lab_zad-2004-2

для карбюраторных двигателей 0,7 … 1,2; для дизелей 1,2 … 5,0 - всегда больше единицы.

Анализ влияния на процесс сгорания и соответственно на мощностные, экономические и токсические показатели двигателя подробно см. в литературе, указанной в конце методички.

Коэффициент наполнения. Мощность двигателя при прочих равных условиях прямо пропорциональна наполнению цилиндров за процесс впуска свежим зарядом. Степень наполнения оценивают

коэффициентом наполнения v, представляющим собой отношение количества свежего заряда, находящегося в цилиндре к началу сжатия, к тому количеству его, которое теоретически могло бы заполнить рабочий объем цилиндров при давлении Рк и температуре Тк, равным давлению и температуре заряда перед входом в двигатель (условия на впуске).

Для двигателей без наддува давление Рк и температура Тк, равны атмосферным Рк = Р0 и Тк = Т0; в случае наддува Рк и Тк - давление и температура заряда после выхода его из агрегата наддува.

В карбюраторных двигателях свежий заряд состоит из воздуха и

топлива, в дизелях - только из воздуха. При определении v за свежий заряд для дизелей и карбюраторных двигателей принимают воздух, тогда:

v	Gв			Gв		,	(3.18)
	Gв _			Vh
		т			к

где Gв - масса свежего заряда в кг, находящаяся в цилиндре к началу сжатия;

Gв_т - теоретическая масса заряда в кг, которая могла бы заполнить рабочий объем цилиндра Vh в м3 при Рк и Тк;

к - плотность воздуха в кг/м3 при Рк и Тк.

Процесс наполнения зависит от ряда факторов, и в том числе от качества очистки цилиндра от продуктов сгорания.

Качество очистки цилиндра от продуктов сгорания предыдущего

цикла характеризуется коэффициентом остаточных газов ост,

представляющим отношение количества кмолей остаточных газов Мr (оставшихся в цилиндре в конце выпуска) к количеству кмолей свежего заряда M1, поступившего в цилиндр:

ост	M r
	M 1 .	(3.19)

В заключение отметим, что приведенные выше показатели рабочего процесса взаимосвязано влияют на мощностные, экономические, экологические и другие показатели двигателя. При анализе результатов испытаний двигателей используются следующие зависимости, известные из теории:

	Vh	к ,	(3.20)
	Gтцvl0

31

где Gтц - цикловая подача топлива в кг/цикл.

Pi

Hu i

v к ,

(3.21)

l0

Pе

i

м ,

Vh

(3.22)

Gтц H u

N е

H u

i

v

к

i Vh n

м ,

(3.23)

l0

3600

30

gе

,

(3.24)

H u i

м

gе A

1

.

(3.25)

i

м

3.4. Формулы для расчёта показателей двигателя при испытаниях (в системе СИ)

1. Частота вращения вала двигателя n в мин-1

n	n 60	,	(3.26)
	c

где n - суммарное число оборотов (число циклов вращения), замеренное по суммарному счётчику за время c;

c - продолжительность замера в c.

2. Эффективный крутящий момент двигателя Ме в Н м.
Ме = 9,81 Рт lт ,	(3.27)
где Рт - показания динамометра в кГс;

lт - плечо тормоза в м; при существующих конструкциях динамометров lт = 0,7162 м, тогда

Мe = 7,026 Рт	(3.27a)
При показаниях динамометра в единицах момента М’е в кгс м:
Мe = 9,81 M’e	(3.28)
3. Эффективная мощность двигателя Ne в кВт:

N e		Pт n		(3.29),
		1360
N e		M e n		(3.30),
		947
N e		M 't n
		9550
(3.31)
4. Среднее эффективное давление Ре в МПа.
Ре 0,00314			М е	(3.32)
			i Vh
Для 4 - тактных двигателей =4, тогда			М е
				(3.32а)
Ре 0,01256 i Vh

32

Значение рабочего объема i Vh конкретного двигателя см. в Приложении 1.

5. Часовой расход топлива Gт в кг/час (при замере массовым методом) равен:

	Gт 3,6	Gт	,	(3.33)
		с

где Gт - масса дозы топлива в г, израсходованная двигателем за время замера с.

6.Удельный эффективный расход топлива ge (см. формулу 3.15).

7.Часовой расход воздуха Gв в кг/час:

	Gв		3600 в		V в			,	(3.34)
					c
	где Vв - объем воздуха, расходуемый двигателем за время замера с;
	в - плотность воздуха при испытаниях, кг/м3:
			0,348	В0			,		(3.35)
		в		t 273
	где В0 - барометрическое давление в гПа.
	При В0 в мм рт.ст. плотность равна:			В0
			0,465				,		(3.35а)
		в		t 273

где t - температура воздуха при испытаниях перед входом в расходомер вС.

