Індика́торна діагра́ма — графічне зображення зміни тиску газу або пари в циліндрі поршневої машини залежно від положення поршня.
Індикаторна діаграма має вигляд замкнутої лінії і викреслюється зазвичай за допомогою індикатора тиску. У прямокутній системі координат по осі абсцис відкладається об'єм (V), який займає робоче тіло в циліндрі, а по осі ординат — тиск (p). Індикаторна діаграма в координатах р-V являє собою залежність тиску в циліндрі від об'єму надпоршневого простору за робочий цикл. Індикаторна діаграма у координатах p-φ, де φ — кут повороту колінчастого вала, носить назву розгорнута індикаторна діаграма.
Індикаторні діаграми будуються при дослідженні роботи поршневих насосів (компресорів), двигунів внутрішнього згоряння, парових машин та інших механізмів і машин. Вони дають можливість об'єктивно судити про перебіг робочого циклу й про якість процесу згоряння пального.
Термін «індикаторна діаграма» застосовується також у нафтогазовій промисловості стосовно до нафтових і газових свердловин, де він носить інший зміст (див. індикаторна діаграма свердловини).
Історична довідка
Методика індикаторних діаграм отримала розвиток завдяки Джеймсу Ватту та його найманому працівнику Джону Соузерну (1758–1815), котрі використовували її для покращення ККД парових машин. У 1796 році Соузерн використав простий метод отримання діаграм шляхом прикріплення планки таким чином, щоб вона рухалась синхронно з поршнем, і таким способом вимірювався об'єм простору у циліндрі з робочим тілом, у той час як олівець, зв'язаний з вимірювачем тиску рухався у перпендикулярному до руху поршня напрямі, відслідковуючи таким чином тиск. Ватт використовував індикаторну діаграму для оцінки ефективності розроблених ним удосконалень парових двигунів.
Фізичний зміст індикаторної діаграми
Особливість індикаторної діаграми полягає в тому, що її площа є пропорційною механічній роботі, виконаній в циліндрі газами. Отже, за величиною площі діаграми й числом циклів за одиницю часу можна визначити так звану індикаторну потужність, що розвивають гази всередині циліндра та ККД поршневої машини.
Кожна точка індикаторної діаграми показує тиск в циліндрі двигуна при даному об'ємі, тобто при даному положенні поршня (точка r відповідає початку впускання; точка а — початку стискування; точка c — кінцю стискування; точка z — початку розширення; точка b — кінцю розширення).
Робоче тіло здійснює корисну роботу лише протягом робочого ходу. Тому для визначення корисної роботи необхідно з площі, обмеженої кривою розширення zb, відняти площу, обмежену кривою стискування ас. Розрізняють теоретичну і дійсну індикаторну діаграми. Теоретична будується за даними теплового розрахунку і характеризує теоретичний цикл; дійсна індикаторна діаграма знімається з працюючої машини за допомогою індикатора тиску і характеризує дійсний цикл.
Для зручності ведення розрахунків і зіставлення між собою різних двигунів змінний по ходу поршня тиск замінюється умовним постійним тиском, при якому за один хід поршня виконується робота, рівна роботі газів за цикл із змінним тиском. Це постійний тиск називається середнім індикаторним тиском і є роботою газів, віднесеною до робочого об'єму поршневої машини.
За формою індикаторних діаграм можна судити про справність машини, і при відхиленні від нормальної форми діаграми можна визначати — в чому саме полягає несправність. Іншими словами, індикаторні діаграми використовують при технічному діагностуванні поршневих машин.
Методика використання
Для того, щоб судити про ступінь досконалості робочого циклу, дійсну індикаторну діаграму, отриману на двигуні, порівнюють із теоретичною діаграмою, у якій для спрощення досить складного дійсного циклу окремі робочі процеси замінені елементарними термодинамічними процесами, що легко піддаються дослідженню. При спрощенні явищ не враховується ряд незворотних втрат, наявних у дійсному циклі, внаслідок чого площа термодинамічної (теоретичної) діаграми завжди є більшою від площі дійсної діаграми. Таким чином, термодинамічний цикл є границею, до якої слід прагнути при реалізації дійсного циклу.
