Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего профессионального образования

Уфимский государственный авиационный технический университет

ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ

по дисциплине «Теория рабочих процессов поршневых двигателей»

Определение характеристик двигателей внутреннего сгорания

Составители:

2015

Составители: С.Н. Атанов, Р.В. Никитин

УДК 621.43(07)

Определение характеристик поршневых двигателей внутреннего сгорания: Лабораторный практикум по дисциплине «Теория рабочих процессов поршневых двигателей» Сост.: С. Н. Атанов, Р. В. Никитин [Электронный ресурс] / Уфимский государственный авиационный технический университет Кафедра двигателей внутреннего сгорания: [сайт] [2015. - 52 с]. URL:http://dvs.ugatu.ac.ru/

Практикум содержит описания лаборатории, лабораторного оборудования, особенностей анализа характеристик, методик лабораторного определения характеристик и индицирования двигателей внутреннего сгорания и методик обработки результатов испытаний. Приведены требования к содержанию и оформлению лабораторных работ.

Лабораторный практикум предназначен для студентов обучающихся по программе подготовки бакалавров по направлению «13.03.03 - Энергетическое машиностроение», профиль «Двигатели внутреннего сгорания», а также может быть полезен при проведении испытаний двигателей внутреннего сгорания студентам в рамках курсовых и выпускных работ, аспирантам, инженерам и исследователям двигателей.

Библиогр.: 11 назв.

Уфимский государственный авиационный технический университет, 2015

• Содержание
• Введение
• Описание лаборатории и лабораторного оборудования
• Замечания по анализу характеристик двигателей
• Лабораторная работа № 1. Определение характеристики механических потерь
• Лабораторная работа № 2. Определение характеристики холостого хода
• Лабораторная работа №3 Определение скоростной характеристики двигателя с принудительным воспламенением
• Лабораторная работа №4. Определение нагрузочной характеристики двигателя внутреннего сгорания с принудительным воспламенением
• Лабораторная работа №5 Определение регулировочной характеристики двигателя внутреннего сгорания
• Лабораторная работа №6. Индицирование двигателя внутреннего сгорания с использованием усилителя и аналого-цифрового преобразователя
• Лабораторная работа №7 Индицирование двигателя внутреннего сгорания с использованием аппаратуры и программного обеспечения фирмы «AVL»
• Приложение А Оборудование и методика индицирования двигателя внутреннего сгорания с использованием усилителя и аналого-цифрового преобразователя
• Приложение Б Описание сборки оборудования и методики индицирования двигателя внутреннего сгорания
• Приложение В Библиограия

Введение

Дисциплина «Теория рабочих процессов поршневых двигателей» является дисциплиной вариативной (профильной) части специального цикла дисциплин учебного плана подготовки бакалавров по направлению «13.03.03 - Энергетическое машиностроение» профиль - «Двигатели внутреннего сгорания». Эта дисциплина посвящена изучению процессов, протекающих в течение цикла двигателей внутреннего сгорания (ДВС), и математических моделей разных уровней, описывающих эти процессы. Рассматриваются интегральные показатели эксплуатационных свойств двигателей, их характеристики, а также современные требования к ДВС различного назначения и пути удовлетворения этих требований.

Целью лабораторных работ является формирование у студентов компетенций, обеспечивающих их способность к обобщению, анализу, восприятию информации, постановке цели и выбору путей ее достижения и способность демонстрировать знание теоретических основ рабочих процессов в энергетических машинах, аппаратах и установках.

Лабораторные работы позволяют практически проследить взаимную связь всех процессов, протекающие в течение цикла ДВС и, с учетом их особенностей, пояснить, предсказать протекание различных характеристик ДВС, т.е. выйти на эксплуатационные свойства двигателей. На лабораторных работах студенты осваивают работу в испытательных лабораториях, испытательное оборудование для ДВС, методики испытаний и обработки их результатов. Главным в содержании лабораторных работ является анализ полученных показателей работы двигателя и его характеристик, в отдельных случаях и выявление, и пояснение связи в протекании отдельных видов характеристик. Обработка экспериментальных данных и анализ протекания характеристик вынуждает студентов привлекать знания, полученные при изучении большинства разделов дисциплины и таким образом ощутить ее цельность. Оформление отчетов воспитывает техническую культуру.

