Индикаторная диаграмма 4 тактного бензинового двигателя. Конспект лекции "Индицирование двигателя

20.03.2021

Кузов

СХЕМА РАБОТЫ 4-Х ТАКТНОГО ДИЗЕЛЯ.

МАРКИРОВКА ДВС.

Маркировка отечественных дизелей производится по ГОСТу 4393-74. Каждый тип двигателя имеет условное буквенное и цифровое обозначение:

Ч - четырёхтактный

Д - двухтактный

ДД - двухтактный двойного действия

Р - реверсивный

С - с реверсивной муфтой

П - с редукторной передачей

К - крейцкопфный

Н - с наддувом

Г - для работы на газовом топливе

ГЖ - для работы на газожидкостном топливе

Цифры впереди букв обозначают число цилиндров; цифры после букв - диаметр цилиндра / ход поршня в сантиметрах. Например: 8ДКРН 74/160, 6ЧСП 18/22, 6Ч 12/14

Маркировка иностранных дизелестроительных фирм:

Двигатели завода SKL германии (бывшего ГДР)

Четырёхтактными ДВС называются двигатели, у которых один рабочий ход (такт) осуществляется за четыре хода поршня, или два оборота коленчатого вала. Тактами являются: впуск (наполнение), сжатие, рабочий ход (расширение), выпуск (выхлоп).

I такт - НАПОЛНЕНИЕ . Поршень движется от ВМТ к НМТ, вследствие чего в надпоршневой полости цилиндра создаётся разряжение, и через открытый впускной (всасывающий) клапан воздух из атмосферы поступает в цилиндр. Объем в цилиндре все время увеличивается. За НМТ клапан закрывается. В конце процесса наполнения воздух в цилиндре имеет следующие параметры: давление Pa=0,85-0,95 кг/см 2 , (86-96 кПа); температура Ta=37-57°C (310-330 K).

II такт - СЖАТИЕ . Поршень движется в обратном направлении и сжимает свежий заряд воздуха. Объем в цилиндре уменьшается. Давление и температура повышаются до значений: Pc=30-45кг/см 2 , (3-4 МПа); Tc = 600-700°C (800-900 K). Эти параметры должны быть такими, чтобы произошло самовоспламенение топлива.

В конце процесса сжатия в цилиндр двигателя из форсунки под большим давлением 20-150 МПа (200-1200 кг/см 2) впрыскивается мелкораспыленное топливо, которое самовоспламеняется под действием высокой температуры и быстро сгорает. Таким образом в течение второго такта происходит сжатие воздуха, подготовка топлива к сгоранию, образование рабочей смеси и начало её горения. В результате процесса горения параметры газа возрастают до значений: Pz=55-80кг/см 2 , (6-8,1 МПа); Tz=1500-2000°C (1700-2200 K).

III такт - РАСШИРЕНИЕ . Под действием усилий, возникающих от давления продуктов сгорания топлива, поршень движется к НМТ. Тепловая энергия газов преобразуется в механическую работу перемещения поршня. В конце такта расширения параметры газа снижаются до значений: Pb=3,0-5,0кг/см 2 , (0,35-0,5 МПа); Tb=750-900°C (850-1100 K).

IV такт - ВЫПУСК . В конце такта расширения (до НМТ) открывается выпускной клапан и газы, имеющие энергию и давление больше атмосферного, устремляются в выпускной коллектор, причём, при движении поршня к ВМТ происходит принудительное удаление выхлопных газов поршнем. В конце такта выпуска параметры в цилиндре будут следующие: давление P 1 =1,1-1,2кг/см 2 , (110-120кПа); температура T 1 =700-800°C (800-1000 K). За ВМТ выпускной клапан закрывается. Рабочий цикл закончен.

В зависимости от положения поршня изменение давления в цилиндре двигателя можно изобразить графически в координатных осях PV (давление - объём) замкнутой кривой, которая называется индикаторной диаграммой. На диаграмме каждая линия соответствует определённому процессу (такту):

1-a - процесс наполнения;

a-c - процесс сжатия;

c-z" - процесс горения при постоянном объёме (V=const);

z"-z - процесс горения при постоянном давлении (P=const);

z-b - процесс расширения (рабочий ход);

b-1 - процесс выпуска;

Po - линия атмосферного давления.

Примечание: если диаграмма расположена выше линии Po, то двигатель оборудован системой наддува и имеет большую мощность.

