1 ВВЕДЕНИЕ Технические характеристики энергетических установок, изменение мощности, крутящего момента, часового и удельного расхода топлива в зависимости от положения органа управления, частоты вращения коленчатого вала, определяют возможности использование техники транспорта прив различных условиях эксплуатационной загрузки или устанавливают соответствие силового агрегата к эксплуатационным характеристикам машин потребителей, составной частью которых сам двигатель является. В двигателях с внешним смесеобразованием и принудительным воспламенением смеси мощностной и скоростной режим работы регулируется дроссельной заслонкой. Для дизельных двигателей мощность и скоростной режим регулируется изменением цикловой подачи топлива топливным насосом. Каждому положению органа управления соответствует конкретное значение мощности при определенном значении частоты вращения коленчатого вала. В реальной практике, двигатель подбирают или проектируют для обеспечения ходовых и тяговых характеристик транспортной единицы. Такую возможность можно получить только при снятии и построении основных характеристик двигателей. К ним относятся скоростная и нагрузочная характеристики двигателя. Для оценки топливно-экономических характеристик двигателей снимаются регулировочные характеристики двигателя по составу смеси и характеристики по углу опережения зажигания. Такие характеристики позволяют установить оптимальный диапазон изменения состава смеси и изменения опережения зажигания для обеспечения максимальной мощности и высоких показателей по топливной экономичности. Кроме установления показателей практического значения, технические характеристики двигателей позволяют провести анализ совершенства его конструкции, организации рабочего цикла и прорабатывать дополнительные изменения, комплектование дополнительными устройствами при использовании которых удается получить более высокие показатели. Одним из важных параметров энергетических установок техники транспорта является соответствие используемого силового агрегата установленным нормам экологической безопасности. Экологичность энергетических установок устанавливается на основе анализа характеристик токсичности отработавших газов. Анализ совершенства организации рабочего цикла проводится на основе термодинамического анализа индикаторных диаграмм записанных при экспериментальных исследованиях. Определение и анализ характеристик двигателя, агрегатов системы питания и термодинамики рабочего цикла обычно проводят на основе результатов лабораторных испытаний. 2 1ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ 1.1 Цель и требования при испытаниях Испытания двигателей проводятся с целью определения: - качества производства и ремонта двигателей; - безотказности и работоспособности его механизмов и систем; - эффективности поисковых работ при доводке рабочего процесса; - оценки качества организации рабочего процесса; - мощностных и топливно-экономических показателей; - концентрации токсичных компонентов в отработавших газах; - определения оптимальных регулировок систем двигателя. Объем и порядок проведения стендовых испытаний определяются государственными и отраслевыми стандартами. Основным является ГОСТ 14846-81 «Двигатели автомобильные». Согласно стандартам при испытаниях двигателей необходимо строго выполнять следующие требования: а) двигатель должен быть прогретым до заданных значений температуры охлаждающей жидкости и масла, указанных заводом-изготовителем, или при отсутствии таких указаний, поддерживаться в пределах 85...95 °С для охлаждающей жидкости и 90...100 °С для масла; б) регистрируемые параметры должны представлять собой средние устойчивые показания приборов, непрерывно наблюдаемые не менее одной минуты без существенных изменений; в) продолжительность измерения частоты вращения, расхода топлива и воздуха должна составлять не менее 60 с; в) количество точек замеров, для построения характеристики или выявления зависимости должно быть не менее шести; г) мощностные и топливно-экономические показатели должны определяться на основе регистрируемых параметров при установившемся скоростном, нагрузочном и температурном режиме. 