Настоящий практикум содержит описание лабораторий, оборудования, порядка проведения лабораторных работ, а также методические указания по анализу полученных экспериментальных данных.

Описание лаборатории и лабораторного оборудования

Лабораторные исследования ДВС в целом и процессов, протекающих в отдельных его частях, как правило, производятся в специально подготовленных испытательных лабораториях, в которых размещаются испытательные стенды, представляющие собой комплексы средств для проведения исследований и испытаний ДВС.

Ниже описаны испытательные лаборатории и стенды, применяемые при определении характеристик и индицировании, предусмотренных лабораторным практикумом по учебной дисциплине «Теория рабочих процессов поршневых двигателей».

Помещение испытательной лаборатории в целях повышения безопасности разделено стеной с окнами и дверями на испытательный бокс и пультовую. Стекла окон и дверей, предназначенные для визуального контроля, выполняются ударопрочными. Испытываемый двигатель и наиболее опасные элементы стенда находятся в боксе, а управление работой стенда и двигателя, как правило, ведется дистанционно из пультовой. Лаборатории имеют системы автономной вентиляции. Вентиляторы располагаются в подсобном помещении или на крыше здания. Специальные рукава подводящих газопроводов, вентиляторов, отсасывающих отработавшие газы ДВС, могут подводиться к соответствующим агрегатам или герметично крепиться непосредственно к впускному или выпускному трубопроводу двигателя. Отводящий рукав вентилятора выводятся за пределы здания. Оба помещения лаборатории оснащены естественной вытяжной вентиляцией, а бокс - принудительной вытяжной вентиляцией. Помещения лаборатории оборудованы электрической сетью и системами водоснабжения и водоотведения. В отдельных случаях в боксе устанавливаются электрические вентиляторы для дополнительного местного охлаждения отдельных элементов двигателя.

Каждый испытательный стенд, как правило, оснащен тормозным устройством, измерительными каналами, регистрирующей аппаратурой, аппаратурой для исследования отдельных процессов в двигателях, контрольными приборами, системой управления и вспомогательными системами для обеспечения работы двигателя.

Тормозное устройство (тормоз) испытательного стенда является потребителем механической энергии двигателя и создает регулируемый момент сопротивления на его выходном валу. Тормоз дает возможность вывести двигатель на заданный скоростной и нагрузочный режим работы. Некоторые тормоза позволяют проворачивать вал двигателя от внешнего источника энергии с заданной частотой вращения. В зависимости от типа тормоза получаемая им механическая энергия преобразуется в тепло с рассеиванием в окружающей среде непосредственно или посредством охлаждающей жидкости. Другой тип тормозов (тормоза с рекуперацией энергии) преобразуют получаемую механическую энергию в электрическую и передают ее в электрическую сеть. Лаборатории могут иметь также оборудование для утилизации тепла от радиаторов ДВС и выхлопных газов для экономии затрат на обогрев помещений. При проведении лабораторных работ в основном используется электрический тормоз постоянного тока с рекуперацией энергии марки «Vsetin». Этот тормоз дает возможность, как нагружать ДВС необходимым моментом сопротивления, так и проворачивать его выходной вал с заданной частотой вращения. При проведении некоторых работ может использоваться индукторный тормоз «AVL», в котором тормозной момент индуцируется магнитным полем, нагревающим статор; отвод тепла от его сердечника осуществляется водой. Система управления тормозами автоматически поддерживает заданный скоростной режим. Запуск тормозов, управление ими, контроль их работы, а также настройка необходимого скоростного режима производится с вынесенных в помещения операторов пультов управления.

Измерительные каналы испытательных стендов позволяют измерять крутящий момент двигателя, частоту вращения вала тормоза, расходы воздуха и топлива, положение органа управления двигателем.

Измерение крутящего момента производится посредством измерения реактивного момента на статоре (неподвижном корпусе) тормоза, вал ротора которого с помощью муфты связан с валом двигателя. С этой целью статор установлен на балансирной подвеске, позволяющей ему поворачиваться в станине тормоза относительно оси ротора. Для предотвращения этого поворота статор снабжен рычагом, конец которого соединен с динамометром. Динамометр измеряет силу, с которой статор стремится прийти во вращательное движение. На стенде «Vsetin» в качестве динамометра используется прибор маятникового типа, установленный непосредственно над статором. Шкала прибора с учетом длины рычага отградуирована в Н*м и подсвечивается при включении измерительного стенда. Другой канал измерения крутящего момента - электрический. Он содержит датчик угла поворота стрелки динамометра и цифровую вторичную аппаратуру, преобразующую сигнал датчика в показания цифрового табло на пульте управления. Показания даются также в Н*м.