Крайние положения поршня (ВМТ и НМТ) изображены пунктирными линиями.

Объемы, занятые рабочим телом, в любом положении поршня и заключенные между его донышком и цилиндровой крышкой, откладываются на оси абцисс диаграммы, которые имеют следующие обозначения:

Vc – объем камеры сжатия; Vs – рабочий объем цилиндра;

Va. – полный объем цилиндра; Vx – объем над поршнем в любой момент его движения. Зная положение поршня всегда можно определить над ним объем цилиндра.

На оси ординат (в выбранном масштабе) откладывают давления в цилиндре.

Рассматриваемая индикаторная диаграмма показывает теоретический (расчетный) цикл, где приняты допущения, т.е. такты начинаются и заканчиваются в мертвых точках, поршень находится в ВМТ, камера сгорания заполнена остатками отработавших газов.

В реальных двигателях моменты открытия и закрытия клапанов начинаются и заканчиваются не в мёртвых точках положения поршня, а с определённым смещением, что наглядно видно на круговой диаграмме газораспределения. Моменты открытия и закрытия клапанов, выраженные в градусах поворота коленчатого вала (п.к.в.) называют фазами газораспределения. Оптимальные углы открытия и закрытия клапанов, а также начала подачи топлива определяются экспериментальным путём при испытании опытного образца на стенде завода-изготовителя. Все углы (фазы) указываются в формуляре двигателя.

К моменту поступления заряда воздуха в цилиндр двигателя открывается всасывающий клапан. Точка 1 соответствует положению кривошипа в момент открытия клапана. Для лучшего наполнения цилиндра воздухом всасывающий клапан открывается до ВМТ и закрывается после перехода поршнем НМТ на угол равный 20-40° п.к.в., который обозначается как угол опережения и запаздывания впускного клапана. Обычно угол п.к.в. соответствует процессу впуска равного 220-240°.Когда клапан закрывается наполнение цилиндра заканчивается и кривошип занимает положение, соответствующее точке (2).

После процесса сжатия для самовоспламенения топлива требуется время на его нагревание и испарение. Такой промежуток времени называется периодом задержки самовоспламенения. Поэтому впрыск топлива производится с некоторым опережением до момента прихода поршня в ВМТ на угол 10-35° п.к.в.

УГОЛ ОПЕРЕЖЕНИЯ ПОДАЧИ ТОПЛИВА

Угол между направлением кривошипа и осью цилиндра в момент начала впрыска топлива называют углом опережения подачи топлива. УОПТ отсчитывается от начала подачи до ВМТ и зависит от системы подачи, сорта топлива и частоты вращения вала двигателя. УОПТ у дизелей бывает от 15 до 32° и имеет большое значение на работу ДВС. Очень важно определить оптимальный угол опережения подачи, который должен соответствовать значению завода-изготовителя, указанному в паспорте двигателя.

Оптимальный УОПТ имеет большое значение для нормальной работы двигателя и его экономичности. При правильном регулировании горение топлива должно начинаться до прихода поршня в ВМТ на 3-6° п.к.в. Наибольшее давление Pz, равное расчётному, достигается когда поршень перейдёт ВМТ на угол 2-3° п.к.в. (см."Фазы горения").

При увеличении УОПТ период задержки самовоспламенения (I-я фаза) увеличивается и основная масса топлива сгорает в момент перехода поршнем ВМТ. Это приводит к жёсткой работе дизеля, а также к повышенному износу деталей ЦПГ и КШМ.

Уменьшение УОПТ ведёт к тому, что основная часть топлива поступает в цилиндр при переходе поршнем ВМТ и горит в большем объёме камеры сгорания. Тем самым уменьшается цилиндровая мощность двигателя.

После процесса расширения для уменьшения затрат на выталкивание отработавших газов поршнем производится открытие выпускного клапана с опережением до прихода поршнем в НМТ на угол равный 18-45° п.к.в., который называют углом опережения открытия выпускного клапана. Точка (). Для лучшей очистки цилиндров от продуктов сгорания выпускной клапан закрывается после перехода поршнем ВМТ на угол запаздывания равный 12-20° п.к.в., соответствующей точке () на круговой диаграмме.

Однако, из диаграммы видно, что всасывающий и выпускной клапана некоторое время находятся одновременно в открытом положении. Такое открытие клапанов называют углом перекрытия фаз клапанов, который составляет в сумме 25-55° п.к.в.

