечивает замер величины крутящего момента, числа оборотов коленчатого вала и расхода топлива. По величине замеренного крутящего момента М кр и числу оборотов n определяется измеренная эффективная мощность двигателя

Если двигатель снабжен редуктором, снижающим обороты винта, то формула для замеренной эффективной мощности имеет вид:

где i р – передаточное число редуктора.

Учитывая зависимость эффективной мощности двигателя от атмосферных условий, замеренную мощность для сравнения результатов испытаний приводят к стандартным атмосферным условиям по формуле

где N e – эффективная мощность двигателя, приведенная к стандартным атмосферным условиям;

t изм – температура наружного воздуха во время испытаний, ºС;

B – давление наружного воздуха, мм.рт.ст.,

∆р – абсолютная влажность воздуха, мм.рт.ст.

Эффективный удельный расход топлива g е определяется по формуле:

где G T и – расход топлива и эффективная мощность двигателя, измеренные при испытаниях.

Индикаторная диаграмма

графическое изображение изменения давления газа или пара в цилиндре поршневой машины в зависимости от положения поршня. И. д. вычерчивается обычно с помощью индикатора давления (См. Индикатор давления). По оси абсцисс откладывается объём, занимаемый газами в цилиндре, а по оси ординат - давление. Каждая точка на И. д. (рис. ) показывает давление в цилиндре двигателя при данном объёме, т. е. при данном положении поршня (точка r соответствует началу впуска; точка а - началу сжатия; точка с - концу сжатия; точка z - началу расширения; точка b - концу расширения).

И. д. даёт представление о значении работы, производимой двигателем внутреннего сгорания или насосом, и об их мощности. Рабочее тело совершает полезную работу только в течение рабочего хода. Поэтому для определения полезной работы необходимо из площади, ограниченной кривой расширения zb , вычесть площадь, ограниченную кривой сжатия ac. Различают теоретическую и действительную И. д. Теоретическая строится по данным теплового расчёта и характеризует теоретический цикл; действительная И. д. снимается с работающей машины при помощи индикатора и характеризует действительный цикл (см. рис. ).

Для удобства ведения расчётов и сопоставления между собой разных двигателей переменные по ходу поршня давления заменяются условным постоянным давлением, при котором за один ход поршня получается работа, равная работе газов за цикл с переменным давлением. Это постоянное давление называется средним индикаторным давлением и представляет собой работу газов, отнесённую к рабочему объёму поршневой машины.

Б. А. Куров.

Большая советская энциклопедия. - М.: Советская энциклопедия . 1969-1978 .

Смотреть что такое "Индикаторная диаграмма" в других словарях:

Индикаторная диаграмма для различных поршневых механизмов графическая зависимость давления в цилиндре от хода поршня (или в зависимости от объёма, занимаемого газом или жидкостью в цилиндре). Индикаторные диаграммы строятся при исследовании … Википедия

индикаторная диаграмма - Диаграмма зависимости давления в цилиндре поршневой машины от его переменного объема. [ГОСТ 28567 90] Тематики компрессор EN pressure volume diagram DE Indikatordiagramm … Справочник технического переводчика

Графическое изображение зависимости давления рабочего тела (пара, газа) в цилиндре поршневой машины (двигателя, насоса) от перемещения поршня. Представляет собой замкнутую кривую, площадь внутри которой пропорциональна работе, совершенной рабочим … Большой Энциклопедический словарь

Графическое изображение зависимости давления рабочего тела (пара, газа) в цилиндре поршневой машины (двигателя, насоса) от перемещения поршня. Представляет собой замкнутую кривую, площадь внутри которой пропорциональна работе, совершённой рабочим … Энциклопедический словарь

Графич. изображение изменения давления пара или газа в цилиндре поршневой машины в зависимости от перемещения поршня или угла поворота коленчатого пала (см. рис.). Площадь И. д. пропорциональна работе, соверш. рабочим телом внутри цилиндра за… … Большой энциклопедический политехнический словарь

Графич. изображение зависимости давления рабочего тела (пара, газа) в цилиндре поршневой машины (двигателя, насоса) от перемещения поршня. Представляет собой замкнутую кривую, площадь внутри к рой пропорциональна работе, совершённой рабочим телом … Естествознание. Энциклопедический словарь

Индикаторная диаграмма - 97. Индикаторная диаграмма D. Indikalorcliagramm Е. Pressure volume diagram Диаграмма зависимости давления в цилиндре поршневой машины от его переменного объема

