Вимоги безпеки та виробничої санітарії

При стендових випробуваннях повинні виконуватися вимоги безпеки та виробничої санітарії, передбачені стандартами, технічними умовами і технічною документацією підприємств-виробників на дизелі, випробувальні стенди, вимірювальні прилади, палива, оливи та охолоджуючі рідини.

Санітарно-гігієнічні вимоги до повітря на робочих місцях випробувальників (біля пульту управління) – згідно ГОСТ 12.1.005-88.

Рівні шуму на робочих місцях випробувальників (біля пульту управління) повинні відповідати ГОСТ 12.1.003-83 по категоріях робочих місць водіїв і обслуговуючого персоналу тракторів.

Вібрації на робочих місцях і на органах управління дизелем, випробувальним стендом і вимірювальними приладами – згідно ГОСТ 12.1.012-78.

Деталі дизеля, випробувального стенду та вимірювальних приладів, що обертаються, повинні мати захисні огородження (кожухи).

Випускні трубопроводи стенду і випускний ресивер повинні мати тепловий захист; температура на їх зовнішніх поверхнях не повинна перевищувати 70 °С.

Не допускається застосовувати етильовані бензини для живлення пускових двигунів і для промивки деталей.

Швидкісні характеристики двигунів

Зовнішня характеристика

Карбюраторний двигун

Зовнішня характеристика карбюраторного двигуна являє собою графічну залежність ефективної потужності, крутного моменту, годинної і питомої витрат палива від частоти обертання колінчастого вала двигуна, зняту при повному відкритті дросельної заслінки [N_e; M_K; G_T; g_e = f (n)].

Зовнішня характеристика дозволяє виявити динамічні якості двигуна, судити про його ефективні й економічні показники, а також вибрати оптимальний діапазон експлуатаційних обертів двигуна.

Умови зняття характеристики наступні:

– постійне повне навантаження двигуна;

– постійний температурний режим двигуна.

При випробуванні двигуна також підтримуються встановлена для експлуатаційної роботи регулювання карбюратора і найвигідніше для кожного швидкісного режиму значення кута випередження запалювання.

Характеристику знімають, дотримуючись цих умов, при різних частотах обертання колінчастого валу, починаючи від мінімального швидкісного режиму і закінчуючи максимальним. Зміна частоти обертання колінчастого валу здійснюється поступовим зменшенням зовнішнього завантаження двигуна. Особливо уважно визначають показники двигуна в зонах максимуму і мінімуму кривих характеристик.

На рис. 1 приведена зовнішня характеристика карбюраторного двигуна.

Характер зміни ефективної потужності від частоти обертання можна простежити, звертаючись до наступного виразу: N_е = N_і – N_м. Аналіз зміни N_е роблять по елементах цієї формули.

Потужність механічних втрат в залежності від частоти обертання колінчастого валу двигуна, як показують дослідження, можна представити емпіричною залежністю:

,

де А – постійний коефіцієнт;

m = 1,5…2 – емпіричний коефіцієнт.

Обидва коефіцієнти залежать від типу двигуна і його конструктивних особливостей.

Індикаторна потужність визначається формулою або, підставляючи залежність (11) замість N_e, одержуємо:

.

Знімаючи зовнішню характеристику карбюраторного двигуна при постійному відкритті дроселя, склад суміші, що надходить у циліндри, як показують досліди, практично залишається незмінним, тобто  = const.

Невеликі зміни має в залежності від частоти обертання по цій характеристиці й індикаторний ККД. При низькій частоті обертання, внаслідок збільшення втрат тепла в охолоджуюче середовище і збільшений витік кількості робочого тіла через нещільності, спостерігається деяке зменшення _і. При великій частоті обертання, за рахунок зсуву процесу згоряння на лінію розширення і збільшення з цієї причини догорання на цій лінії, має місце також деяке зменшення індикаторного ККД. Але ці зміни для карбюраторних двигунів у діапазоні робочих обертів не перевищують 5...6 %, у зв’язку з цим у першому наближенні можна вважати const.