Частота вращения на стенде «Vsetin» тоже может быть измерена несколькими способами. Одним из датчиков частоты вращения является смонтированный на тормозе тахогенератор, вал которого вращается совместно с валом тормоза. Измерение напряжения, индуцируемого этим генератором, производится установленным на пульте управления стрелочным вольтметром, шкала которого отградуирована в об/мин. Имеется и цифровой канал измерения. Датчик, установленный вблизи вала тормоза, формирует электрические импульсы с частотой пропорциональной частоте вращения вала. Электронный преобразователь пересчитывает сигнал и индицирует результат на цифровом табло также в об/мин. Частоту вращения, также, можно измерить с помощью ручных приставных тахометров центробежного или часового типа. Наконечник их валика прижимается к центру торца вала, частоту вращения которого необходимо измерить, и по шкале со стрелкой считывается значение измеряемой величины.

На стенде «AVL» применены электрические измерители тензометрического типа с выводом на монитор пульта в цифровом виде.

Следует иметь в виду, что в отдельных случаях соединение валов двигателя и тормоза может производиться не непосредственно, а через редуктор с известным передаточным отношением. При таком соединении определение крутящего момента и скоростного режима необходимо производить с учетом передаточного отношения.

Расход воздуха через ДВС в данной лаборатории измеряется с помощью ротационных газовых счетчиков. В них число оборотов ротора пропорционально объему прошедшего через счетчик газа, и они показывают суммарный объем прошедшего через него газа в м3. С помощью промежуточных трубопроводов и ресиверов выход счетчика соединен со входом воздуха в ДВС. Весь воздух, поступающий в ДВС, проходит через этот прибор. Измерение расхода воздуха заключается в измерении с помощью секундомера времени расходования двигателем заданного объема воздуха VВ. Затем производится пересчет данных в часовой объемный или массовый расход воздуха.

Измерение расхода топлива может производиться объемным или массовым методами. При объемном методе используется штихпробер - набор, расположенных последовательно (друг над другом) прозрачных емкостей известного, но отличающегося, объема, уровень топлива в которых можно наблюдать визуально, а также регистрировать моменты начала и окончания расхода из каждой емкости с помощью средств автоматизации. При измерении переключают входной топливный трубопровод от бака на расходование топлива из штихпробера и с помощью секундомера измеряют время расходования топлива т из одного или нескольких сосудов штихпробера VТ, При известной плотности топлива расход топлива может быть пересчитан в массовый. Массовый метод отличается только тем, что при его использовании измеряется время расходования т заданной массы топлива GТ из установленной на весы емкости.

При необходимости измерения угла опережения зажигания, пользуются стробоскопическим методом. На шкив переднего конца коленчатого вала наносится метка или устанавливается стрелка. На корпусе ДВС вблизи шкива укрепляется угломерная шкала таким образом, чтобы можно было легко определить, против какого деления шкалы находится метка или стрелка. Шкалу, отградуированную в угловых градусах, устанавливают таким образом, чтобы при достижении поршнем первого цилиндра верхней мертвой точки метка или стрелка находились напротив нулевого деления шкалы. При измерении угла опережения зажигания на работающем ДВС шкалу и шкив освещают импульсным источником света, который дает вспышки в момент подачи высокого напряжения на свечу зажигания первого цилиндра. Деление шкалы, вблизи которого метка или стрелка кажутся неподвижными, соответствует углу опережения зажигания при отсчете его от нулевого значения в направлении противоположном направлению вращения вала. Изменение угла опережения зажигания ДВС с традиционной системой зажигания производится путем поворота корпуса распределителя зажигания в нужную сторону на необходимый угол. В зависимости от конструкции привода эта операция может производиться при работающем или при остановленном ДВС.