Термодинамічні цикли, як прототипи дійсних циклів двигунів внутрішнього згоряння, різняться між собою за характером процесів передачі теплоти й віддачі її до холодного джерела. В сучасних поршневих двигунах внутрішнього згоряння залежно від характеру виділення теплоти при згорянні пального дійсні цикли наближаються до термодинамічних циклів з передачею теплоти при постійному об'ємі або при постійному тиску або, нарешті, до змішаного циклу з передачею частини теплоти при постійному об'ємі і частини теплоти при постійному тиску. Відведення теплоти у всіх випадках приймається як таке, що відбувається при постійному об'єму.
Як відомо з курсу технічної термодинаміки, ККД змішаного циклу (цикл Трінклера) з передачею теплоти при р — const і V = const виражається формулою
- ,
де — ступінь стиску;
- — ступінь попереднього розширення;
- — ступінь підвищення тиску при ізохорному процесі згоряння;
- — показник адіабати.
Аналіз термодинамічних циклів показує, що термічний ККД (), зростає зі збільшенням ступеня стиску ε, зменшенням ступеня попереднього розширення ρ і збільшенням ступеня підвищення тиску λ.
Отже, для поліпшення економічності дійсного циклу в двигунах внутрішнього згоряння бажано збільшити ступінь стиску й удосконалити організацію процесу згоряння пального з підведенням теплоти при постійному об'ємі. Однак при збільшенні ε й λ в циліндрі двигуна різко зростають максимальні тиски й підвищуються втрати на тертя. Тому збільшення ступеня стиску понад 1 : 12…14 недоцільне, так як подальше його підвищення практично не впливає на економічність.
Робочий цикл із підведенням теплоти при постійному об'ємі відбувається у двигунах із зовнішнім сумішоутворенням (карбюраторних і газових), тобто в таких двигунах, у яких до моменту згоряння вся порція палива у вигляді горючої суміші вже перебуває у циліндрі. Для цих двигунів підвищення ступеня стиску обмежується температурою робочої суміші наприкінці стиску, що може привести до передчасного її займання. Залежно від властивостей пального у двигунах із зовнішнім сумішоутворенням ступінь стиску ε перебуває в межах 1 : 5…10,5.
У дизельних двигунах, де стискується повітря, а не робоча суміш, ступінь стиску може бути прийнятим у значення, найвигідніших для циклу, тобто 1 : 12…14. У швидкохідних дизельних моторах, призначених для роботи за низьких температур навколишнього повітря, використовується й вищий ступінь стиску.
Залежно від способу розпилення й тиску впорскування пального в циліндр, числа обертів й інших факторів дійсний цикл у дизелях у більшій чи меншій мірі наближається до термодинамічного змішаного циклу.
Див. також
Джерела
- Абрамчук Ф. І., Гутаревич Ю. Ф., Долганов К. Є., Тимченко І. І. Автомобільні двигуни: Підручник. — К.: Арістей, 2006. — 476 с. —
- Жележко Б. Е. и др. Термодинамика, теплоотдача и двигатели внутреннего сгорания. — Минск: Высшая школа, 1985. — 271 с.
Вікіпедія, Українська, Україна, книга, книги, бібліотека, стаття, читати, завантажити, безкоштовно, безкоштовно завантажити, mp3, відео, mp4, 3gp, jpg, jpeg, gif, png, малюнок, музика, пісня, фільм, книга, гра, ігри, мобільний, телефон, android, ios, apple, мобільний телефон, samsung, iphone, xiomi, xiaomi, redmi, honor, oppo, nokia, sonya, mi, ПК, web, Інтернет
