lab_zad-2004-2

максимальное значение крутящего момента при заданной частоте вращения. Полученный режим, очевидно, будет близким к максимально допустимой нагрузке, так как ограничитель подачи топлива в учебных опытах не отсоединяют (при исследовательских испытаниях характеристику снимают с отсоединенным регулятором частоты и ограничителем подачи топлива).

После стабилизации теплового состояния и скоростного режима производят следующие необходимые для данной характеристики замеры:

крутящего момента Ме , длительности замера с и за время с суммарного

числа оборотов n, дозы израсходованного топлива Gт, воздуха Vв, а также температуры отработавших газов tr, воздуха на впуске tв, и других задаваемых показателей.

Далее переходят к следующему режиму по нагрузке, уменьшая мощность, уменьшают подачу топлива перемещением рейки, оставляя неизменной прежнею заданную частоту вращения регулировкой тормоза, и после стабилизации режима работы вновь производят необходимые замеры; так, последовательно регистрируют параметры на 6 ... 8 режимах. В диапазоне изменения нагрузки от Nemax до значения 50% Nemax замеры следует производить с небольшим интервалом изменения нагрузки с целью более точного определения зоны минимального удельного расхода топлива. Минимальную нагрузку в учебных опытах можно ограничить 5 ...

10% от Nemax.

Для более полного анализа показателей рабочего процесса определяют индикаторные показатели.

В лабораторной работе индикаторную мощность определяют как сумму эффективной Nе и мощности механических (внутренних) потерь Nм Определение Nм осуществляют методом прокручивания прогретого двигателя при отключенной топливоподаче от электромотора (электротормоза, работающего в режиме двигателя), замеряя затрачиваемый на прокручивание момент Мм. Рассчитанную через Мм мощность механических потерь называют условной, так как метод ее определения не полностью воспроизводит рабочий режим двигателя (отсутствие действия газовых сил от сгорания снижает, а наличие при прокручивании так называемой тепловой петли несколько увеличивает механические потери; отличаются также потери на газообмен).

При безнаддувном варианте величину условных механических потерь в дизеле с некоторым приближением можно принять постоянной для всего диапазона нагрузки при данной частоте вращения. Поэтому по одному измерению момента Мм определяют механические потери для всей характеристики.

Измерение Мм производят в следующей последовательности. После снятия всей характеристики вновь устанавливают режим максимального момента и после стабилизации теплового состояния двигателя быстро выключают подачу топлива, одновременно восстанавливая и поддерживая регулировкой тормоза (теперь работающего в режиме двигателя) ту

41

частоту вращения, при которой снималась характеристика. При установившейся частоте замеряют Мм и n. Время перехода на режим "прокрутки" и проведение замера должно быть минимально коротким (не более 25-30 сек.), с тем чтобы сохранить тепловой режим двигателя максимально приближенным к режиму при работе под нагрузкой.

После регистрации результатов всех замеров в протоколе расчёт эффективных показателей производят по соответствующим формулам (разд. 3.4); мощность механических потерь определяют по уравнению (3.38). Индикаторная мощность на каждом нагрузочном режиме

определяется из формулы (3.4), а механический к.п.д. м, удельный

индикаторный расход топлива gi и индикаторный к.п.д. i соответственно по формулам (3.8), (3.11) и (3.12).

По результатам расчетов строят нагрузочную характеристику (с соблюдением правил, изложенных в 2.5.) – графики - , Gт, ge, v.

Порядок снятия нагрузочной характеристики.

1.Прогреть двигатель до нормального теплового состояния;

2.При полной подаче топлива установить номинальный скоростной режим работы дизеля;

3.Произвести замеры показаний приборов с последующей их записью в журнал испытаний;

4.Уменьшить подачу топлива так, чтобы показания весового механизма тормоза снизились на 1,0 … 1,5 кг, и при помощи нагрузочного реостата восстановить номинальный скоростной режим двигателя. Снова записать показания приборов в журнал испытаний. Повторяя п.4, получить 5 - 6 точек характеристики.

Полученные результаты занести в журнал испытаний:

Таблица 4.2

Примечание: Частота вращения для каждой нагрузки берется как среднеарифметическое всех замеров.

