2 Министерство образования РФ Восточно-Сибирский государственный технологический университет Кафедра “Автомобили” ИСПЫТАНИЯ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ Часть 1 Характеристики автомобильных двигателей. Стендовые испытания дизелей. Методические указания к самостоятельной работе студентов и выполнению лабораторных работ по дисциплине «Автомобили и Двигатели (ч. 3 «Автомобильные двигатели»)» для специальности 150200 «Автомобили и автомобильное хозяйство» Составитель Гергенов С.М. Улан-Удэ 2001 Методические указания (МУ) содержат необходимый теоретический материал для самостоятельного изучения студентами раздела «Характеристики ДВС» по курсу «Автомобильные двигатели» и раздела «Стендовые испытания ДВС» по курсу «Испытания автомобилей». Материал содержит описание основных характеристик ДВС и анализ влияния различных факторов на индикаторные и эффективные показатели двигателей. Кроме того, в МУ приведено краткое описание оборудования и приборов, используемых при испытаниях двигателей, и методик выполнения лабораторных работ. Приведены требования к технике безопасности и основные правила проведения испытаний двигателей и обработки результатов. Даны вопросы для самопроверки и список рекомендованной литературы. Указания предназначены для студентов всех форм обучения по специальности 150200 «Автомобили и автомобильное хозяйство», а также могут быть рекомендованы для студентов других специальностей, преподавателей и инженерно-технических работников в области автомобильного транспорта. 3 Содержание 1. Испытания двигателей 1.1. Назначение и виды испытаний 1.2. Объем и условия испытаний 2. Характеристики двигателей 3. Испытательные стенды 3.1. Общие сведения 3.2. Тормозные устройства стендов 3.3. Система охлаждения стенда 3.4. Измерительные системы стендов 4. Техника безопасности при проведении испытаний 5. Основные правила испытаний ДВС и обработки результатов 5.1. Основные условия испытаний ДВС и порядок выполнения лабораторных работ 5.2. Правила обработки результатов испытаний 5.3. Основные расчетные формулы 5.4. Приведение показателей к нормальным условиям 6. Лабораторная работа 1. Исследование нагрузочной характеристики дизеля КамАЗ-740. 7. Лабораторная работа 2. Исследование скоростной характеристики дизеля КамАЗ-740. 4 1. 4 4 6 8 25 25 25 33 34 46 48 48 50 51 53 57 60 ИСПЫТАНИЯ ДВИГАТЕЛЕЙ 1.1. Назначение и виды испытаний Основное назначение испытаний двигателей внутреннего сгорания (ДВС) следующее: 1) Всестороннее исследование качества двигателей, выпускаемых заводами, определение основных энергетических и экономических качеств новых и отремонтированных двигателей, а так же надежности и долговечности их основных узлов и деталей. 2) Получение исходных данных для конструирования и расчета двигателей. 3) Выяснение влияния на показатели работы двигателя различных конструктивных и эксплуатационных факторов. 4) Изучение процессов, происходящих в двигателе. 5) Проверка правильности отдельных теоретических положений. Испытания двигателей можно подразделить на опытноконструкторские и серийные. Опытно-конструкторские испытания делятся на исследовательские и контрольные. Исследовательские испытания проводятся для изучения определенных свойств конкретного двигателя и в зависимости от целей могут быть доводочными, испытаниями на надежность и граничными. Доводочные испытания предназначены для оценки конструктивных решений, принятых для достижения мощностных и экономических показателей, установленных в техническом задании. Испытания на надежность проводятся для оценки соответствия ресурса двигателя и показателей безотказности, установленных в техническом задании. Граничные испытания проводятся для оценки зависимости мощностных, экономических показателей и работо- 5 способности двигателя от граничных условий, установленных в техническом задании; повышенных и пониженных температур окружающей среды; кренов и дифферентов; высоты над уровнем моря; переменных нагрузок и изменяющихся скоростных режимов; вибраций, одиночных ударов. Контрольные испытания предназначены для оценки соответствия всех показателей опытного двигателя требования технического задания. Они делятся на предварительные и межведомственные. Предварительные контрольные испытания осуществляются комиссией предприятия-разработчика с участием представителя заказчика для определения возможности предъявления двигателя на приемочные испытания. Межведомственные испытания являются приемочными испытаниями из представителей нескольких заинтересованных министерств или ведомств. По результатам межведомственных испытаний решается вопрос о возможности и целесообразности передачи двигателя для испытаний в условиях эксплуатации. Серийные испытания являются завершающим этапом технологического процесса производства двигателей и предназначены для контроля качества их производства и соответствия характеристик техническим условиям (ТУ) на поставку. Эти испытания делятся на приемо-сдаточные, периодические и типовые. Приемо-сдаточные испытания проводятся с целью проверки качества сборки двигателя и отдельных его узлов, приработки трущихся поверхностей, определения соответствия характеристик техническим условиям на поставку. Периодические испытания предназначены для периодического контроля стабильности технологического процесса в период между этими испытаниями, подтверждения возможности продолжения изготовления двигателей по действующей нормативно-технической и технологической документации. 6 1.2. Объем и условия испытаний Испытания автомобильных двигателей регламентируются ГОСТ 14846-81, в котором установлены условия испытаний, требования к испытательным стендам и аппаратуре, методы и правила проведения испытаний, порядок обработки результатов испытаний, объем контрольных и приемочных испытаний. Перед испытаниями двигатели должны быть обкатаны в соответствии с техническими условиями. Комплектация ДВС при стендовых испытаниях должна быть в строгом соответствии с ГОСТ 14846-81. Так при контрольных и приемочных испытаниях двигатель должен быть укомплектован всеми агрегатами, необходимыми для его работы в условиях эксплуатации: генератором, воздухоочистителем и прочими агрегатами, обслуживающими двигатель, за исключением вентилятора и глушителя шума системы выпуска отработавших газов, а также оборудования, предназначенного для обслуживания шасси (компрессора, насоса гидроусилителя и т.п.). Допускаются испытания и в другой комплектации. В этом случае полученные показатели должны быть соответственно скорректированы. Двигатели воздушного охлаждения испытывается с вентилятором охлаждения. При испытаниях на надежность двигатель должен быть укомплектован всеми дополнительными узлами и агрегатами, включая компрессор, насос гидроусилителя руля и т.п. Дополнительное оборудование должно работать во время испытаний без нагрузки. Объем контрольных испытаний двигателей включает: - определение скоростных характеристик при полностью открытом дросселе или полной подаче топлива у дизеля; - определение нагрузочных характеристик не менее чем при трех различных числах оборотов и в том числе при n=nN; 7 - определение скоростной характеристики условных внутренних потерь; - определение характеристики холостого хода; - определение равномерности работы цилиндров; - определение дымности отработавших газов (для дизеля). В процессе приемочных испытаний помимо определения характеристик, предусматриваемых контрольными испытаниями, проводят: - определение минимальной частоты вращения коленчатого вала двигателя; - детонационные испытания согласно ГОСТ 10373-63. При испытаниях на надежность помимо качества изготовления и сборки ДВС проверяются: - легкость запуска двигателя; - работа при полной подаче топлива. После испытаний двигатель должен быть разобран для выявления состояния его основных деталей и проведения микрометража. После этого дается заключение по испытаниям на надежность. Остальные виды испытаний стандартами не регламентируются, т.к. они весьма разнообразны по целям, применяемому оборудованию, объему и методикам проведения испытаний. Испытания проводят на топливах и маслах, указанных в технической документации двигателя, имеющих паспорта и протоколы, удостоверяющие соответствие их физикохимических параметров заданным. При проведении испытаний температуру охлаждающей жидкости и масла в двигателе поддерживают в пределах, указанных в ТУ на двигатель. Кроме того, необходимо соблюдать ТУ по температуре и давлению топлива на входе в топливный насос, по максимальной температуре отработавших газов. При испытании число точек измерений должно быть достаточным для того, чтобы при построении характеристик выявить форму и характер протекания кривой во всем диа- 8 пазоне обследуемых режимов. Показатели двигателя следует определять на установившемся режиме работы, при котором крутящий момент, частота вращения коленчатого вала, температуры охлаждающей жидкости и масла изменяются во время измерения не более на ±2 %. При ручном управлении стендом продолжительность измерения расхода топлива должна составлять не менее 30 с. В соответствии с ГОСТ 14846-81 при испытаниях двигателей необходимо измерять следующие параметры: крутящий момент, частоту вращения коленчатого вала, расход топлива, температуру всасываемого воздуха, температуру охлаждающей жидкости, температуру масла, температуру топлива, температуру отработавших газов, барометрическое давление, давление масла, давление отработавших газов, угол опережения зажигания или начала подачи топлива. 