Іштен жанатын қозғалтқыштың индикаторлық диаграммасы деп оның цилиндрлерінің ішіндегі газ қысымының құбылысын, оның көлемнің өзгерісіне байланысты түрғызылған графигін айтамыз, яғни р-V координаталарына тұрғызылған қозғалтқыштың жұмыс барысының графигі болады. Олай болса бұл диаграмманы да екі түрлі жағдайда тұрғызуға болады. Біріншісі цилиндр ішінде теориялық термодинамикалық барыстар жүреді деп есептеген кездегі газ қысымының көлемге байланысты өзгеріс графигі, ал екіншісі осы байланыс графигінің қозғалтқыш цилиндрінің ішінде нақты термодинамикалық барыстар жүреді деп есептеген кездегі графигі.
Сондықтанда іштен жанатын қозғалтқыштарда теориялық және нақты индикаторлық диаграммалар болады. Егер диаграмма теориялық термодинамикалық барыстар үшін түрғызылса, онда ол теориялық индикаторлық, ал нақты барыстар үшін тұрғызылса, онда нақты индикаторлық диаграмма болады.
Іштен жанатын қозғалтқыштардың теориялық индикаторлык диаграммалары. Қозғалтқыштың осы диаграммасын тұрғызу үшін алғашкы тақырыптарда айтылган жолмен әрбір барыс үшін цилиндр ішіндегі газ күйінің көрсеткіштерін аныктаймыз, яғни ол газ қысымы (р), ал оның өзі піспек жүрісіне (S) немесе цилиндр көлеміне (V) тікелей байланысты өзгереді. Олай болса абцисса өсіне цилиндр көлемін (V) өлшеп, ал ордината өсіне цилиндр ішіндегі газ қысымын (р) өлшеп саламыз да әрбір барыс кезіндегі сол көрсеткіштердің өзгеріс графигін аламыз.
Дизельді қозғалтқыштардың теориялық индикаторлық диаграммасы (10 сурет) мына ретпен тұрғызылады және мына барыстарды сипаттайды. Қозғалтқыштың жұмысы алғаш сору барысынан басталады, яғни бұл кезде піспек ЖӨН-ден ТӨН -ге қарай жүреді. Осы құбылыс басталмай тұргандағы піспектің үстіңгі жағында белгілі бір кеңістік сақталады, оны жоғарыда айтқанымыздай, қысу көлемі (Vc) деп белгілейміз де графикке өлшеп саламыз. Бұл кездегі цилиндр ішіндегі қысым ауаның қысымымен тең деп есептейміз де сырттағы ауаның қысымын (ро) ордината өсіне өлшеп салып, (r) нүктесін аныктаймыз, яғни сору барысы осы нүктеден басталады деп есептейміз.
Енді сору барысы кезіндегі сорылып алынған ауаның қысымын жоғарыда сору барысын талдаған кездегі формула бойынша анықтаймыз да оның мәні түгел сору барысы бойынша тұракты болатындықтан, абцисса осіне параллель rа – сызығын жүргіземіз. Бұл сызық сору барысын сипаттайды.
Сору барысы аяқталғаннан кейін піспек ТӨН-ден ЖӨН-ге қарай қозғалады. Бұл кезде қысу барысы басталады және ол барыс адиабаттық барыс бойынша жүреді деп есептеп, оныңда көрсеткіштерін көлемнің кез-келген мәніне сәйкес есептеп табамыз. Табылған мәндер бойынша ас-сызығын жүргіземіз. Бұл сызық қысу барысының теориялық мәндерін сипаттайды, өйткені барысты адиабаттық барыс деп есептедік.
Осы барыс аяқталған кезде цилиндр ішіне арнаулы құралмен жанар май бүркіп беріледі де ол қысылып, әрі қызып тұрған ауамен араласады да жану барысы басталады. Бұл жану барысы дизельді қозғалтқышта екі кезеңмен жүреді деп есептеуге болады. Оның бірінші кезеңі — изохоралық барыс, яғни жанған газ күйі тұрақты көлем кезінде өзгереді. Олай болса бұл изохоралык барыс кезінде газ қысымы шұғыл өседі де рz – мәніне жетеді. Ол барыс диаграммада cz — сызығымен жүргізілген.
Одан әрі қарай жану барысы жалғаса береді. Себебі цилиндр ішіне жанар майды бүркіп енгізу жұмысы лезде орындалмайды. Соның салдарынан жану барысы піспек ЖӨН-нен өткеннен кейін де жалғаса береді. Бірак бұл кезде піспек төмен қарай қозғала бастағандықтан, цилиндр көлемі өзгеріп кетіп, изохоралық барыс аяқталады. Сондықтанда жанған газ қысымы өсуін тоқтатады да оның мәні тұрақтанады. Сол себепті әрі қарай цилиндр ішінде жүретін барыс тұракты қысымда болады, яғни оны изобаралық барыс деп атайды. Диаграммада бұл барыс zz/ — сызығымен жүргізілген.
