Автомобильные двигатели и транспортная энергетика

Так как для большинства тормозов длина плеча L = 0,7162 м, то постоянная С = 0,001 и, значит, для испытуемого двигателя мощность (кВт)

или мощность (л.с.)

где Р -- тормозная сила, отсчитываемая по шкале весового механизма тормоза, кгс или Н;

п -- частота вращения вала тормоза, об/мин.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3

ИЗМЕРЕНИЕ ЧАСОВОГО РАСХОДА И ОПРЕДЕЛЕНИЕ СРЕДНЕГО УДЕЛЬНОГО РАСХОДА ТОПЛИВА ДВИГАТЕЛЯ

Расход топлива за опыт измеряют по его объему или по массе. В лабораторной практике и в производственных условиях чаще всего пользуются вторым способом.

На рисунке 1 представлена схема установки для измерения расхода топлива по массе, применяемая на серийных электростендах ГОСНИТИ. Стеклянный сосуд емкостью не менее 1л устанавливают на весы, которые располагают на 200--250 мм выше топливного насоса испытуемого двигателя. В сосуд, заполненный топливом, опущена трубка, которая через трехходовой кран и две трубки соединяет его с топливным баком и насосом.

Техника измерения массы топлива, израсходованной за опыт, заключается в следующем. После сигнала «начало опыта» поворотом трехходового крана переводят питание двигателя на топливо из сосуда. По мере расходования топлива стрелка весов отклоняется. В тот момент, когда стрелка находится против деления шкалы, соответствующего ближайшей сотне грамм, включают секундомер и выключают его после того, как двигателем будет израсходована заданная масса топлива (обычно 100 г). Затем трехходовой кран устанавливают в положение, при котором питание в двигатель подается из топливного бака. В журнал наблюдений записывают массу и время расхода дозы топлива за опыт.

Рис. 1 Схема установки для измерения расхода топлива по массе.

Часовой расход топлива (кг/ч) подсчитывают по формуле

где Дg -- масса дозы топлива, израсходованная за опыт, г;

ф -- время опыта, с.

Большей точностью измерения расхода топлива за опыт во время испытаний обладают устройства с автоматическим управлением. На рисунке 2 показана схема подобного устройства конструкции НАМИ. На одной чашке весов установлен бачок 6 с топливом. Сюда же приводом от электродвигателя 7 может опускаться (и подниматься) разновеска 8, соответствующая массе топлива, израсходованного за опыт. На другой чашке весов установлена гиря, а снизу к чашке прикреплена заслонка 12, перекрывающая поток света от лампы 11 на фотоэлемент 13; здесь же размещен электромагнит 10. В топливопроводе установлены быстродействующие клапаны 3 и 5, управляемые электромагнитами.

Во время обычной работы двигателя клапан 3 открыт, а клапан 5 закрыт, бачок 6 полностью заполнен топливом. Двигатель получает питание из топливного бака.

Рис. 2 Схема установки автоматического замера расхода топлива:

1 -- топливопровод от топливного бака; 2 -- сливной трубопровод;

3 и 5 -- быстродействующие клапаны с дистанционным управлением; 4 -- топливопровод к двигателю; 6 -- бачок для топлива; 7 -- электродвигатель; 8 -- разновеска; 9 -- весы чашечные; 10 -- электромагнит; 11 -- осветительная лампа; 12 -- регулировочная заслонка; 13 -- фотоэлемент.

Заполнением бачка 6 топливом автоматически управляет фотоэлемент 13. Когда на него попадает свет лампы 11, клапан 5 открывается, топливо поступает в бачок 6, одновременно включается электромагнит 10, притягивающий чашку весов с грузом. По мере долива топлива правая чашка весов вместе с заслонкой 12 перемещается вверх, и в момент равновесия заслонка 12 перекрывает световой поток от источника света 11. При затемнении фотоэлемента 13 клапан 5 закрывается и электромагнит 10 обесточивается.

Левая чашка весов с бачком 6 топлива опускается, а правая чашка поднимается, и заслонка 12 перекрывает поток света от источника 11 на фотоэлемент 13 еще больше.

Во время начала опыта при нажатии кнопки «замер» клапан 3 закрывается, а клапан 5 открывается и двигатель переводится на питание топливом из бачка 6.

По мере расходования двигателем топлива из бачка 6 правая чашка весов с заслонкой 12 опускается. В момент уравновешивания весов заслонка 12 не преграждает путь световому потоку лампы 11. При освещении фотоэлемента 13 включается электродвигатель 7 и через привод опускает на левую чашку весов разновеску 8. Чашка опускается и включает встроенный в прибор секундомер.

После того как двигатель израсходует топливо в количестве, равном, массе разновески 8, и чашки весов вновь уравновесятся, секундомер выключается. Фотоэлемент 13, срабатывая под действием светового потока лампы 11, снова включит электродвигатель 7, который через привод снимет разновеску 8 с левой чашки весов. Клапан 5 закрывается, а клапан 3 открывается, и вновь двигатель получает питание из топливного бака.

Автоматическое устройство для измерения расхода топлива характеризуется высокой точностью (погрешность не превышает 0,2…0,3 %)

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4

СНЯТИЕ РЕГУЛИРОВОЧНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДВИГАТЕЛЯ

Целью работы является установление зависимости мощности N е9 часового GT и удельного ge расходов топлива от угла 8° опережения начала впрыска топлива или угла опережения зажигания - Nе, GТ, gе = f (и0) и оптимального значения этого угла для номинального скоростного режима.