2. ХАРАКТЕРИСТИКИ ДВИГАТЕЛЕЙ Технико-экономические показатели работы автомобильных ДВС, как правило, оценивают по характеристикам, получаемым при стендовых испытаниях. Характеристикой называют графическое изображение зависимости одного или нескольких показателей работы ДВС от показателя, принятого за основу. Классификация характеристик определяется назначением и показателями, положенными в основу их получения. Различают, например, типовые, специальные и другие характеристики. Типовые характеристики ДВС представляют собой графическое изображение закономерностей изменения показателей двигателя от частоты вращения коленчатого вала. К типовым характеристикам относят: скоростные (внешние и частичные), нагрузочные, регуляторные, внутренних потерь и холостого хода. Такие характеристики снимают в соответствии с ГОСТами при нормальном 9 тепловом состоянии двигателя и с регулировками приборов питания и зажигания, рекомендованными заводамиизготовителями. К специальным характеристикам ДВС относят регулировочные характеристики по расходу топлива и углу опережения зажигания (или впрыска), по которым определяют индикаторные показатели двигателя, тепловой баланс и теплонапряженность его деталей, химический состав, а также токсичность отработавших и картерных газов и т. д. Внешней скоростной называют характеристику, получаемую при полном открытии дроссельной заслонки (заслонок в многокамерных карбюраторах) в карбюраторных двигателях или при крайнем предельном положении рычага управления рейкой топливного насоса высокого давления (ТНВД), соответствующем полной подаче топлива в дизелях. Предельное положение рычага ТНВД устанавливается по инструкции завода-изготовителя. Строго говоря, понятие внешней скоростной характеристики предполагает получение предельно возможных энергетических показателей двигателя. Для дизелей такие показатели, как известно, лежит за пределом дымления, когда коэффициент избытка воздуха уменьшается до единицы: α→1,0. Однако с регулировкой ТНВД на такую подачу топлива недопустима эксплуатация дизеля из-за обильного дымления и опасности выхода двигателя из строя вследствие повышенного нагарообразования в камере сгорания. Кроме того, трудно обеспечить работу дизеля на пределе дымления на всех скоростных режимах. Поэтому крайнее положение рейки ТНВД, устанавливаемого заводомизготовителем для полной подачи топлива, следует принимать как рациональный предел такой подачи. Следовательно, рассматриваемую скоростную характеристику в применении к дизелям можно лишь условно считать внешней. С некоторым оговорками этот термин применим и к двигателям искровым зажиганием, поскольку упомянутая ха- 10 рактеристика не является такой, именно внешней характеристикой, ниже которой располагаются все другие скоростные характеристики. Дело в том, что предельно высокие энергетические показатели данного двигателя с искровым зажиганием можно получить только при оптимальных составах смеси и наивыгоднейших моментах подачи искры в цилиндры, а существующие автоматы регулирования подачи искры, как правило, не обеспечивают этого в широком диапазоне скоростных режимов. Типичные внешние скоростные характеристики двигателей с искровым зажиганием и дизелей показаны на рис. 1, а, б. Прежде всего, они позволяют оценивать энергетические и экономические показатели двигателей, определяют минимально устойчивые частоты вращения (nmin) и частоты вращения вала, соответствующие максимальным величинам мощности и крутящего момента, минимальному удельному расходу топлива, а также дают представления о закономерностях изменения других их оценочных параметров при за- Рис.1 Внешние скоростные характеристики: а) карбюраторного двигателя (без регуляторной ветви); б) дизеля (с регуляторной ветвью) 11 водской регулировке приборов питания и зажигания. Кроме графического изображения мощности, крутящего момента, часового и удельного расходов топлива, характеристику иногда дополняют графиками угла опережения зажигания или подачи топлива, разрежения в заданной зоне впускного тракта, температуры смеси или газа, расхода воздуха, состава смеси и т.д. Внешнюю скоростную характеристику снимают в диапазоне чисел оборотов коленчатого вала: - для двигателей с искровым зажиганием, работающих без ограничителя (рис. 1, а): n = (nmin…1,1⋅nном); - для дизелей, (рис. 1, б): n = nmin…nmax. При наличии регулятора (или ограничителя) частоты вращения вала двигателя внешняя характеристика позволяет также определять момент включения регулятора (ограничителя) и судить о степени неравномерности работы последнего. Учитывая, что получаемые при стендовых испытаниях эффективные показатели ДВС определенным образом зависят от состояния окружающей среды (давления, температуры и влажности воздуха), сравнение данных различных испытаний и характеристик отдельных двигателей выполняют только после приведения результатов к стандартным атмосферным условиям (см. далее). Исправленные показатели Мкро и Nео называют приведенными (на рис. 1, а они нанесены штриховыми линиями). Частичной скоростной называют характеристику, получаемую при некоторых промежуточных положениях дроссельной заслонки (заслонок), постоянных для каждой характеристики, или неизменном промежуточном положении рычага управления, соответствующем неполной подаче топлива ТНВД в дизелях. Особенности протекания частичных скоростных характеристик поршневых двигателей можно проследить по графикам, представленным на рис. 2. 12 Рис. 2. Частичная и внешняя скоростные характеристики Так же, как и внешние скоростные, эти характеристики позволяют оценить основные параметры двигателей, но в случае работы с частичными нагрузками. Характеристика холостого хода представляет собой графическое изображение часового расхода топлива при работе двигателя без нагрузки. Для карбюраторных двигателей ее часто изображают также в виде графика разрежения ∆рвп в задроссельном пространстве впускного тракта. 13 При снятии характеристики холостого хода тормоз отсоединяют и путем выбора положения дроссельной заслонки или рейки насоса изменяют частоту вращения вала прогретого двигателя от минимальной устойчивой до частоты вращения, равной 0,5⋅nном, соблюдая установленную регулировку приборов питания и зажигания. Для дизелей характеристику снимают от максимальной частоты вращения холостого хода nmax до минимально устойчивой частоты вращения вала (колебания не должны превышать ±5 %). Типичная характеристика холостого хода двигателя показана на рис. 3. От стабильности протекания этой характеристики в значительной степени зависит токсичность двигателя. Минимальную частоту вращения коленчатого вала ДВС на холостом ходу определяют путем постепенного прикрытия дроссельной заслонки или уменьшения подачи топлива (в дизелях) до наступления неустойчивого режима работы двигателя, после Рис. 3. Характеристики холостого хода чего частоту вращения вала увеличивают до наступления устойчивой работы ДВС в течение 10 минут. Характеристика внутренних (механических) потерь представляет собой графическое изображение мощности 14 ДВС, затрачиваемой на преодоление трения в его механизмах и на привод вспомогательного оборудования при изменении частоты вращения. Такая характеристика должна выявлять мощность, затрачиваемую на преодоление трения и на приведение в действие механизмов и агрегатов, обслуживающих двигатель в эксплуатации, за исключением вентилятора и глушителя для обслуживания шасси (компрессора, насоса гидроусилителя руля и т.п.). В мощность механических потерь условно включают также мощность, затрачиваемую на газообмен в двигателе – насосные потери. Характеристику механических потерь снимают методом прокручивания вала испытуемого двигателя с помощью балансирной электрической машины, работающей в моторном режиме, в диапазоне чисел оборотов n = (nmax…nном) или n = nmax для дизелей при отключенной подаче топлива. Чтобы обеспечить одинаковое нормальное тепловое состояние двигателя в процессе снятия характеристики, в промежутках между замерами его прогревают под полной нагрузкой (10 минут). Кроме мощности механических потерь Nм.п. на рассматриваемую характеристику наносят графики условного среднего давления механических потерь Рм.п. и механического к.п.д. двигателя ηм (рис. 4). Условное давление (кгс/см2) представляет собой разность между суммой условных средних индикаторных давлений всех цилиндров и средним эффективным давлением двигателя. Величину его подсчитывают по формуле: Р м.п. = (225 ⋅ τ ⋅ k V л ) ⋅ Р = а ⋅ Р (1) где а = (225⋅τ⋅r/Vл) - коэффициент, постоянный для данного двигателя; τ = 2…4 - коэффициент тактности двигателя; k постоянная тормоза; Vл - литраж двигателя, л; Р - показания динамометра тормозной установки, кгс. Величину механического к.п.д. находят из соотношения между эффективной мощностью Nе и мощностью механических потерь Nм.п: 15 з м = N e ( N e + N м.п. ) (2) ГОСТ на испытания двигателей допускает также определение механических потерь методом отключения цилиндров (парциальный метод). ДВС обследуют на полной нагрузке и частоте вращения вала, соответствующем Мкр.max, с чередованием работы его на всех цилиндрах при последовательном отключении каждого из них. Перед отключением очередного цилиндра двигатель должен проработать на всех включенных цилиндрах до восстановления принятого теплового состояния (температур масла и воды), а после отключения цилиндра Рис. 4. Характеристики внутренних поуменьшением нагрузки терь и механического к.п.д. двигателя восстановить снижающуюся при этом скорость вращения вала до заданной. Колебания чисел оборотов относительно принятых не должны превышать ±1 %. Методом отключения цилиндров определяют одновременно и равномерность их работы, которую оценивают коэффициентом равномерности: ∆ = N i. min /N i. max (3) где Ni. min и Ni. max – соответственно, наименьшее и наибольшее значения условной индикаторной цилиндровой мощности, кВт. 16 Изложенные методы, являясь наиболее простыми, не дают, однако, точного представления о величине механических потерь, так как погрешность их достигает ±30 % и более. Они могут быть, поэтому рекомендованы лишь для типовых испытаний двигателей. В исследовательской практике для определения величины механических потерь применяют обычно прямое индицирование цилиндров двигателя. Определив этим методом механический к.п.д. ηм=Ne/Nt , можно найти мощность механических потерь Nм.п.=(1-ηм)⋅Nt с ошибкой не превышающей ±5 %. Применение данного метода ограничивается чисто техническими трудностями, связанными с необходимостью индицирования всех цилиндров двигателя. Поэтому в последнее время величину механических потерь все чаще определяют методом так называемого двойного выбега, не требующего громоздкого оборудования. Для этого снимают тахограммы вращения коленчатого вала двигателя, которое он совершает после отключения подачи топлива или выключения зажигания за счет запаса кинетической энергии его движущихся деталей (первый выбег) и совместно с известными дополнительным моментом инерции (второй выбег). Точность метода не уступает точности прямого индицирования. Нагрузочные характеристики представляют собой графические изображения закономерностей изменения ряда параметров двигателя в зависимости от изменения нагрузки при заданной постоянной частоте вращения коленчатого вала. В качестве независимого переменного параметра ГОСТы рекомендуют в этом случае принимать мощность, развиваемую двигателем. Однако независимыми переменными могут служить среднее эффективное давление ре, показание динамометра тормоза Р, часовой расход воздуха Gв, относительно открытие дросселя или перемещения рейки насоса (в дизелях) и другие параметры, характеризующие загруженность двигателя. Для двигателей с искровым зажиганием 17 удобным параметром является, например, давление во впускном трубопроводе Рвп, пропорционально которому изменяется наполнение цилиндров. Типичные нагрузочные характеристики показаны на рис. 5, а, б. Обычно они представляют собой график часового Gт и удельного gе расходов топлива, характеризующих изменение этих параметров по одному из указанных выше независимому переменному. При необходимости характеристику дополняют графиками разрежения ∆Рвп, возникающего во впускном трубопроводе, коэффициента избытка воздуха α, угла опережения зажигания θ и другими параметрами. В силу особенностей способа смесеобразования, сгорания и качественного регулирования мощности, нагрузочные характеристики дизелей (характер изменения α, gе, ηi, ηv) Рис. 5. Нагрузочная характеристика: а) карбюраторного двигателя; б) дизеля 18 отличаются от аналогичных характеристик карбюраторных двигателей. Напомним, что у дизелей образование топливовоздушной смеси происходит непосредственно в цилиндре в весьма короткие промежутки времени, измеряемые тысячными долями секунды. При этом коэффициент избытка воздуха α является средней величиной для всего количества топлива и воздуха, участвующих в данном цикле. В действительности впрыскиваемое топливо распределяется по объему камеры сгорания неравномерно, образуя зоны с различной концентрации топлива и воздуха, т.