Дизель

МИНЕСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«НИЖЕГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. Р.Е. АЛЕКСЕЕВА»

Кафедра: “Энергетические установки и тепловые двигатели”

Лабораторная работа

«Испытания дизель-генератора»

Выполнили:

Студенты группы

17-КС-1

Проверил:

Зеленов С.Н.

Нижний Новгород 2020 г.

Цель работы

Целью лабораторной работы является ознакомление с назначением и устройством дизель-генератора, изучение теоретических основ методики получения составляющих тепловых потоков, последовательность работы на стенде, построение нагрузочной характеристики.

Теоретическая часть

Общие сведения о тепловом балансе и теплотехнических испытаниях двигателей

Тепловой баланс двигателя представляет собой равенство между подводом теплоты в цилиндры дизеля с топливом и окислителем и ее расходом на полезные цели и на тепловые потери за единицу времени.

Уравнение теплового баланса дизеля составляется для установившегося режима его работы при конкретной нагрузке. В нашем случае это 25%, 50%, 75% и 100% от номинальной мощности. В основу теплового баланса положен закон сохранения энергии.

Во время испытаний определяются расход и температура охлаждающего воздуха, температура и состав продуктов сгорания, расход топлива и мощность дизеля. На основании этих данных составляется уравнение баланса тепловых потоков дизеля:

, (1)

где P_т – тепловой поток, образующийся при сгорании введенного в цилиндр топлива, кВт.

Пренебрегая теплотой, связанной с теплосодержанием топлива, принимаем:

, (2)

где B_т – расход топлива, кг/с;

- низшая рабочая теплота сгорания топлива, кДж/кг;

- удельный расход топлива, кг/кВтч;

– мощность двигателя на данном режиме, кВт.

- тепловой поток выпускных газов, кВт:

, (3)

где - доля теплового потока, уносимая выпускными газами.

- тепловой поток, уносимый воздухом, охлаждающим двигатель, кВт.

- тепловой поток, потерянный из-за химической неполноты сгорания топлива, кВт:

, (4)

где - доля теплового потока, потерянная из-за химической неполноты сгорания топлива, рассчитываемая по результатам химического анализа по формуле (18).

Тепловой поток, отданный в окружающую среду от нагретых поверхностей установки, и невязка баланса вместе составляют, кВт:

, (5)

где - доля теплового потока, отданная в окружающую среду от нагретых поверхностей установки и невязки баланса.

Если все составляющие формулы (1) отнести к располагаемой мощности , то уравнение теплового баланса можно представить в безразмерном виде:

(6).

Откуда

(7).

Составляющие теплового баланса определяются по результатам измерений, проведенных во время теплотехнических испытаний или соответствующих вычислений. Их результаты позволяют судить о техническом состоянии двигателя и наметить пути устранения неисправностей.

Схема лабораторного стенда

Схема испытательного стенда приведена на рисунке 1, схема подключения ТЭНов приведена на рисунке 2.

Рисунок 1 – Схема испытательного стенда:

1 - электрогенератор; 2 - дизель; 3 - топливный насос высокого давления; 4 - форсунка; 5 - вентилятор; 6 – анемометр; 7,8 – датчики температуры охлаждающего воздуха на входе и на выходе; 9 – измеритель температуры воздуха 2ТРМ1-Ш2.У.РР; 10 – газоанализатор; 11 - глушитель; 12 – датчик температуры выпускных газов; 13 – бак расходного топлива; 14 – кран-манипулятор; 15 – топливный фильтр; 16 – мерная емкость; 17 – весы; 18 – щит пульта управления; 19 – ТЭНы; 20 – топливный бак дизель-генератора; 21 – клапан декомпрессионный; 22 – пусковой рычаг двигателя; 23 – кран подачи водопроводной воды на охлаждение ТЭНов.

Рисунок 2 – Схема включения ТЭНов

Порядок проведения испытаний

1. Определение эффективной мощности дизеля

Для определения мощности на валу снимаются показания амперметра и вольтметра. Результаты замеров и вычислений заносятся в таблицу 1.

Таблица 1.

№ режима	Сила тока I, А	Напряжение U, В	КПД ЭГ, ηэг	Мощность, кВт	Температура выпускных газов на выходе, t2в.г., С0
1	4	241	0,81	1,19	260
2	8,5	240	0,86	2,38	320
3	14	240	0,88	3,8	390
4	18	240	0,90	4,8	495

Определение мощности двигателя производится по формуле:

, кВт (8)

где η_эг – КПД электрогенератора.

2. Измерение расхода топлива

Расход топлива измеряется с помощью весов 17 (рисунок 1). При открытом кране бака расходного топлива. Результаты измерений и расчетов заносят в таблицу 2.

Таблица 2.

№ режимов	Масса топлива с посудой, г		Масса израсходованного топлива			Продолжительность режима, с		Расход топлива, кг/с		Удельный расход топлива, кг/кВтч		Тепловой поток от сгорания топлива, кВт
	Начало режима	Конец режима
			г	кг			Вт		be
1	990	940	50	0,05	300		0,00017		0,514		7,26
2	940	885	55	0,055	300		0,00018		0,302		9,69
3	885	795	90	0,09	300		0,0003		0,284		12,81
4	795	690	105	0,105	300		0,00035		0,263		14,95

Удельный расход топлива, кг/кВтч, определяется по формуле:

3. Измерение расхода и температуры охлаждающего воздуха и масла

Тепловой поток охлаждающего воздуха равен:

(10)

где – расход воздуха, м³/c;

=1,3 кДж/м³К – удельная объемная теплоемкость воздуха при температуре 0…100⁰С;

, - температуры охлаждающего воздуха соответственно на выходе из кожуха цилиндра двигателя и входе в вентилятор, ⁰С.