Indika torna diagra ma grafichne zobrazhennya zmini tisku gazu abo pari v cilindri porshnevoyi mashini zalezhno vid polozhennya porshnya Indikatorna diagrama parovogo dviguna parovoza zobrazhena zamknutoyu chervonoyu liniyeyu Indikatorna diagrama maye viglyad zamknutoyi liniyi i vikreslyuyetsya zazvichaj za dopomogoyu indikatora tisku U pryamokutnij sistemi koordinat po osi abscis vidkladayetsya ob yem V yakij zajmaye roboche tilo v cilindri a po osi ordinat tisk p Indikatorna diagrama v koordinatah r V yavlyaye soboyu zalezhnist tisku v cilindri vid ob yemu nadporshnevogo prostoru za robochij cikl Indikatorna diagrama u koordinatah p f de f kut povorotu kolinchastogo vala nosit nazvu rozgornuta indikatorna diagrama Indikatorni diagrami buduyutsya pri doslidzhenni roboti porshnevih nasosiv kompresoriv dviguniv vnutrishnogo zgoryannya parovih mashin ta inshih mehanizmiv i mashin Voni dayut mozhlivist ob yektivno suditi pro perebig robochogo ciklu j pro yakist procesu zgoryannya palnogo Termin indikatorna diagrama zastosovuyetsya takozh u naftogazovij promislovosti stosovno do naftovih i gazovih sverdlovin de vin nosit inshij zmist div indikatorna diagrama sverdlovini Istorichna dovidkaIndikatorna diagrama Vatta Indikatorna diagrama dviguna Otto Metodika indikatornih diagram otrimala rozvitok zavdyaki Dzhejmsu Vattu ta jogo najmanomu pracivniku Dzhonu Souzernu 1758 1815 kotri vikoristovuvali yiyi dlya pokrashennya KKD parovih mashin U 1796 roci Souzern vikoristav prostij metod otrimannya diagram shlyahom prikriplennya planki takim chinom shob vona ruhalas sinhronno z porshnem i takim sposobom vimiryuvavsya ob yem prostoru u cilindri z robochim tilom u toj chas yak olivec zv yazanij z vimiryuvachem tisku ruhavsya u perpendikulyarnomu do ruhu porshnya napryami vidslidkovuyuchi takim chinom tisk Vatt vikoristovuvav indikatornu diagramu dlya ocinki efektivnosti rozroblenih nim udoskonalen parovih dviguniv Fizichnij zmist indikatornoyi diagramiOsoblivist indikatornoyi diagrami polyagaye v tomu sho yiyi plosha ye proporcijnoyu mehanichnij roboti vikonanij v cilindri gazami Otzhe za velichinoyu ploshi diagrami j chislom cikliv za odinicyu chasu mozhna viznachiti tak zvanu indikatornu potuzhnist sho rozvivayut gazi vseredini cilindra ta KKD porshnevoyi mashini Kozhna tochka indikatornoyi diagrami pokazuye tisk v cilindri dviguna pri danomu ob yemi tobto pri danomu polozhenni porshnya tochka r vidpovidaye pochatku vpuskannya tochka a pochatku stiskuvannya tochka c kincyu stiskuvannya tochka z pochatku rozshirennya tochka b kincyu rozshirennya Roboche tilo zdijsnyuye korisnu robotu lishe protyagom robochogo hodu Tomu dlya viznachennya korisnoyi roboti neobhidno z ploshi obmezhenoyi krivoyu rozshirennya zb vidnyati ploshu obmezhenu krivoyu stiskuvannya as Rozriznyayut teoretichnu i dijsnu indikatornu diagrami Teoretichna buduyetsya za danimi teplovogo rozrahunku i harakterizuye teoretichnij cikl dijsna indikatorna diagrama znimayetsya z pracyuyuchoyi mashini za dopomogoyu indikatora tisku i harakterizuye dijsnij cikl Dlya zruchnosti vedennya rozrahunkiv i zistavlennya mizh soboyu riznih dviguniv zminnij po hodu porshnya tisk zaminyuyetsya umovnim postijnim tiskom pri yakomu za odin hid porshnya vikonuyetsya robota rivna roboti gaziv za cikl iz zminnim tiskom Ce postijnij tisk nazivayetsya serednim indikatornim tiskom i ye robotoyu gaziv vidnesenoyu do robochogo ob yemu porshnevoyi mashini Za formoyu indikatornih diagram mozhna suditi pro spravnist mashini i pri vidhilenni vid normalnoyi formi diagrami mozhna viznachati v chomu same polyagaye nespravnist Inshimi slovami indikatorni diagrami vikoristovuyut pri tehnichnomu diagnostuvanni porshnevih mashin Metodika vikoristannyaDlya togo shob suditi pro stupin doskonalosti robochogo ciklu dijsnu indikatornu diagramu otrimanu na dviguni porivnyuyut iz teoretichnoyu diagramoyu u yakij dlya sproshennya dosit skladnogo dijsnogo ciklu okremi robochi procesi zamineni elementarnimi