е. с различными истинными значениями α. Вследствие этого в дизеле возможно значительное обеднение смеси до α = 1,4…1,6, что позволяет осуществлять так называемое качественное регулирование мощности вплоть до холостого хода. При качественном регулировании, т.е. при изменении состава смеси, изменении мощности двигателя при n = const происходит за счет увеличения или уменьшения только количества топлива, впрыскиваемого за цикл при почти неизменном количестве воздуха. Практически это осуществляется изменением положения рейки топливного насоса. При этом коэффициент наполнения ηv, определяющий количество поступающего воздуха в цилиндр, с изменением нагрузки остается почти постоянным и лишь несколько уменьшается с увеличением мощности, вследствие увеличивающегося подогрева заряда. Поэтому с уменьшением нагрузки коэффициент избытка воздуха, как это видно из формулы: Gв (4) б= G т ⋅ l0 где Gв, Gт – соответственно, расходы воздуха и топлива; l0 – стехиометрическое количество воздуха. будет зависеть, в основном, от изменения часового расхода топлива. Например, с уменьшением Gт мощность уменьшается, а, α возрастает до значений 4,5…6,0. Индикаторный 19 к.п.д. возрастает, в основном, вследствие увеличения ηt изза уменьшения теплоемкостей продуктов сгорания. С уменьшением α (при увеличении нагрузки) индикаторный к.п.д. понижается и, особенно резко, при значениях α, приближающихся к единице. Наибольшая мощность двигателей по нагрузочной характеристике получается при максимальном значении величины (ηi/α), определяющей качество протекания рабочего процесса. У дизелей Nemax достигается при значении α несколько большем единицы αmin=1,05…1,1. Однако уже при уменьшении коэффициента избытка воздуха ниже значений αmin≈1,25…1,6, зависящих от типа камеры сгорания, процессы смесеобразования и сгорания ухудшаются вследствие резко возрастающей неоднородности смеси и недостатка воздуха в отдельных зонах камеры. Ухудшение процессов наглядно проявляется в увеличении дымления отработавших газов, сопровождается резким ухудшением экономичности, перегревом двигателя и нагарообразованием. Вследствие этого, двигательная работа дизелей на режимах максимальной мощности, т.е. при (ηi/α)max недопустима. Для предотвращения чрезмерного обогащения смеси, максимальную цикловую подачу топлива ограничивают установкой специальных упоров рейки, так как топливные насосы обычно изготавливаются с запасом по производительности. Отметим, что качественное регулирование мощности дизелей (отсутствие дросселирования на впуске в отличие от карбюраторных двигателей), возможность работы на бедных смесях и высокие степени сжатия определяют существенно большую экономичность рабочего процесса дизелей, особенно на режимах частичных нагрузок (до 20…30 % в среднем) по сравнению с карбюраторными дизелями. Примерный характер изменения основных показателей дизеля по нагрузочной характеристике показан на рис. 6 20 Характер изменения кривой эффективного удельного Рис. 6. Изменение основных показателей дизеля по нагрузочной характеристике расхода топлива определяется величиной, обратной произведению ηi·ηм, что видно из известного выражения: 1 632 ⋅ 10 3 ge = или g e = С (5) Hи ⋅ з i ⋅ з м зi ⋅зм где Ни – низшая теплота сгорания топлива, МДж/кг. В связи с этим, кратко рассмотрим зависимости ηi и ηм от нагрузки. Увеличение количества подаваемого топлива с увеличением нагрузки, а также некоторое снижение ηv приводят к уменьшению α и, следовательно, к снижению индикаторного к.п.д. Некоторое увеличение ηi с увеличением Ne возможно лишь в области малых нагрузок, т.е. при очень бедных смесях (α>6,0). Механический к.п.д. двигателя: N (6) з м = 1− м Ni с увеличением нагрузки возрастает, так как абсолютная величина индикаторной мощности Ni, затрачиваемой на меха- 21 нические потери - Nм, изменяется незначительно, а ее относительная величина – (Nм/Ni), по мере увеличения Ni снижается. Рассматривая изменения удельного эффективного расхода топлива из графиков, можно увидеть, что резкое уменьшение gе при переходе от холостого хода к малым нагрузкам обусловлено вначале одновременным увеличением механического и индикаторного к.п.д. Дальнейшее увеличение нагрузки приводит к уменьшению ηi, но более резкое возрастание механического к.п.д. продолжает обеспечивать плавное снижение удельного расхода топлива. Очевидно, что значение gе min (точка 1 на рис. 6) будет получено при нагрузке, когда произведение ηi·ηм станет максимальным. Величина α при этом находится в пределах 1,6…1,8. При увеличении нагрузки от точки 1 удельный расход топлива на участке 1-2 плавно возрастает, вследствие более значительного снижения ηi из-за уменьшения α и, следовательно, ухудшений условий смесеобразования и сгорания. Это приводит к возрастающей неполноте сгорания топлива, к увеличению его догорания на линии расширения и росту дымности отработавших газах. Точка 2 характеристики называется предельной по началу дымления и соответствует достижению минимально допустимого значения коэффициента избытка воздуха α=1,2…1,5, при котором дымление находится в допустимых пределах (отработавшие газы имеют прозрачную окраску). Дальнейшая форсировка дизеля от точки 2 (участок 2-3 рис. 6, а) путем увеличения подачи топлива, хотя и приводит к некоторому увеличению мощности, но сопровождается резким ухудшением экономичности, перегревом двигателя, появлением черного дыма в отработавших газах, что является следствием резкого ухудшения процесса сгорания при уменьшении α ниже допустимого минимального предела αmin. Точка 3 соответствует достижению максимальной мощности на данном скоростном режиме, т.е. условию, ко- 22 гда фактор (ηi/α) имеет максимальное значение и величина α близка к единице. Длительная эксплуатация дизеля на этом режиме, вследствие отмеченных ранее причин, невозможна без снижения долговечности и надежности работы. Поэтому предельно допустимая нагрузка (Nе пред) ограничивается точкой начала дымления (точка 2), которая ориентировочно может быть определена по нагрузочной характеристике касанием луча, проведенного из начала координат к кривой gе. В точке 2 отношение gе/Nе или gе/Рс достигает минимума. Отметим, что получить участки 2-3 характеристики на серийных двигателях невозможно из-за наличия упора рейки. Нагрузочные характеристики, снятые для ряда частот вращения вала, позволяют судить о закономерности изменения часового расхода топлива по мере увеличения нагрузки, выявляют минимальные удельные расходы топлива, момент включения экономайзера в карбюраторных двигателях и величину максимальной мощности на этих скоростных режимах. Кроме того, представляется возможным определять начало видимого дымления дизелей (точка а на рис. 5, б), строить регулировочные характеристики по давлениям впуска и выпуска (ГОСТ 18509-73). Наглядность графического изображения характерных параметров двигателя несколько утрачивается, когда приходится иметь дело с большой серией характеристик. Поэтому с целью устранения этого недостатка целесообразно строить многопараметровые характеристики (рис. 7). Многопараметровые или универсальные характеристики в общем случае строят в координатах х и у по результатам обработки серии исходных характеристик, выявляющих зависимость обследуемого параметра z от переменного х при различных постоянных значениях у. Поскольку каждая точка многопараметровой характеристики соответствует лишь одной паре значений х и у, ей можно приписывать определенное значение z, взятое из вспомогательных характе- 23 ристик. Многопараметровая характеристика, получающаяся соединением точек, имеющих одинаковые значения z, наглядно показывает характер изменения и величину z при любых возможных значениях х и у. На рис. 7 многопараметровая характеристика обобщает серию нагрузочных характеристик, снятых на нескольких скоростных режимах двигателя. Линии удельного расхода топлива gе, нанесенные на характеристики, дают полное представление об экономичности двигателя во всем диапазоне его возможных ско- 24 Регуляторные характеристики снимают при скоростном режиме, соответствующем Мкр.max, и постоянном положении органа управления регулятором путем постепенного увеличения нагрузки от холостого хода до полной (рис. 8). Если регулятор установлен на частичную подачу топлива, то получается частичные регуляторные характеристики. Рис. 8. Регуляторная характеристика дизеля Рис. 7. Многопараметровая характеристика дизеля ростей и нагрузок и выявляют зону режимов наибольшей экономичности. На многопараметровую характеристику наносят также линии постоянных значений дополнительных показателей. Такими в рассматриваемом случае являются графики мощности и начала видного дымления (последний показан штриховой линией и определяет предельно допустимые значения ре). Регуляторная характеристика выявляет зависимость частоты вращения вала двигателя от развиваемой им мощности при неизменном положении рычага управления регулятором. На характеристику наносят также графики часового Gт и удельного gе расходов топлива. По данным этой характеристики определяют степень неравномерности регулятора: д = (n х.х. max − n р )/n ср (7) где nр - частота вращения двигателя, соответствующая началу действия регулятора; nx.x. max - максимальная частота вращения холостого хода двигателя, допускаемая регулятором; nср – средняя частота вращения вала двигателя: n ср = (n р + n х.х.max )/2 (8) 25 3. ИСПЫТАТЕЛЬНЫЕ СТЕНДЫ 3.1. Общие сведения Испытания автомобильных двигателей в лабораторных условиях проводят на специальных стендах испытательной станции. Такие станции имеются на всех крупных автомобиле и двигателестроительных заводах, и автополигонах. Для проведения всех видов испытаний испытательный стенд должен быть оснащен тормозным устройством с динамометром, топливной, воздухопитающей, газовыводящимися системами, смазочной системой, системами охлаждения и пуска, противопожарным оборудованием и т.п. В зависимости от программы испытаний стенд оборудуют специальными устройствами и приборами, позволяющими имитировать различные условия работы двигателя и измерять параметры рабочего тела и показатели двигателя. Воздухопитающая система стенда может быть оборудована устройствами и приборами для определения расхода воздуха, подогрева или охлаждения поступающего в двигатель воздуха, его влажности и запыленности. Топливная система стенда оснащается устройствами для определения расхода топлива, а системы охлаждения и смазки – устройствами для определения теплоотвода в охлаждающую жидкость и масло. Для определения индикаторных показателей стенд может быть оснащен устройством для снятия индикаторной диаграммы – индикатором. 