8.	Коэффициент наполнения v (для четырехтактных двигателей):
	v		Gв 103			,	(3.36)
			30 n i Vh
					в
9.	Коэффициент избытка воздуха :
			Gв
				,			(3.37)
		Gт l0

Среднее значение lо = 14,9 для бензинов; lо = 14,4 для дизельного топлива.

Формулы для определения индикаторных показателей

10. Мощность условных механических потерь Nм в кВт при

	определении ее методом прокручивания двигателя от электромотора:
	N м		M 'м	n	.	(3.38)
			974

где М’м - момент механических потерь по показаниям динамометра в кГс м в режиме прокручивания двигателя (снимаемый с прибора).

При Мм в Н м	N м	M м n
		9550 .

11. Индикаторная мощность Ni в кВт:

Ni = Ne + Nм

12. Индикаторный момент Мi Н•м:

(3.39)

(3.40)

33

Mi = Me + Mм.			(3.41)
или
Mi =9,81 (M’e + M’м).			(3.42)
13. Среднее индикаторное давление Pi в МПа при = 4:
Рi 0,01256	М i
		.	(3.43)
	i Vh

14. Индикаторная мощность Ni в кВт при определении среднего индикаторного давления Рi в МПа методом индицирования определяется по формуле (3.2).

15. Удельный индикаторный расход топлива gi определяется по формуле (3.11).

16. Индикаторный к.п.д. двигателя i равен;
3600
i		,	(3.44)
	gi Hu

где Нu - теплота сгорания топлива в МДж/кг; для бензинов Нu =44,0 МДж/кг; для дизельных топлив Нu = 42,5 МДж/кг.

17. Механический к.п.д. двигателя м определяется по формулам (3.8), (3.8а).

В формулах (3.11), (3.15), (3.16), (3.27) … (3.34), (3.36) … (3.39), (3.42), (3.43) подставляются скорректированные (осредненные) значения величин Рт, М’е , Ме, Мм, М’м, Gт, Gв, полученные с графиков, предварительно построенных по результатам замеров.

34

Глава 4. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ.

4.1.Опытное определение эффективных показателей дизеля

Цель работы – освоить методы экспериментального определения эффективных и индикаторных показателей поршневых двигателей внутреннего сгорания

Эффективная мощность двигателя

Эффективная мощность двигателя вычисляется по величине крутящего момента на коленчатом валу и скорости его вращения.

Экспериментальное определение крутящего момента и скорости вращения производится при тормозных испытаниях двигателя.

Вычисление эффективной мощности осуществляется по формуле (3.29 – 3.31)

Среднее эффективное давление

Среднее эффективное давление для четырехтактного двигателя вычисляется по формуле(3.32, 3.32а).

Эффективный удельный расход топлива.

Эффективный удельный расход топлива вычисляется по формуле (3.15).

Часовой расход топлива определяется временем расхода определенной навески топлива и вычисляется по формуле (3.33).

Эффективный кпд двигателя

Эффективный кпд двигателя вычисляется по формуле:

	е		3600		,	(4.1)
			Hu	gе

где Hu – низшая теплота сгорания дизельного топлива, равная 42,5 МДж/кг

gе – удельный расход топлива в г/кВт час.

Для определения вышеуказанных эффективных показателей провести испытания двигателя в следующей последовательности:

а) Проверить наличие масла и воды в двигателе и произвести его запуск;

б) прогреть двигатель до нормального теплового режима;

35

в) путем изменения нагрузки двигателя и подачи топлива установить скоростной режим, при котором будут производиться испытания двигателя.

Производить запись показаний приборов в трехкратной повторности.

Опытные данные и результаты вычислений занести в журнал в следующем

виде:								Таблица 4.1
		Эффективные показатели дизеля
№	n,	P,	t,	Ме,	Nе,	Gт,	gе,	Gв,	v
опыта	об/мин	кгс	сек.	Нм	кВт	кг/ч	г/кВт ч	кг/ч
1.
2.
3.
Среднее
значение
Двигатель									Д-21
Рабочий объем двигателя									2,08 л

Навеска топлива – в зависимости от нагрузки, заданной преподавателем. Скоростной режим устанавливает преподаватель.

Вопросы для самопроверки

1.Какие параметры, снимаемые при испытании двигателя, необходимо знать, чтобы найти мощность двигателя?

2.Каким образом определяется удельный эффективный расход топлива? 3.Как определить массовый часовой расход воздуха?

4.Что такое коэффициент наполнения? 5.Что такое коэффициент избытка воздуха?