Вопросы для самопроверки

1.Что называют нагрузочной характеристикой дизеля?

2.Что такое качественное регулирование?

3.Почему в дизелях возможно сгорание бедных смесей и каковы

ориентировочные пределы изменения по нагрузочной характеристике дизеля?

4. Каковы причины изменения теплоиспользования i в дизелях с

42

изменением нагрузки?

5.Какими факторами ограничивается максимально допустимая нагрузка дизелей при данной частоте вращения?

6.Объясните характер изменения ge с уменьшением и увеличением нагрузки от значения, при котором достигается gemin.

7.Объясните причины более высокой экономичности дизелей в сравнении с карбюраторными двигателями.

8.Объясните кратко методику получения нагрузочной характеристики при стендовых испытаниях дизеля.

9.Объясните использованную в данной работе методику определения механических потерь и индикаторных показателей дизеля.

10.При каких условиях движения тракторов и автомобилей их двигатели работают на режимах нагрузочной характеристики?

43

4.3. Определение механических потерь по нагрузочной характеристике.

Цель работы: приобретение навыков определения механических потерь дизеля на нагрузочной характеристике.

Задачи работы:

1.Определение механических потерь по имеющейся нагрузочной характеристике.

2.Проведение анализа изменения механических потерь 3.Определение индикаторных показателей.

Под механическими потерями понимают:

-потери на все виды механического трения,

-осуществление газообмена,

-привод вспомогательных механизмов (водяного, масляного, топливного насосов, вентилятора, генератора и пр.),

-вентиляционные потери, связанные с движением деталей двигателя при больших скоростях в среде воздушно-масляной эмульсии и воздуха,

-привод компрессора (двух- и четырехтактные двигатели с наддувом от приводного нагнетателя). В дизелях с разделенными камерами сгорания к механическим потерям относят обычно также газодинамические потери на перетекание заряда между полостями

камеры сгорания.

По аналогии с понятием среднего индикаторного давления вводится понятие о среднем давлении механических потерь как об удельной работе механических потерь при осуществлении одного цикла. Иными словами, среднее давление механических потерь есть удельная работа потерь при осуществлении одного цикла пли работа потерь, приходящаяся на единицу рабочего объема цилиндра. Среднее давление механических потерь можно представить в виде суммы(как и среднее индикаторное давление Pi среднее давление механических потерь измеряется в МПа):

Рм.п = Ртр + Рнх + Рвсп.м + Рвен + Рпр.к ,

где Ртр — среднее давление потерь на трение; Рнх — среднее давление потерь на газообмен,

Рвсп.м — среднее давление потерь на привод вспомогательных механизмов;

Рвен — среднее давление вентиляционных потерь; Рпр.к — среднее давление потерь на привод компрессора.

Основная часть механических потерь — потери на трение Ртр — до 80%. Большая часть потерь на трение приходится на пары: поршень — гильза, поршневые кольца — гильза (45—55% всех внутренних потерь). Потери на трение в подшипниках составляют до 20% от всех механических потерь.

44

Силы, нагружающие трущиеся пары, — силы инерции, газовые силы и силы упругости (колец, пружин). Для потерь на трение имеет существенное значение оценка средних по времени значений действующих на деталь усилий. Средние по времени значения сил инерции по модулю заметно больше средних по времени газовых сил, особенно для четырехтактных двигателей, хотя максимальные значения газовых сил в 2—5 раз могут превышать максимальные значения сил инерции. По данным Н. Р. Брилинга, при средней скорости поршня сп = 8 м/с потери на трение при действии сил инерции составляют 75% от всех потерь на трение. Из сил упругости наибольшее влияние на потери от трения оказывают силы упругости поршневых колец, которые не зависят от режима работы двигателя. В течение короткого интервала действия наибольших газовых сил резко возрастает сила, с которой поршневые кольца, особенно верхнее, прижимаются к гильзе. Мала в этом периоде и скорость движения кольца. Это приводит к изменению режима трения и увеличенному износу гильзы в зоне, примерно соответствующей месту остановки верхнего поршневого кольца при положении поршня в в. м. т. На потери от трения существенное влияние оказывают следующие факторы:

1 Тепловой режим двигателя в связи с его влиянием на вязкость смазки, от которой существенно зависят силы жидкостного трения. В случае эксплуатации двигателя при пониженных температурах потери на трение возрастают, а эффективные показатели двигателя ухудшаются. Наиболее заметное уменьшение вязкости моторных масел происходит при

увеличении температуры до 60 С. Чрезмерное уменьшение вязкости может привести к нарушению условий жидкостного трения. Поэтому двигатели должны эксплуатироваться при температуре масла tм = 70 — 95° С.