Рабочий цикл - совокупность тепловых, химических и газодинамических процессов, последовательно, периодически повторяющихся в цилиндре двигателя с целью преобразования тепловой энергии топлива в механическую энергию. Цикл включает пять процессов: впуск, сжатие, сгорание (горение), расширение, выпуск.
На тракторах и автомобилях, применяемых в лесной промышленности и лесном хозяйстве, устанавливаются дизельные и карбюраторные четырехтактные двигатели. Лесотранспортные машины, в основном, оснащаются четырехтактными дизельными двигателями,
В процессе впуска цилиндр двигателя заполняется свежим зарядом, представляющим собой очищенный воздух у дизельного двигателя или горючую смесь очищенного воздуха с топливом (газом) у карбюраторного двигателя и газодизеля. Горючей смесью воздуха с мелкораспыленным топливом, его парами или горючими газами должно обеспечиваться распространение фронта пламени во всем занятом пространстве.
В процессе сжатия в цилиндре сжимается рабочая смесь, состоящая из свежего заряда и остаточных газов (карбюраторные и газовые двигатели) или из свежего заряда, распыленного топлива и остаточных газов (дизели, многотопливные и с впрыском бензина двигатели и газодизели).
Остаточными газами называются продукты сгорания, оставшиеся после завершения предыдущего цикла и участвующие в следующем цикле.
В двигателях с внешним смесеобразованием рабочий цикл протекает за четыре такта: впуска, сжатия, расширения и выпуска. Такт впуска (рис. 4.2а). Поршень 1, под воздействием вращения коленчатого вала 9 и шатуна 5, перемещаясь к НМТ, создает разряжение в цилиндре 2, в результате чего свежий заряд горючей смеси поступает по трубопроводу 3 через впускной клапан 4 в цилиндр 2.

Такт сжатия (рис. 4.2б). После заполнения цилиндра свежим зарядом впускной клапан закрывается, а поршень, перемещаясь к ВМТ, сжимает рабочую смесь. При этом в цилиндре повышаются температура и давление. В конце такта рабочая смесь воспламеняется от искры, возникающей между электродами свечи 5, и начинается процесс сгорания.
Такт расширения или рабочий ход (рис. 4.2e). В результате сгорания рабочей смеси образуются газы (продукты сгорания), температура и давление которых резко возрастают к приходу поршня в ВМТ. Под воздействием высокого давления газов поршень перемещается к НМТ, при этом совершается полезная работа, передаваемая на вращающийся коленчатый вал.
Такт выпуска (см. рис. 4.2г). В этом такте происходит очистка цилиндра от продуктов сгорания. Поршень, перемещаясь к ВМТ, через открытый выпускной клапан 6 и трубопровод 7 выталкивает продукты сгорания в атмосферу. В конце такта давление в цилиндре незначительно превышает атмосферное давление, поэтому в цилиндре остается часть продуктов сгорания, которые смешиваются с горючей смесью, заполняющей цилиндр при такте впуска следующего рабочего цикла.
Принципиальное отличие рабочего цикла двигателя с внутренним смесеобразованием (дизельных, газодизельных, многотопливных) состоит в том, что на такте сжатия топливоподающая аппаратура системы питания двигателя впрыскивает мелкораспыленное жидкое моторное топливо, которое перемешивается с воздухом (или смесью воздуха с газом) и воспламеняется. Высокая степень сжатия двигателя с воспламенением от сжатия позволяет нагреть рабочую смесь в цилиндре выше температуры самовоспламенения жидкого топлива.
Рабочий цикл двухтактного карбюраторного двигателя (рис. 4,3) применяемого для пуска дизеля трелевочного трактора, совершается за два хода поршня или за один оборот коленчатого вала. При этом один такт является рабочим, а второй - вспомогательным. В двухтактном карбюраторном двигателе отсутствуют впускной и выпускной клапаны, их функцию выполняют впускное, выпускное и продувочные окна, которые открываются и закрываются поршнем при его движении. Через эти окна рабочая полость цилиндра сообщается с впускными и выпускными трубопроводами, а также с герметичным картером двигателя.

По результатам исследований строят графики зависимости дебита скважины от забойного давления Р заб или от депрессии (Р пл -Р заб), называемые индикаторными диаграммами (ИД).

Индикаторные диаграммы (ИД) добывающих скважин располагаются ниже оси абсцисс, а водонагнетательных - выше этой оси.

Обе индикаторные диаграммы (Q = f(Р заб) и Q = f()) строят в тех случаях, когда скважины эксплуатируются при сравнительно больших депрессиях (более 0,5…1,0 МПа). Ошибки измерений при этом обычно не приводят к большому разбросу точек при построении ИД в координатах Q = f(Р заб) (тем более для Q = f()).