1.2 Приведение результатов испытаний к стандартным условиям Значения показателей двигателя зависят от давления, температуры и влажности воздуха окружающей среды. При меньших значениях температуры и более высоких значениях давления окружающей среды повышается плотность воздуха и масса поступившей в цилиндр двигателя свежей смеси или чистого воздуха ,для дизельных двигателей. Для сопоставления результатов испытаний с данными технических характеристик двигателей, мощностные показатели двигателя необходимо приводить к стандартным атмосферным условиям: барометрическое давление -100 КПа(750 мм рт. ст.), температура воздуха- 298 К (25 °С). Для приведения величин к стандартным условиям необходимо замеренную величину умножить на коэффициент приведения -Кпр. Для двигателей с искровым зажиганием К пр.о Для дизельных двигателей 100 Т Р 298 0,5 (1) 3 К пр.д 100 Р 0 , 65 Т 298 0,5 (2) Поправочный коэффициент используют в пределах 0,96...1,06. Если его значения выходят за эти пределы, то значения давления, температуры, влажность воздуха окружающей среды и само значение Кпр специально указывается в протоколе и на графиках испытаний. 1.3 Техника безопасности при проведении испытаний Лаборатории и стендовые установки для испытаний двигателей всегда включают наличие источников повышенной опасности. В качестве примера можно назвать основные: возможность воспламенения горючих и смазочных материалов, высокое напряжение в системе зажигания, высокое напряжение и большой ток в системе питания электрического тормоза и нагрузочного реостата, наличие токсичных компонентов в продуктах сгорания, вращающиеся детали двигателя и тормоза, наличие горячих трубопроводов. В целях обеспечения безопасности и исключения несчастных случаев в процессе проведения испытаний все лица проходят ознакомление с оборудованием лаборатории и обязательный инструктаж по технике безопасности по всем рабочим местам. Инструктаж проводится отдельным занятием или перед выполнением испытаний и регистрируется в специальном журнале. Лица не прошедшие инструктаж по технике безопасности к выполнению работ по испытанию не допускаются. Все лица участвующие в испытаниях обязаны соблюдать и выполнять следующие правила по технике безопасности: - во время испытаний все лица обязаны находиться на рабочих местах; - запрещается самовольное включение и выключение приборов, кнопочных пускателей, изменение положений органов управления; - при обнаружении утечек топлива на любом участке топливопроводов и системы питания немедленно сообщить руководителю испытаний; - в случае пожара принимать меры для его тушения, используя все противопожарные средства в боксе и прилегающих к нему помещений; - на протяжении всего периода испытаний внимательно относиться к вращающимся деталям стенда и приборов, не допуская с ними касания ; - запрещается касаться горячих трубопроводов системы охлаждения, выпуска и отвода отработавших газов; - при получении травмы немедленно доложить руководителю испытаний и использовать имеющиеся в лаборатории медицинские средства; - категорически запрещается курение и разведение открытого огня вблизи и внутри лабораторий испытаний. 1.4 Порядок выполнения лабораторных работ При выполнении лабораторных испытаний (работ) каждая академическая группа делится на две-три самостоятельных подгруппы по 8-10 человек. Выполнение лабораторной работы рассчитано на четыре академических часа и включает: а) краткое изложение целей и особенностей проведения испытаний; б) проведение стендовых испытаний; в) обработка результатов с проведением расчетов, оформления протокола испытаний, построения графических зависимостей; г) краткий технический анализ результатов испытаний; д) оформление и защита отчета по лабораторным испытаниям двигателя. 