Рис. 1. Зовнішня характеристика карбюраторного двигуна

Тому і const. Отже, формула для аналізу буде мати вигляд:

.

Для побудови кривої N_e = f (n) звернемося до рис. 2.

Характер зміни N_і (рис. 2) визначається впливом частоти обертання і коефіцієнта наповнення. За умови незмінності _V індикаторна потужність буде пропорційна частоті обертання. Але у зв’язку з тим, що при збільшенні швидкісного режиму _V зменшується через прогресивне зростання гідравлічних опорів на всмоктуванні і вихлопі, індикаторна потужність буде значно відхилятися від прямої залежності (рис. 3).

Відклавши закономірності N_і та N_м і взявши різницю потужностей на різних частотах обертання, одержуємо криву зміни ефективної потужності в залежності від частоти обертання.

Знаючи характер зміни N_і та N_м, легко встановити залежність коефіцієнта механічних втрат від частоти обертання:

.

Рис. 2. Характер зміни N_і, N_м, N_е від n карбюраторного двигуна

Через те, що індикаторна потужність відхиляється у бік зменшення від прямої залежності по частоті обертання, а потужність механічних втрат зростає по степеневій закономірності, відношення в залежності від швидкісного режиму буде значно збільшуватись, а від n прогресивно зменшуватися (рис. 3).

Рис. 3. Характер зміни _V, _і, _м від n карбюраторного двигуна

Крутний момент двигуна М_к змінюється по відомій формулі:

.

Підставляючи залежність замість N_e, одержуємо

або за умови const, маємо:

.

Отже, добуток коефіцієнтів визначає характер зміни М_к від n. Максимальна величина М_к буде відповідати частоті обертання n, що знаходяться між n₁ та n₂, але ближче до частоти обертання n₁ у зв’язку з деяким впливом на значення крутного моменту.

Точку максимуму крутного моменту М_кмакс неважко визначити, якщо відомо закон зміни кривоїй N_e від частоти обертання. Для цього до кривої потужності (рис. 1) з початку координат проводять дотичну. Провівши через точку дотику перпендикуляр до осі абсцис, одержимо значення частоти обертання n_м, якому буде відповідати максимальний крутний момент М_кмакс. Останнє положення підтверджується тим, що тангенс кута , що знаходиться між променем до кривої N_e = f (n) та віссю абсцис, стає максимальним за умови, якщо він є одночасно і дотичною.

Через те, що tg  = , підставляючи у формулу, маємо:

.

Для цього значення тангенса одержуємо і максимальну величину крутного моменту двигуна.

При розгляді зовнішньої характеристики двигуна звертаються до так званого коефіцієнта пристосованості К_пр, що представляє собою відношення максимального крутного моменту до моменту, що відповідає максимальній потужності

.

Цей коефіцієнт характеризує здатність двигуна трактора (автомобіля) переборювати зрісший момент опору без переходу на знижену передачу.

Величина коефіцієнта К_пр для карбюраторних двигунів знаходиться в межах 1,1...1,4.

Зміна годинної витрати палива G_T від частоти обертання можна простежити, звернувшись до формули, яку можна представити рівнянням:

,

де R – постійний коефіцієнт.

Враховуючи що за умовами зняття характеристики   const, то

.

Закономірність зміни G_T = f (n) аналогічна кривій N_і = f (n) (рис. 4).

Питома витрата палива двигуна g_е змінюється від обертів по наступній формулі:

.

У зв’язку з тим, що на _і мало впливає швидкісний режим, то закономірність зміни g_е цілком визначається як зворотна залежність механічного ККД.

Рис. 4. Характер зміни G_T, g_е від n карбюраторного двигуна

Частота обертання колінчастого валу двигуна, якій відповідає мінімум питомої витрати, знаходиться дещо вище частоти n₂, поблизу значення n_м, внаслідок деякого впливу індикаторного ККД.

