lab_zad-2004-2

Глава 2. ОРГАНИЗАЦИЯ ПРОВЕДЕНИЯ ИСПЫТАНИЙ ДВИГАТЕЛЕЙ И ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ

2.1. Порядок проведения лабораторных работ

Перед проведением испытаний двигателей студенты должны ознакомиться с устройством испытательного стенда, с методами и принципами действия приборов для измерения различных показателей двигателя, техникой безопасности при испытании двигателей и техническими характеристиками испытываемых двигателей.

Каждая лабораторная работа рассчитана на четыре академических часа и включает:

а) проверку самостоятельной подготовки студентов к предстоящей работе;

б) краткое изложение преподавателем целей и особенностей данной работы;

в) испытание двигателя на стенде - снятие студентами характеристики;

г) обработку результатов испытаний с проведением расчётов, оформление протокола испытаний и построение необходимых графиков;

д) сдача оформленной работы преподавателю.

К каждой лабораторной работе студенты должны предварительно самостоятельно проработать по "Методическим указаниям", лекционному курсу и учебникам теоретические предпосылки, описание и методику предстоящей работы; подготовить для построения графиков две разграфленные форматки миллиметровой бумаги формата А4 с принятым штампом и соответствующими надписями (рис. 2.1).

Теоретическая готовность студентов к выполнению данной работы проверяется по специальным тестам в объеме материала, изложенного в "Методических указаниях". Студенты, не прошедшие проверку, могут быть не допущены к выполнению работы и обязаны повторно сдавать теорию перед проведением испытаний на стенде.

Для выполнения лабораторных работ каждая академическая группа делится на две - три подгруппы. В испытательном боксе студенты распределяются по измерительным участкам испытательного стенда, где знакомятся с приборами данного участка: измеряемые параметры, цена деления прибора, возможные пределы изменения замеряемых показателей и др.

В процессе снятия характеристики каждый студент записывает на отдельном листе бумаги показания порученных ему приборов с обязательным указанием номера замера. При этом основная задача состоит в том, чтобы не только регистрировать, но и одновременно осмысливать ход проведения испытаний и получаемые текущие результаты, т.е. научиться с помощью преподавателя еще в процессе проведения замеров,

21

зная методику определения данной характеристики, понимать наблюдаемые изменения замеряемых показателей.

2.2. Техника безопасности при проведении испытаний двигателей

Испытание двигателей связано с источниками повышенной опасности, как то: возможность воспламенения горючих и смазочных материалов, высокое напряжение в системе зажигания двигателя и опасность поражения током в системе питания электротормоза; наличие токсичных продуктов сгорания в отработавших газах; вращающиеся детали двигателя и тормоза; наличие горячих трубопроводов выпускной системы двигателя и охлаждения.

Всвязи с повышенной опасностью при испытании двигателей к помещениям и оборудованию испытательных боксов предъявляются высокие требования по технике безопасности, обусловленные специальными правилами (см. специальную литературу).

Вцелях обеспечения безопасности и исключения несчастных случаев во время испытания двигателей студенты проходят обязательный инструктаж по технике безопасности.

Инструктаж проводится на первом лабораторном занятии при ознакомлении с оборудованием лаборатории и регистрируется в специальном журнале.

Студенты, не прошедшие инструктажа по технике безопасности, к работам в лаборатории двигателей не допускаются.

Все студенты обязаны выполнять следующие правила по технике безопасности, отражающие специфику оборудования и особенности испытания двигателей:

1. При испытании двигателей в помещении бокса должно быть не

больше установленного числа студентов.

2.Во время испытания студенты обязаны находиться на рабочих

местах.

3.Запрещается самовольное включение приборов, кнопочных пускателей, тумблеров, поворачивание рукояток регулирующих органов и прикосновение ко всем токопроводам стенда.

4.При обнаружении утечки топлива из сосудов и устройств для измерения расхода и топливной системы двигателя немедленно сообщить преподавателю или учебному мастеру.

5.В случае возникновения пожара принимать меры для его тушения, используя имеющиеся в боксе противопожарные средства.

6.При прогретом двигателе и во время его работы запрещается прикасаться:

а) к выпускному трубопроводу двигателя и находиться вблизи от

него;

б) ко всем трубопроводам, окрашенным в красный цвет (например, трубопроводам системы охлаждения);

в) к проводам высокого напряжения системы зажигания двигателя.

22

7.При индицировании двигателя внимательно следить за вращающимися деталями индикатора, не допуская прикосновения к ним.

8.При легкой травме (ожогах, ударах, порезах) немедленно использовать имеющиеся в боксе медицинские средства.

9.Категорически запрещается курение в помещениях лаборатории и прилегающих коридорах.