Цилиндр ішінде жану барысы аяқталғаннан кейін үлғаю барысы басталады. Бұл кезде піспек ЖӨН-нен ТӨН-ге қарай козғалады да сырттағы қозғалтқыш кедергісін жеңіп, пайдалы жұмыс атқарып береді. Осы ұлғаю барысын да теориялық тұрғыдан адиабаттық барыс деп қабылдаймыз, яғни бұл кезде цилиндр ішіндегі жанған газдың жылуы өз бойында қалып, сыртқа шығындалмайды деп есептейді. Ұлғаю барысы кезіндегі қысымды да осы адиабаттық барыс үшін цилиндр көлемінің кез-келген мәніне сәйкес қысымның мәнін есептеп табамыз да олардың өзара тәуелді графигін тұрғызамыз. Сонда z/b — сызығын аламыз. Бұл сызық цилиндр ішіндегі ұлғаю барысының адиабаттық барысын көрсетеді.
Сурет 10 – Іштен жанатын дизельді қозғалтқыштың теориялық индикаторлық диаграммасы
Шығару барысы кезінде піспек ТӨН-ден ЖӨН-ге карай қозғалады. Бұл кезде шығару клапаны ашылып, алдымен жанып біткен газ қалдық қысымның көмегімен өздігінен сыртқа шығады да шықпай қалған газды піспек ығыстырып, сыртқа шығарады. Бұл кезде де газ қысымы тұракты деп есептеп, абцисса осіне параллель түзу жүргізу арқылы шығару барысының графигін тұрғызамыз. Ол суретте br — сызығымен жүргізілген. Бұл сызық сырттағы ауа қысымының сызығынан (rа) жоғары өтеді. Себебі бұл шығару барысы кезіндегі газ қысымы ол қысымның мөлшерінен артық болмаса газ сыртка шыға алмайды.
Осылайша жоғарыдағы айтылған жолмен тұрғызылған графикті дизельді қозғалтқыштың теориялық индикаторлық диаграммасы деп атаймыз. Ол суретте қалың сызықпен белгіленген. Карбюраторлы қозғалтқыштың теориялық индикаторлық диаграммасы да жоғарыдағы дизельдік қозғалтқыштағы диаграмма тәрізді тұрғызылған (11 сурет).
Мұндағы айырмашылық жану барысы кезінде карбюраторлы қозғалтқышта алдын-ала ұлғаю барысы болмайды. Себебі жану барысы басталмай тұрып цилиндр ішіне жану қоспасы толтырылады да оны арнаулы электр ұшқынымен тұтандырғандықтан жану барысы тез болады, ал дизельді қозғалтқышта жанар майды бүркіп бергенше біраз уақыт жұмсалады да ондағы жану барысы карбюраторлы қозғалтқышпен салыстырғанда ұзағырак уақыт жүреді. Олай болса карбюраторлы қозғалтқышта ұлғаю барысы бірден піспек төмен жүре бастаған кезден басталады. Бұл барыс zb — сызығымен белгіленген. Басқа барыстар жоғарыда көрсетілген дизельді қозғалтқыштар сияқты болады. Сондықтан оларға тоқталмаймыз.
11 сурет – Іштен жанатын карбюраторлы қозғалтқыштың теориялық индикаторлық диаграммасы
Іштен жанатын қозғалтқыштардың нақты индикаторлық диаграммалары. Қозғалтқыштардың мұндай диафаммалары жоғарыда айтылған теориялық диаграммалармен салыстырғанда аздаған өзгешеліктері болады. Оның негізгі себептерін қозғалтқыш жұмысы кезінде таза термодинамикалық барыстар бола алмайтындығымен түсіндіруге болады, яғни изохоралык, изобаралық немесе адиабаттық барыстар таза күйінде бола алмайды да цилиндр ішінде аралас барыстар орындалады. Ондай барысты политроптық барыс деп атайды, ал сол барыстың политроптық көрсеткіші адиабаттық барыстың көрсеткішінен әрқашан кіші болады. Соның салдарынан қысу немесе ұлғаю барыстары нақты барыс кезінде жатықтау сызық бойынша атқарылады.