Расход воздуха, , определяется по формуле:

Q_в , (11)

где F = 0,022 – площадь сечения выпускного канала, м².

Результаты измерений и расчетов заносятся в таблицу 3.

№№ по порядку	Показания анемометра v, м/с	Температура воздуха		Расход воздуха, Qв, м3/с	Тепловой поток охлаждающего воздуха Pв, кВт (по формуле 10)	Температура масла, 0С
		На входе в двигатель, t1в	На выходе из двигателя, t2в
1	3,5	22	46	0,077	2,4	28,6
2	3,18	22	52	0,07	2,73	38,9
3	3,18	22	52	0,07	2,73	56
4	3,18	22	57	0,07	3,19	62

Таблица 3.

4. Измерение температуры и химический анализ выпускных газов

Определение химического состава и температуры выпускных газов необходимо для определения количества теплоты, уносимой с выпускными газами, а также коэффициента избытка воздуха. Химический состав выпускных газов определяется с помощью газоанализатора ОРСА. Ввиду незначительного содержания в дизельных топливах серы можно считать, что прибором определяется содержание в сухих выпускных газах только углекислого газа СО₂ и кислорода О₂.

, (12)

где - соответственно температуры выпускных газов на выходе из двигателя и воздуха на входе в него, ⁰С.

Коэффициент избытка воздуха для топлива, не содержащего серы:

(13)

Содержание в выпускных газах окиси углерода СО и азота N₂, а также водяного пара определяется расчетом. Так

(14)

где -характеристика топлива, определяемая по его элементарному составу из соотношения:

(15)

где составляющие элементарного состава топлива.

Для дизельного топлива можно принять = 86%, = 13%, = 1%, тогда и для определения количества СО (%) можно использовать выражение:

. (16)

Содержание азота в сухих газах определяется по выражению:

(17)

Доля теплоты, теряющейся от химической неполноты сгорания:

(18)

Результаты химического анализа выпускных газов, их температуры на выходе t_2в.г, расчета и q_х.н ,_, заносятся в таблицу 4.

Таблица 4.

№	Объемный состав продуктов сгорания в %				Температура, 0С	α	qв.г.	qх.н.
	СО2	О2	СО	N2	t2в.г.
1	14	3,1	5,3	77,6	260	2,2	0,02	0,147
2	13,7	5	7,6	73,7	320	2,02	0,023	0,169
3	13	6,2	9,81	71	390	1,75	0,02	0,205
4	10,9	7,3	13,7	68,1	495	1,29	0,017	0,265

Нагрузочные характеристик

Нагрузочной характеристикой называется зависимость показателей двигателя от его мощности (или среднего эффективного давления) при номинальной частоте вращения.

По нагрузочным характеристикам работают двигатели, которые применяются для привода электрогенераторов, компрессоров и насосов, а также главные двигатели с ВРШ при постоянной частоте вращения.

При построении нагрузочных характеристик по оси абсцисс размещаются нагрузочные показатели двигателя: эффективную мощность, среднее эффективное давление или вращающий момент.

По оси ординат откладывают эксплуатационные показатели, характеризующие работу двигателя на различных режимах: удельный эффективный расход топлива , коэффициент избытка воздуха температуру выпускных газов и т.д. Характеристики снимают при переменных подачах топлива за цикл, при угле опережения впрыска, являющемся оптимальным, но при постоянной частоте вращения.

Обработка результатов испытаний

Результаты эксперимента и определение теплового баланса при различных нагрузках производится в таблице 5.

№ режима	Мощность тепловых потоков при сгорании топлива, кВт
	Ne	Pв	Pв.г	Pх.н.	Pн.б.	Pт
1	1,19	2,41	0,145	1,07	2,455	7,26
2	2,38	2,73	0,177	1,31	1,11	7,69
3	3,81	3,19	0,256	2,61	2,964	12,81
4	4,82	3,19	0,524	3,96	2,476	14,95
№ режима	Доли мощности тепловых потоков при сгорании топлива
	ηe	qв	qв.г	qх.н	qн.б.	Сумма
1	0,164	0,331	0,02	0,147	0,338	1
2	0,237	0,355	0,023	0,169	0,216	1
3	0,297	0,249	0,02	0,205	0,229	1
4	0,321	0,213	0,017	0,265	0,184	1

Расчет эффективного давления газов в цилиндре выполняется по формуле:

(19)

где D_ц, S – соответственно диаметр цилиндра и ход поршня, мм;

z – число цилиндров;

n – частота вращения об/мин;

i – коэффициент тактности.

№ режима	1	2	3	4
Р	0,000149	0,000298	0,000475	0,0006

Выводы: в ходе данной работы получили значения составляющих теплового баланса, по которым построили нагрузочные характеристики. Анализ характеристик показывает:

1.Доля теплового потока, уносимая выпускными газами постоянно растет;

2.Доля теплового потока, уносимая воздухом, охлаждающим двигатель, вначале падает, а затем растет;

3.Доля теплового потока, потерянная из-за химической неполноты сгорания топлива постоянно растет;

4.Доля теплового потока, отданная в окружающую среду от нагретых поверхностей установки и невязки баланса постоянно падает;

5.Коэффициент избытка воздуха постоянно падает;

6.Температуры воздуха и выпускных газов на выходе из двигателя, масла постоянно растут;

7.Эффективное давление газов в цилиндре постоянно растет;

8.КПД дизель-генератора вначале растет, достигает точки максимума, а затем падает.

Рисунок 3 – Нагрузочная характтеристика