А.С. Березин Транспортные двигатели

1

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

КУЗБАССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра эксплуатация автомобилей

ТРАНСПОРТНЫЕ ДВИГАТЕЛИ

Методические указания к лабораторным работам по курсу "Транспортные двигатели" для студентов направления 551400 “Наземные транспортные системы” и специальностей 150200 “Автомобили и автомобильное хозяйство”, 240100

“Организация перевозок и управление на транспорте”

Составитель: А. С. БЕРЕЗИН Утверждены на заседании кафедры

Протокол №	от
Рекомендованы	к	печати	учебно-
методической	комиссией		механико-
машиностроительного факультета
Протокол №	от

Электронная копия находиться в библиотеке главного корпуса КузГТУ

Кемерово 1999

2

Лабораторная работа № 1

ИНДИЦИРОВАНИЕ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

1.1. ЦЕЛИ И СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Цели работы - ознакомление с устройством и принципом действия пневмоэлектрического индикатора МАИ-2, экспериментальное получение индикаторной диаграммы и ее анализ.

После изучения теоретических положений, изложенных ниже, запускают двигатель и подготавливают пневмоэлектрический индикатор к работе. После прогрева двигателя на малой нагрузке устанавливают скоростной и нагрузочный режим по указанию преподавателя и включают индикатор. По полученной индикаторной диаграмме определяют индикаторные и эффективные показатели рабочего цикла. По результатам измерений и расчетов оформляют отчет. Работа рассчитана на 2 часа.

1.2.ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1.2.1.Общие сведения об индицировании

Индикаторная диаграмма представляет собой зависимость давления в цилиндре двигателя от угла поворота коленчатого вала. По индикаторной диаграмме можно определить многие важные показатели рабочего цикла. Измерив площадь индикаторной диаграммы, можно определить среднее индикаторное давление. Зная скорость вращения коленчатого вала и рабочий объем двигателя, можно определить его индикаторную мощность.

По индикаторной диаграмме можно также судить о протекании рабочего процесса двигателя, определить условную мощность механических потерь и т.д. Кроме того, при помощи индикаторной диаграммы можно определить показатели политроп сжатия и расширения, индикаторный КПД двигателя, фазы процесса сгорания, степень повышения давления и др.

Для получения индикаторных диаграмм существуют специальные приборы, называемые индикаторами, которые предназначены для записи изменения давления в цилиндре двигателя в зависимости от угла поворота коленчатого вала или от положения поршня. Вычерчиваемая индикатором кривая носит название индикаторной диаграммы и характеризует работу газа в цилиндре.

Существует множество различных индикаторов, которые подразделяются на две основные группы: индикаторы, позволяющие зарегистрировать индикаторную диаграмму отдельного рабочего цикла

3

(одноцикловые индикаторы), и индикаторы, регистрирующие усредненную по нескольким сотням рабочих циклов индикаторную диаграмму (многоцикловые индикаторы).

Каждый из указанных индикаторов имеет свои особенности. Одноцикловая диаграмма представляет исключительные преимущества при изучении характера протекания процесса на отдельных его участках, однако при определении суммарных внешних показателей (мощности, КПД), которые по своей сути являются усредненными величинами, определенные удобства представляет многоцикловая диаграмма.

Ко второму типу индикаторов, записывающих многоцикловые диаграммы, относятся пневмоэлектрические индикаторы с электроконтактными датчиками давления, называемые индикаторами стробоскопического типа, представителем которых является индикатор МАИ-2.

1.2.2. Устройство индикатора МАИ-2

Индикатор МАИ-2 предназначен для индицирования поршневых машин со скоростью вращения коленчатого вала до 4000 об/мин. Индикатор имеет два канала записи, которые могут использоваться как раздельно, так и одновременно.

Конструкцией индикатора предусмотрена возможность наносить на индикаторную диаграмму базовые отметки (ВМТ и НМТ), атмосферную линию, линии тарировки давления, момент проскакивания искры в свече зажигания и т.п.

Основными конструктивными узлами индицирующей установки являются электроконтактный датчик давления, устанавливаемый в головку блока цилиндров испытываемого двигателя, тиратронный преобразователь, регистрирующее устройство, жесткосвязанное с коленчатым валом двигателя, пневмогидравлическая система, индуктивный отметчик ВМТ и пульт управления.

На рис. 1 приведена схема индицирующей установки. В головке испытываемого двигателя 1 установлен датчик давления 2. Пневматическая система 3 соединена с верхней полостью датчика давления и пневмогидравлическим бачком 4. Сжатый газ (воздух или азот) в пневматическую систему поступает из баллона 5 через кран наполнения 6; в атмосферу газ отводится через кран 7. Давление газа в пневматической системе измеряется манометром 8.