ДЕЙСТВИТЕЛЬНЫЕ ЦИКЛЫ ДВС

Отличие действительных циклов четырехтактных двигателей от теоретических

Наибольший КПД можно теоретически получить только в результате использования термодинамического цикла, варианты которого были рассмотрены в предыдущей главе.

Важнейшие условия протекания термодинамических циклов:

· неизменность рабочего тела;

· отсутствие всяких тепловых и газодинамических потерь, кроме обязательного отвода теплоты холодильником.

В реальных поршневых ДВС механическая работа получается в результате протекания действительных циклов.

Действительным циклом двигателя называется совокупность периодически повторяющихся тепловых, химических и газодинамических процессов, в результате которых термохимическая энергия топлива преобразуется в механическую работу.

Действительные циклы имеют следующие принципиальные отличия от термодинамических циклов:

Действительные циклы являются разомкнутыми, и каждый из них осуществляется с использованием своей порции рабочего тела;

Вместо подвода теплоты в действительных циклах происходит процесс сгорания, который протекает с конечными скоростями;

Изменяется химический состав рабочего тела;

Теплоемкость рабочего тела, представляющего собой реальные газы изменяющегося химического состава, в действительных циклах постоянно меняется;

Идет постоянный теплообмен между рабочим телом и окружающими его деталями.

Все это приводит к дополнительным потерям теплоты, что в свою очередь ведет к снижению КПД действительных циклов.

Индикаторная диаграмма

Если термодинамические циклы изображают зависимость изменения абсолютного давления (р ) от изменения удельного объема (υ ), то действительные циклы изображаются как зависимости изменения давления (р ) от изменения объема (V ) (свернутая индикаторная диаграмма) или изменения давления от угла поворота коленчатого вала (φ), которая называется развернутой индикаторной диаграммой.

На рис. 1 и 2 показаны свернутая и развернутая индикаторные диаграммы четырехтактных двигателей.

Развернутая индикаторная диаграмма может быть получена экспериментально с помощью специального прибора - индикатора давления. Индикаторные диаграммы можно получить и расчетным путем на основе теплового расчета двигателя, но менее точные.

Рис. 1. Свернутая индикаторная диаграмма четырехтактного двигателя
с принудительным воспламенением

Рис. 2. Развернутая индикаторная диаграмма четырехтактного дизеля

Индикаторные диаграммы используются для изучения и анализа процессов, протекающих в цилиндре двигателя. Так, например, площадь свернутой индикаторной диаграммы, ограниченная линиями сжатия, сгорания и расширения, соответствует полезной или индикаторной работе L i действительного цикла. Величиной индикаторной работы характеризуется полезный эффект действительного цикла:

, (3.1)

где Q 1 - количество подведенной в действительном цикле теплоты;

Q 2 - тепловые потери действительного цикла.

В действительном цикле Q 1 зависит от массы и теплоты сгорания топлива, вводимого в двигатель за цикл.

Степень использования подводимой теплоты (или экономичность действительного цикла) оценивают индикаторным КПД η i , который представляет собой отношение теплоты, преобразованной в полезную работу L i , к теплоте подведенного в двигатель топлива Q 1 :

, (3.2)

С учетом формулы (1) формулу (2) индикаторного КПД можно записать так:

, (3.3)

Следовательно, теплоиспользование в действительном цикле зависит от величины тепловых потерь. В современных ДВС эти потери составляют 55 –70 %.

Основные составляющие тепловых потерь Q 2 :

Потери теплоты с отработавшими газами в окружающую среду;

Потери теплоты через стенки цилиндра;

Неполнота сгорания топлива из-за местного недостатка кислорода в зонах горения;

Утечка рабочего тела из рабочей полости цилиндра из-за неплотности прилегающих деталей;

Преждевременный выпуск отработавших газов.

Для сравнения степени использования теплоты в действительных и термодинамических циклах используют относительный КПД

В автомобильных двигателях η o от 0,65 до 0,8.

Действительный цикл четырехтактного двигателя совершается за два оборота коленчатого вала и состоит из следующих процессов:

Газообмена - впуск свежего заряда (см. рис. 1, кривая frak ) и выпуск отработавших газов (кривая b"b"rd );

Сжатия (кривая аkс"с" );

Сгорания (кривая c"c"zz" );

Расширения (кривая z z"b"b" ).

При впуске свежего заряда поршень движется, освобождая над собой объем, который заполняется смесью воздуха с топливом в карбюраторных двигателях и чистым воздухом в дизелях.