26 двигателем крутящий момент.. В настоящее время широкое применение получили тормозные устройства с гидравлическими и электрическими тормозами. Основными узлами гидротормоза (рис. 9) являются статор, установленный на подшипниках в опорах станины, и ротор, вращающийся в подшипниках, соединенный муфтой с валом двигателя. Через гидротормоз протекает вода. При вращении ротора вследствие гидродинамического сопротивления воды создается тормозной момент, равный моменту, развиваемому двигателем. Энергия, полученная при 3.2. Тормозные устройства стендов Тормозные устройства нужны для того, чтобы нагружать двигатель при стендовых испытаниях путем поглощения его механической энергии специальным устройством – тормозом и измерять с помощью динамометра развиваемый Рис. 9. Лопастной гидравлический тормоз 1 и 2 – вентили; 3 – лопатки ротора; 4 – лопатки диска статора; 5 – ротор; 6 – диск статора; 7 – вал ротора; 8 – подшипник ротора; 9 – подшипник статора; 10 – соединительная муфта; 11 – опора статора; 12 – станина; 13 – заслонки-шиберы; 14 – статор. 27 вращении ротора, передается статору , на котором также создается момент, равный моменту двигателя. От проворачивання статор удерживается динамометром, с которым он соединен с помощью рычага. Изменение тормозного момента осуществляется за счет изменения активной площади взаимодействия ротора с водой. В зависимости от степени заполнения водой используются гидротормоза полного или частичного заполнения. В тормозах полного заполнения площадь ротора изменяется перемещением заслонок-шиберов, установленных между ротором и статором, а в тормозах частичного заполнения изменением количества подаваемой в гидротормоз воды. Ротор и статор гидротормозов по конструктивному исполнению могут быть различными. В лопастных гидротормозах (рис. 9) в роторе и в дисках статора выполнены карманы овального сечения, между которыми образуются лопатки. Эти тормоза работают при полном заполнении водой. Изменение тормозного момента осуществляется перемещением заслонок-шиберов. В дисковых гидротормозах (рис. 10) ротор выполняется в виде диска с отверстиями, а к статору крепятся диски, имеющие сотовидные рабочие поверхности. В штифтовых тормозах на ободе закреплены в два или несколько рядов стальные штифты, которые обычно креРис. 10. Дисковый гидравлический тормоз пятся и к статору. Штифты ус1 – диск статора; 2 – ротор; 3 танавливают с небольшим за– вал ротора; 4 – сливной зором между штифтами ротопатрубок; 5 – сливная трубка; ра. 6 – червячное колесо. 28 Дисковые и штифтовые гидротормоза работают при частичном заполнении гидротормоза водой. В них вода под действием центробежной силы отбрасывается к периферии, образуя вращающееся водяное кольцо. Тормозной момент зависит от толщины этого водяного кольца. По энергоемкости дисковые и штифтовые тормоза уступают лопастным. Недостатком гидротормозов частичного заполнения водой является также нестабильность тормозного момента при изменении давления воды. Поэтому питание гидротормозов водой осуществляется обычно из бака, поднятого на высоту 3…4 м. Во избежание кавитации, повышенной коррозии и образования накипи температура воды на выходе из гидротормоза не должна превышать 333…338 К. Электрические тормоза представляют собой электрические машины постоянного или переменного тока, легко преобразующие механическую энергию испытываемого двигателя в электрическую и, при необходимости, наоборот. По причине своей обратимости они получили наибольшее распространение по сравнению с другими типами тормозных устройств. Электрические тормоза постоянного тока, более сложные по конструкции, получили специализированное применение, главным образом, при испытаниях и доводке новых и серийных двигателей на заводах, автополигонах и т.д. В технической эксплуатации двигателей широкое распространение получили электрические тормоза переменного тока, известные как обкаточно-тормозные стенды. Они более просты по конструкции, дешевле, но вместе с тем имеют ограниченные технические возможности для проведения полномасштабных испытаний двигателей. Рассмотрим их устройство и принцип работы на примере стенда КИ-5274 ГОСНИТИ более подробнее. Электрический тормоз такого стенда (рис. 11) представляет собой асинхронную электрическую машину пере- 29 Рис. 11. Электрический тормоз 1 – опоры статора; 2 – статор; 3 – обмотка возбуждения статора; 4 обмотка возбуждения ротора; 5 – соединительная муфта; 6 – двигатель; 7 – опоры двигателя; 8 – датчик частоты вращения; 9 – подшипники; 10 – зубчатое колесо; 11- рычаг динамометра. менного тока с фазным ротором. Статор 2 электрической машины балансирно установлен на подшипниках качения 9 опор 1 фундаментной рамы. Вал ротора (якоря) соединен с помощью муфты 5 с коленчатым валом испытываемого двигателя. Двигатель установлен на резиновых подушках опор 7 фундаментной рамы. Корпус статора с помощью рычага 11 соединен с динамометрическим устройством маятникового типа. Схема подключения электрической машины к силовой сети 380 В показана на рис. 12. Обмотки возбуждения статора 3 и якоря 4 (рис. 11) подключаются к сети через контактор 6 с нормально-разомкнутыми контактами. Для регулирования силы тока в обмотке возбуждения якоря его цепь через щеточно-коллекторный узел последовательно соединена с нагрузочным реостатом 8 жидкостного типа. Подключение силового напряжения осуществляется включением рубильника 5 силового шкафа и нажатием кнопки 1 «пуск» (рис. 12) на пульте стенда. При этом происходит 30 Рис. 12. Схема управления электрическим тормозом 1 – кнопка «пуск»; 2 – кнопка «стоп»; 3 – контакты контактора; 4 – лампа «сеть»; 5 – рубильник; 6 – контактор; 7 катушка контактора; 8 – реостат; 9 – асинхронная электрическая машина с фазным ротором; 10 – ножи реостата. подключение катушки 7 контактора к однофазному напряжению 220 В и перемещение сердечника катушки с контактами 6. При замыкании контактов силовое напряжение подводится к обмотке возбуждения статора и к реостату. Удержание контактов в замкнутом состоянии при отпущенной пусковой кнопке обеспечивается катушкой 7, цепь питания которой замкнута контактом 3. Для выключения силового напряжения необходимо разомкнуть цепь катушки 7 с помощью кнопки 2 «стоп». Нагрузочный реостат 8 представляет собой квадратный металлический бак, заполненный электролитом (водный раствор кальцинированной соды), в котором находятся три пары изолированных друг от друга металлических пластинножей большой площади. Число пар соответствует числу фаз силового напряжения. Ножи, закрепленные на валу, могут по дуге опускаться в электролит или подниматься. Привод вала осуществляется от реверсивного электродвигателя или вручную маховичком. В каждой паре ножей один является токоподводящим, а другой – токоотводящим. Проводником тока между ножами служит электролит. Реостат позволяет регулировать силу тока путем изменения площади погружения ножей в электролит. Чем больше площадь, тем больше сила тока. При полностью поднятых ножах реостат 31 размыкает силовую цепь якоря. При замыкании реостатом цепи якоря в обмотках возбуждения якоря и статора возникают электромагнитные поля, взаимодействующие между собой. В результате взаимодействия на якоре возникает крутящий момент, а на статоре – противоположно направленный реактивный момент. Такой режим работы электрической машины является тяговым. С увеличением силы тока возбуждения частота вращения вала электрической машины возрастает до достижения максимального значения, равного синхронной частоте вращения электромагнитных полей статора и ротора, которая составляет 1600 об/мин. При превышении этой частоты, например, при работе двигателя в диапазоне частот вращения от 1600 об/мин и более, электрическая машина переходит в тормозной режим работы (режим генератора). В этом случае электромагнитное поле якоря противодействует вращению якоря, а следовательно, и вращению вала испытываемого двигателя. На статоре при этом возникает реактивный момент, равный крутящему моменту двигателя. Изменение тормозного момента осуществляется путем изменения силы тока в обмотке возбуждения якоря. Электрическая энергия, вырабатываемая электрическим тормозом, при работе в тормозном режиме, поглощается нагрузочным реостатом или передается в общую электрическую сеть, что позволяет утилизировать механическую энергию испытываемого двигателя. Выбор типа тормозного устройства и его мощности осуществляется путем сравнения внешней скоростной характеристики двигателя и характеристик тормозов (рис. 13). Область возможных режимов работы тормоза ограничивается внешней характеристикой – контуром ОАВСDO для гидротормоза и ОА′В′С′О для электротормоза. Участок ОА соответствует работе гидротормоза при максимально разведенных заслонках или при полном за- 32 полнении водой. На этом участке тормозная мощность изменяется по кубической зависимости от частоты вращения: Рт = а⋅n3 (9) где а – коэффициент пропорциональности. В точке А тормозной момент достигает максимального значения. Дальнейшее увеличение поглощаемой мощности возможно только при постоянном максимальРис. 13. Характеристики ном моменте, который подтормозов и двигателя держивается путем прикры1 – характеристика гидравлического тормоза; 2 - характери- тия заслонок или уменьшения стика электрического тормоза; расхода воды. 3 - характеристика двигателя. В точке В поглощаемая мощность ограничивается допустимой температурой воды. Дальнейшее повышение частоты вращения возможно при сохранении мощности двигателя постоянной, а следовательно, уменьшении крутящего момента пропорционально росту частоты вращения. Это достигается сближением заслонок или уменьшением расхода воды. В точке С частота вращения ограничена прочностью ротора. На участке СD крутящий момент и мощность уменьшаются пропорционально. Линия OD соответствует изменению тормозной мощности, затрачиваемой на трение в подшипниках и ротора о воздух при отсутствии воды в гидротормозе. В электротормозе при максимально допустимой силе тока в обмотке возбуждения тормозная мощность в зависимости от частоты вращения изменяется по линии ОА′ , которая описывается уравнением квадратичной параболы: Рт = в⋅n2 (10) 33 В точке А′ тормозная мощность ограничивается допустимой температурой нагрева обмоток якоря. Для дальнейшего повышения частоты по линии А′В′ необходимо снижать крутящий момент путем увеличения сопротивления в цепи якоря или уменьшения силы тока возбуждения. Ограничение частоты вращения в точке В′ обусловлено механической прочностью обмотки якоря. Линия С′О′ соответствует тормозной мощности, поглощаемой электротормозом, при отсутствии тока возбуждения. Тормоз считается пригодным для испытания данного двигателя, если внешняя характеристика двигателя (рис. 12) полностью вписывается в поле, ограниченное внешней характеристикой тормоза. В этом случае тормоз обеспечивает испытание ДВС на всех возможных режимах его работы. 