4 Перед проведением испытаний подгруппа знакомится с устройством испытательного стенда, методами и принципами действия приборов для измерения различных показателей двигателя, технологией проведения испытаний и технической характеристикой двигателя. Работа по испытаниям требует предварительной самостоятельной подготовки студентов к ее выполнению и включает проработку теоретической части и методики выполнения предстоящей работы. Практическая подготовка включает описание теоретической части, методики проведения испытаний, подготовка формы протокола испытаний и листа миллиметровой бумаги формата А-4 с общепринятым штампом для построения графических зависимостей. Перед проведением испытаний каждая подгруппа распределяется по измерительным постам в составе 2…3 чел, где они знакомятся с приборами и приводят их в готовность для проведения испытаний. Измерения для каждой контрольной точки повторяются 2…3 раза, с обязательной регистрацией номера контрольной точки. Для достоверности результатов расчета, замеры на каждом посту выполнять синхронно с выполнением замеров на других постах измерения. Начало замеров и их завершения регулируется руководителем испытания. 1.5 Оформление, состав и защита отчетов Отчет по лабораторным работам оформляется на листах бумаги А-4 и включает следующие составные части: -теоретические основы технической характеристики 1с; -условия и методика проведения лабораторной работы 1с; -протокол результатов испытаний 1с; -графики характеристик 1с; -технический анализ результатов испытаний 1с. Теоретическая часть, методика проведения испытаний и форма протокола готовятся самостоятельно до начала занятий. После завершения испытаний и обработки результатов их значения заносятся в таблицу протокола. В верхней части протокола заполняются технические данные испытуемого двигателя и условия испытаний. Для построения графиков используется миллиметровая бумага А-4 формата 210×297 с выполнением рамки, штампа и заголовка графика. Масштабы величин представляемых на графиках подбираются самостоятельно с учетом лучшего проявления характера изменения представляемой величины. Экспериментальные точки величин непосредственного измерения (Gт, Ne, Me, Gв) отмечаются в виде точки и соединяются плавными осредненными кривыми по лекалу. Осредненная кривая параметра должна корректировать отклонения от заданного режима и случайные ошибки измерений, отражая действительное протекание процесса и характер изменения или стабильности. При подсчете производных величин (v, , ge, Pe и др.) в зависимости подставляются значения величин, принятых по координатам точек, лежащих на ранее построенных скорректированных кривых. Параметры, полученные расчетным путем, точками на графиках не отмечаются. Защита отчета проводится в виде устного опроса или диалога на основе данных протокола, графиков характеристик и письменного анализа результатов. 5 ЛПЗ 1 УСТРОЙСТВО И ОБОРУДОВАНИЕ СТЕНДОВОГО КОМПЛЕКСА ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК Цель работы Изучение устройства, принципа работы основных агрегатов, узлов, устройств и оборудования стендовой комплекса для испытаний энергетических установок, ознакомление с основными мощностными и топливно-экономическими показателями. î õë æèäêî ñò ü Устройство стендовой установки Испытания двигателей в лабораторных условиях проводят на специальных стендовых установках. Испытательный комплекс включает целый ряд технических систем, устройств и приборов для обеспечения работы двигателя, подачи и снятия нагрузки, выполнения измерений. Принципиальная схема стендовой установки приведена на рисунке 1 К основным элементам стендовой установки следует отнести фундамент 1, объект исследования (двигатель) - 2 и тормозная установка 3. Для проведения стендовых испытаний в соответствии с условиями установленными ГОСТами, стендовые установки дополнительно оборудуются специальными системами, приборами и устройствами. 