Начало впуска определяется открытием впускного клапана (точка f ), конец впуска - его закрытием (точка k ). Начало и конец выпуска соответствуют открытию и закрытию выпускного клапана соответственно в точках b" и d .

Не заштрихованная зона b"bb" на индикаторной диаграмме соответствует потере индикаторной работы вследствие падения давления в результате открытия выпускного клапана до прихода поршня в НМТ (предварение выпуска).

Сжатие фактически осуществляется с момента закрытия впускного клапана (кривая k-с" ). До закрытия впускного клапана (кривая а-k ) давление в цилиндре остается ниже атмосферного (p 0 ).

В конце процесса сжатия топливо воспламеняется (точка с" ) и быстро сгорает с резким нарастанием давления (точка z ).

Так как воспламенение свежего заряда происходит не в ВМТ, и сгорание протекает при продолжающемся перемещении поршня, расчетные точки с и z не соответствуют реально протекающим процессам сжатия и сгорания. В результате площадь индикаторной диаграммы (заштрихованная зона), а значит и полезная работа цикла меньше термодинамической или расчетной.

Воспламенение свежего заряда в бензиновых и газовых двигателях осуществляется от электрического разряда между электродами искровой свечи.

В дизелях топливо воспламеняется за счет теплоты нагретого от сжатия воздуха.

Образовавшиеся в результате сгорания топлива газообразные продукты создают давление на поршень, вследствие чего совершается такт расширения или рабочий ход. При этом энергия теплового расширения газа преобразуется в механическую работу.

Исследование работы реального поршневого двигателя целесообразно производить по диаграмме, в которой дается изменение давления в цилиндре в зависимости от положения поршня за весь

цикл. Такую диаграмму, снятую с помощью специального прибора индикатора, называют индикаторной диаграммой. Площадь замкнутой фигуры индикаторной диаграммы изображает в определенном масштабе индикаторную работу газа за один цикл.

На рис. 7.6.1 изображена индикаторная диаграмма двигателя, работающего с быстрым сгоранием топлива при постоянном объеме. В качестве горючего для этих двигателей применяют легкое топливо бензин, светильный или генераторный газ, спирты и др.

При ходе поршня из левого мертвого положения в крайнее правое через всасывающий клапан засасывается горючая смесь, состоящая из паров и мелких частиц топлива и воздуха. Этот процесс изображается на диаграмме кривой 0-1, которая называется линией всасывания. Очевидно, линия 0-1 не является термодинамическим процессом, так как в нем основные параметры не изменяются, а изменяются только масса и объем смеси в цилиндре. При обратном движении поршня всасывающий клапан закрывается, происходит сжатие горючей смеси. Процесс сжатия на диаграмме изображается кривой 1-2, которая называется линией сжатия. В точке 2, когда поршень еще немного не дошел до левого мертвого положения, происходит воспламенение горючей смеси от электрической искры. Сгорание горючей смеси происходит почти мгновенно, т. е. практически при постоянном объеме. Этот процесс на диаграмме изображается кривой 2-3. В результате сгорания топлива температура газа резко возрастает и давление увеличивается (точка 3). Затем продукты горения расширяются. Поршень перемещается в правое мертвое положение, и газы совершают полезную работу. На индикаторной диаграмме процесс расширения изображается кривой 3-4, называемой линией расширения. В точке 4 открывается выхлопной клапан, и давление в цилиндре падает почти до наружного давления. При дальнейшем движении поршня справа налево из цилиндра удаляются продукты сгорания через выхлопной клапан при давлении, несколько превышающем атмосферное давление. Этот процесс изображается на диаграмме кривой 4-0 и называется линией выхлопа.

Рассмотренный рабочий процесс совершается за четыре хода поршня (такта) или за два оборота вала. Такие двигатели называются четырехтактными.

Из описания работы процесса реального двигателя внутреннего сгорания с быстрым сгоранием топлива при постоянном объеме видно, что он не является замкнутым. В нем имеются все признаки необратимых процессов: трение, химические реакции в рабочем теле, конечные скорости поршня, теплообмен при конечной разности температур и т. д.

Рассмотрим идеальный термодинамический цикл двигателя с изохорным подводом количества теплоты (v=соnst), состоящий из двух изохор и двух адиабат.

На рис. 70.2 и 70.3 представлен цикл в - и – диаграммах, который осуществляется следующим образом.