Й Снятие регулировочной характеристики по углу опережения зажигания карбюраторного двигателя

Порядок выполнения работы.

1. Подготовка двигателя. Для повышения стабильности угла опережения зажигания рекомендуется перед испытанием выключить центробежный и вакуумный автоматы регулирования угла опережения зажигания.

В испытуемом двигателе необходимо обеспечить возможность поворота распределителя в пределах от 10° после в. м. т. и до 50--60° до в. м. т. (в углах поворота коленчатого вала). Обычно для этого распиливают пазы в направляющих платах распределителя.

В связи с тем, что значение оптимального угла опережения зажигания в большой степени зависит от качества бензина, испытание двигателя необходимо проводить на сорте бензина, рекомендованном для данного двигателя техническими условиями завода-изготовителя. Регулировку карбюратора нужно устанавливать такой, которая определена во время испытаний по снятию регулировочной характеристики по составу смеси.

Интервал углов опережения зажигания, при которых проводится испытание двигателя, охватывает диапазон от --10° после в. м. т. до +60° до в. м. т.

Опыты проводят при неизменном положении дроссельной заслонки и постоянной частоте вращения. Всего должно быть сделано не менее восьми опытов с равномерным распределением углов опережения в установленном диапазоне.

Перед испытанием двигатель прогревают до нормального теплового состояния.

2. Последовательность проведения опытов. Первый опыт проводят при установленном вручную позднем зажигании (угол опережения зажигания равен 0° или 10° после в. м. т.).

Изменяя нагрузку тормоза, устанавливают заданную постоянную частоту вращения коленчатого вала и через 1--2 мин измеряют усилие на рычаге тормоза, частоту вращения вала тормоза, расход топлива за опыт, продолжительность опыта и температуры масла, охлаждающей воды и отработавших газов.

По данным опытов подсчитывают значения эффективной мощности, часового и удельного расходов топлива. Результаты измерений и подсчетов записывают в протокол испытаний.

Второй опыт начинают после некоторого увеличения угла опережения зажигания, например на 5°. Регулированием нагрузки тормоза восстанавливают заданную постоянную частоту вращения и через 1--2 мин снова измеряют, подсчитывают и записывают в протокол те же величины, что и в первом опыте.

Третий и последующие опыты выполняют аналогичным способом, увеличивая каждый раз угол опережения зажигания на одинаковую величину.

Последний опыт проводят при угле опережения зажигания на 8--10° большем того, который рекомендуется для данного двигателя заводом-изготовителем. После того как выявлен максимум мощности, выполняют 2--3 опыта в обратном направлении, уменьшая каждый раз угол опережения на одинаковую величину.

Во время испытаний в протоколе, а также на графике регулировочной характеристики отмечают начало возникновения различаемых на слух детонационных стуков двигателя, обычно появляющихся при больших углах опережения зажигания.

При детонации, сопровождающейся интенсивными стуками, испытания продолжать не следует. В том случае, когда детонация возникает ранее оптимального угла опережения зажигания и не позволяет выявить максимальную мощность, бензин нужно заменить другим, с более высоким октановым числом.

После окончания испытаний двигателя и заполнения протокола строят кривые регулировочной характеристики по углу опережения зажигания. На рисунке 1 показана регулировочная характеристика по углу опережения зажигания карбюраторного двигателя, снятая при частоте вращения коленчатого вала n = 2000 об/мин.

Рис. 1 Регулировочная характеристика карбюраторного двигателя по углу опережения зажигания

3. Анализ регулировочной характеристики по углу опережения зажигания показывает, что для данных скоростного и нагрузочного режимов двигателя наивыгоднейшим является такой угол опережения, при котором двигатель развивает максимальную мощность и имеет наименьший удельный расход топлива. Значение этого угла на графике регулировочной характеристики определяется отрезком оси абсцисс, ограниченным перпендикуляром на эту ось из точки перегиба кривой мощности.

В связи с тем, что регулировочную характеристику по углу опережения зажигания снимают при постоянной частоте вращения и неизменных регулировке карбюратора и положении дроссельной заслонки, на часовой расход топлива может оказывать влияние лишь изменение степени подогрева горючей смеси. Однако, будучи весьма незначительным, это изменение почти не влияет на часовой расход топлива, и он практически остается постоянным. Если же в опытах значения часовых расходов топлива различны, то это указывает на ошибки в замерах расхода топлива.

Вследствие того, что часовой расход топлива остается постоянным, удельный расход топлива изменяется в зависимости от угла опережения зажигания, как функция, обратная мощности. При оптимальном угле опережения зажигания для данной частоты вращения двигатель будет развивать максимальную мощность, и иметь наибольшую экономичность.

Если угол опережения зажигания меньше оптимального (позднее зажигание), то процесс сгорания протекает во время хода расширения при увеличивающемся объеме цилиндра. Вследствие этого давление в конце сгорания понижается, увеличиваются потери тепла в охлаждающую воду и с отработавшими газами. Все эти причины вызывают перегрев двигателя и снижение индикаторного КПД. При работе двигателя на позднем зажигании в 4--5 раз повышается содержание окиси углерода в отработавших газах, увеличивается износ поршневых колец и цилиндров.