1Фундамент – представляет собой массивное железобетонное основание, изолированное проемами от перекрытия и стен здания. На его поверхность устанавливается подмоторная плита для крепления двигателя и элементов тормозного устройства. 2 Испытуемый объект (двигатель) - устанавливается на специальных подмоторных стойках, которые обеспечивают возможность корректировки положения и центровки двигателей различных конструкций. ÐÑ- 400 ò î ï ëèâî 5 11 6 8 ñî 2 ñî 7 1 N o ñí ãàçî àí àëèçàò î ð ñî 2 ñî 3 2 ï èä ñí 9 4 ãàçî àí àëèçàò î ð N o 10 Рисунок 1 – Принципиальная схема стендового комплекса для испытаний энергетических установок 1 - объект испытаний (двигатель); 2- тормозная установка; 3 –весовое устройство; 4 жидкостный реостат; 5 – панель измерений низких давлений; 6 –устройство измерения расхода топлива; 7- устройство системы питания;8- приборный стол; 9 –панель управления режимом работы двигателя; 10 –нейтрализатор; 11 –стойка газового анализа. 3 Тормозное устройство – предназначено для поглощения мощности двигателя, измерения крутящего момента, регулирования и стабилизации режимов испытаний. При 6 испытаниях чаще используются электрические тормозные установки. Эффект торможения вала якоря и вала двигателя основан на взаимодействии магнитного поля статора и вращающегося магнитного поля якоря. Изменением силы магнитного поля статора или силы магнитного поля якоря можно регулировать силу тормозного момента. 4 Регулировочный реостат – представляет собой емкость, заполненную 1,5 % раствором кальцинированной соды и подвижными электродными пластинами. ЭДС, наводящаяся в цепи обмоток якоря, снимается через коллектор и выводится на положительные и отрицательные пластины жидкостного регулировочного реостата. При погружении пластин в раствор цепь якоря замыкается. Таким образом, погружением пластин в содовый раствор, мы увеличиваем площадь контакта, силу тока и магнитное поле в цепи якоря, что обеспечивает повышение тормозной нагрузки на вал испытуемого двигателя. 3 Вспомогательные устройства стенда 3.1 Система регулирования теплового состояния двигателя. Предназначена для поддержания нормального теплового состояния двигателя, в процессе проведения стендовых испытаний. Система охлаждения выполняется по двухконтурной системе. Первый контур включает рубашку охлаждения двигателя, насос системы охлаждения и смесительный бак (теплообменник). Второй контур образуют смесительный бак или холодильник теплообменника и водопроводная сеть, рисунок 2. Охлаждение жидкости в системе охлаждения двигателя происходит за счет дополнительного подмешивания холодной воды с водопровода в систему охлаждения или охлаждение жидкости путем пропускания холодной воды через теплообменник, расположенного в смесительном баке. Рисунок 2 – Схема двухконтурной системы охлаждения Регулирующим органом является кран подачи холодной воды к теплообменнику или в смесительный бак. Согласно ГОСТ 14846-81 изменение температуры в системе охлаждения допускается 2 С. 3.2 Система отвода отработавших газов. Предназначена для отвода отработавших газов за пределы помещения. Система выпуска дополнительно оборудуется газопроводом, ресивером с глушителем и газоотводной трубы. Выпускной трубопровод двигателя соединяется с газопроводом через гибкий металлический рукав. Второй конец газопровода выводится за пределы здания и спускается в ресивер и через газоотводную трубу выбрасываются в атмосферу. Гидравлическое сопротивление системы не должно превышать 300-400 мм водного столба. 4 Измерительные системы и приборы Особенностью измерений при испытании двигателей является необходимость их 7 выполнения за достаточно малый период времени, чтобы избежать дополнительных ошибок измерений при возможных изменениях стационарного режима работы двигателя, и достаточно большой, чтобы реакция экспериментатора и время срабатывания прибора не оказали заметного влияния на точность измерения. 