Идеальный газ с начальными параметрами и сжимается по адиабате 1-2 до точки 2. По изохоре 2-3 рабочему телу сообщается количество теплоты . От точки 3 рабочее тело расширяется по адиабате 3-4. Наконец, по изохоре 4-1 рабочее тело возвращается в первоначальное состояние, при этом отводится количество теплоты в теплоприемник. Характеристиками цикла являются степень сжатия и степень повышения давления .

Определяем термический КПД этого цикла, полагая, что теплоемкость и величина постоянны:

Количество подведенной теплоты , а количество отведенной теплоты .

Тогда термический КПД цикла

Рис. 7.6.2 Рис. 7.6.3

Термический КПД цикла с подводом количества теплоты при постоянном объеме

. (7.6.1) (17:1)

Из уравнения (70.1) следует, что термический КПД такого цикла зависит от степени сжатия и показателя адиабаты или от природы рабочего тела. КПД увеличивается с возрастанием и . От степени повышения давления , термический КПД не зависит.

С учетом – диаграммы (рис. 70.3) КПД определяем из соотношения площадей:

= (пл. 6235-пл. 6145)/пл. 6235 = пл. 1234/пл. 6235.

Очень наглядно можно проиллюстрировать зависимость КПД от увеличения на – диаграмме (рис. 7.70.3).

При равенстве площадей подведенного количества теплоты в двух циклах (пл. 67810=пл. 6235), но при разных степенях сжатия КПД будет больше у цикла с большей степенью сжатия, так как в теплоприемник отводится меньшее количество теплоты, т. е. пл. 61910<пл. 6145.

Однако увеличение степени сжатия ограничивается возможностью преждевременного самовоспламенения горючей смеси, нарушающего нормальную работу двигателя. Кроме того, при высоких степенях сжатия скорость сгорания смеси резко возрастает, что может вызвать детонацию (взрывное горение), которая резко снижает экономичность двигателя и может привести к поломке его деталей. Поэтому для каждого топлива должна применяться определенная оптимальная степень сжатия. В зависимости от рода топлива степень сжатия в изучаемых двигателях изменяется от 4 до 9.

Таким образом, исследования показывают, что в двигателях внутреннего сгорания с подводом количества теплоты при постоянном объеме нельзя применять высокие степени сжатия. В связи с этим рассматриваемые двигатели имеют относительно низкие КПД.

Теоретическая полезная удельная работа рабочего тела зависит от взаимного расположения процессов расширения и сжатия рабочего тела. Увеличение средней разности давлений между линиями расширения и сжатия позволяет уменьшить размеры цилиндра двигателя. Если обозначить среднее давление через то теоретическая полезная удельная работа рабочего тела составит

Давление называют средним индикаторным давлением (или средним цикловым давлением), т. е. это условное постоянное давление, под действием которого поршень в течение одного хода совершает работу, равную работе всего теоретического цикла.

Цикл с подводом количества теплоты в процессе

Изучение циклов с подводом количества теплоты при постоянном объеме показало, что для повышения экономичности двигателя, работающего по этому циклу, необходимо применять высокие степени сжатия. Но это увеличение ограничивается температурой самовоспламенения горючей смеси. Если же производить раздельное сжатие воздуха и топлива, то это ограничение отпадает. Воздух при большом сжатии имеет настолько высокую температуру, что подаваемое в цилиндр топливо самовоспламеняется без всяких специальных запальных приспособлений. И наконец, раздельное сжатие воздуха и топлива позволяет использовать любое жидкое тяжелое и дешевое топливо – нефть, мазут, смолы, каменноугольные масла и пр.

Такими высокими достоинствами обладают двигатели, работающие с постепенным сгоранием топлива при постоянном давлении. В них воздух сжимается в цилиндре двигателя, а жидкое топливо распыляется сжатым воздухом от компрессора. Раздельное сжатие позволяет применять высокие степени сжатия (до ) и исключает преждевременное самовоспламенение топлива. Процесс горения топлива при постоянном давлении обеспечивается соответствующей регулировкой топливной форсунки. Создание такого двигателя связывают с именем немецкого инженера Дизеля, впервые разработавшего конструкцию подобного двигателя.