3.3. Система охлаждения стенда 34 Система охлаждения ДВС при стендовых испытаниях в соответствии с требованиями ГОСТ 14846-81 не должна иметь элементы повышенного гидравлического и аэродинамического сопротивления, такие как радиатор и вентилятор. В связи с этим быстрый прогрев двигателя, Рис. 14. Система охлаждения стенда. поддержание его теп1 – сливной трубопровод; 2 - градирня; лового режима и охла3 – подвод воды от двигателя; 4 – отвод ждение осуществляется воды к двигателю; 5 – подающий трубопровод; 6 - вентиль; 7 - опора. по схеме, представленная на рис. 14. Вода из водопроводной сети, при открытии вентиля 6, поступает в подающий трубопровод 5, из которого через вертикально расположенные в нем отверстия выливается в градирню 2. Градирня устанавливается рядом с двигателем на опоре 7 с таким расчетом, чтобы уровень воды в ней всегда был выше рубашки охлаждения двигателя. Далее, вода через выход 4 под гидростатическим напором подается в двигатель и после его охлаждения под напором водяного насоса двигателя возвращается в градирню 2 через вход 3. В градирне нагретая вода смешивается с более холодной и охлаждается. Таким образом, осуществляется непрерывная циркуляция воды по замкнутому кругу с охлаждением в градирне. Регулирование теплового режима обеспечивается количеством воды с помощью вентиля 6. При превышении уровня воды в градирне выше сливного трубопровода 1 лишняя вода сливается в канализационную сеть, что позволяет интенсифицировать охлаждение двигателя за счет постоянного прито- 35 ка холодной водопроводной воды, например на режиме полной нагрузки. Для автоматического поддержания заданного теплового режима двигателя, вместо вентиля 6 могут применяться термостаты, регулирующие количество воды в зависимости от ее температуры. 3.4. Измерительные системы стендов Динамометрические устройства (динамометры) служат для измерения крутящего и тормозного моментов, развиваемых двигателем. В зависимости от способа измерения нашли применения следующие типы динамометров: механические, гидравлические и электрические. Одним из наиболее совершенных и наиболее применяемых является механический квадрантный динамометр (рис. 15). Он имеет два маятника, укрепленных на кулакахквадрантах, которые подвешены на тонких стальных лентах. Измеряемое усилие F через балансир передается кулакам, конструктивно объединенным с квадрантами. При отсутствии силы F маятники занимают положение, показанное штриховой линией, их центры тяжести лежат на одной вертикали с точкой крепления ленты. Под влиянием силы F, которая передается от рычага статора тормоза, маятники совершают сложное движение, перекатываясь по стальным лентам квадрантами, отклоняясь от полоРис. 15. Схема квадрантного динамометра. 1 – маятник; 2 – кулак-квадрант; 3, 7 – ленты; 4 – стрелка; 5 – кулак; 6 –зубчатая рейка; 8 – груз; 9 – балансир; 10 – зубчатое колесо. 36 жения равновесия. Балансир, к которому приложена сила F, сместится при этом вниз. При перемещении балансира связанная с ним зубчатая рейка поворачивает стрелку, по положению которой производится отсчет показаний динамометра. По измеренной с помощью динамометра силе F определяется крутящий момент, развиваемый двигателем, Н⋅м: Ме = 9,81⋅F⋅l = 7030⋅F⋅l (11) Где F – сила, измеренная динамометром; l – эквивалентное плечо тормоза, на котором действует сила F (обычно кратное 716,2); k = 716,2/l – постоянная тормоза, принимаемая по данным паспорта [обычно кратная 10 (k = 100; 1000)]. Приборы для измерения частоты вращения делятся на тахометры и тахоскопы. Тахометры фиксируют число оборотов в минуту в данный момент времени, а тахоскопы – счетчики, показывающие число оборотов за определенный интервал времени. По способу использования тахометры и тахоскопы могут быть приставными (ручными) и стационарными. Тахометры по принципу действия бывают центробежные, электрические, электронные (импульсные), магнитные (индукционные), стробоскопические и т.п. Наибольшее распространение получили электрические тахометры, обеспечивающие дистанционное измерение частоты вращения. Преобразователь тахометра и приемник соединены электрическими проводами. По показаниям динамометра и тахометра вычисляют эффективную мощность двигателя (в кВт): F π ⋅n F ⋅n Р е = М е ⋅ ω = 7030 ⋅ = 0,735 ⋅ (12) k 30 k а также среднее эффективное давление (в МПа): 30 ⋅ ф⋅ N е 30 ⋅ 0,735 ⋅ F ⋅ n F⋅ ф (13) ре = = 22,05 = k ⋅ Vл Vл ⋅ n Vл ⋅ n ⋅ k Приборы для измерения давления могут быть жидкостными, механическими и электрическими. 37 К жидкостным приборам относятся ртутный барометр, предназначенный для измерения атмосферного давления, и жидкостный манометр, называемый также пъезометром. В простейшем исполнении пъезометр представляет собой Uобразную трубку, заполненную примерно до половины (до нулевых меток шкалы) водой или другой жидкостью. Пъезометры применяются для измерения избыточного давления, вакуума и разности давлений. Из механических приборов широкое распространение получили пружинные манометры, предназначенные для измерения избыточного давления. Электрические преобразователи, предназначенные для регистрации давления в быстропротекающих процессах и в электрических измерительных системах с автоматической регистрацией результатов измерений, получают все большее распространение. В качестве контрольно-измерительных приборов применяются и магнитоэлектрические манометры. Приборы для измерения температуры по принципу действия делятся на механические, электромеханические и электрические. Механические приборы – жидкостные (обычно ртутные) и манометрические термометры – используют для измерения низких температур (до 423 К). Широкое распространение имеют термоэлектрические термометры, называемые также пирометрами. Они основаны на использовании термоэлектрического эффекта, возникающего при нагревании места спая двух проводников из неоднородных металлов или сплавов. Если два других конца этих проводников замкнуть, то под действием термоЭДС нагреваемого горячего спая в образовавшейся цепи возникает электрический ток. Спаянную или сваренную пару разнородных проводников называют термопарой. Обычно для измерения низких температур в диапазоне 470…870 К применяют хромель-копелевые (ХК) термопары, а для измере- 38 ния высоких температур (до 1270 К) – хромель-алюмелевые (ХА) термопары. Широкое распространение получили также и другие типы термопар. Термопары, являясь преобразователями температуры, работают совместно с регистрирующим прибором, в качестве которого применяют магнитоэлектрические милливольтметры и потенциометры. Обычно для исключения влияния температуры противоположных концов термопары эти концы соединяют пайкой и образующийся так называемый холодный спай погружают в термостат с тающим льдом. При этом температура холодного спая поддерживается постоянной, равной 273 К. Регистрирующий прибор в этом случае включается в разрыв одного из проводников. Если в качестве регистрирующего прибора применяют потенциометр, имеющий компенсирующее устройство, вводящее поправку на изменение температуры противоположных концов термопары, то они подсоединяются непосредственно к потенциометру. Приборы и устройства для измерения расхода воздуха разделяются на две группы: - с косвенным измерением расхода воздуха; - с прямым измерением расхода воздуха. 39 В первую группу измерительных средств входят дроссельные устройства (диафрагмы, сопла, трубки Вентури, см. рис. 16) и насадки (лемнискаты), основанные на измерении параметров, характеризующих среднюю или мгновенную скорость движения потока. Расход воздуха определяется по перепаду статического давления до (сечение 1-1) и после (сечение 2-2) сужения дроссельного устройства. Для измерения перепада давления применяют пьезометры и дифференциальные манометры. Расход воздуха определяется из уравнения неразрывности и уравнения Бернулли: G в = 0,004 ⋅ м ⋅ d 2 Др ⋅ с в (14) где µ - коэффициент расхода отверстия (сужения) дроссельного устройства; d – диаметр отверстия; ∆р – перепад давлений на дроссельном устройстве; ρв – Рис. 16. Принципиальные схемы плотность газа (воздудроссельных устройств ха). а – с диафрагмой и распределением давВо вторую группу ления при протекании потока газа через диафрагму ; б – с соплом; в – трубка измерительных средств входят объемные расВентури. ходомеры и ротацион- 40 ные счетчики, основанные на измерении объема воздуха, проходящего через мерное устройство в единицу времени. Например, принцип работы ротационных счетчиков заключается в измерении частоты вращения двух роторов, вращающихся под действием давления движущегося воздушного потока. По измеренному объему воздуха, прошедшего через расходомер за время τ (с), определяется массовый секундный расход воздуха, равный: (15) Gв=V⋅ρв/τ Приборы и устройства для определения расхода топлива основаны на измерении времени расхода определенной массы или объема топлива. При массовом методе определения расхода топлива используются обычные циферблатные весы (рис. 17), на одной из чаш которых устанавливают мерный бачок 2. Топливную систему оснащают трехходовым краном 3, обеспечивающим подачу топлива в двигатель из топливного бака, подачу топлива из мерного бачка при измерении расхода и подачу топлива из основного бака с одновременным наполнением мерного бачка. По данным измерения времени ∆τ (в с), вырабатываемого количества топлива ∆mт (в кг), определяют часовой расход топлива: Дm т G т = 3,6 ⋅ (16) Дф 41 Объемный расход топлива определяется с помощью прибора, называемого штихпробером, который состоит из мерных колб шарообразной формы, соединенных между собой узкими переходами с метками. По организации и принципу измерения определение объемного расхода топлива аналогично расРис. 17. Система измерения расхода топлива массовым способом смотренному массово1 – весы; 2 – мерный бачок; 3 – трехму способу с той лишь ходовой кран; 4 – топливный бак; 5 – разницей, что вместо разновесы. измерения времени расхода заданной массы топлива измеряют время расхода объемной дозы. Для измерения мгновенных объемных расходов топлива применяют флоуметры и ротаметры. Индикаторы являются устройствами для индицирования ДВС, т.е. записи быстроизменяющихся давлений рабочего тела в цилиндре работающего двигателя в зависимости от угла поворота коленчатого вала или хода поршня. По принципу действия индикаторы подразделяют на электропневматические и электрические. С помощью электропневматического индикатора (рис. 18) можно получить многоцикловую (за сотни циклов работы ДВС) индикаторную диаграмму двигателя. За один цикл индикатор фиксирует только две точки (одну при сжатии и одну при расширении), причем с каждым циклом эти точки фиксируются при разных давлениях. На снятие индикаторной диаграммы затрачивается 1…2 минуты. 