4.1 Измерение расхода топлива. Более точным способом измерения расхода топлива для автомобильных и дизельных двигателей является массовый метод. По устройству более простым является весовое устройство, оборудованное трехходовым краном, рисунок 3. Кран имеет 4-е фиксированных положения: "закрыто", "двигатель", "залив", "замер". При положении "двигатель" топливо поступает из расходного бака на систему питания двигателя. При положении "залив" топливо поступает в мерный стакан, установленный на весах, и к двигателю. При положении "замер" топливо к двигателю поступает только из мерного стакана, предоставляя возможность измерить время расхода принятой дозы топлива. Время замера должно составлять не менее 60 с. Измерение выполняется в следующем порядке. При работающем двигателе трехходовой кран из положения "двигатель" переводят в положение "залив". Происходит заполнение топливом мерного стакана на 50-70 % общего объема. Рисунок 3 – Схема устройства для измерения расхода топлива, весовой метод Такая навеска уравновешивается калиброванными грузами так, чтобы стрелка весов находилась в правом крайнем положении. После этого трехходовой кран переводят в положение "замер". По мере расхода топлива стрелка перемещается влево. Выбрав контрольную точку отсчета на циферблате весов "200", "150 ", "100" и при совмещении ее со стрелкой весов включаем секундомер. Через 20-30 с снимаем калиброванный груз с левой чаши весов и снова при совмещении выбранной контрольной точки и стрелки весов, секундомер выключить.Точность измерения расхода топлива в соответствии с ГОСТ 14846-81 должна составлять ±1 %. 4.2 Измерение расхода воздуха. Для измерения расхода воздуха, потребляемого двигателем, наибольшее распространение получили объемные расходомеры роторного типа, рисунок 4. В корпусе ротационного счетчика смонтированы два ротора-поршня, взаимно связанных между собой парой шестерен. При вращении роторов происходит наполнение камер обоих роторов, заключенных между ротором и корпусом счетчиков. Заполнение и выталкивание газа происходит дважды за каждый оборот. Таким образом, за каждый оборот роторов счетчика проталкивается (пропускается) определенная доза объема воздуха. Зафиксировав количество оборотов ротора за определенный промежуток времени (60 с), с помощью импульсного электромеханического счетчика - nсч необходимо разделить результат на значение числа оборотов счетчика - iсч соответствующее пропусканию 1 м3 газа и 8 Рисунок -4 Расходомеры воздуха роторного типа умножив на плотность газа окружающей среды - о получим массовый расход воздуха за отведенный промежуток времени. Точность измерения расхода воздуха согласно ГОСТ 14846-81 должна составлять ±2 %. 4.3 Измерение температуры. С учетом специфики испытаний и диапазона значений температур, которые необходимо зафиксировать при выполнении лабораторных испытаний двигателя, наибольшее распространение получили следующие известные приборы и способы: жидкостно-стеклянные термометры, термометры сопротивления, термоэлектрические пирометры. Жидкостно-стеклянные термометры расширения (ртутные, спиртовые) используются для фиксации температуры окружающей среды. Термометры сопротивления (платиновые, медные) чаще используют для измерения температуры жидкости в системе охлаждения, температуры масла, температуры поступающего воздуха. Согласно ГОСТ 14846-81 точность измерения температуры охлаждающей жидкости и воздуха допускается ±2 °С, для отработавших газов ±20 °С. 4 Измерение давления. Для измерения стабилизированных давлений в газовой среде и системах двигателя применяются пружинные и жидкостные манометры. В области малых давлений до 100 кПа и разрежений используют жидкостные ртутные или водяные манометры. Барометрическое давление измеряется ртутным барометром или барометроманероидом. 