Рассмотрим идеальный цикл двигателя с постепенным сгоранием топлива при постоянном давлении, т. е. цикл с подводом количества теплоты при постоянном давлении. На рис. 70.4 и 70.5 изображен этот цикл в и диаграммах. Осуществляется он следующим образом. Газообразное рабочее тело с начальными параметрами , , сжимается по адиабате 1-2; затем телу по изобаре 2-3 сообщается некоторое количество теплоты . От точки 3 рабочее тело расширяется по адиабате 3-4. И наконец, по изохоре 4-1 рабочее тело возвращается в первоначальное состояние, при этом в теплоприемник отводится теплота .

Характеристиками цикла являются степень сжатия и степень предварительного расширения .

Определим термический КПД цикла, полагая, что теплоемкости и и их отношение постоянны:

Количество подведенной теплоты

количество отведенной теплоты

Термический КПД цикла

Рис. 7.6.4 Рис. 7.6.5

Среднее индикаторное давление в цикле с подводом теплоты при определяется из формулы

Среднее индикаторное давление увеличивается с возрастанием и .

Цикл с подводом количества теплоты в процессе при и , или цикл со смешанным подводом количества теплоты.

Двигатели с постепенным сгоранием топлива при имеют некоторые недостатки. Одним из них является наличие компрессора, применяемого для подачи топлива, на работу которого расходуется 6–10% от общей мощности двигателя, что усложняет конструкцию и уменьшает экономичность двигателя. Кроме того, необходимо иметь сложные устройства насоса, форсунки и т. д.

Стремление упростить и улучшить работу таких двигателей привело к созданию бескомпрессорных двигателей, в которых топливо механически распыляется при давлениях 50–70 МПа. Проект бескомпрессорного двигателя высокого сжатия со смешанным подводом количества теплоты разработал русский инженер Г. В. Тринклер. Этот двигатель лишен недостатков обоих разобранных типов двигателей. Жидкое топливо топливным насосом подается через топливную форсунку в головку цилиндра в виде мельчайших капелек. Попадая в нагретый воздух, топливо самовоспламеняется и горит в течение всего периода, пока открыта форсунка: вначале при постоянное объеме, а затем при постоянном давлении.

Идеальный цикл двигателя со смешанным подводом количества теплоты изображен в – и – диаграммах на рис. 70.6 и 70.7.

Определим термический КПД цикла при условии, что теплоемкости , и показатель адиабаты постоянны:

Первая доля подведенного количества теплоты

Вторая доля подведенного количества теплоты

Количество отведенной теплоты

Эффективной мощностью N e называют мощность, получаемую на коленчатом валу двигателя. Она меньше индикаторной мощности N i на величину мощности, затрачиваемой на трение в двигателе (трение поршней о стенки цилиндров, шеек коленчатого вала о подшипники и др.) и приведение в действие вспомогательных механизмов (газораспределительного механизма, вентилятора, водяного, масляного и топливного насосов, генератора и др.).

Для определения величины эффективной мощности двигателя можно воспользоваться приведенной выше формулой для индикаторной мощности, заменив в ней среднее индикаторное давление p i средним эффективным давлением р е (р е меньше p i на величину механических потерь в двигателе)

Индикаторной мощностью N i называют мощность, развиваемую газами внутри цилиндра двигателя. Единицами измерения мощности являются лошадиные силы (л. с.) или киловатты (квт); 1 л. с. = 0,7355 квт.

Для определения индикаторной мощности двигателя необходимо знать среднее индикаторное давление p i т. е. такое условное постоянное по величине давление, которое, действуя на поршень в течение только одного такта сгорание-расширение, могло бы совершить работу, равную работе газов в цилиндре за весь цикл.

Тепловой баланс представляет собой распределение тепла, которое появляется в двигателе за время сгорания топлива, на полезное тепло для полноценного функционирования автомобиля и тепло, что можно квалифицировать как тепловые потери. Различают такие основные потери теплоты:

вызванные преодолением трения;
возникающие из-за излучения тепла нагретыми внешними поверхностями двигателя;
потери на привод некоторых вспомогательных механизмов.

Нормальный уровень теплового баланса двигателя может быть разным в зависимости от режима работы. Определяется по результатам испытаний в условиях установившегося теплового режима. Тепловой баланс помогает определить степень соответствия конструкции двигателя и экономичности его работы, и в дальнейшем принять меры по регулировке определенных процессов с целью добиться более совершенной работы.

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.

Q=f(Р заб ) предназначена для оценки величины пластового давления, которое можно определить путем продолжения индикаторной линии до пересечения с осью ординат (Рис. 5.2). Это соответствует нулевому дебиту, т. е. скважина не работает и Р заб Р пл =Р к.

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.