2. Частота вращения. Увеличение частоты вращения приводит к росту сил инерции и относительной скорости перемещения деталей. Одновременно несколько возрастает температура и падает вязкость смазочного масла. Силы жидкостного трения растут в основном из-за роста относительной скорости перемещения деталей. Силы граничного трения увеличиваются из-за роста нагрузок на трущиеся пары. В целом потери на трение существенно увеличиваются с ростом частоты вращения. Увеличение нагрузки ведет к росту газовых сил, повышению температуры деталей и снижению вязкости масла. Аналогичный эффект имеет место при увеличении степени сжатия и введении наддува, хотя и выражен количественно иначе. Силы жидкостного трения при этом уменьшаются вследствие снижения вязкости смазки, а силы граничного трения растут из-за увеличения газовых сил. Опыт свидетельствует о том, что потери на трение в дизеле сравнительно мало зависят от нагрузки. Это связано с противоположным и сравнительно не ярко выраженным влиянием отмеченных факторов. Увеличение степени сжатия и особенно введение наддува приводит к более заметному, чем при увеличении нагрузки, росту

45

средних по времени газовых сил и поэтому сопровождается в ряде случаев заметным повышением потерь на трение.

Следует отметить, что частота вращения, нагрузка, давление наддува, степень сжатия, с одной стороны, и конструкция, размеры трущихся пар, качество и тепловой режим смазки — с другой, должны быть увязаны с целью обеспечения надежного жидкостного трения. В случае обеспечения этих условий и соблюдения правил эксплуатации при работе двигателя потери на трение вначале снижаются из-за приработки деталей, а затем стабилизируются.

Потери на газообмен Рнх связаны с несовпадением значения работы впуска и выпуска. Потери на газообмен могут быть обратного знака по отношению к остальным элементам внутренних потерь. При этом их только условно можно назвать потерями. Положительная работа газообмена имеет место при наддуве четырехтактного двигателя от компрессора, механически связанного с коленчатым валом, а также на отдельных режимах работы двигателя с газотурбинным наддувом, на которых среднее давление перед впускными органами рк больше среднего давления за выпускными органами ртr.

Потери на газообмен тем больше, чем выше сопротивление впускной и выпускной систем и больше скорость движения газов. С ростом частоты вращения потери на газообмен во всех типах двигателей растут в результате уменьшения работы впуска и увеличения работы выталкивания. Связано это с увеличением перепадов давлений во впускной и выпускной системах. Среднее давление потерь на газообмен Рнх = А nm, где А — постоянная; m = 1,7— 2.0. В карбюраторных двигателях потери на газообмен возрастают при уменьшении нагрузки, так как при этом прикрывается дроссельная заслонка, увеличивается сопротивление впускной системы и снижается положительная работа впуска.

В дизелях без наддува и с наддувом от приводного компрессора также нередко наблюдается увеличение работы газообмена при снижении нагрузки ниже определенного значения. Это связано с тем, что при малой нагрузке давление в цилиндре в момент начала открытия выпускного клапана мало и поэтому невозможно эффективное истечение газов в период свободного выпуска с соответствующим уменьшением их количества и давления. Меньшими оказываются и эжекционные эффекты в процессе выталкивания. В результате в конце процесса выталкивания давление в цилиндре начинают расти — наблюдается «поджатие» отработавших газов. В целом следует отметить, что для дизелей без наддува и с наддувом от приводного компрессора потери на газообмен сравнительно мало изменяются в зависимости от нагрузки. В дизелях с газотурбинным наддувом потери на газообмен в зависимости от типа системы наддува, характеристик газотурбонагнетателей и их согласования с характеристиками двигателя, конструкции и размеров органов и фаз газообмена могут как увеличиваться, так и уменьшаться при увеличении

46

нагрузки.