2.3. Общие положения методики проведения стендовых испытаний двигателей

Стендовые испытания двигателей проводятся для определения их мощности, экономичности, токсичности отработавших газов, безотказности работы и других эксплуатационных показателей. Испытания проводятся при контроле качества производства и ремонта двигателей, при определении технического уровня новых конструкций, для оценки и выбора регулировок систем двигателя, а также при изысканиях путей совершенствования отдельных процессов и конструкций вновь создаваемых и модернизируемых двигателей.

Объем и порядок проведения испытаний определяются рядом стандартов и инструкций, и в первую очередь стандартами ГОСТами 18509—88 и 14846—81 и др. На основе этих стандартов разработан ряд государственных и отраслевых стандартов, определяющих правила проведения испытаний различного вида. Наиболее общими являются ГОСТы 18509—88 и 14846—81. Этими стандартами определяются условия снятия основных характеристик двигателей, методы определения важнейших величин и правила построения графиков.

В соответствии с указанными стандартами должны выполняться следующие общие условия:

1.Перед началом испытания двигатель должен быть прогрет до заданной температуры охлаждающей жидкости и масла, которая поддерживается в пределах, указанных заводом-изготовителем. При отсутствии таких указаний температура охлаждающей жидкости на выходе из двигателя должна быть в пределах 75 ... 85°С, а температура масла в картере двигателя 80 ... 100°C. Испытания двигателя могут проводиться без термостата.

2.Показатели двигателя должны определяться при установившемся режиме работы: частота вращения коленчатого вала, крутящий момент, температура охлаждающей жидкости и масла должны быть постоянными. Эти и другие регистрируемые показатели должны представлять собой среднеустойчивые значения, непрерывно наблюдаемые не менее одной минуты без каких-либо значительных изменений в течение этого времени.

Продолжительность измерения всех параметров при автоматическом управлении устройством для измерения частоты вращения и расхода топлива не менее 30 с и не менее 60 с при ручном управления.

После прогрева двигателя в зависимости от снимаемой характеристики устанавливаются необходимая частота вращения

23

коленчатого вала и положение дроссельной заслонки или рейки топливного насоса. По сигналу руководителя при заданном установившемся режиме работы двигателя производится замер показателей двигателя. После записи всех необходимых параметров двигатель переводится на следующий режим работы (следующая точка замера).

Количество точек замера должно быть не меньше шести, для того чтобы при построении характеристики выявить форму и характер кривой изменения параметров во всем диапазоне обследуемых режимов.

В процессе испытания один из студентов наносит на заранее подготовленную форматку миллиметровой бумаги контрольные графики одного или нескольких основных параметров, таких как: Me, Gт, Gв и др. Контрольные графики позволяют выявить в процессе испытания ошибочно сделанные замеры и своевременно повторить их.

2.4. Приведение показателей двигателей к стандартным атмосферным условиям

Показатели двигателя зависят от атмосферных условий (давления, температуры и влажности воздуха). Так при уменьшении температуры и увеличении давления увеличивается плотность, а, следовательно, и масса заряда, поступившего в цилиндр, что приводит к повышению мощности двигателя. Кроме того, атмосферные условия оказывают влияние на протекание рабочих процессов двигателя. Для того чтобы иметь возможность сопоставлять результаты испытаний, проведенных в разное время и, следовательно, при разных атмосферных условиях и для сравнения результатов испытаний с данными технических характеристик двигателей, мощностные показатели двигателя принято приводить к стандартным атмосферным условиям согласно стандарту ГОСТу 14846-81 "Двигатели автомобильные. Методы стендовых испытаний".

При испытаниях двигателей с искровым зажиганием, работающих при полном открытии дроссельной заслонки, и дизелей, работающих при полной подаче топлива, мощность, крутящий момент и среднее эффективное давление приводят к стандартным атмосферным условиям: барометрическое давление 100 кПа (1000 мбар или 750 мм рт. ст.), температура воздуха 298°К (или 25°С). При испытаниях двигателей с искровым зажиганием для приведения к стандартным атмосферным условиям замеренную величину крутящего момента (мощности) двигателя умножают на коэффициент Ко, определяемый по следующей формуле:

где Т - абсолютная температура воздуха на впуске, К; Р - атмосферное давление, кПа.

Поправочный коэффициент используют в пределах 0,96 … 1,06. Если значение поправочного коэффициента выходит за эти пределы,

24

атмосферные условия, при которых проводят испытание, а также значение К0 должны быть специально указаны в протоколе и на графике испытаний.

При испытаниях дизелей (без наддува), работающих при полной подаче топлива, для приведения к стандартным атмосферным условиям замеренную величину крутящего момента (мощности) умножают на

где А = 0,65 (100 - P) + 0,17 (Т – 298) – эмперический коэффициент.