Если угол опережения зажигания больше оптимального (раннее зажигание), то значительная часть топлива сгорает до прихода поршня в ВМТ в условиях уменьшающегося объема цилиндра. Повышение при этом температуры и давления газов может явиться причиной возникновения детонации. Уменьшается полнота сгорания топлива и .увеличиваются потери тепла в охлаждающую воду. Все это вызывает снижение индикаторного КПД двигателя. Продолжительная работа двигателя с детонацией совершенно недопустима.

Значение оптимального угла опережения зажигания зависит от целого ряда конструктивных и эксплуатационных факторов.

Одним из основных конструктивных факторов является степень сжатия, при увеличении которой оптимальный угол опережения следует уменьшить вследствие сокращения индукционного и видимого периодов сгорания топлива.

Важными эксплуатационными факторами оказываются частота вращения коленчатого вала, состав горючей смеси и нагрузка двигателя.

При повышении частоты вращения оптимальный угол опережения зажигания должен быть увеличен, а при понижении --уменьшен. Это подтверждается серией регулировочных характеристик по углу опережения, снятых при разных частотах вращения, охватывающих весь заданный рабочий диапазон двигателя.

С уменьшением нагрузки наивыгоднейший угол опережения зажигания возрастает. Объясняется это тем, что по мере падения нагрузки и прикрытия дроссельной заслонки понижается коэффициент наполнения и возрастает коэффициент остаточных газов. Оба этих фактоpa уменьшают скорость сгорания и определяют необходимость увеличения угла опережения зажигания.

Наименьшее значение угла опережения отвечает такому составу смеси, при котором двигатель развивает максимальную мощность в соответствии с регулировочной характеристикой по составу смеси (б = 0,8 - 0,9). При отклонениях от этого состава (особенно в сторону обеднения) угол опережения зажигания следует увеличивать.

На величину угла опережения зажигания оказывает влияние, и температура горючей смеси. С повышением температуры смеси уменьшается индукционный период сгорания и снижается оптимальный угол опережения зажигания.

Содержание отчета. Отчет должен содержать изложение цели и методики проведения испытаний, протокол испытаний, регулировочные характеристики по углу опережения впрыска топлива или опережения зажигания, краткий анализ характеристик и методику выбора оптимального значения угла 6° испытуемых двигателей. В протоколе и на характеристике должен быть отмечен момент появления детонационных стуков.

ЙЙ Снятие регулировочной характеристики по углу опережения начала впрыска топлива дизельного двигателя

Порядок выполнения работы.

1. Подготовка двигателя. В приводе топливного насоса, дизельного двигателя устанавливают специальную муфту для ручного изменения угла опережения начала впрыска топлива. Двигатель оборудуют электрическим моментоскопом.

Рейку топливного насоса закрепляют в положении, найденном на регулировочной характеристике по составу смеси и соответствующем номинальной мощности двигателя. Опыты проводят при неизменном положении рейки топливного насоса и постоянной частоте вращения коленчатого вала. Перед испытанием двигатель прогревают. Затем, когда установится заданный скоростной режим, который регулируют, изменяя нагрузку тормоза, приступают к проведению опытов.

2. Последовательность проведения опытов. В первом опыте угол опережения начала впрыска устанавливают на 6--10° меньшим рекомендованного для данного двигателя заводом-изготовителем.

Регулируя нагрузку тормоза, задают постоянную частоту вращения и затем через 3--5 мин делают замеры. Во время опыта измеряют усилие на рычаге тормоза, частоту вращения вала тормоза, расход топлива за опыт, продолжительность опыта и температуры масла, охлаждающей воды и отработавших газов.

На основании данных опыта, подсчитывают значения эффективной мощности, часового и удельного расходов топлива. Результаты измерений и подсчетов записывают в протокол испытаний.

Второй опыт проводят после некоторого увеличения угла опережения начала впрыска топлива, например на 2°. Изменяя нагрузку тормоза, восстанавливают заданную постоянную частоту вращения коленчатого вала. Через 3--5 мин после установления скоростного режима снова измеряют, подсчитывают и записывают в протокол те же параметры, что и в первом опыте.

Третий и последующие опыты выполняют аналогичным способом, увеличивая каждый раз угол опережения начала впрыска топлива на одинаковую величину.

В последнем опыте угол опережения начала впрыска топлива устанавливают на 6--10° большим рекомендованного для данного двигателя заводом-изготовителем.

В протоколе испытаний отмечают характер выпуска и различаемое на слух повышение жесткости работы дизеля.

Окончив испытания двигателя и заполнив протокол, строят кривые регулировочной характеристики по углу опережения начала впрыска топлива; Ne, Gn ge=f (0°). На рисунке 2 показана регулировочная характеристика по углу опережения начала впрыска топлива дизельного двигателя.

3. Анализ регулировочной характеристики по углу опережения начала впрыска топлива показывает, что для данного скоростного и нагрузочного режимов наивыгоднейшим оказывается такой угол опережения начала впрыска топлива, при котором двигатель развивает максимальную мощность и имеет наименьший удельный расход топлива.



Рис. 2 Регулировочная характеристика дизельного двигателя по углу опережения начала впрыска топлива

Значение этого угла на графике характеристики определяется отрезком на оси абсцисс, ограниченным перпендикуляром, опущенным на эту ось из точки перегиба кривой мощности.