42 Датчик давления мембранного типа 1 (рис. 15) устанавливается в головке цилиндра двигателя. На тонкую стальную мембрану датчика с одной стороны действует давление газов в цилиндре, а с другой стороны – давление воздуха в пневмосистеме. Давление в пневмосистеме с помощью крана 12 постепенно изменяется от максимального, превышающего максимальное давление рz в цилиндре, до атмосферного. В такте сжатия, когда давление в цилиндре боль- Рис. 18. Схема электропневматического индикатора. 1 – датчик давления; 2 – тиратронный преобразователь; 3 – барабан; 4 - электропроводящая бумага; 5 – разрядник; 6 – пружина; 7 – гильза; 8 – плунжер; 9 – масляная полость; 10 – масляный ресивер; 11 – баллон; 12 и 14 – краны; 13 – вентиль; 15 – муфта; I – первичная цепь; II – вторичная цепь. 43 ше давления в пневмосистеме, мембрана прогибается и, соприкасаясь с электрическим контактным стержнем, установленным около нее, замыкает электрическую цепь. При этом к тиратронному преобразователю 2 поступает импульс электрического тока низкого напряжения. В такте расширения, когда давление в цилиндре меньше, чем в пневмосистеме, мембрана прогибается в обратную сторону, размыкая электрическую цепь. В момент размыкания цепи в тиратронном преобразователе вновь возникает импульс электрического тока низкого напряжения. Тиратронный преобразователь предназначен для преобразования импульсов низкого напряжения, поступающих от датчика давления, в импульсы высокого напряжения , которые подаются к разряднику 5 регистрирующего устройства. Регистрирующее устройство состоит из барабана 3, на котором закрепляется токопроводная бумага 4, плунжерной пары (гильзы 7 и плунжера 8) с пружиной и разрядника 5. Барабан с помощью муфты 15 соединяют с коленчатым валом двигателя таким образом, чтобы при положении поршня индицируемого цилиндра в ВМТ игла разрядника находилась напротив метки ВМТ барабана. Разрядник, соединенный с плунжером, может перемещаться вдоль барабана на расстояние, пропорциональное давлению воздуха в пневмосистеме. В моменты замыкания и размыкания электрической цепи мембраной датчика перемещение разрядника пропорционально также давлению газов в цилиндре. При каждом импульсе высокого напряжения, подводимом от тиратронного преобразователя, между разрядником и токопроводной бумагой возникает искровой разряд, который оставляет на бумаге точечный след. Расстояние каждого из точечных следов по длине барабана пропорционально давлению газов в цилиндре, а расстояние по окружности от линии, соответствующем ВМТ, - углу поворота коленчатого вала. 44 Из электрических индикаторов наиболее распространен пьезокварцевый индикатор, к основным элементам которого относятся пьезокварцевый преобразователь давления, потенциометрический преобразователь хода поршня, усилитель и электронно-лучевая трубка. Принцип работы пьезокварцевого преобразователя основан на использовании известного в физике пьезоэлектрического эффекта, когда пропорционально давлению, действующему на кварцевые пластины, возбуждается электрический ток, который после усиления подается на горизонтальные пластины электронно-лучевой трубки, что вызывает отклонение электронного луча по вертикали пропорционально поданному напряжению, а следовательно, и давлению газов в цилиндре. Отклонение электронного луча по горизонтали осуществляется под действием усиленного электрического сигнала, который подается на вертикальные пластины трубки от преобразователя хода, подсоединенному к коленчатому валу двигателя. Таким образом, на экране электронно-лучевой трубки возникает изображение свернутой индикаторной диаграммы одиночного цикла в координатах р-S или р-V. Пульт управления испытательным стендом (на примере стенда КИ-5274) представляет собой (рис. 19) металлический каркас из уголка, обшитый листами. На передней панели пульта имеются органы управления стендом и испытываемым ДВС, а также контрольно-измерительные приборы. Внутри пульта выполнена коммутация электрических проводов и крепление корпусов приборов. Пульт имеет следующие напряжения питания: переменное однофазное 220 В и постоянное 12 В. Однофазное переменное напряжение служит для питания приборов: потенциометров 1…3, указателей 4…6, электронного тахометра 10 и сигнальных ламп 20…23 и 24. Кроме того, однофазное напряжение служит для управления и питания коммутационной аппаратуры 45 Рис. 19. Пульт управления стендом КИ-5274 1…3 – потенциометрические указатели температур, соответственно, ОГ, воды и воздуха; 4…6 – указатели давления, соответственно, масла, топлива и воздуха; 7 – переключатель термопар; 8, 10, 12 – выключатели, соответственно, электронного тахометра, индикатора ИМД-Ц и постоянного напряжения 12 В; 9 – тахометр; 11 – индикатор ИМД-Ц; 13…15 – указатели, соответственно, давления масла, температуры воды и уровня топлива; 16…22, 32 – контрольные лампы; 23…31 – кнопки управления; 33 – счетчик оборотов. (электромагнитных пускателей) силовой трехфазной цепи стенда. Постоянное напряжение 12 В служит для питания приборов – указателей давления масла 13, температуры воды 14 и уровня топлива 15, а также сигнальных ламп 15…18 и индикатора мощности двигателя ИМД-Ц 11. Принцип работы пульта управления испытательным стендом заключается в следующем. При включении рубильника силового шкафа (поз. 5 рис. 12), пульт подключается к сети однофазного напряжения 220 В, о чем свидетельствует загорание контрольной лампы 19. При этом ножи реостата находятся в поднятом положении (при другом положении ножи автоматически поднимаются из электролита). Для питания электрической машины стенда трехфазным напряжением 380 В нажимается кнопка «Пуск» 23 (рис. 19) включения контактора силового шкафа с характерным щелчком и загорания контрольной лампы 20. В этом случае в сеть си- 46 лового напряжения включается обмотка возбуждения статора электрической машины и жидкостной реостат (для отключения силовой цепи необходимо нажать кнопку «Стоп» 25). Далее, при нажатии кнопки «↓» 26 включается электропривод ножей реостата, опускающий ножи в электролит. В результате замыкается цепь обмотки возбуждения ротора электрической машины. При удержании кнопки 26 в нажатом положении частота вращения вала электротормоза возрастает. При отпускании кнопки - частота вращения остается постоянной. Для подъема ножей реостата и уменьшения частоты вращения вала тормоза необходимо нажать и удерживать кнопку «↑» 27. В крайних положениях ножей реостата электропривод ножей автоматически обесточивается концевыми выключателями даже при нажатых кнопках управления. Моменты полного погружения и выхода ножей из электролита фиксируются по контрольным лампам 21 и 22. Кнопки «n↑» 28 и «n↓» 29 (рис. 19) предназначены, соответственно, для увеличения и уменьшения подачи топлива в двигатель. При этом частота вращения ДВС либо возрастает, либо уменьшается. Кнопка 24 служит для включения звуковой сигнализации (электрического звонка). Для дистанционного останова дизельного ДВС предусмотрена кнопка управления 30 соленоидом, сердечник которого связан с рычагом отсечки подачи топлива ТНВД. Назначение остальных элементов управления и контрольноизмерительных приборов пульта объясняется преподавателем или учебным мастером непосредственно в лаборатории при ознакомлении с устройством стенда. 4. ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ 47 ПРИ ПРОВЕДЕНИИ ИСПЫТАНИЙ При испытании автомобильных двигателей необходимо строго соблюдать правила техники безопасности. Возможными источниками опасности при испытаниях двигателей могут быть: 1) вращающиеся детали двигателя и тормоза; 2) воспламенение горючих и смазочных материалов; 3) наличие горячих деталей выпускной системы двигателя и системы охлаждения; 4) высокое напряжение в системе зажигания двигателя и опасность поражения током в системе питания электротормоза; 5) токсичность продуктов сгорания в отработавших газах, наличие паров топлива. В целях обеспечения безопасности во время испытания двигателей студенты проходят инструктаж по технике безопасности. Инструктаж проводится на лабораторном занятии, посвященном ознакомлению с оборудованием лаборатории, и регистрируются в специальном журнале с распиской каждого студента о прохождении инструктажа. Все студенты обязаны выполнять следующие правила по технике безопасности: 1) Категорически запрещается курить и пользоваться открытым огнем в помещении лаборатории. 2) Запрещается включение приборов, кнопочных включателей, рубильников, вращение вентилей, передвижных рычагов управления и другие действия без указания преподавателя или учебного мастера. 3) Запрещается непосредственная работа на испытательной установке лицам, имеющим развевающиеся концы одежды (полы халата, платья, шарфы). 4) Запрещается проводить любые испытания одному. 5) Перед пуском двигателя необходимо включать устройство для приточной и вытяжной вентиляции помещения ла- 48 боратории. 6) Запрещается засасывание топлива ртом в шланг и продувка ртом трубопроводов. 7) При пуске двигателя и во время его работы запрещается находится в плоскостях вращения ротора тормоза и соединительных муфт даже при наличии ограждения, а также в плоскости вращения шкивов двигателя. 8) Запрещается касаться к вращающимся деталям двигателя, к выхлопному коллектору и выхлопному газопроводу двигателя во избежании ожогов. 9) При появлении ненормальных стуков и шумов в двигателе, тормозной установке или соединительной муфте, а также при значительном падении давления масла двигатель необходимо перевести на частоту вращения, соответствующую режиму холостого хода, путем снижения подачи топлива с одновременным полным снятием нагрузки. После охлаждения двигатель следует остановить для выяснения причин и устранения возникших неисправностей. 10) В аварийных ситуациях и при возникновении пожара двигатель должен быть немедленно остановлен, даже под нагрузкой. 11) По окончании работы необходимо отключать топливные баки, рубильники силовой сети и закрывать краны водопроводной магистрали. 12) Заправку топливного бака производить только при неработающем двигателе. 13) Не допускается подтекание топлива в топливопроводах, баках и приборах системы питания двигателя, а также загрязнения его топливом и маслом. 14) Нельзя оставлять в лаборатории загрязненные обтирочные материалы и хранить топливо и тару из-под топлива. 15) Запрещается протирать двигатель или другие механизмы тормозной установки бензином, а также мыть бензином руки или чистить одежду. При работе с этилированным бензином не допускать попадания его на одежду. 49 16) Перед началом проведения лабораторных работ руководитель должен ознакомить студентов с правилами техники безопасности на рабочем месте, сопровождая практическим показом безопасных приемов труда. Студенты, не прошедшие инструктажа по технике безопасности, к работам в лаборатории двигателей не допускаются. 