Поправочный коэффициент используют в пределах 0,96 ... 1,06. Если поправочный коэффициент Kd выходит за эти пределы или если цикловая подача топлива, замеренная в процессе испытаний, меньше 50 мм3 на литр рабочего объема или больше 75 мм3 на литр рабочего объема, то значение Kd, данные об атмосферных условиях и величина цикловой подачи топлива в мм3/л должны быть специально указаны в протоколе и на каждом графике в отчете о лабораторной работе.

2.5. Обработка результатов испытаний и составление отчёта

Отчёт по лабораторным работам оформляется на листах формата А4. Для каждой лабораторной работы отчёт содержит титульный лист с названием лабораторной работы, таблицу протокола испытания, страницы для краткого изложения методики, снятия характеристики и обработки результатов испытания, а также графики характеристик.

После окончания испытания (снятия характеристики) на отдельный лист заносится техническая характеристика испытываемого двигателя, заполняется заголовок протокола и в соответствующие графы записываются показания всех замеренных параметров. Проводятся необходимые расчёты по обработке результатов испытаний (c точностью до трех значащих цифр), которые также заносятся в протокол. Расчёты проводятся по формулам, приведенным в разделе 3.4. По результатам замеров и расчётов строятся необходимые графики.

Для построения графиков используется миллиметровая бумага формата А4 по ГОСТ 3450-60 размером 210 х 297 с выполнением поля, рамки, штампа и заголовка графика (рис. 2.1).

Масштабы изображаемых величин выбираются кратными:1, 2, 5, 10, 100 в соответствии с ГОСТ 3451-69 с учётом наилучшего отображения исследуемого процесса и равномерного размещения графиков на форматке. На осях координат следует наносить равномерные масштабные шкалы показателя для каждого параметра в диапазоне изменения его значения и обозначать его размерность.

25

Экспериментальные точки на графиках, полученные в результате непосредственного измерения, или точки основного исследуемого

параметра, как то: Ме, Gт, Gв, з, tr и др. - обводятся кружками или обозначаются другими значками и соединяются плавными осредненными кривыми по лекалу. Осредненная кривая каждого параметра должна корректировать произведенные замеры и отражать действительное протекание процесса. Экспериментальные точки замеров вследствие возможных отклонений режима от заданного и случайных ошибок измерений могут не ложиться непосредственно на скорректированную кривую, а располагаться вблизи нее.

При подсчёте производных величин, таких, как Ne, ge, v, i и др. в соответствующие формулы подставляются значения величин, взятые по координатам точек, лежащих на скорректированных кривых, построенных ранее по результатам замеров. В этих случаях точки на кривых производных величин значками не выделяются. Образец графика характеристики с соблюдением правил ЕСКД приведен на рис. 2.1.

Рис.2.1.Пример оформления графика

После проверки всех материалов отчёта преподаватель подписывает протокол и графики. В этом случае, если при контроле сдана теория, работа считается принятой. Студенты, не ответившие на все вопросы по проверочным тестам, должны отчитаться по теории и методике проделанной работы при ее сдаче.

26

Глава 3. ОСНОВНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА ДВИГАТЕЛЕЙ. ФОРМУЛЫ ДЛЯ РАСЧЁТА ПОКАЗАТЕЛЕЙ ПРИ ИСПЫТАНИЯХ ДВИГАТЕЛЕЙ

В работе приведены лишь исходные, краткие понятия и определения основных показателей рабочего процесса двигателей и некоторые их зависимости, используемые далее в анализе результатов испытаний двигателей. Подробное объяснение рабочего процесса и анализ его показателей изложены в теории двигателей, в частности, в учебниках [1] и [2].

3.1. Мощностные показатели

Среднее индикаторное давление Pi. Работу, совершаемую газами в цилиндре двигателя за один рабочий цикл Li , называют индикаторной работой. В теории двигателей принято индикаторную работу газов за цикл относить к рабочему объему цилиндра Vh и представлять в виде постоянного давления в цилиндре Pi, которое называют средним индикаторным давлением:

где Pi - условное давление, представляющее собой удельную работу цикла, т.е. работу, снимаемую с единицы рабочего объема цилиндра.

Индикаторная мощность Ni (работа за одну секунду) это мощность, развиваемая газами в цилиндрах двигателя. Ni в кВт, выраженная через Pi в МПа, для двигателя с числом цилиндров i при частоте вращения вала n в мин-1 определяется по уравнению:

Механические (внутренние) потери, среднее эффективное давление, эффективная мощность. Часть индикаторной мощности Nм

затрачивается на преодоление механических (внутренних) потерь, а с вала двигателя снимается меньшая мощность Nе, называемая эффективной (полезной):

27

индикаторной мощности на трение во всех движущихся узлах двигателя, на привод вспомогательных механизмов (помпы, насосы, вентилятор, электрогенератор и т.п.), на осуществление газообмена при впуске и выпуске, на вентиляционные потери (трение движущихся деталей о воздух и воздушно-масляную эмульсию) и на привод компрессора (в случае двухтактных двигателей с приводным нагнетателем и в случае наддува 4 - тактных двигателей с приводным компрессором).