Осыган қосымша нақты барысқа өзгеріс енуінің тағы бір себебі газдың кез-келген күйінің өзгеруі үшін міндетті түрде уақыт қажет болады. Мысалы цилиндр ішіндегі газдың қысымы бір барыстан, екінші барысқа ауысқан кезде шамасын өзгертеді, ал ол өзгеріс лезде болуы мүмкін емес. Өйткені табиғаттағы барлық заттың инерциялық касиеті болады да соның салдарынан міндетті түрде кешігу құбылысы пайда болады. Олай болса теориялық диаграммадағы осындай өтпелі кезеңдердің бәрінде де кешігу құбылысы пайда болғандықтан, олардың аралықтары тік сызықпен емес доға сызығымен жалғасуға тиіс.
Қозғалтқыштың нақты индикаторлық диаграммасын тұрғызарда тағыда бір ескеретін жағдайға жанармайдың немесе электр ұшқынының берілу озыктығы жатады. Яғни бұл құбылыс теориялық диаграммада кысу барысы аяқталған кезде беріледі деп есептесек, нақты барыс кезінде олардың берілуі піспек ЖӨН-не жетпей тұрып, ертерек берілетіндігін ескеруіміз керек.
Осы жоғарыда айтылған құбылыстарды есепке ала отырып, тұрғызылган индикаторлық диаграмманы қозғалтқыштың нақты индикаторлық диаграммасы деп атайды және ол 12 суретте көрсетілген.
Сонда көрініп тұрғандай, барыстардың бір-бірінен өту кезеңдеріндегі газ қысымының өзгерістері доға сызығымен жалғасқан, яғни барыстардың өзара орын алмастыруы шұғыл емес, жатық құбылыс түрінде болады. Осы суретте көрсетілген дизельдік қозғалтқыштың нақты индикаторлық диаграммасы теориялық диаграммасынан (10 сурет) онша өзгермегендігін байкауға болады. Олай болса карбюраторлы қозғалтқыштікі де онша өзгермеуге тиіс. Сондыктанда оны жеке көрсетудің қажеті жоқ сияқты.
12 сурет — Дизельді қозғалтқыштың нақты индикаторлық диафаммасы
7.2 Қозғалтқыштардың индикаторлық көрсеткіштері
Автомобиль қозғалтқыштарының индикаторлық көрсеткіштері оның жұмыс циклында болатын барыстардың қаншалықты жетілдірілгендігін көрсететін таза инженерлік көрсеткіштерге жатады. Сол көрсеткіштердің көмегімен цилиндр ішінде жүретін барыстарды салыстырып, оларды әрі қарай жетілдіруге болады.
Орташа индикаторлық қысым (рi) жұмыс істейтін газдың қысымының цикл бойынша орташа мәнін көрсетеді. Оны анықтау үшін жоғарыда 12 суретте көрсетілген қозғалтқыштың нақты индикаторлық диаграммасына қайтадан жүгінейік. Егер диаграмма белгілі бір масштабпен тұрғызылған болса, онда оның ауданы істелген жұмысты көрсетеді. Олай болса сол диаграммадан барыстардың пайдалы немесе зиянды жұмыстарын ажыратып алуға болады.
Ендеше сондағы зиянды жұмыстардың ауданы көлбеу сызықтармен сызылып қойылған. Ондай жұмыстарға цилиндр ішіне жанармай немесе электр ұшқынын беру озықтығының әсерінен жанудың ерте басталуы (1-аудан), жану қоспасының лезде жанып кетпегендігінен (2-аудан), жанып біткен газды үлғаю барысы аяқталмай тұрып, ертерек шығарып жіберудің салдарынан (3-аудан) және сору мен шығару барыстары кезіндегі піспектің кедергісіне жұмсалатын (Fro) жұмыс аудандары жатады. Ал диаграмманың ішіндегі ашық қалдырылған аудан (Fн) пайдалы жұмысты көрсетеді.
Сонымен іштен жанатын қозғалтқыштың жұмыс циклындағы индикаторлық жұмысты мына өрнек бойынша анықтауға болады:
Li =Lн — ΔL = МF(Fн -Fro), (102)
мұндағы: Lн – нақты диаграмманық ауданы; ΔL – теориялық диаграммадан алшақтаған барыстар мен зиянды жұмыстар ауданы; МF – диаграмманың аудандық масштабы.