5. ОСНОВНЫЕ ПРАВИЛА ИСПЫТАНИЙ ДВС И ОБРАБОТКИ РЕЗУЛЬТАТОВ 5.1. Основные условия испытаний и порядок выполнения лабораторных работ В испытательном боксе студенты распределяются по измерительным участкам испытательного стенда, где знакомятся с показаниями приборов: измеряемые параметры, цена деления прибора, пределы измерения и др. Все работы по испытаниям двигателей проводятся в соответствии с ГОСТ 14846-81 и 491-95, согласно которым должны выдерживаться следующие общие условия: 1) Перед пуском необходимо убедиться в готовности двигателя и тормозного устройства к работе (наличие в требуемом количестве масла и охлаждающей жидкости в системах двигателя, топлива в топливном баке, электролита в баке реостата, подключение стенда к электрической сети и т.д.). Далее, необходимо открыть кран топливного бака и поставить переключающий ходовой кран устройства для измерения расхода топлива в положение «работа», при котором обеспечивается подача топлива к двигателю. 2) Моторист и студент, обслуживающий тормозное устройство, занимают рабочие места. 3) При пуске карбюраторного двигателя необходимо включить систему электрического зажигания, после чего начать принудительное вращение коленчатого вала двигателя. Пе- 50 ред этим воздушную заслонку карбюратора необходимо прикрыть, чтобы создать за счет возникающего в смесительной камере карбюратора разрежения предельно возможное переобогащение смеси. Это необходимо для того, чтобы при испарении в холодном двигателе наиболее летучих головных фракций получить смесь паров топлива и воздуха, по составу соответствующую пределам воспламеняемости. 4) После первых вспышек в цилиндрах необходимо открыть воздушную заслонку карбюратора и прикрыть дроссельную заслонку, установив малую частоту вращения холостого хода. 5) Прогревание двигателя после пуска осуществляется в режиме средней угловой скорости без нагрузки до температуры охлаждающей жидкости на выходе из двигателя в пределах 310…320 К и температуры масла 300…310 К. 6) Выведение двигателя на заданный режим связано с дальнейшим прогреванием его до равновесного состояния, характеризующегося (для большинства двигателей) температурами охлаждающей жидкости на выходе из двигателя в пределах 348…358 К и масла 353…373 К. Двигатель нагружают до заданного режима работы. Нагружение двигателя достигается одновременно плавным увеличением подачи топлива и повышением величины тормозного момента путем изменением величины тока в цепи якоря или обмотки возбуждения электротормоза нагрузочным реостатом. 7) Остановка двигателя под нагрузкой категорически воспрещается, поскольку это приводит к резкому падению угловой скорости коленчатого вала и сопровождается возникновением больших инерционных нагрузок в кривошипношатунном механизме двигателя. Двигатель перед остановкой необходимо разгрузить согласованным уменьшением подачи топлива и величины тормозного момента до малой частоты вращения холостого хода, после чего остановить. Остановка карбюраторного двигателя достигается выклю- 51 чением системы зажигания, а дизеля – отсечкой подачи топлива рычагом регулятора ТНВД. После чего, отключают электротормоз от сети, закрывают топливный кран и вентили систем охлаждения двигателя и реостата электротормоза. 8) Показатели двигателя должны определятся при установившемся режиме работы. Регистрируемые данные должны представлять собой устойчивые средние значения, непрерывно наблюдаемые не менее 1 мин с изменениями не более ± 2 % в промежутке этого времени. При определении каждой характеристики количество точек замера должно быть не менее шести (достаточное для того, чтобы при построении характеристики выявить форму и характер зависимости параметра во всем диапазоне обследуемых режимов). В процессе проведения испытаний каждый студент записывает показания порученных ему приборов на отдельных листах бумаги с обязательным указанием номера замера. Начало замера производится по сигналу руководителя. 5.2. Правила обработки результатов испытаний По окончании испытания снятые показания приборов всех измерительных участков записываются в соответствующие графы протокола установленной формы. Все подсчеты при обработке результатов испытания должны производится с точностью до трех значащих цифр, которые заносятся в соответствующие графы протокола. После заполнения протокола испытания по результатам замеров и расчетов строятся необходимые графики. Для построения графиков используется миллиметровая бумага формата А4 размером 297х210 мм с выполнением полей и рамок. Масштабы изображаемых величин выбираются кратными 2, 5, 10, 100 с расчетом наилучшего отображения исследуемого процесса и равномерного размещения зависимостей на графике. Для каждой лабораторной работы 52 взаимное расположение зависимостей проводится в виде типового графика. Для нахождения по графикам промежуточных значений необходимо на осях координат наносить равномерные шкалы масштабов для каждой зависимости с обозначением параметра и его размерности. Экспериментальные точки на графиках, полученные в результате непосредственного измерения, или точки основного исследуемого параметра, как-то: М, n, P, Gт, ge обводятся кружками или обозначаются другими значками или соединяются плавной кривой по лекалу. Кривая должна корректировать произведенные замеры и отражать действительное протекание процесса, поэтому экспериментальные точки замеров, вследствие отклонения режима от заданного и случайных ошибок измерений, могут не лежать непосредственно на кривой, а находиться вблизи нее. При подсчете производных величин, такие как Ne, ge и других в соответствующие формулы подставляются значения замеряемых величин, взятые по координатам точек, лежащих на скорректированных кривых, построенных ранее по результатам замеров. В этом случае точки на кривых производных величин какими-либо знаками не выделяются. Для отчета по работе студент должен предъявить заполненный протокол испытаний, построенные графики и ответить на вопросы по проделанной лабораторной работе. Студенты, не оформившие предыдущую лабораторную работу (протокол, графики), к выполнению последующей работы не допускаются. 5.3. Основные расчетные формулы Эффективный крутящий момент двигателя, Н⋅м: М е = Р вес ⋅ 9,81 ⋅ l т (9) где Рвес - усилие на динамометре тормоза, кгc; lт = 0,7162 плечо тормоза, м. Среднее эффективное давление, МПа: 53 Ме (10) i ⋅ Vh где Vh - рабочий объем одного цилиндра двигателя, л; i – число цилиндров. Эффективная мощность двигателя, кВт: М ⋅n Ne = е (11) 9550 Часовой расход топлива, кг/час: ДG G т = 3,6 ⋅ (12) ф где ∆G - масса дозы топлива в г, израсходованного за время измерения τ, с. г Удельный эффективный расход топлива, : кВт ⋅ ч G g e = 10 3 ⋅ т (13) Ne Условную мощность механических потерь на трение: М ⋅n Nм = м (14) 9550 Индикаторная мощность на каждом нагрузочном режиме: Ni = Ne + Nм (15) а механический к.п.д.: N зм = е (16) Ni Индикаторный к.п.д. находят из выражения: 3600 ⋅ N e зi = (17) Ни ⋅ G т где Ни = 42,5 - низшая теплота сгорания дизельного топлива, МДж/кг. р е = 1,256 ⋅ 10 − 2 ⋅ 54 В формулы (10), (11), (13), (17) подставляются скорректированные значения величин Me, Gт, Gв, полученные из соответствующих графиков. 5.4. Приведение показателей ДВС к нормальным атмосферным условиям Показатели двигателя зависят от атмосферных условий (давления, температуры и влажности воздуха). Так, например, при уменьшении температуры и увеличении давления увеличивается плотность, а следовательно, и масса заряда в цилиндре, что приводит к повышению мощности двигателя. Кроме того, атмосферные условия оказывают влияние на протекание рабочих процессов двигателя. Для того, чтобы иметь возможность сопоставлять результаты испытаний, проведенных в разное время и, следовательно, при разных атмосферных условиях, и для сопоставления результатов испытаний с данными технических характеристик двигателей, мощностные показатели, а в некоторых случаях и экономические показатели двигателя, принято приводить к стандартным условиям. Согласно ГОСТ 14846-81 при испытаниях двигателей на режимах полной подачи топлива мощность, крутящий момент и среднее эффективное давление приводят к следующим стандартным условиям: - барометрическое давление В0=100 кПа (750 мм рт. ст.); - температура воздуха Т0=298 К (+25 °С); - относительная влажность воздуха ϕ=36 % (давление водяных паров 1,2 кПа (9 мм рт. ст.)); - температура дизельного топлива Т 0 т = +298К (+25 о С) ; плотность дизельного топлива с т 25 = 0,823 кг/см3. При испытании автомобильных дизелей принято также приводить к стандартным условиям часовой расход топлива, - 55 причем поправка вводится только на изменение температуры окружающего воздуха. Приведение к стандартным условиям производится с помощью эмпирического поправочного коэффициента (см. ниже таблицу 1). Давление сухого воздуха во время испытаний равно барометрическому давлению за вычетом парциального давления водяных паров. При относительной влажности воздуха 50 % и принятых стандартных атмосферных условиях парциальное давление водяных паров составляет около 9 мм рт. ст., поэтому стандартными считается давление сухого воздуха выше 20 ºС, а давление воздуха ниже 751 мм рт. ст., то полученные при испытаниях показатели двигателя должны быть увеличены на указанные в табл. 1 величины. Таблица 1 Условия применения поправок При изменении температуры воздуха на каждые 10 ºС в диапазоне от 10 ºС до 60 ºС При изменении давления воздуха на каждые 10 мм рт. ст. в диапазоне не ниже 600 мм рт. ст. Изменение мощности, крутящего момента, среднего эффективного давления, % 4-тактные двигатели с 4-тактные дизели искровым зажиганием 1,8 2,2 1,35 1,35 Если температура воздуха при испытаниях ниже 20 ºС, а давление воздуха выше 751 мм рт. ст., то полученные данные должны быть уменьшены на соответствующую величину. Приведение показателей двигателя, указанных в формулах (9)…(12), к стандартным атмосферным условиям производится по формулам: 56 Ме.о. = Ме⋅А (18) ре.о. = ре⋅А (19) Nе.о. = Nе⋅А (20) Gт.о. = Gт⋅С (21) где Nе.о., ре.о., Ме.о., Gт.