При исследовании современных двигателей с микропроцессорным управлением значения многих параметров его работы могут быть извлечены из электронного блока управления работой ДВС. Система управления такого ДВС оснащается рядом датчиков, таких как датчики массового расхода воздуха GВ, частоты вращения вала двигателя n и др., позволяющих определить режим работы ДВС и в соответствии с ним формировать оптимальные значения регулируемых параметров: коэффициента избытка воздуха , угла опережения зажигания/впрыска и др. Специальный комплекс оборудования «Микас», состоящий; компьютера, программатора, программного обеспечения и диагностического кабеля дает возможность отображать значения измеренных параметров. Таким образом, с комплексом «Микас» исключается необходимость измерений с использованием другой аппаратуры и производства некоторых вычислений. В специальном режиме работы комплекса «Микас» можно принудительно задавать значения параметров рабочего процесса: угол опережения зажигания , коэффициент избытка воздуха и др., отличающиеся от значений, формируемых системой управления ДВС. В этом режиме возникает возможность снятия регулировочных характеристик ДВС. Также комплекс «Микас» позволяет перепрошивать (программировать) «инженерный» электронный блок управления ДВС. Эта функция необходима при исследованиях и доводке ДВС. двигатель внутреннее сгорание

На стендах AVL с динамометрами «alpha 20» и «alpha 80» имеется возможность за счет регулирования нагрузки измерять и поддерживать частоту вращения, крутящий момент и мощность.Также имеется возможность измерения специальными приборами расхода топлива весовым способом с выводом на монитор компьютера, расхода воздуха, расход картерных газов, влажность и атмосферное давление.

В лаборатории имеется два комплекса индицирования двигателя. Один из них выполнен на основе индимодуля фирмы AVL и позволяет автоматизировать процесс получения готовых индикаторных диаграмм и параметров: текущих и средних индикаторных давлений, момента, кривых жесткости и тепловыделения. С помощью дугого комплекса производятся измерения и фиксация текущих значений параметров рабочего процесса работающего двигателя с целью их последующей обработки.

Инструкции по включению в работу и использованию испытательных стендов, ДВС и дополнительных устройств, в том числе системы «Микас», индимодуля, находятся в лабораториях испытаний ДВС.

Замечания по анализу характеристик двигателей

Характеристиками ДВС называют зависимости показателей ДВС от величин, характеризующих режим и условия его работы.

При исследовании ДВС необходимо учитывать большое количество факторов. Условно их можно разделить на четыре группы:

факторы, влияющие на внутрицилиндровые процессы;

особенности организации газообмена и характеристика агрегата наддува;

зависимость механических потерь от скоростного и нагрузочного режимов;

в отдельных случаях - вид зависимости момента сопротивления нагрузки от частоты вращения вала.

Качество внутрицилиндровых процессов зависит от большого числа факторов и оказывает влияние на индикаторные показатели ДВС. Во-первых, - это тепловые потери: потери тепла в результате теплообмена со стенками рабочей камеры; потери связанные с химической неполнотой сгорания (обогащенные смеси, несовершенство смесеобразования, диссоциация продуктов сгорания). Во-вторых, - несовершенство цикла в связи с некоторой растянутостью подвода тепла по углу поворота коленчатого вала. Термодинамически наиболее совершенен цикл с подводом тепла в ВМТ. Затянутость тепловыделения связана с конечной скоростью выгорания горючей смеси, которая зависит от состава смеси, количества остаточных газов, уровня турбулизации заряда, а в дизелях еще и с длительностью и качеством смесеобразования. Вклад упомянутых потерь зависит от скоростного и нагрузочного режимов, регулировок ДВС и характеристик топливоподающей аппаратуры.

Уровень наполнения цилиндров, определяемый коэффициентом наполнения v, зависит от конструкции газовоздушного тракта, скоростного режима, угла открытия дроссельной заслонки (при ее наличии). В нерегулируемом газовоздушном тракте существует скоростной режим, при котором достигается максимальное значение v, при удалении от этого скоростного режима значение коэффициента наполнения снижается. При наличии регулируемого газовоздушного тракта кривая коэффициента наполнения может иметь несколько максимумов по скоростной характеристике. Массовое наполнение цилиндров в ДВС без агрегатов наддува в целом определяется значением v, При наличии агрегата наддува массовое наполнение цилиндров зависит как от коэффициента наполнения, так и от давления и температуры воздуха за агрегатом наддува.

Механические потери в ДВС оценивают средним давлением механических потерь рм, представляющим собой работу, затрачиваемую на преодоление механических потерь в двигателе (трение, привод устройств обслуживающих двигатель, насосные потери), отнесенную к единице рабочего объема ДВС. Значение рм, примерно линейно возрастает как от нагрузки, так и с ростом частоты вращения вала двигателя. Причем влияние нагрузки невелико, оно связано, в основном, с насосными потерями, значительно более существенно влияние скоростного режима.