Енді осы жұмыс теңдестігінен орташа индикаторлык қысымды аныктау үшін сол жұмысты цилиндрдің жұмысшы көлеміне (Vh) бөлсек болғаны. Сонда:
рi=Li/Vh= МF(Fн-Fro)/Vh. (103)
Мұндағы накты пайдалы жұмыс ауданын (Fн) анықтау үшін диаграмманың толықтық коэффициенті (φ) деген ұғымды пайдаланамыз. Сол коэффициенттің мағынасы бойынша есептеу жолымен тұрғызылған теориялык диаграмма ауданының (FТ) қанша бөлігі пайдалы жұмыс ауданы (Fн) екендігін көрсететін коэффициент, яғни φ=Fн/FТ. Ал бұл коэффициенттің шамасы тәжірибелік жолдармен аныкталып, іштен жанатын қозғалтқыштар үшін φ=0,95 шамасында қабылдау ұсынылады. Олай болса орташа индикаторлық мынандай болады:
рi=МF(φ FТ -Fro)/Vh. (104)
Mұндағы көрсеткіштерді диаграмма бойынша толық анықтауға болады.
Индикаторлық қуат. Индикаторлық қуат (Ni) деп белгілі бір уақыт мөлшерінде цилиндр ішіндегі газдың атқарған пайдалы жұмысын айтады. Көбінесе бұл қуатты қозғалтқыштың бір жұмыс циклы кезіндегі атқарған жұмыс арқылы анықтайды. Қозғалтқыштың бір жұмыс циклына қанша уақыт жұмсалатынын оның айналыс жиілігі арқылы табамыз, яғни минутына n – айналыс жасайтын қозғалтқыш үшін бір секундта жасайтын цикл саны n/120 болады. Егер қозғалтқышта цилиндр саны і — болса, онда индикаторлык куат мына өрнекпен анықталады:
(105)
мүндагы: Li – қозғалтқыштың бір жұмыс циклы кезіндегі атқарылған пайдалы жұмыс;
рi – жоғарыда анықталган орташа индикаторлық қысым;
Vh – бір цилиндрдің жұмысшы көлемі.
Әртүрлі қозғалтқыштарды осы индикаторлық қуаты бойынша салыстыруға мүмкін болу үшін оның литрлік мөлшерін анықтайды және оны литрлік индикаторлық қуат деп атайды. Егер қозғалтқыштың индикаторлык қуатын цилиндрлердің жұмысшы көлеміне, яғни литражына бөлетін болсақ, онда осы аталған қуатты табамыз. Сонда Nіл=рin/120 болады. Бүгінгі таңдағы қолданылып жүрген автомобильдердің қозғалтқыштарының бұл көрсеткіші шамамен мына төмендегідей болады: жеңіл машиналар үшін Niл =26÷50 кВт/л., ал жүк машиналары үшін Niл= 22÷37 кВт/л.
Индикаторлық меншікті жанар май шығыны. Бұл көрсеткіш бойынша индикаторлык барыстардың тиімді болатын жанар май шығынын бағалайды. Оны анықтау үшін қозғалтқыштың сағаттық жанар май шығынын оның индикаторлык қуатына бөледі. Сонда
gi=GT/Ni. (106)
Қазіргі қолданылып жүрген қозғалтқыштардағы бұл көрсеткіштің мәндері мына шамада болады: карбюраторлы қозғалтқыштар үшін gi=250÷340 г/кВт.сағ., ал дизельді қозғалтқыштар үшін gi=175÷230 г/кВт.саг. Осы көрсеткіштерге көңіл аударатын болсақ, онда дизельді қозғалтқыштардың карбюраторлы қозғалтқыштарға қарағанда жанар май шығыны жөнінен едәуір тиімді екендігін байқауға болады. Мұның негізгі себебін дизельді қозғалтқыштардың индикаторлық диаграммасындағы алдын ала ұлғаю құбылысының есебінен пайдалы жұмысқа айналатын ауданның (Fн) карбюраторлы қозғалтқыштармен салыстырғанда артығырақ екендігімен түсіндіруге болады.
Қозғалтқыштың индикаторлық пайдалы әсер коэффициенті (ПӘК). Бұл коэффициент те қозғалтқыштың негізгі көрсеткіштерінің біріне жатады. Қозғалтқыштың индикаторлык пайдалы әсер коэффициенті деп индикаторлық жұмыска айналған жылу (Li) мөлшерінің цилиндр ішінде жанған жанар май жылуына (Ни) қатнасын айтады, яғни
ηi = Li/GТЦ Ни. (107)
Егер осы жылулардың индикаторлық мәндерін орындарына қоятын болсақ, сонда
ηi =3600/(giHи), (108)
мұндағы 3600 кДж/(кВт∙сағ.) – жұмыстың жылулық эквивалент коэффициенті. Осы коэффициенттің көмегімен қозғалтқыштардың нақты жұмыс циклындағы бөлінген жылудың барлық шығындарын есепке ала отырып, оның пайдалану деңгейін бағалайды.