Знявши зовнішню характеристику двигуна, можна констатувати основні ефективні та економічні показники і вибрати експлуатаційну частоту обертання, яка звичайно лежать у діапазоні від n_м до n_N, виходячи з умов одержання необхідної потужності і достатньої економічності роботи двигуна.

Дизельний двигун

Зовнішня характеристика дизельного двигуна представляє графічну залежність N_e; M_к; G_T; g_e від частоти обертання, зняту при постійному положенні органа, що регулює подачу палива.

Ціль зняття зовнішньої характеристики дизельного двигуна аналогічна такій же характеристиці карбюраторного двигуна.

Характеристика знімається при наступних умовах:

1. Постійне навантаження дизеля, обумовлене незмінним положенням регульованого органа. Це положення встановлюють на підставі регулювальної характеристики по паливу, що відповідає найбільшій експлуатаційній потужності.

2. Постійний температурний режим двигуна.

У процесі випробування двигуна момент подачі палива підбирається найвигіднішим для кожного режиму, якщо мається пристосування для його регулювання.

Характеристику знімають, виконуючи ці умови, на різних швидкісних режимах, зміна яких здійснюється підбором відповідного гальмового моменту.

Загальний вид кривих по зовнішній характеристиці дизеля приблизно такий же, як і в карбюраторного. Параметри, що визначають залежності N_e, M_к, G_T, g_e, коефіцієнт наповнення і механічний ККД змінюються в залежності від частоти обертання, як і в карбюраторних двигунів. Однак коефіцієнти  і _і в дизелів на різних швидкісних режимах змінюються по іншому.

Залежність цих коефіцієнтів від частоти обертання для дизельних двигунів показана на рис. 5. При зменшенні частоти обертання у дизелів величина  значно зростає. Це можна пояснити, звертаючись до рівняння коефіцієнта надлишку повітря:

.

Враховуючи що дійсна кількість повітря, яка надійшла в двигун, G_к пропорційна _V, а годинна витрата палива пропорційна цикловій подачі палива q, коефіцієнт  можна представити в такий спосіб:

,

де R – постійна величина.

Рис. 5. Характер зміни _V, q,  від n дизельного двигуна

Величина _V при зниженні частоти обертання колінчастого валу двигуна збільшується. Циклова подача q, в силу гідравлічних особливостей насосів високого тиску, зменшується. Це приводить до зміни  у дизелів, тоді як у карбюраторного двигуна його значення практично залишається постійним. У дизелів у значній мірі, у порівнянні з карбюраторними двигунами, має місце зміна індикаторного ККД. При зменшенні швидкісного режиму _і також зменшується, що пояснюється різко ускладненим сумішоутворенням при низьких частотах обертання, викликаних гіршим розпиленням палива і зміною геометрії його струменя. Крім того, впливає підвищення тепловіддачі в стінки, внаслідок збільшення тривалості процесу (рис. 6).

Рис. 6. Характер зміни і _і від n дизельного двигуна

Тому, якщо в карбюраторного двигуна відношення змінювалося в залежності від частоти обертання незначно і його закономірність протікання вважали незмінною, то для дизелів ми одержуємо значне зменшення при зниженні швидкісного режиму.

Подібний характер зміни приводить до дещо іншого протікання кривих N_e і M_к в залежності від частоти обертання у дизельних двигунів (рис. 7).

У результаті крива потужності зовнішньої характеристики має більш круте падіння, а крива крутного моменту в робочому діапазоні частот обертання буде пологою.

Рис. 7. Порівняння зміни N_e і M_к в залежності від n карбюраторного і дизельного двигуна

Дизельні двигуни в зв’язку з цим мають невеликий коефіцієнт пристосування К_пр = 1,05...1,16.