termodinamichnimi procesami sho legko piddayutsya doslidzhennyu Pri sproshenni yavish ne vrahovuyetsya ryad nezvorotnih vtrat nayavnih u dijsnomu cikli vnaslidok chogo plosha termodinamichnoyi teoretichnoyi diagrami zavzhdi ye bilshoyu vid ploshi dijsnoyi diagrami Takim chinom termodinamichnij cikl ye graniceyu do yakoyi slid pragnuti pri realizaciyi dijsnogo ciklu Termodinamichni cikli yak prototipi dijsnih cikliv dviguniv vnutrishnogo zgoryannya riznyatsya mizh soboyu za harakterom procesiv peredachi teploti j viddachi yiyi do holodnogo dzherela V suchasnih porshnevih dvigunah vnutrishnogo zgoryannya zalezhno vid harakteru vidilennya teploti pri zgoryanni palnogo dijsni cikli nablizhayutsya do termodinamichnih cikliv z peredacheyu teploti pri postijnomu ob yemi abo pri postijnomu tisku abo nareshti do zmishanogo ciklu z peredacheyu chastini teploti pri postijnomu ob yemi i chastini teploti pri postijnomu tisku Vidvedennya teploti u vsih vipadkah prijmayetsya yak take sho vidbuvayetsya pri postijnomu ob yemu Yak vidomo z kursu tehnichnoyi termodinamiki KKD zmishanogo ciklu cikl Trinklera z peredacheyu teploti pri r const i V const virazhayetsya formuloyu h 1 1 n k 1 l m k 1 l 1 k l m 1 displaystyle eta 1 frac 1 n k 1 cdot frac lambda m k 1 lambda 1 k lambda m 1 de n V 1 V 2 displaystyle n V 1 V 2 stupin stisku m V 4 V 3 displaystyle m V 4 V 3 stupin poperednogo rozshirennya l p 3 p 2 displaystyle lambda p 3 p 2 stupin pidvishennya tisku pri izohornomu procesi zgoryannya k displaystyle k pokaznik adiabati Analiz termodinamichnih cikliv pokazuye sho termichnij KKD h t displaystyle eta t zrostaye zi zbilshennyam stupenya stisku e zmenshennyam stupenya poperednogo rozshirennya r i zbilshennyam stupenya pidvishennya tisku l Otzhe dlya polipshennya ekonomichnosti dijsnogo ciklu v dvigunah vnutrishnogo zgoryannya bazhano zbilshiti stupin stisku j udoskonaliti organizaciyu procesu zgoryannya palnogo z pidvedennyam teploti pri postijnomu ob yemi Odnak pri zbilshenni e j l v cilindri dviguna rizko zrostayut maksimalni tiski j pidvishuyutsya vtrati na tertya Tomu zbilshennya stupenya stisku ponad 1 12 14 nedocilne tak yak podalshe jogo pidvishennya praktichno ne vplivaye na ekonomichnist Robochij cikl iz pidvedennyam teploti pri postijnomu ob yemi vidbuvayetsya u dvigunah iz zovnishnim sumishoutvorennyam karbyuratornih i gazovih tobto v takih dvigunah u yakih do momentu zgoryannya vsya porciya paliva u viglyadi goryuchoyi sumishi vzhe perebuvaye u cilindri Dlya cih dviguniv pidvishennya stupenya stisku obmezhuyetsya temperaturoyu robochoyi sumishi naprikinci stisku sho mozhe privesti do peredchasnogo yiyi zajmannya Zalezhno vid vlastivostej palnogo u dvigunah iz zovnishnim sumishoutvorennyam stupin stisku e perebuvaye v mezhah 1 5 10 5 U dizelnih dvigunah de stiskuyetsya povitrya a ne robocha sumish stupin stisku mozhe buti prijnyatim u znachennya najvigidnishih dlya ciklu tobto 1 12 14 U shvidkohidnih dizelnih motorah priznachenih dlya roboti za nizkih temperatur navkolishnogo povitrya vikoristovuyetsya j vishij stupin stisku Zalezhno vid sposobu rozpilennya j tisku vporskuvannya palnogo v cilindr chisla obertiv j inshih faktoriv dijsnij cikl u dizelyah u bilshij chi menshij miri nablizhayetsya do termodinamichnogo zmishanogo ciklu Div takozhIndikatorna diagrama sverdlovini Indikatorna diagrama burilnogo molotkaDzherelaAbramchuk F I Gutarevich Yu F Dolganov K Ye Timchenko I I Avtomobilni dviguni Pidruchnik K Aristej 2006 476 s ISBN 966 8458 26 5 Zhelezhko B E i dr Termodinamika teplootdacha i dvigateli vnutrennego sgoraniya Minsk Vysshaya shkola 1985 271 s