В связи с тем, что регулировочную характеристику по углу опережения начала впрыска снимают при постоянной частоте вращения и неизменном положении рейки топливного насоса, часовой расход топлива практически остается постоянным. Если в опытах значения часовых расходов топлива различны, то при измерениях допущены ошибки.

Так как часовой расход топлива во время испытаний двигателя постоянен, то удельный расход топлива изменяется в зависимости от угла опережения начала впрыска топлива как функция, обратная мощности. При оптимальном угле опережения начала впрыска топлива для данной частоты вращения двигатель развивает максимальную мощность и имеет наибольшую экономичность.

В случае поздней подачи значительная часть топлива впрыскивается в цилиндр, когда поршень уже миновал ВМТ. Процесс сгорания протекает во время хода расширения в условиях увеличивающегося объема над поршневого пространства. Максимальное давление и температура газов при сгорании становятся меньше, а потери тепла в охлаждающую среду и с отработавшими газами увеличиваются.

В целом оба этих фактора существенно уменьшают индикаторную мощность двигателя и при незначительном изменении мощности, затрачиваемой на механические потери, снижают механический КПД. Следовательно, при поздней подаче топлива уменьшается эффективная мощность и ухудшается экономичность работы двигателя.

Если угол опережения начала подачи больше оптимального и топливо впрыскивается слишком рано, то оно вводится в среду сжимаемого воздуха, имеющего пониженные температуру и давление. Период задержки самовоспламенения топлива увеличивается, и к моменту самовоспламенения в камере сгорания накапливается излишнее по сравнению с нормальным количество топлива. Вследствие этого, а также из-за сокращения периода видимого сгорания во время процесса сгорания резко повышается давление, и увеличиваются скорость его нарастания по углу поворота коленчатого вала и максимальное давление pz цикла. Ускоренное повышение давления вызывает жесткую работу дизеля.

При слишком ранней подаче топлива мощность двигателя уменьшается, и удельный расход топлива увеличивается.

Отклонение (увеличение или уменьшение) угла опережения начала впрыска топлива от его оптимального значения вызывает резкое повышение интенсивности износа деталей поршневой группы.

На значение оптимального угла опережения начала впрыска топлива оказывает влияние целый ряд факторов. Основные из них -- частота вращения коленчатого вала, нагрузка двигателя, способ смесеобразования, закон подачи топлива, начальные условия на впуске и выпуске.

Так, значение оптимального угла опережения начала впрыска топлива находится в прямой зависимости от частоты вращения коленчатого вала. При ее повышении угол опережения начала впрыска должен быть увеличен, а при понижении -- уменьшен.

С уменьшением нагрузки падает цикловая подача топлива, снижаются средняя температура цикла и температуры стенок камеры сгорания и над поршневого пространства. Все это способствует увеличению продолжительности запаздывания самовоспламенения топлива.

Поэтому, чтобы впрыскивать топливо в среду более нагретого воздуха, угол опережения начала впрыска следует уменьшать.

Основными критериями для определения значения оптимального угла опережения начала впрыска топлива служат максимальная мощность и минимальный удельный расход топлива при непременном условии мягкой (без стуков) работы двигателя.

Контрольные вопросы и задания

Для какой цели снимают регулировочную характеристику по
углу опережения впрыска топлива (или зажигания)?

Приведите график изменения мощности и удельного расхода в зависимости от угла опережения впрыска (или зажигания).

Как определить оптимальный угол опережения впрыска топлива (или зажигания) по регулировочной характеристике?

Перечислите факторы, оказывающие влияние на ухудшение рабочего процесса при запаздывании или раннем опережении впрыска топлива в дизеле.

Перечислите эксплуатационные факторы, оказывающие влияние на значение оптимального угла опережения впрыска топлива.

Укажите конструктивные факторы, оказывающие влияние на значение оптимального угла опережения зажигания в карбюраторном двигателе.

Почему недопустима работа двигателя с детонацией?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5

СНЯТИЕ СКОРОСТНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДВИГТЕЛЯ

Целью работы является определение зависимости эффективной мощности, крутящего момента, часового и удельного расходов топлива от частоты вращения коленчатого вала двигателя: Ne, Mк, Gт, gе = f(n) * Кроме того, чтобы более полно отразить рабочий процесс двигателя, на скоростной характеристике дополнительно показывают зависимость коэффициентов наполнения и избытка воздуха, температуры отработавших газов и некоторых других величин от изменения частоты вращения коленчатого вала.

Скоростная характеристика дизельного двигателя в режиме бездымного сгорания топлива, снятая при неизменном наивыгоднейшем положении рейки топливного насоса, которое найдено в соответствии с данными регулировочной характеристики по составу смеси, называется внешней.

Скоростную характеристику дизельного двигателя, снятую для каждого скоростного режима при положении рейки топливного насоса, соответствующем заметному дымлению, называют характеристикой предела дымления.

Скоростная характеристика дизельного двигателя, снятая для каждого скоростного режима при положении рейки топливного насоса, соответствующем значительному дымлению (темно-серый или черный дым), называется предельной характеристикой.

I Снятие скоростной характеристики карбюраторного автомобильного двигателя

Порядок выполнения работы.

1. Подготовка двигателя. До начала испытаний устанавливают ранее выбранную на основе регулировочной характеристики по составу смеси оптимальную регулировку карбюратора.

Скоростную характеристику, снятую при полностью открытой дроссельной заслонке, называют внешней, а снятую, при некотором промежуточном (заданном условиями опыта) положении дроссельной заслонки -- частичной.