4

Регистрирующее устройство индикатора имеет измерительный механизм, представляющий собой пружинно-поршневой манометр, состоящий из гильзы 10, неподвижного плунжера 11, подвижного плунжера 12, пружины 13 и разрядного штифта 14.

Давление газа из пневматической системы индикатора передаётся в измерительный механизм через жидкость, поступающую в гильзу, из бачка 4 через полый плунжер 11. Давление жидкости воздействует на подвижный плунжер, который сжимает пружину 13. Так как изолированный разрядный штифт 14 закреплен на подвижном плунжере 12, нагруженном давлением, подаваемым из пневматической системы и пружиной 13, то, очевидно, его перемещение будет пропорционально величине давления газа, находящегося в пневматической системе. Ось измерительного механизма расположена, как показано на схеме, параллельно оси барабана. Таким образом, по образующей барабана располагается ось давления. Барабан индикатора 9 соединяется с валом испытываемого двигателя при помощи специальной двухзубой муфты 15. Эта муфта обеспечивает соединение барабана 9 с валом всегда в одном и том же положении друг относительно друга. Таким образом, по окружности барабана располагается шкала углов поворота вала.

Рис. 1

5

Для уменьшения влияния трения на точность работы измерительного механизма при помощи шестерен червячной передачи гильза 10 приводится во вращение от вала барабана.

Контакт датчика давления 2 соединен с тиратронным преобразователем 16, который при замыкании и размыкании контактов датчика усиливает электрические импульсы и трансформирует их в высокое напряжение. Импульсы высокого напряжения, поступающие из тиратронного преобразователя, попадают на шину высокого напряжения, а оттуда на разрядный штифт 14. Между разрядным штифтом и барабаном в момент подачи импульса происходит искровой разряд. Для фиксации этого момента на барабан закрепляется индикаторная бумага, на которой искровой разряд оставляет точку. В результате совместной работы всех систем индикатора, на бумаге можно получить индикаторную диаграмму, состоящую из отдельных точек, причем каждому циклу будет соответствовать только две точки (одна на линии сжатия, другая на линии расширения).

Наиболее ответственной частью индикатора является электроконтактный датчик давления, схематически изображенный на рис.2.

Рис. 2

Внижней части корпуса 4 расположены два седла 1 и мембрана

2.Сёдла и мембрана плотно зажимаются с помощью втулок 5 и 11. На верхнем седле установлен изолированный контакт 3, который при помощи пружины 10, контактного стержня 7, изолирующей вставки 6 соединен с тиратронным преобразователем. В верхнюю полость дат-

6

чика через штуцер 9 подается сжатый газ из пневматической системы индикатора.

Для предохранения датчика от воздействия высоких температур он снабжен рубашкой водяного охлаждения. Центр зажатой по краям между седлами мембраны имеет возможность перемещаться в пределах зазора, образованного внутренними сферическими поверхностями седел. В верхнем положении мембрана, соприкасаясь с контактом 3, замыкает его на массу.

Для нанесения отметок ВМТ индикатор снабжен специальным индуктивным датчиком, установленным на картере двигателя вблизи маховика. На внешней поверхности маховика двигателя закреплен сердечник из мягкого железа. При нахождении поршня индицируемого цилиндра в ВМТ сердечник должен находиться на одной оси с датчиком. В момент прохождения сердечника через ось индуктивного датчика возникает электрический импульс, передаваемый в тиратронный преобразователь.

Для нанесения отметок момента появления искры в свече зажигания служит индуктивный датчик, представляющий собой несколько витков тонкого изолированного провода, намотанного на проводе высокого напряжения, идущего к свече зажигания индицируемого цилиндра. В момент проскакивания искры на свече, в датчике индицируется слабый ток, который поступает на тиратронный преобразователь.

1.2.3. Принцип работы индикатора МАИ-2

В верхнюю полость датчика давления подается сжатый газ из пневматической системы индикатора. Поскольку зазор между мембраной, находящейся в нейтральном положении, и контактом очень мал (0,02-0,03 мм), то при небольшом избытке давления газов в цилиндре двигателя ( ∆ P = 15 20 мм рт. ст.) мембрана будет касаться контакта и замыкать электрическую цепь.

При равенстве давлений или избытка давления со стороны пневматической системы электрическая цепь будет разорвана.

Во многих случаях избыточным давлением ∆ P можно пренебречь и считать, что разрыв или замыкание электрической цепи происходит в момент равенства давлений в цилиндре двигателя и пневматической системе индикатора.