При малых депрессиях (порядка 0,2…0,3 МПа) разброс точек может быть настолько большим, что индикаторную диаграмму в координатах Q = f(Р заб) построить не удается. В этих случаях на каждом режиме следует измерять и Р заб, и Р пл, а индикаторную диаграмму строить в координатах Q = f(). Депрессия, определяемая на каждом режиме, имеет меньшую относительную ошибку, чем Р заб, т.к. при измерениях за один спуск прибора абсолютные ошибки Р пл и Р заб примерно одинаковы и поэтому на разность =Р пл -Р заб почти не влияют. Либо используют не глубинные манометры, а глубинные дифференциальные манометры.

Если процесс фильтрации жидкости в пласте подчиняется линейному закону, т. е. индикаторная линия имеет вид прямой, зависимость дебита гидродинамически совершенной скважины от депрессии на забое описывается формулой Дюпюи

где Q -- объемный дебит скважины в пластовых условиях; Р пл -- среднее давление на круговом контуре радиуса R к.

Рис. 5.2. Индикаторная диаграмма Q=f(Р заб)

Считается, что давление на забое через некоторое время после остановки скважины становится примерно равным среднему пластовому давлению, установившемуся на круговом контуре с радиусом, равным половине среднего расстояния между исследуемой скважиной и соседними, ее окружающими.

Индикаторная диаграмма Q=f() строит-ся для определения коэффициента продуктивности скважин К.

В пределах справедливости линейного зако-на фильтрации жидкости, т. е. при линейной зависимости Q=f(),коэффициент продуктивности является величиной постоянной иРис. 5.3 Индикаторная диаграмма Q = f()

численно равен тангенсу угла наклона индикаторной линии к оси дебитов (оси абсцисс). По коэффициенту продуктивности скважин, определенному методом установившихся отборов, можно вычислить также другие параметры пласта.

Откуда коэффициент гидропроводности

И проницаемость пласта в призабойной зоне

Приведенные выше формулы справедливы для случая исследования гидродинамически совершенной скважины (вскрывшей пласт на всю его толщину и имеющей открыты забой) и измеряемые величны (дебит, динамическая вязкость и др.) приведены к пластовым условиям.

Реальные индикаторные диаграммы не всегда получаются прямолинейными (Рис 5.4). Искривление индикаторной диаграммы характеризует характер фильтрации жидкости в призабойной зоне пласта.

Рис. 5.4. Индикаторные кривые при фильтрации по пласту однофазной жидкости: 1 - установившаяся фильтрация по линейному закону Дарси; 2- неустановившаяся фильтрация или фильтрация с нарушением линейного закона Дарси при больших Q ; 3 - нелинейный закон фильтрации.

Искривление индикаторной линии в сторону оси P (рис. 5.4, кривая 2) означает увеличение фильтрационных сопротивлений по сравнению со случаем фильтрации по закону Дарси. Это объясняется тремя причинами:

1. Превышение скорости фильтрации в ПЗП критических скоростей при котрых линейный закон Дарси нарушается (V>V кр)

2. Образованием вокруг скважины области двухфазной (нефть+газ) фильтрации при Р заб <Р нас. Чем меньше Р заб, тем больше радиус этой области.

3. Изменения проницаемости и раскрытости микротрещин в породе при изменении внутрипластового давления вследствие изменения Рзаб.

Искривление ИД в сторону оси Q (рис. 5.4, кривая 3) объясняется двумя причинами:

1) некачественные измерения при проведении исследований;

2)неодновременным вступлением в работу отдельных прослоев или пропластков.

Продуктивные пласты, как правило, неоднородны. Глубинные дебитограммы для них:

Площадь заштрихованного прямоугольника прямо пропорциональна дебиту каждого пропластка. С уменьшением Р заб (т.е. с ростом P=Р пл -Р заб) растет работающая толщина пласта (h эф.), откуда по формуле Дюпюи растет Q (рис 5.4, кривая 3). Ошибка в определении пластового давления может привести к искривлению начального участка индикаторной диаграммы, построенной в координатах Q=f().

Рис. 5.5. Индикаторная диаграмма: 2 - замеренное пластовое давление соответствует фактическому; 1, 3 - замеренное пластовое давление соответственно завышено и занижено против фактического.

Очевидно, если замеренное пластовое давление окажется выше фактического, то построенная индикаторная диаграмма (рис. 5.5, кривая 1) будет располагаться ниже фактической. При этом фактические точки будут располагаться параллельно, но выше построенных по замеренным значениям. Экстраполяция в начало координат создает видимость искривления индикаторной кривой к оси депрессии.