Наивыгоднейший угол опережения зажигания для каждой частоты вращения коленчатого вала двигателя устанавливают опытным путем, изменяя положение диска прерывателя и наблюдая за показаниями тахометра. Если двигатель оборудован центробежным автоматом, встроенным в распределитель системы зажигания, то опыты проводят при углах опережения зажигания, задаваемых автоматом.

Перед началом испытаний двигатель прогревают до нормального теплового состояния.

Требуемую частоту вращения коленчатого вала двигателя во время испытаний устанавливают, регулируя нагрузку тормоза.

2. Последовательность проведения опытов. Первый опыт проводят при минимальной устойчивой частоте вращения коленчатого вала двигателя п мин (600--800 об/мин), которую задают, увеличив нагрузку тормоза.

Через 1--2 мин после того, как установится минимальная частота вращения, начинают измерения. Во время проведения опыта, продолжительность которого должна быть не менее 2--3 мин, измеряют тормозной момент, частоту вращения вала тормоза, расход топлива за опыт, продолжительность опыта, статический напор в устройстве для измерения расхода воздуха и температуры охлаждающей воды, масла в картере и отработавших газов.

По данным опыта подсчитывают эффективную мощность, крутящий момент и среднее эффективное давление, часовой и удельный расход топлива, часовой расход воздуха и коэффициент избытка воздуха. Результаты измерений и расчетов записывают в протокол испытаний.

Второй опыт начинают с постепенного уменьшения нагрузки тормоза, пока частота вращения коленчатого вала двигателя не. уменьшится примерно на 200-- 300 об/мин, и тогда делают первые замеры. При необходимости задают наивыгоднейший угол опережения зажигания и после достижения устойчивого скоростного режима и нормального теплового состояния двигателя измеряют, подсчитывают и записывают в протокол те же величины, что и в первом опыте.

Третий и последующие опыты выполняют аналогичным образом, уменьшая нагрузку тормоза и увеличивая тем самым частоту вращения коленчатого вала двигателя каждый раз примерно на одинаковую величину.

Число опытов при снятии скоростной характеристики должно быть достаточным для того, чтобы достичь области перегиба кривой эффективной мощности (обычно не менее 7--8). В зоне максимальных значений эффективной мощности интервалы скоростных режимов между опытными точками рекомендуется несколько уменьшать.

Последний опыт делают, когда двигатель работает с минимальной нагрузкой, а частота вращения его коленчатого вала на 10% больше той, что соответствует максимальной мощности. Окончив опыт, постепенно увеличивают нагрузку тормоза и проводят испытания в обратном порядке до минимально устойчивой частоты вращения.

В протоколе испытаний (кроме всего прочего) отмечают скоростные режимы, сопровождающиеся детонационным сгоранием топлива.

После обработки полученных результатов строят графики скоростной характеристики.

3. Анализ скоростной характеристики карбюраторного двигателя позволяет выявить динамические и экономические показатели его работы и оценить испытываемый двигатель в отношении приемистости и быстроходности. На кривых скоростной характеристики выделяют значения: пмин --минимальной частоты вращения коленчатого вала, когда еще возможна устойчивая работа двигателя при полностью открытой дроссельной заслонке, Nемакс--наибольшей эффективной мощности, geмин--минимального удельного расхода топлива, Мк.макс--максимального крутящего момента двигателя. Эксплуатационный скоростной режим работы двигателя должен быть ограничен в пределах от частоты n1 при которой двигатель развивает максимальную мощность Nемакс , до частоты n2, соответствующей максимальному крутящему моменту Мк.макс,

По данным скоростной характеристики (рис. 1) карбюраторного двигателя определяют, отвечают ли найденные значения развиваемой двигателем наибольшей мощности, крутящего момента и наименьшего удельного расхода топлива техническим условиям, установленным заводом-изготовителем.

В качестве основных подсчитывают следующие показатели двигателя:

а) наибольшее среднее эффективное давление (МПа)

,

где Мк --крутящий момент, кг·м;

Vh -- рабочий объем цилиндров двигателя, л;

б) максимальную удельную литровую мощность N л (л. с./л), то есть мощность, отнесенную к 1 л рабочего объема (литровая мощность);

в) максимальную удельную мощность N (л. с/кг), отнесенную к единице массы двигателя;

г) минимальный удельный расход топлива по скоростной характеристике geмim (г/л.с.ч).

Рис. 1 Внешняя скоростная характеристика карбюраторного двигателя

Все эти данные позволяют оценить испытуемый двигатель по металлоемкости, использованию рабочего объема, степени форсирования, топливной экономичности, антидетонационным и некоторым другим качествам.

По скоростной характеристике исследуют закономерность хода всех кривых и прежде всего кривых изменения эффективной мощности и крутящего момента двигателя.

На графике эффективной мощности можно выделить несколько характерных участков. Так, в интервале от минимально устойчивой частоты вращения при работе двигателя с предельной нагрузкой до частоты вращения, соответствующей Мкмкс или ремакс, кривая мощности имеет прямолинейный характер. Таким образом, на этом участке мощность, развиваемая двигателем, изменяется прямо пропорционально частоте вращения коленчатого вала.