5 Измерение частоты вращения. Частота вращения коленчатого вала двигателя измеряется с помощью тахометров и суммарных счетчиков числа оборотов в минуту. С целью постоянного контроля скоростного режима работы двигателя применяют простейшие динамические тахометры. К таким приборам относятся тахометры центробежные, магнитные и электрические. Для получения более точных значений частоты вращения вала двигателя, используют импульсные цифровые тахометры. Принцип работы таких тахометров основан на преобразовании угловой скорости вращения в электрические импульсы и на измерении частоты этих импульсов. На этом принципе построена работа тахометра ТЭ-7. Электрические импульсы поступают от индукционного датчика, отмечающего частоту вращения вала двигателя, на конце которого закреплено зубчатое колесо, рисунок 5. 9 Рисунок 5 – Схема регистрации частоты вращения При проведении испытаний двигателей есть необходимость получить среднее значение частоты вращения вала двигателя за определенный промежуток времени. Принцип работы суммарного счетчика числа оборотов аналогичен работе импульсного тахометра. Электрические импульсы поступают на электронный счетчик и суммируются за время выполнения замера. 5 Математическое обеспечение для обработки результатов и построения тяговых и топливно-экономических характеристик энергетических установок Расчетные зависимости для обработки результатов и построения тяговых и топливноэкономических характеристик энергетических установок После завершения экспериментальных работ необходимо выполнить расчеты окончательных результатов замеров и определения, основных мощностных и топливноэкономических показателей. 5.1 Эффективный крутящий момент двигателя Мe = PТТ 9,81 (HM) где - РТ- показания весового механизма тормоза; -Т - плечо тормоза в метрах. 5.2 Эффективная мощность двигателя Ne (3) Me n 9570 кВт, (4) где n - частота вращения коленчатого вала двигателя, мин-1. 5.3 Часовой расход топлива GTкг/час GT 3,6 g T 3 кг/час , (5) где - gT-масса израсходованного топлива (навеска) за время замера. 5.4 Удельный расход топлива на каждый кВт в час ge GT 1000 Ne г/кВт час. (6) 5.5 Часовой расход воздуха Gв.д. (кг/час) Gв.д. nсч 60 в iсч (7) где nсч-показания импульсного счетчика ; -iсч- количество оборотов роторов счетчика, соответствующего расходу одного м3 воздуха; в 0,465 Во 273 t B0 C в - плотность воздуха окружающей среды, где -Во - барометрическое давление в мм. рт. ст. . 5.6 Коэффициент избытка воздуха ( кг / м 3 ) (8) 10 Gв.д. в .д . GТ о о , (9) где о - количество воздуха, необходимое для сгорания 1 кг топлива. Для бензина о= 14,95 кг, для дизельного топлива о= 14,45 кг. 5.7 Коэффициент наполнения Gв.д. 103 V . 30 n iVh в (10) 5.8 Мощность условных механических потерь Nм Мм n Р iVh 2n м 9570 где Рм- среднее давление, затраченное на преодоление механических сопротивлений и привода вспомогательных механизмов Рм = 0,035 + 0,0135 Cmn , здесь Cmn - средняя скорость поршня, где Sn - ход поршня двигателя ( м). 5.9 Среднее эффективное давление Мпа Ре 0,00314 М е iVh (11) (12) (13) 5.10 Эффективный КПД рабочего процесса двигателя е 3600 Н и gе (14) Ni = Nе+ Nм(кВт) (15) 5.11 Индикаторная мощность – Ni 5.12 Индикаторный расход топлива gi GT Ni *1000 (г/кВт ч) (16) 5.13 Индикаторный КПД рабочего цикла двигателя определяет эффективность превращения подведенной теплоты в индикаторную работу i 3600 Н и gi (17) гдеНи - теплота сгорания топлива в МДж/кг, для бензина Ни = 44 МДж/кг, для дизельного топлива Ни = 42,5 МДж/кг. 5.14 Механический КПД двигателя определяет эффективность использования индикаторной работы ( мощности) м Ne Ni . (18) 11 ФОРМА ПРОТОКОЛА ИСПЫТАНИЙ ПРОТОКОЛ ИСПЫТАНИЙ № . Дата Двигатель ВАЗ -- 21081 Степень сжатия = 8,5 . Литраж двигателя iVh = 1,1 л Аи -- 93 . Число цилиндров I = 4 Условия испытаний: Барометрическое давление B= воздуха в= . Температура ОС t0= Плотность Коэфиц наполненя расх Gв.т.=кг/час nсч=имп. Измерения воздуха Показ. счетчика Уд расг/кВт.час Час расдGT=кг/час Вр расда топа т, сек Навка топваg, гр Ne=Квт Мощность двигателя МКР=Нм Крутящий момент РТ=кг Показания тормоза n=об/мин Част. враще к.вала № замера №/п Измерения топлива Топливо Теор. Часовой Холостого хода Дейсй час расход Gв.д.=кг/час Характеристика испытаний Карбюратор ДААЗ .