Если замеренное пластовое давление окажется ниже фактического, то индикаторная диаграмма в своем начальном участке при экстраполяции его в начало координат может стать выпуклой к оси дебитов (рис. 5.5, кривая 3 ). Это может привести исследователя к выводу, что вся кривая имеет выпуклый к оси дебитов вид. Для случая искривления индикаторной линии в сторону оси депрессий (Рис. 5.6, а) при нарушении линейного закона фильтрации скорость фильтрации вблизи перфорационных отверстий становится настолько большой, что числа Рейнольдса превышают критические. Уравнение индикаторной линии записывают в виде:

а саму индикаторную диаграмму индикаторную линию для ее спрямления изображают в координатах

где а и b - постоянные численные коэффициенты.

Получим индикаторную прямую в координатах Др/Q=f(Q) отсекающую на оси ординат отрезок, равный а , с тангенсом угла наклона к оси Q , равным b (рис. 5.6, б). В этом случае коэффициент продуктивности К является величиной переменной, зависящей от дебита скважины.

Рис. 5.6 Индикаторная диаграмма при нелинейном законе фильтрации: а - ИД в координатах Др - Q; б - ИД в координатах Др /Q - Q.

Отрезок а , отсекаемый на оси ординат может быть выражен как

где, (с 1 и с 2 - фильтрационные сопротивления, обусловленные несовершенст-вом скважины по степени и характеру вскрытия).

По отрезку а , отсекаемому на оси Др/Q , находятся гидропроводность и проницаемость пласта

Коэффициент b зависит от конструкции забоя скважины.

В четырехтактном двигателе рабочие процессы происходят следующим образом:

• 1. Такт впуска. При движении поршня от ВМТ к НМТ вследствие образующегося разряжения из воздухоочистителя в полость цилиндра через открытый впускной клапан поступает атмосферный воздух. Давление воздуха в цилиндре составляет 0.08 - 0.095 МПа, а температура 40 - 60 С.
• 2. Такт сжатия. Поршень движется от НМТ к ВМТ; впускной и выпускной клапаны закрыты, вследствие этого перемещающийся вверх поршень сжимает поступивший воздух. Для воспламенения топлива необходимо, чтобы температура сжатого воздуха была выше температуры самовоспламенения топлива. При ходе поршня к ВМТ цилиндр через форсунку впрыскивается дизельное топливо, подаваемое топливным насосом.
• 3. Такт расширения, или рабочий ход. Впрыснутое в конце такта сжатия топливо, перемешиваясь с нагретым воздухом, воспламеняется, и начинается процесс сгорания, характеризующийся быстрым повышением температуры и давления. При этом максимальное давление газов достигает 6-9 МПа, а температура 1800-2000 С. Под действием давления газов поршень 2 перемещается от ВМТ в НМТ - происходит рабочий ход. Около НМТ давление снижается до 0.3-0.5 МПа, а температура до 700 - 900 С.
• 4. Такт выпуска. Поршень перемещается от НМТ в ВМТ и через открытый выпускной клапан 6 отработавшие газы выталкиваются из цилиндра. Давление газов снижается до 0.11-0.12 МПа, а температура до 500-700 С. После окончания такта выпуска при дальнейшем вращении коленчатого вала рабочий цикл повторяется в той же последовательности.

Индикаторную диаграмму, снятую с помощью прибора-индикатора, называют индикаторной диаграммой (рис.1).

Рис. 1

Рассмотрим диаграмму:

• 0-1 - заполнение цилиндра воздухом (при внутреннем смесеобразовании) или рабочей смесью (при внешнем смесеобразовании) при давлении несколько ниже атмосферного из-за гидродинамического сопротивления впускных клапанов и всасывающего трубопровода,
• 1-2 - сжатие воздуха или рабочей смеси,
• 2-3"-3 - период горения рабочей смеси,
• 3-4 - рабочий ход поршня (расширение продуктов сгорания), совершается механическая работа,
• 4-5 - выхлоп отработавших газов, падение давления до атмосферного происходит практически при постоянном объеме,
• 5-0 - освобождение цилиндра от продуктов сгорания.

В реальных тепловых двигателях преобразование теплоты в работу связано с протеканием сложных необратимых процессов (имеются трение, химические реакции в рабочем теле, конечные скорости поршня, теплообмен и др.) Термодинамический анализ такого цикла невозможен Гельман В.М., Москвин М.В. Сельскохозяйственные тракторы и автомобили. - М.: Агропромиздат, 1987, ч I и П..