На участке от частоты вращения, соответствующей максимальному крутящему моменту Мкмкс до частоты вращения, соответствующей номинальной мощности двигателя Neн, эффективная мощность увеличивается более медленно по следующим причинам:

а) уменьшение среднего индикаторного давления pt, происходящего из-за понижения коэффициентов наполнения и выделения тепла;

б) увеличение потерь давления рТ, расходуемого на преодоление сил трения и на привод вспомогательных механизмов.

При дальнейшем повышении частоты вращения коленчатого вала двигателя после точки перегиба кривой эффективной мощности на скоростной характеристике последующее уменьшение р t и увеличение р т вызывают понижение эффективной мощности. Если представить, что давление механических потерь рТ станет равным среднему индикаторному давлению pt, то среднее эффективное давление ре и эффективная мощность Ne будут равны нулю и кривая мощности пересечет ось абсцисс; при этом частота вращения коленчатого вала двигателя станет максимально возможной.

Характер кривой pe=f(n) зависит от тех же факторов, что и кривой Mк=f(n), так как среднее эффективное давление и крутящий момент для двигателя являются параметрами, прямо пропорциональными один другому.

Среднее эффективное давление ре по скоростной характеристике изменяется в зависимости от ряда параметров, определяющих рабочий процесс карбюраторного двигателя.

При некоторой частоте вращения коленчатого вала среднее эффективное давление достигает максимального значения. С изменением частоты вращения среднее эффективное давление снижается, поскольку и при уменьшении и при увеличении частоты вращения проявляются факторы, ухудшающие рабочий процесс.

Среднее эффективное давление ре может быть определено из следующих выражений:

В единицах системы СИ (МН/м2):

где Qн -- рабочая теплотворная способность топлива;

а -- коэффициент избытка воздуха;

зх --коэффициент наполнения;

зi -- индикаторный КПД;

зм -- механический КПД.

Из приведенных выражений следует, что вид кривой ре --f(n) зависит от изменения параметров а; зх; зi; зм.

По мере увеличения нагрузки и снижения частоты вращения коэффициент наполнения и механический КПД. возрастают. Значение индикаторного КПД при различных скоростных режимах в диапазоне эксплуатационных нагрузок изменяется весьма незначительно. Для улучшения способности двигателя к преодолению временных перегрузок при уменьшении частоты вращения коленчатого вала двигателя горючую смесь в карбюраторе обогащают при помощи экономайзера. В этом случае коэффициент избытка воздуха, а уменьшается. Таким образом, характер изменения параметров а, зх и зм с увеличением нагрузки и снижением частоты вращения по скоростной характеристике предопределяет повышение среднего эффективного давления ре и соответственно крутящего момента двигателя Мк.

Пользуясь кривой крутящего момента скоростной характеристики, можно определить весьма важный динамический показатель -- коэффициент приспособляемости (или запаса крутящего момента), характеризующий способность двигателя к преодолению кратковременных перегрузок.

Двигатель с большим коэффициентом запаса крутящего момента в эксплуатационных условиях лучше преодолевает временное увеличение момента сопротивления (без необходимости перехода на низшую передачу). Коэффициент приспособляемости автомобильных карбюраторных двигателей составляет 1,1 --1,4.

Кривые крутящего момента и эффективной мощности по скоростной характеристике позволяют оценить правильность выбора фаз газораспределения, системы впускного тракта и степень форсирования двигателя по частоте вращения.

График часового расхода топлива скоростной характеристики, подобно кривой эффективной мощности, вначале также имеет прямолинейный характер, то есть часовой расход изменяется прямо пропорционально изменению частоты вращения. Объясняется это тем, что увеличивается число ходов всасывания в единицу времени и повышается разрежение в диффузоре карбюратора. Затем при дальнейшем возрастании частоты вращения коленчатого вала повышение часового расхода топлива вследствие уменьшения коэффициента наполнения замедляется. Достигнув некоторого предела, часовой расход топлива остается почти постоянным.

График удельного расхода топлива зависит от характера изменения индикаторного и механического КПД при изменении скоростного режима.

Максимальная мощность -- точка перегиба кривой Ne=f(n) и минимальный удельный расход топлива -- точка перегиба кривой ge=f(n) на скоростной характеристике не совпадают. Наименьший удельный расход топлива всегда располагается влево от наибольшей мощности.

II. Снятие скоростной характеристики дизельного двигателя

Порядок выполнения работы.

1. Подготовка двигателя. До начала испытаний рейку топливного насоса закрепляют в положении, соответствующем часовому расходу топлива, близкому к началу дымления при номинальной частоте вращения.

Для большинства тракторных двигателей устанавливают наивыгоднейший (по рекомендации завода-изготовителя) угол опережения начала впрыска топлива и сохраняют его постоянным во время всего испытания. При наличии в топливном насосе центробежной муфты регулирования угла опережения начала впрыска топлива оптимальный угол опережения начала впрыска устанавливается автоматически.

Положение рейки насоса и оптимальный угол опережения начала впрыска топлива, при которых будет проводиться испытание, определяют из ранее снятых регулировочных характеристик двигателя. Давление начала впрыска топлива форсунками устанавливают по данным, рекомендуемым заводом-изготовителем.

До начала испытаний двигатель прогревают, пока не установится нормальный тепловой режим.

Требуемую частоту вращения коленчатого вала дизеля во время проведения испытаний, устанавливают, регулируя тормозную нагрузку.