Для виправлення цього істотного недоліку дизелів вдаються до коректування характеристик за допомогою спеціальних пристроїв, що приводить до збільшення крутного моменту двигуна і відповідного зростання коефіцієнта пристосування.

Характер зміни годинної витрати G_T по зовнішній характеристиці дизельного двигуна визначається наступною залежністю:

.

Якщо б циклова подача палива була б постійною, то годинна витрата палива G_T змінювлась би прямо пропорційно частоті обертання. Але у зв’язку зі зростанням при збільшенні частоти обертання G_T дещо відхиляється у бік збільшення від прямої залежності (рис. 8).

Рис. 8. Характер зміни G_T та g_е в залежності від n дизельного двигуна

Питома витрата палива змінюється в залежності від n за формулою:

.

Знаючи характер протікання в залежності від частоти обертання, легко встановити, що g_е у дизелів подібна його зміні в карбюраторних двигунів, але в даному випадку вплив значніший, а це приводить до більш пологого протікання питомої витрати палива в діапазоні робочих частот обертання колінчастого валу дизеля.

Висновки по зовнішній характеристиці дизельного двигуна аналогічні висновкам такої ж характеристики карбюраторного двигуна.

Характеристика холостого ходу

Характеристика холостого ходу являє собою графічну залежність зміни годинної витрати палива в залежності від частоти обертання (рис. 9).

Рис. 9. Характеристика холостого ходу

По цій характеристиці судять про економічність роботи двигуна на холостому ходу.

Характеристика знімається на прогрітому двигуні при роботі двигуна без навантаження.

Початкову точку характеристики в карбюраторному двигуні знімають на прикритій до упора дросельній заслінці, у дизельному двигуні – при положенні рейки паливного насоса, що забезпечує мінімально стійкі оберти на холостому ході. Далі для зняття характеристики частоту обертання збільшують через невеликі інтервали.

Характеристику холостого ходу вважають задовільною, коли G_T плавно змінюється зі зростанням частоти обертання. Така характеристика забезпечує порівняно швидкий перехід двигуна на навантажувальний режим.

Зростання G_T в залежності від частоти обертання для карбюраторних двигунів можна пояснити збільшенням коефіцієнта наповнення в міру відкриття дроселя, для дизелів – збільшенням циклової подачі палива при переміщенні рейки паливного насоса.

В якості оцінкового параметра роботи двигуна на холостому ході приймають умовну витрату палива, що представляє кількість палива, витраченого за одиницю часу на один літр робочого об’єму циліндрів двигуна, тобто

.

Цей параметр дозволяє порівнювати результати випробувань різних двигунів і оцінювати ступінь їхньої досконалості (якість регулювання карбюратора, паливної апаратури і величини механічних втрат).

Характеристика механічних втрат

Характеристика являє собою графічне зображення потужності, затрачуваної на тертя всередині двигуна і на привод допоміжного обладнання при зміні частоти обертання.

Ця характеристика виявляє закономірність затрачуваної потужності на внутрішнє тертя двигуна і привод допоміжних механізмів без приводу вентилятора в залежності від швидкісного режиму. Умовно в потужність механічних втрат включають також потужність, затрачувану на насосні втрати.

Характеристику знімають методом прокручування двигуна за допомогою электрогальмівного пристрою, що працює в моторному режимі, у діапазоні робочих швидкостей двигуна при відключеній подачі палива.

На характеристиці також зображують криву механічного ККД в залежності від частоти обертання вала. Величину _м визначають з наступного співвідношення:

.

Крива зміни N_м = f (n) представляє степеневу залежність, показану формулою. Стрімке зростання N_м в залежності від частоти обертання в основному пояснюється прогресивно збільшуваними втратами на привод допоміжних механізмів у міру зростання частоти обертання вала.

Загальний вид характеристики механічних втрат показаний на рис. 10.

Рис. 10. Характеристика механічних втрат