Механические (внутренние) потери могут быть выражены (аналогично Рi ) через условное среднее давление механических потерь Pм, представляющее удельную работу механических потерь за цикл.

Среднее эффективное давление Pe в МПа. Эффективную (полезную) удельную работу двигателя за один цикл можно выразить через постоянное давление как

где Ре — среднее эффективное давление соответствует эффективной работе двигателя Lе, отнесенной к единице рабочего объема всех цилиндров.

Величина Ре является одним из важнейших показателей двигателя и зависит не только от эффективности процесса в цилиндрах (от Рi), но и от механических потерь (Рм), зависящих от совершенства конструкции и технологии изготовления двигателя.

Эффективная мощность двигателя Nе в кВт для двигателя с рабочим объемом iVh, при частоте вращения вала n мин-1, выраженная через среднее эффективное давление Pe в МПа, равна:

Механический к.п.д. двигателя м оценивает полноту передачи индикаторной мощности или работы на вал двигателя и выражается отношением:

тогда доля механических потерь будет составлять 1- м.

Литровая мощность двигателя Nл в кВт/л - это номинальная мощность (эффективная, гарантируемая заводом при nном), отнесенная к рабочему объему двигателя;

28

двигателя.

В таблице 3.1 приведены ориентировочные значения величин Pi, Pe,

Nл, м для четырехтактных автотракторных двигателей на номинальном режиме их работы.

3.2. Показатели экономичности рабочего никла и двигателя Индикаторный к.п.д. и удельный индикаторный расход топлива.

Экономичность рабочего цикла оценивается индикаторным к.п.д. i и удельным индикаторным расходом топлива ge. Индикаторный к.п.д. представляет собой отношение теплоты, превращенной в индикаторную работу Li .к теплоте Qт, введенной в двигатель с топливом:

Qт

где i - характеризует теплоиспользование рабочего цикла. Тогда величина

1 - i. оценивает все действительные тепловые потери цикла.

Удельный индикаторный расход топлива gi г/кВт.ч показывает количество топлива, расходуемое двигателем на получение индикаторной мощности в один кВт в течение одного часа;

где Gт кг/ч - часовой расход топлива, замеряемый при испытаниях.

где Hu - низшая теплота сгорания топлива в МДж/кг.

Эффективный к.п.д. и удельный эффективный расход топлива.

Экономичность работы двигателя оценивают эффективным к.п.д. е и

удельным эффективным расходом топлива ge. e представляет собой отношение теплоты, превращенной в эффективную работу Le , к теплоте QТ, введенной в двигатель с топливом;

Индикаторный, механический и эффективный к.п.д. связаны зависимостью:

Из этой зависимости следует, что эффективный к.п.д. учитывает как теплоиспользование в цилиндре, так и полноту превращения

29

индикаторной работы в эффективную, а величина 1 - е оценивает все тепловые и механические потери в процессах превращения теплоты топлива в эффективную работу двигателя.

При испытаниях двигателя его экономичность оценивают удельным эффективным расходом топлива ge г/кВт.ч. Аналогично определению gi

Величина ge показывает расход топлива на единицу эффективной мощности в единицу времени.

Удельные индикаторный и эффективный расхода топлива связаны соотношением:

В таблице 3.2 приведены ориентировочные значения величин e, i, gi, ge для 4 -тактных автотракторных двигателей на номинальном режиме их работы.

Подробный анализ приведенных мощностных и экономических показателей см. в литературе, приведенной в конце методички..

3.3. Коэффициенты избытка воздуха, наполнения и остаточных газов

Состав топливовоздушной смеси, т.е. соотношение в ней топлива и

воздуха, оценивают коэффициентом избытка воздуха . Состав смеси сильно влияет на мощностные, экономические и токсические показатели двигателя.

Теоретическое количество воздуха, необходимое для полного сгорания 1 кг топлива - l0 - определяется элементарным составом топлива. Для бензинов среднего состава ( С = 0,855 и Н = 0,145) l0= 14,9 кг/кг; для дизельных видов топлив ( С = 0,87; Н = 0,126 и От = 0,004) l0= 14,4.

Смесь с = 1 называют стехиометрической (нормальной); если >

1, смесь называют бедной (недостаток топлива); смесь с < 1 называют богатой (топливо в избытке). В зависимости от режимов работы двигателей состав смеси может изменяться в пределах:

30