2. Последовательность проведения опытов. Первый опыт проводят при наибольшей нагрузке и пониженной частоте вращения коленчатого вала, обеспечивающей устойчивую работу дизеля. Опыт проводят через 3--5 мин после установления скоростного режима. Во время опыта измеряют тормозной момент, частоту вращения вала тормоза, расход топлива за опыт, продолжительность опыта, статический напор в устройстве для измерения расхода воздуха, температуру охлаждающей воды, масла в картере и отработавших газов. Кроме того, наблюдают за дымностыо выхлопа или измеряют ее при помощи дымомера.

По опытным данным подсчитывают эффективную мощность, крутящий момент, часовой и удельный расходы топлива, часовой расход воздуха и коэффициент избытка воздуха. Результаты опытов и расчетов записывают в протокол испытаний.

Во втором опыте, постепенно уменьшая нагрузку тормоза, увеличивают частоту вращения коленчатого вала двигателя примерно на 100--150 об/мин по сравнению с той, какая была при первом опыте.

Через 3--5 мин после того, как установится устойчивый заданный скоростной режим, измеряют, подсчитывают и записывают в протокол испытаний те же самые величины, что и в первом опыте.

Третий и последующие опыты выполняют аналогичным образом, уменьшая нагрузку тормоза и увеличивая тем самым частоту вращения коленчатого вала двигателя, каждый раз примерно на одинаковую, величину.

Всего должно быть снято не менее 7--8, как правило, равномерно расположенных опытных точек. В зоне максимальных значений эффективной мощности интервалы частоты вращения между опытными точками рекомендуется несколько уменьшать.

В последнем опыте двигатель работает с наименьшей нагрузкой, а частота вращения коленчатого вала на 100--200 об/мин больше номинальной. По оконча нии последнего опыта постепенно повышают нагрузку тормоза и ведут испытания в обратном порядке (до минимально устойчивой частоты вращения).

3. Анализ скоростной характеристики дизельного двигателя (рис.2) показывает, что при работе с перегрузкой в зоне корректорной ветви характеристики кривые среднего эффективного давления и соответственно крутящего момента по мере уменьшения частоты вращения коленчатого вала двигателя имеют пологий вид. Это объясняется главным образом тем, что с понижением частоты вращения при возрастании нагрузки происходит уменьшение подачи топлива на цикл и некоторое увеличение коэффициента наполнения.

Рис. 2 Скоростная характеристика дизельного двигателя.

Коэффициент наполнения оказывает существенное влияние на мощностные и экономические показатели

Он зависит от скоростного режима, конструкции распределительных органов и сопротивления впускного тракта, теплового режима и нагрузки двигателя. Основным фактором, влияющим на коэффициент наполнения, является скоростной режим двигателя.

Колебания нагрузки или теплового режима оказывают незначительное влияние на часовой расход воздуха (изменяют его на 2--3%).

С целью улучшения наполнения цилиндров воздухом у быстроходных дизелей без турбонаддува рекомендуют внедрять следующие мероприятия:

а) увеличение угла перекрытия клапанов за счет увеличения углов опережения открытия впускного клапана и запаздывания закрытия выпускного клапана;

б) повышение «времени-сечения» впускных клапанов в результате увеличения диаметра и подъема клапанов;

в) использование резонансных колебаний воздушного потока в системе впускного тракта за счет подбора сечений и длины воздухопроводов.

Рассмотрим, какие факторы оказывают влияние на среднее эффективное давление.

Среднее эффективное давление можно определить следующим образом.

Поскольку цикловая подача (г/цикл) топлива

То количество тепла, превращенного в индикаторную работу за цикл (ккал/цикл), выразится так:

10-3·qц·Qн·зi,

где GТ - часовой расход топлива, кг/ч;

n - частота вращения коленчатого вала, об/мин;

i - число цилиндров;

Qн - рабочая теплотворная способность топлива, ккал/кг;

зi - индикаторный КПД.

Тогда индикаторная работа за цикл (кг·м/цикл)

Wi = рi ·104·Vh·10-3 = 427·10-3·qц·Qн·зi,

где рi - среднее индикаторное давление, кг/см2;

Vh - рабочий объём одного цилиндра, л.

Из этого равенства среднее индикаторное давление (кг/см2 или МН/м2):

Среднее эффективное давление (кг/см2 или МН/м2)

Обозначив произведение всех постоянных параметров как Сg получим:

ре = Сg·qц·зi·зм

Анализ этого выражения показывает, что давление ре зависит не только от цикловой подачи топлива, но и от индикаторного и механического коэффициентов полезного действия. С ростом нагрузки при уменьшении частоты* вращения коленчатого вала индикаторный к. п. д. несколько понижается. Объясняется это увеличением продолжительности цикла, некоторым ухудшением процесса смесеобразования и увеличением тепловых потерь в охлаждающую среду в течение цикла.

Механический КПД по мере понижения частоты вращения коленчатого вала несколько возрастает, что следует из выражения

где NT -- мощность механических потерь (изменяется пропорционально квадрату частоты вращения коленчатого вала).

При снижении частоты вращения коленчатого вала коэффициент наполнения увеличивается и вместе с этим в связи с уменьшением цикловой подачи топлива повышается коэффициент избытка воздуха.

Все эти факторы (особенно снижение цикловой подачи топлива) приводят к тому, что с уменьшением частоты вращения коленчатого вала при работе двигателя с перегрузкой среднее эффективное давление и крутящий момент почти не возрастают, а на малых частотах вращения даже несколько понижаются. Это обстоятельство в сравнении с карбюраторными двигателями является существенным недостатком дизелей, ухудшающим их динамические качества.