7

При индицировании двигателя в полость датчика 2 через кран 6 (см. рис. 1) подается сжатый газ с плавно снижающимся давлением. В момент, когда давление в цилиндре двигателя совпадает с давлением в полости датчика, контакты замыкаются и возникает электрический импульс, который подается на тиратронное реле. Так как скорость изменения давления газа в датчике несоизмеримо меньше скорости изменения давления в цилиндре двигателя, в каждом цикле лишь две точки соответствуют совпадению давления в цилиндре с давлением газа в датчике: одна точка на линии сжатия, другая на линии расширения. Очевидно также, что в каждом последующем цикле это совпадение будет происходить при другой величине давления газа в датчике. Одновременно разрядник 12 регистрирующего устройства перемещается вдоль образующей барабана 9 пропорционально величине изменения давления газа в пневматической системе индикатора. Подобрав посредством регулировочного крана 6 определенную скорость снижения давления в датчике, можно получить на регистрационной бумаге серию точек, настолько близко расположенных друг к другу, что они образуют почти непрерывную линию изменения давления газов в цилиндре двигателя.

1.2.4. Анализ индикаторной диаграммы

Для удобства обработки индикаторная диаграмма переносится на миллиметровую бумагу. На линии сгорания получается разброс точек из-за неравномерности сгорания в циклах. Плавными линиями следует обвести границы этого участка и аккуратно провести среднюю линию сгорания, которая и принимается за основную. При переносе следует совместить по оси абсцисс сантиметровую сетку миллиметровки с градусной шкалой индикаторной диаграммы.

На индикаторной диаграмме (рис.3) наносятся характерные точки: верхняя мертвая точка, угол опережения зажигания, начало видимого горения (для отыскания видимого горения используется диаграмма чистого сжатия). Определяются границы начала сжатия и конца расширения. Определяется масштаб давлений p (МПа/мм),

масштаб по углу поворота коленчатого вала ϕ (град/мм) и масштаб времени τ (с/мм). Определяется период задержки воспламенения (первая фаза горения)

	8
ϕ 1 = µ ϕ !1 или τ 1 = µ τ !1	(1.1)

Определяется период быстрого нарастания давления (вторая фаза горения):

ϕ 2 =	µ ϕ ! 2			или	τ 2 = µ τ ! 2		(1.2)
Определяется средняя скорость нарастания давления
Wcp =		P3 −	P2	,	МПа	.	(1.3)
		ϕ 2			град п.к.в.

Определяется максимальная скорость нарастания давления

W	=		dP		=	p	tgα ,	МПа		(1.4)
max			dϕ			µ ϕ		град п.к.в.
				max

где α - угол наклона касательной к линии сгорания на участке на большей крутизны.

Определяется максимальное давление сгорания
Pz = pP3 , МПа .	(1.5)

где P3 - давление конца сжатия в точке 3, мм (см. рис.3)

Определяется степень повышения давления
λ =		Pz		(1.6)
		P
		c
где P - давление конца сжатия (т. 4 на рис.3).
c
Определяется угол опережения зажигания
θ	= ϕ ! 3 .			(1.7)

Для определения среднего индикаторного давления Pi можно

воспользоваться методом, теоретическое обоснование которого изложено в книге В. Н. Петровского "Теплотехнические испытания судовых ДВС".

Метод состоит в следующем:

а) производится привязка диаграммы к записям отметчика мертвых точек;

б) под линией процесса P = f (ϕ ) на произвольном расстоянии наносится нулевая линия, параллельная линии атмосферного давления;

в) участок диаграммы, соответствующий процессам сжатия и расширения, разбивается на 36 равных частей (рис.4). Каждый отрезок соответствует 10° поворота коленчатого вала;

г) от нулевой линии из точек, обозначающих границы отдельных

9

участков, к кривой давления проводятся ординаты, которые обозначают в соответствии с рис. 4.

Отметка ВМ Т P

3

Отметка

зажигания

Тарировочная

линия

		4
1	2
	α
!1	!2	Линия атмосферного
	!3	давления

Рис. 3

P

ВМТ

НМТ																																				НМТ
0		2		4		6		8		10		12		14		16		18		16		14		12		10		8		6		4		2		0
Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y
0		2		4		6		8		10		12		14		16		18		16		14		12		10		8		6		4		2		0

Рис. 4

10

В дальнейшем расчеты ведутся по табличной форме (табл. 1.1) В графу 2 заносятся разности ординат одноименных точек, равноудалённых от ВМТ. Например:

Y17 - Y17, Y15 - Y15 или Y6 - Y6

Таблица 1.1

					Y ′ − Y ′′	µ (ϕ )	Ф(φ i ) = µ (ϕ )( y′ − y′′) Pi = µ p	π	∑ Ф(ϕ )
								18,2
1					2	3	4	5
180
170
160
150
140
130
120
110
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0

∑Ф(ϕ ) =

Вграфу 3 заносятся значения поправочного коэффициента, зависящего от угла поворота коленчатого вала ϕ и λ исследуемого

	двигателя определяем по формуле 1.8.
	λ =	R		(1.8)
		L