В высокооборотных двигателях с газотурбинным наддувом среднее давление потерь на газообмен велико и составляет значительную часть внутренних потерь (25% и более). Связано это с тем, что при установке на выпуске газовой турбины большой оказывается работа выталкивания. Снижение потерь на газообмен возможно, в частности, путем уменьшения сопротивления выпускной системы двигателя и повышения к.п.д. турбонагнетателя. Поэтому применительно к двигателям с газотурбинным наддувом развитие проходных сечений во впускных клапанах за счет выпускных не всегда целесообразно.

Вентиляционные потери малы, зависят только от частоты вращения

и растут при ее увеличении: Рвен = А1 n2, где А1 — постоянная.

Потери на привод вспомогательных механизмов также в основном зависят от частоты вращения, причем Рвсп.м = A2n2, где А2 — постоянная. Существенная зависимость Рвсп.м от нагрузки может возникнуть, если предусмотрено отключение вентилятора при снижении нагрузки. Несколько может изменяться потеря на привод водяного насоса в связи с изменением контура циркуляции воды термостатом. С уменьшением нагрузки снижается потеря на привод топливного насоса в связи с уменьшением давления топлива на плунжер. Однако все эти эффекты невелики, и можно в первом приближении считать, что потери на привод вспомогательных механизмов не зависят от нагрузки, обычно Рвсп.м = (0,05 —0,10) Рм.п. Потери на привод компрессора зависят от давления наддува и совершенства компрессора.

Все элементы механических потерь существенно возрастают при увеличении частоты вращения или пропорциональной ей величины — средней скорости поршня сп. Принято выражать среднее давление

механических потерь в функции сп, так как 50% всех механических потерь приходится на трение поршня и колец о гильзу, относительная скорость которых определяется не только частотой вращения, но и ходом поршня. Логична также функциональная связь Рн.х = f(сп), так как скорости газов во впускных и выпускных трактах, от которых зависят перепады давлений и потери на газообмен, определяются не частотой вращения, а скоростью поршня. Зависимость Рм.п от нагрузки для двигателей без наддува невелика, и ею пренебрегают. Потери на трение изменяются пропорционально первой степени относительной скорости, а потери на газообмен, вентиляционные потери и потери на привод вспомогательных механизмов — примерно пропорционально второй степени скорости, поэтому зависимость среднего давления механических потерь для двигателей без наддува от скоростного режима в общем случае

Так как наибольшую долю механических потерь составляют потери на трение, зависящие от первой степени скорости поршня, то нередко

47

Значения a и b зависят от типа, конструкции, размеров, числа цилиндров и теплового состояния двигателя. При увеличении числа цилиндров уменьшается число подшипников, приходящихся на один цилиндр, снижаются Рвен и Рвсп.м. В результате уменьшается среднее давление механических потерь.

Увеличение рабочего объема при сохранении отношения хода поршня к диаметру цилиндра S/D приводит к снижению Pм.п вследствие следующих причин:

1.Если число и высота колец одинаковы, то силы от давления газов, прижимающие кольца к гильзе, растут пропорционально D, а площадь

поршня — пропорционально D2. Так как Pм.п есть сила механических потерь, отнесенная к единице площади поршня, то она при этом снижается.

2.Уменьшаются удельные (отнесенные к площади поршня) значения сил инерции.

3.Уменьшается Pвсп.м.

Вслучае наддува от приводного компрессора снижение потерь на

газообмен с ростом рк превалирует над увеличением потерь на трение и Рм.п уменьшается с повышением давления наддува. При этом, однако, растет среднее давление потерь на привод нагнетателя. При введении

газотурбинного наддува Рм.п обычно увеличивается вследствие роста потерь на трение и газообмен.

Впроцессе эксплуатации возможно увеличение внутренних потерь из-за увеличения гидравлического сопротивления впускной и выпускной

систем вследствие накопления в них отложений (рост Рн.х), из-за использования смазочного масла, не соответствующего по своим физикохимическим свойствам конкретному двигателю и условиям его

эксплуатации (увеличение Ртр), из-за нарушений в оптимальном тепловом режиме двигателя (увеличение Ртр). Правильная организация эксплуатации позволяет избежать этих нежелательных явлений.