6.Каким образом приводятся параметры, полученные при испытаниях двигателя к стандартным условиям?

36

4.2. Снятие нагрузочной характеристики дизеля

Цель работы: изучение работы дизеля на нагрузочной характеристике.

Задачи работы:

1.Снятие нагрузочной характеристики дизеля 2.Проведение анализа полученной характеристики

3.Определение наиболее экономичного режима работы дизеля на нагрузочной характеристике.

Показатели работы дизелей при изменении нагрузки во вcем диапазоне на постоянных частотах вращения определяют по нагрузочным характеристикам.

Нагрузочной характеристикой дизеля называют зависимость его

основных показателей (Gт, gе, v, i, и др.) от изменения внешней нагрузки (оцениваемой Ne, Me, или Pe) при постоянной частоте вращения вала двигателя.

По нагрузочным характеристикам, полученным при разных, но постоянных частотах вращения, можно установить часовой и удельный расходы топлива при различных нагрузках для каждого скоростного режима, определить максимально допустимую внешнюю нагрузку и соответствующую ей допустимую предельную подачу топлива на цикл и, таким образом, определить наивыгоднейшие режимы работы двигателя как по мощности, так и по частоте вращения. По нагрузочным характеристикам могут быть построены скоростные, регулировочные и многопараметровые характеристики.

Перед обсуждением характеристики отметим, что при внутреннем смесеобразовании в дизелях топливовоздушная смесь неоднородна по составу из-за неравномерного распределения впрыскиваемого топлива по объему камеры сгорания и кратковременности процесса. При среднем (для всего количества поданного топлива и воздуха) составе в камере сгорания

всегда есть зоны с локальными значениями от = 0 до = и различными температурными условиями. Такая неоднородность смеси предопределяет существование в отдельных зонах оптимальных условий для ее воспламенения. Вследствие этого в дизелях (в отличие от карбюраторных двигателей) обеспечивается надежное самовоспламенение и сгорание бедных смесей с высоким пределом эффективного обеднения,

достигающим значений = 4,0 и более.

Изменение основных показателей по нагрузочной характеристике показано на рис.4.1.

В дизелях используется так называемое качественное регулирование, при котором увеличение мощности, необходимое для преодоления возрастания внешней нагрузки, достигается только увеличением количества топлива, подаваемого в камеру сгорания (график

37

Gт на рис. 4.1). При этом количество воздуха Gв, поступившего в цилиндр за процесс впуска, с увеличением нагрузки изменяется мало, что видно по

изменению коэффициента наполнения v (для дизеля без наддува Gв v).

Некоторое снижение v (на 4-7%) с ростом нагрузки вызвано лишь увеличением подогрева заряда при впуске от деталей двигателя, температура которых с увеличением нагрузки, естественно, возрастает изза увеличения общего потока теплоты, от возросшего количества топлива (напомним, что подогрев заряда снижает плотность поступающего воздуха). Отмеченный характер изменения Gт и Gв обусловливает (см.

формулу 3.37) широкие пределы изменения - качества смеси по нагрузочной характеристике.

Рис. 4.1 Пример построения нагрузочной характеристики

Максимально возможная при прочих равных условиях мощность дизеля по нагрузочной характеристике может быть получена, как это

следует из формулы (3.23), при максимальном значении отношения i / ,

которое достигается при значениях , несколько больших единицы. Однако такой режим работы дизелей недопустим, так как при этом

чрезмерной становится дымность отработавших газов (ОГ), значительно ухудшается экономичность процесса gi и высокой оказывается тепловая напряженность характерных зон ряда деталей (днища поршня, перемычки между клапанами в головке цилиндра, носка распылителя форсунки и др.). Отмеченные нарушения работы дизеля ограничивают максимально возможную подачу топлива, а, следовательно, и мощность, до значения,

при котором = 1,2~ 1,5 (меньшие значения для дизелей с разделенными

камерами). Указанные значения обеспечивают допустимую дымность ОГ в соответствии с ГОСТ I9025-73 и тепловую напряженность деталей, позволяющую длительную эксплуатацию дизелей.

38

Таким образом, максимально допустимая мощность (нагрузка) дизелей несколько меньше максимально возможной.

С уменьшением нагрузки (уменьшением количества подаваемого топлива) коэффициент избытка воздуха плавно возрастает от указанных

значений (график на рис.4.1) до значений = 4,5 ... 5,0 и более при малых нагрузках и холостом ходе.

Изменение экономичности дизеля ge зависит от характера изменения

теплоиспользования (индикаторного к.п.д.) i, механического к.п.д. м и обратно пропорционально произведению этих величии (см. формулу 3.25).