Учет характера протекания момента сопротивления нагрузки необходим при определении характеристики ДВС при работе его в качестве привода агрегата с известной закономерностью изменения его момента сопротивления по скоростной характеристике. Например, момент сопротивления гребного винта судна пропорционален кубу частоты вращения. Поэтому протекание скоростной характеристики ДВС, приводящего винт, (называемой винтовой характеристикой) в большей степени определяется видом нагрузки.

При формулировании выводов по лабораторным работам, заключающихся в пояснении причин, определяющих тот или иной вид кривых, полученных экспериментально, можно руководствоваться следующими замечаниями.

Значения среднего индикаторного давления ( рi ), среднего эффективного давления ( рe ), крутящего момента ( Me ), эффективной мощности ( Ne ) определяются, главным образом, количеством сжигаемого за цикл топлива, скоростным режимом и уровнем механических потерь на этом режиме. Разного рода тепловые потери, при условии сохранения на всех режимах оптимальных значений регулировочных параметров (, и др.), влияют меньше, однако их тоже следует включать в рассмотрение.

При анализе экономических показателей, таких как эффективный КПД, эффективный удельный расход топлива, а также индикаторные экономические показатели, необходимо пояснять какие виды потерь или несовершенств цикла определяют такой вид полученных кривых. Возможно, что в отдельных случаях будет необходимо обращать внимание и на свойства топливоподающей аппаратуры.

Лабораторная работа №1. Определение характеристики механических потерь

Цель работы

Лабораторное определение и оценка механических потерь двигателя внутреннего сгорания в зависимости от частоты вращения его выходного (например, коленчатого) вала.

Общие сведения

Некоторая часть индикаторной мощности, развиваемой в цилиндрах поршневой части двигателя внутреннего сгорания (ДВС), расходуется как в самом ДВС, так и в устройствах обслуживающих ДВС, и не может быть полезно использована. Эта мощность, затрачиваемая внутри ДВС, называется мощностью механических потерь. Характеристикой механических потерь называется зависимость мощности механических потерь, а также среднего давления механических потерь от частоты вращения выходного вала ДВС или от нагрузки.

Механические потери могут быть определены различными способами. В настоящей лабораторной работе используется метод проворачивания выходного вала ДВС от постороннего источника энергии при отсутствии подачи топлива в ДВС. Из других возможных способов определения механических потерь ДВС можно отметить методы индицирования цилиндров, отключения цилиндров, одинарного и двойного выбега.

Механические потери ДВС складываются из потерь на трение (поршневых колец о стенки цилиндра, в подшипниках опор валов и т. п. - до 70%), на привод вспомогательных агрегатов и механизмов (масляного, топливного насосов, насоса системы охлаждения, вентилятора, генератора и т. д. - до 30%). К этим потерям часто относят и, так называемые, насосные потери, связанные с затратами энергии на осуществление газообмена (заполнение цилиндра свежим зарядом, очистка цилиндра от отработавших газов - до 10% мощности механических потерь).

Определение механических потерь ДВС с количественным регулированием методом проворачивания выходного вала ДВС от постороннего источника энергии производится при полностью открытой дроссельной заслонке и отключенных зажигании и подачи топлива. При исследовании дизеля отключается подача топлива. Исследование зависимости механических потерь от скоростного режима ведут во всем диапазоне скоростных режимов - от минимальных до максимально допустимых. При использовании этого метода исследования в промежутках между замерами следует запускать и прогревать ДВС для поддержания его нормального рабочего теплового состояния. Количество скоростных режимов, на которых приводятся измерения, должно быть достаточным для получения подробной характеристики, опыт производится троекратно. Полученные данные (в табличной и графической формах) должны давать представление о суммарных мощности и работе (давлении) механических потерь, затрачиваемых на: преодоление механического трения, перемещение рабочих тел в газо-воздушном тракте, приведение в действие вспомогательных механизмов и агрегатов и других потерь. Для наглядности и удобства выявления характера кривых рекомендуется строить кривые пересекающимися в начале или в конце.

Порядок выполнения работы

ознакомиться с необходимыми материалами по настоящей лабораторной работе;