Для определения основных индикаторных показателей рабочего процесса обычно пользуются результатом индицирования двигателей. При этом определяют среднее индикаторное давление непосредственно по индикаторной диаграмме. Зная эффективные показатели, можно найти значение механических потерь по разности индикаторных и эффективных показателей.

Возможно определение внутренних потерь в двигателе при помощи метода прокрутки, который наиболее подходит при испытаниях дизелей. Суть его состоит в следующем: снимают нагрузочный режим двигателя, после чего резко перекрывают подачу топлива. При этом весовое устройство покажет момент, с которым электромашина начинает проворачивать дизель. По мере того как двигатель будет охлаждаться, момент начнет расти из-за возрастающей вязкости масла. При быстром замере момента (5...10 секунд) можно принять, что это и есть момент, обусловленный внутренними потерями. При испытаниях карбюраторного

48

двигателя возможно использовать метод «отключения цилиндров», при котором поочередно отключают цилиндры двигателя отключением подачи высокого напряжения на свечу зажигания. При этом принимается, что каждый цилиндр дает свою часть индикаторной мощности в общую мощность двигателя (например, для 4-х цилиндрового двигателя один цилиндр дает примерно ¼ работы). Эту часть работы можно определить как разницу между эффективной мощностью при работе всех цилиндров и эффективной мощностью при одном неработающем цилиндре. Отсюда находится индикаторная мощность всего двигателя и мощность, затрачиваемая на механические потери.

Возможен и другой, более простой метод, основа которого состоит в том, что, определив условную мощность механических потерь, ВЫЧИСЛЯЮТ ИНДИкаторную мощность двигателя[4]. По индикаторной мощности определяют главнейшие индикаторные показатели рабочего процесса двигателя.

ОДНИМ из наиболее простых и достаточно точных методов определения мощности механических потерь является метод, основанный на определении этой мощности по нагрузочной характеристике.

Сущность метода состоит в следующем:

1. По данным, полученным при снятии нагрузочной характеристики, строится график зависимости часового расхода от эффективной мощности двигателя. Эта зависимость должна включать и режим холостого хода (Nе = 0). График строится на отдельном листе миллиметровой бумаги формата

А4. Рекомендуемые масштабы построения: масштаб мощности - N = 200 Вт/мм, масштаб часового расхода топлива - Gт = 0,05 кг/час/мм.

2.Через точку К (см. рис.4.2), расположенную на оси Gт, проводится касательная к кривой Gт = f(Nе) до пересечения ее с горизонтальной осью координат.

3.Отрезок ОА соответствует условной мощности механических

потерь Nm_ хх (Nm_min) на данном скоростном режиме.

Для определения мощности механических потерь для различных нагрузочных режимов поступаем следующим образом: Пусть требуется определить мощность механических потерь для нагрузочного режима соответствующего точке 1. Для этого необходимо ВЫПОЛНИТЬ следующие построения:

1.Точку 1 соединить прямой линией с точкой А.

2.Из точки 1'(пересечение этой прямой с вертикальной осью координат) провести горизонтальную прямую до пересечения с кривой

Gт = f(Nе).

3.Из этой точки пересечения опустить перпендикуляр и определить

Nт, как это показано на рис.4.2.

Примечание: Каждый студент подгруппы вычисляет мощность механических потерь для нагрузочных режимов, указанных преподавателем.

49

Рис. 4.2 Определение механических потерь по нагрузочной характеристике

На основании полученных данных вычисляются следующие показатели: 1. Индикаторная мощность.

Ni = Ne +Nm кВт (4.5) 2. Среднее индикаторное давление.

P30 N i , МПа i Vh n

(4.6)

Ni - индикаторная мощность в кВт, Vh - общий литраж двигателя в л.

- коэффициент тактности (для четырехтактного двигателя = 4).

3.Удельный индикаторный расход топлива определяем по формуле

(3.11).

4.Индикаторный кпд цикла:

5. Механический к.п.д. двигателя:

50