Топливные насосы всех тракторных дизелей оборудованы корректорами подачи топлива, работающими совместно с регуляторами. Корректоры частично устраняют отмеченный недостаток и при снятии скоростной характеристики в случае незакрепленной рейки увеличивают цикловую подачу топлива за счет дополнительного перемещения рейки насоса, Несколько повышают среднее эффективное давление и соответственно крутящий момент. Вместе с тем увеличивается значение коэффициента приспособляемости, и улучшаются динамические качества двигателя.

Коэффициент приспособляемости по крутящему моменту -- важный динамический показатель, характеризующий способность двигателя к преодолению кратковременных перегрузок. Этот коэффициент определяют, используя кривую крутящего момента, по формуле

где Мк.макс и Мк.н -- значения максимального крутящего момента и крутящего момента, соответствующего номинальной мощности двигателя по скоростной характеристике.

Значение коэффициента приспособляемости тракторных дизелей с корректором составляет 1,10 … 1,15.

По ГОСТ динамические показатели тракторных дизелей оценивают номинальным коэффициентом запаса крутящего момента м (%):

Одним из способов, улучшающих ход кривых мощности и крутящего момента и существенно повышающих динамические качества дизелей, является обогащение бензином воздуха на впуске. Подача бензина во впускной трубопровод дает возможность несколько уменьшить коэффициент избытка воздуха, полнее использовать воздушный заряд для сгорания основного дизельного топлива, повысить мощность и среднее эффективное давление. Вместе с этим сокращается период задержки самовоспламенения основного топлива, несколько снижается жесткость работы дизеля и уменьшается дымность выхлопа. Улучшаются пусковые качества двигателя, но самое главное -- на 15 … 20% повышается мощность, а также среднее эффективное давление и крутящий момент двигателя.

Для улучшения динамических и эффективных показателей в автотракторных дизелях широко применяется турбонаддув. Так, использование турбонаддува в двигателе ЯМЗ-238Н при работе в номинальном скоростном режиме сопровождалось увеличением среднего эффективного давления с 6,93 до 9 … 9,2 кг/см2 (более чем на 30%), эффективной мощности с 240 л. с. до 295 л. с. (на 23%) и одновременным повышением экономичности двигателя в среднем на 5%.

Исследования тепловой напряженности деталей цилиндропоршневой группы показывают, что температура деталей, а также отработавших газов возрастает по мере повышения частоты вращения коленчатого вала двигателя. Наряду с этим увеличивается и скорость изнашивания деталей, прежде всего верхнего поршневого кольца. Рядом исследований установлено, что скорость изнашивания деталей увеличивается также и при понижении частоты вращения коленчатого вала.

Часовой расход топлива на скоростной характеристике дизеля возрастает по мере повышения частоты вращения коленчатого вала. Объясняется это тем, что увеличивается количество впрысков топлива в единицу времени. Минимальный расход топлива всегда располагается влево от максимальной мощности.

Вследствие того, что дизели в сравнении с карбюраторными двигателями имеют более высокие степени сжатия, а также термический r)t и эффективный г]е коэффициенты полезного действия, они отличаются большей топливной экономичностью и кривая удельных расходов топлива на всех скоростных режимах у дизелей располагается ниже, чем у карбюраторных двигателей.

Содержание отчета. Отчет должен содержать изложение цели и методики проведения испытаний, протокол испытаний, скоростные характеристики испытуемых двигателей и краткий анализ полученных результатов.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ

1. Для какой цели снимают скоростную характеристику?

2. Что такое внешняя и частичная скоростные характеристики?

3. Что понимается под характеристикой предела дымления дизелей (по скоростной характеристике)?

4. Расскажите о порядке снятия скоростной характеристики.

5. Как изменяются параметры Nе% Мк, GT и ge по скоростной характеристике?

Какую частоту вращения коленчатого вала двигателя называют минимально допустимой nмин?

Чем объясняется пологий вид кривой среднего эффективного
давления в зоне перегрузки у дизелей?

8. Каково назначение корректора и как он действует?

9. Что такое коэффициент запаса крутящего момента, и в каких пределах он изменяется у дизелей и у карбюраторных двигателей?

ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Луканин В.Н. и др. Двигатели внутреннего сгорания. В 3 кн. Учебник для вузов./В.Н. Луканин, К.А. Морозов, А.С. Хачиян и др. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Высшая школа, 2005. - 479 с.

2. Шатров М.Г., и др. Автомобильные двигатели. Учебник для вузов. /М.Г. Шатров, Морозов К.А., Алексеев И.В. и др. - М.: Изд. Центр «Академия». 2010. - 464с.

3. Пузанков А.Г. Автомобили. Конструкция, теория и расчет. / Пузанков А.Г. - М.: Центр «Академия». 2007. - 544 с.

4. Райков И. Я. Испытания двигателей внутреннего сгорания. Учебник для вузов. - М. «Высшая школа», 1975 - 320 с.

5. Волчок Л. Я. Методы измерений в двигателях внутреннего сгорания. - Л., Машгиз, 1955.

6. Сороков-Новицкий В. И. Испытания автотракторных двигателей. - М., Машгиз, 1955.

7. Стефанский Б.С. и другие. Испытания двигателей внутреннего сгорания. М., Машиностроение., 1972 - 368 с.

Размещено на Allbest.ru