В связи с этим кратко рассмотрим характер изменения i (или gi ) и м в зависимости от нагрузки.

С уменьшением нагрузки от максимально допустимой по мере увеличения до значений = 4,0 ... 4,5 происходит улучшение теплоиспользования (увеличение i), что видно на рис.4.1 по снижению gi.

Причинами увеличения i являются: а) снижение тепловых потерь вследствие увеличения доли сгоревшего топлива в зоне, близкой к ВМТ и сокращения продолжительности тепловыделения; б) повышение термического к.п.д. цикла из-за увеличения степени последующего расширения и увеличения доли двухатомных газов в заряде (уменьшение теплоемкости заряда).

При дальнейшем уменьшении нагрузки, когда > 4,5 (зона весьма малых нагрузок и холостого хода), теплоиспользование снижается. Это объясняется в основном тепловыми потерями, связанными с уменьшением скорости сгорания из-за ухудшения распыливания топлива, и увеличением относительного количества теплоты, отдаваемой в охлаждавшую среду.

Механический к.п.д. двигателя определяется зависимостью (3.8), которая может быть представлена в виде:

		Pe = 1 Рм .		(4.2)
	м	Pi	Pi

С уменьшением нагрузки м будет непрерывно уменьшаться вследствие увеличения относительной доли механических потерь Рм/Рi, так как среднее давление механических потерь Pм, весьма мало зависит от нагрузки при постоянной частоте вращения, а среднее индикаторное давление Pi, естественно, уменьшается по мере снижения нагрузки.

Рассмотренный характер изменения индикаторного и механического к.п.д. следующим образом определяет изменение экономичности двигателя. С уменьшением нагрузки от значения, при котором имеет место минимальный удельный расход топлива ge min, происходит увеличение ge, т.е. ухудшение экономичности, обусловливаемое преобладающим снижением механического к.п.д. при некотором увеличении индикаторного. При холостом ходе механический к.п.д. равен нулю, так как Pi = Pм и, следовательно, (см формулу 3.25) величина ge стремится к бесконечности.

Минимальное значение gemin достигается при нагрузке, которая

39

соответствует максимуму произведения i м (Ngemin = 65-70% Nemax). При дальнейшем увеличении нагрузки, несмотря на увеличение м, удельный эффективный расход топлива возрастает, т.е. экономичность двигателя ухудшается, так как преобладающим фактором становится снижение

теплоиспользования, т.е. уменьшение i вследствие все возрастающей

неполноты и продолжительности сгорания из-за снижения и затруднения в связи с этим смесеобразования.

Отметим, что использование в дизелях бедных смесей, высокие ступени сжатия и качественное регулирование обеспечивают им в условиях эксплуатации более высокую экономичность в сравнении с карбюраторными двигателями (на 20-25%), особенно на частичных нагрузках.

Дымность ОГ (см. график (К) на рис.4.1) по мере увеличения

нагрузки возрастает (вследствие снижения ) до некоторых допустимых значений Кпр, которыми, как отмечено ранее, и ограничивается максимально допустимая нагрузка, если она меньше нагрузки, при которой ограничивающим фактором может стать тепловая напряженность деталей. Последнее в большинстве случаев имеет место при наддуве дизелей.

При наддуве количество подаваемого в цилиндры воздуха увеличивают за счет предварительного увеличения его плотности, что позволяет сжигать в том же рабочем объеме большее количество топлива. Сгорание большего количества топлива в единице рабочего объема обусловливает выделение большего количества теплоты и вызывает существенное увеличение температур и давлений в цилиндре, а также увеличение тепловых потоков от газов к деталям двигателя. В этих условиях механическая и особенно тепловая напряженность деталей, определяя надежность работы дизелей, становятся факторами, ограничивающими форсировку двигателей по нагрузке.

Изменение токсичности ОГ по нагрузочной характеристике представлено на рис.4.1 графиком NO2, как основным для дизелей токсичным компонентом. Наблюдаемое в начале увеличение NO2 С возрастанием нагрузки, некоторое дальнейшее замедление роста в области нагрузок, близких к максимальным, и возможное снижение при максимально допустимых нагрузках связаны с изменением температур цикла и количеством воздуха в смеси.

Содержание СО в ОГ (на рисунке не показано) мало изменяется по нагрузке, заметно возрастая лишь в зоне максимально допустимых нагрузок до значений, достигающих 0,25% по объему.

Методика определения нагрузочной характеристики дизеля

После прогрева двигателя до рабочих температур охлаждающей жидкости и смазочного масла плавным регулированием подачи топлива перемещением рейки топливного насоса и одновременным регулированием тормозом внешней нагрузки устанавливают

40