о. - показатели, приведенные к стандартным атмосферным условиям; Nе, ре, Ме, Gт - показатели двигателя, при измеренные при испытаниях; А и С - коэффициенты, учитывающие поправки на температуру и давление, которые удобно подсчитывать по следующим выражениям: - для бензиновых двигателей с воспламенением от искры: А = 1+(tокр-20)⋅1,8⋅10-3+(751+Рп-Во)⋅1,35⋅10-3 (22) - для дизелей: А = 1+ (tокр-20)⋅2,2⋅10-3+(751+Рп-Во)⋅1,35⋅10-3 (23) С = 1+ (tокр-20)⋅1,5⋅10-3 (24) где tо - температура окружающего воздуха при испытаниях в ºС, определяемая с точностью ± 0,5 ºС; Рп - парциальное давление водяных паров в воздухе в мм рт. ст. во время испытаний. Определение удельного расхода топлива, приведенного к нормальным атмосферным условиям в карбюраторном двигателе, работающем при полном открытии дроссельной заслонки, проводятся по формуле: G г g eo = т ⋅ 10 3 , (25) N ео кВт ⋅ ч а в дизеле при предельном положении рейки ТНВД по формуле: G г g eo = то ⋅ 10 3 (26) N ео кВт ⋅ ч Для определения парциального давления водяных паров в воздухе необходимо знать абсолютную или относительную влажность воздуха. Напомним, что абсолютной влажностью воздуха называется вес пара, содержащегося в 1 м3 воздуха, а относительной влажностью воздуха - отношение 57 содержания водяного пара при данном давлении и температуре. С достаточной точностью можно считать, что парциальное давление водяных паров равно: ϕ ⋅Р Рп = n н (27) 100 где ϕп - относительная влажность воздуха в %; Рн - парциальное давление насыщенного водяного пара в воздухе при данной температуре. Если известна относительная влажность и температура воздуха, то с помощью таблицы 2 и формулы (27) можно определить парциальное давление водяного пара Pп. º С 0 10 20 30 40 50 Таблица 2 0 4,58 9,21 17,54 31,82 55,32 92,51 1 4,95 9,84 18,65 33,69 58,34 97,18 2 5,29 10,52 19,83 55,66 61,50 102,2 3 5,68 11,23 21,07 37,73 64,60 112,5 4 6,10 11,98 22,38 39,90 68,26 118,0 5 6,54 12,79 23,76 42,17 71,88 123,8 6 7,01 13,63 25,21 44,56 75,65 129,8 7 7,51 14,53 26,74 47,07 79,60 129,8 8 8,05 15,48 28,35 49,69 63,71 136,1 9 8,61 16,48 30,04 52,44 88,02 142,6 Табличное значение Рн находится на пересечении горизонтальной строки, имеющей в заголовке десятки градусов, и столбца, соответствующего последней цифре температуры. Например, при температуре 34 ºС в четвертой строке и пятом столбце находим Рн = 39,90 мм рт. ст. Влажность воздуха можно определить с помощью психрометра. Психрометр состоит из двух одинаковых термометров, у одного из которых шарик с жидкостью обернут легкой тканью, смоченной водой. В результате испарения жидкости с поверхности ткани и теплообмена между жидкостью и окружающим воздухом температура, показываемая вторым термометром (смоченным) tсм будет ниже, чем температура сухого термометра. Температура смоченного термометра зависит от условий движения воздуха около шарика термометра. Поэтому в со- 58 временных психрометрах, как правило, осуществляется принудительное движение воздуха около термометра со скоростью 2 м/сек (психрометры Ассмана). По разности показаний сухого и смоченного термометра с помощью таблицы, или специальных графиков, прилагаемых к прибору, можно определить относительную влажность воздуха. При отсутствии таких графиков величину парциального давления водяного пара в воздухе можно определить с достаточной точностью по психометрической формуле: Р п = Р н − к ⋅ (t сух − t cм ) ⋅ В о (28) где Рн - парциальное давление насыщенного водяного пар при температуре, показываемой смоченным термометром (определяется по табл. 2); tсух - температура сухого термометра; tсм - температура смоченного термометра; Во - барометрическое давления в мм рт. ст.; К - постоянный коэффициент психрометра (для аспирационного психрометра типа Ассмана к = 0,000662). По ГОСТ 14846-81 точность определения относительной влажности воздуха при испытаниях двигателей должна составлять ±2 %. Вопросы для самопроверки: 1. Каково назначение испытаний ДВС? 2. Перечислите виды испытаний ДВС? 3. Какова комплектация двигателя при контрольных испытаниях? 4. Какие параметры ДВС измеряются при стендовых испытаниях по ГОСТ 14846-81? 5. Что такое характеристика холостого хода ДВС? 6. Что такое характеристика внутренних (механических) потерь ДВС? 7. Что такое многопараметровая характеристика ДВС? 8. Что такое регуляторная характеристика ДВС? 59 9. Как классифицируются тормозного устройства стендов? 10. Каков принцип работы лопастного гидротормоза? 11. Каков принцип работы дискового гидротормоза? 12. Каков принцип работы электрического тормоза? 13. Как осуществляется выбор типа тормозного устройства и его мощности? 14. Каковы особенности системы охлаждения испытательного стенда? 15. Каков принцип работы квадрантного динамометра? 16. Как измеряется температура и давление при стендовых испытаниях ДВС? 17. Как измеряется расход воздуха при стендовых испытаниях ДВС? 18. Как измеряется расход топлива при стендовых испытаниях ДВС? 19. Каков принцип работы электропневматического индикатора? 20. Каков принцип работы пьезокварцевого индикатора? 21. Каково устройство пульта управления стендом КИ5274 и принцип его работы? 6. Лабораторная работа 1 ИССЛЕДОВАНИЕ НАГРУЗОЧНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДИЗЕЛЯ КАМАЗ-740 Цель работы: 1. Исследовать закономерность изменения мощности двигателя по мере увеличения цикловой подачи топлива. 2. Исследовать зависимость изменения расходов топлива и других параметров от нагрузки. 3. Определить минимальное значение удельного расхода топлива и точку начала дымления. 60 Методика снятия нагрузочной характеристики После прогрева двигателя одновременным плавным регулированием подачи топлива, перемещением рейки ТНВД и регулировкой тормоза выводят двигатель на максимальное значение крутящего момента при выбранном скоростном режиме. Полученный режим работы будет соответствовать максимальной мощности двигателя при заданной частоте вращения. Через некоторое время, достаточное для стабилизации теплового состояния и скоростного режима двигателя, после корректировки частоты вращения, производят замеры: 1) температуры охлаждающей жидкости (воды), °С; 2) температуры масла tм, °С; 3) давления масла рм, МПа; 4) усилия на весах тормоза Рвес, кгс; 5) времени τ расхода заданной дозы топлива ∆Gт, с; 6) температуры воздуха tв, °С. Далее переходят к следующему режиму, уменьшая цикловую подачу топлива перемещением рейки топливного насоса и одновременно поддерживая регулировкой тормоза прежнюю заданную частоту вращения. После стабилизации теплового состояния и скоростного режима производят необходимые замеры. Так, последовательно уменьшая цикловую подачу топлива и сохраняя постоянным заданную частоту вращения коленчатого вала двигателя, получают 6…8 точек характеристики. В области нагрузки от Nemax до 0,6⋅Nemax замеры следуют производить более часто, т.е. при небольшом интервале изменения мощности, с целью более точного выявления зоны минимального удельного расхода топлива. Минимальные нагрузки обычно ограничиваются 15…20 % мощности на данном скоростном режиме. Для более полного и наглядного анализа полученных результатов необходимо определять по нагрузочной характе- 61 ристике величины ηi и ηм. Для этого условную мощность механических потерь двигателя Nм можно определить методом прокручивания его электротормозом. Величина механических потерь в дизеле с некоторым приближением может быть принята постоянной для всего диапазона изменения нагрузки. Перед определением механических потерь вновь устанавливают режим максимального крутящего момента двигателя при заданной частоте вращения и после стабилизации теплового состояния выключают подачу топлива, одновременно быстро восстанавливая и поддерживая регулировкой тормоза прежний скоростной режим. По весам замеряют величину момента Мпр или усилия Рпр, затрачиваемого электротормозом на прокручивание двигателя. Время перехода на режим прокрутки и проведение замера должно быть минимально возможным (15…25 сек) с тем, чтобы сохранить тепловой режим двигателя практически так же, как и под нагрузкой. После записи результатов всех замеров в протокол, производят подсчет величин Nе, Ре, Gт, Gв, gе, ηv, α по соответствующим формулам. По результатам расчетов строят: - характеристику внутренних потерь и механического к.п.д. (см. рис. 4); - нагрузочную характеристику (см. рис. 5 и 6). Вопросы для самопроверки: 1. Что называют нагрузочной характеристикой дизеля? Какие характерные точки можно отметить на этой характеристике? 2. Что такое качественное регулирование мощности и как оно осуществляется по нагрузочной характеристике? 3. Каковы ориентировочные пределы измерения α у дизелей по нагрузке? 62 4. Как и почему изменяется ηi дизеля с изменением нагрузки? 5. Что такое предел дымления и как он может быть ориентировочно определен по нагрузочной характеристике; каковы при этом значения αmin? 6. Чем объясняется лучшая экономичность дизелей по сравнению с карбюраторными двигателями? 7. Чем объясняется резкое ухудшение экономичности дизеля (повышения gе) в области малых нагрузок? 8. Какова методика снятия нагрузочной характеристики дизеля на стенде? 7. Лабораторная работа 2 ИССЛЕДОВАНИЕ СКОРОСТНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДИЗЕЛЯ КАМАЗ-740 Цель работы: 1. Установить закономерность изменения основных параметров дизельного двигателя от скоростного режима при неизменном положении органа, управляющего подачей топлива. 2. Определить частоты вращения двигателя, соответствующие максимальному крутящему моменту, максимальному моменту, максимальной мощности, минимальному расходу топлива. Методика снятия внешней скоростной характеристики дизеля Прогретый до рабочих температур масла и воды двигатель выводят на режим минимально устойчивых оборотов nmin, рекомендуемый заводом. Для этого плавно выдвигают рейку топливного насоса в положение «на упоре» (макси- 63 мальная цикловая подача) и одновременно регулировкой тормоза устанавливают режим nmin. После стабилизации теплового состояния проводят корректировку частоты вращения и производят основные замеры: усилия Рвес или момента Ме по весам тормоза; частоты вращения n и расхода воздуха Gв за время τ, соответствующее расходу задаваемой вывески топлива ∆Gт; температуры воды и масла tв, tм; температуры отработавших газов – tг, а также барометрического давления Во; влажности ϕ % и температуры воздуха на впуске - tвп. Далее устанавливают следующий скоростной режим, оставляя неизменным положение рейки топливного насоса и увеличивая частоту вращения двигателя изменением регулировки тормоза. Интервалы по скоростному режиму выбирают кратными 100 об/мин и повторяют замеры. Начиная с режима, близкого к номинальной частоте вращения - nmin., т.е. с момента начала работы регулятора, замеры производят через 20…40 об/мин до почти полной разгрузки двигателя. На регуляторной ветви характеристики необходимо произвести не менее 4…5 замеров. После обработки экспериментальных данных по соответствующим формулам должны быть построены необходимые графики (см. рис. 1 и 2). Вопросы для самопроверки: 1. Каковы особенности определения внешней скоростной характеристики дизеля и что такое эксплуатационная внешняя характеристика? 2. Назовите характерные режимы внешней характеристики? 3. Объясните характер изменения по скоростной характеристике следующих параметров: α, ηv, ηi, ηм? 4. От каких факторов зависит характер изменения Мс или Рс по скоростной характеристике? 5. Что такое коэффициент запаса крутящего момента? 64 6. Чем объясняется характер изменения кривых Ne и ge по скоростной характеристике? 7. Для чего осуществляют коррекцию подачи топлива по частоте вращения и как при этом происходит изменение основных показателей рабочего процесса? 8. Почему на дизелях необходимо устанавливать регуляторы частоты вращения? 9. Каково назначение двухрежимного и всережимного регуляторов частоты вращения? 10. Какова методика снятия скоростной характеристики на стенде? Список литературы: 1. Автомобильные двигатели: Учебник. /Под редакцией М.С. Ховаха. - М.: Машиностроение, 1977. - 591 с., ил. 2. Двигатели внутреннего сгорания. Учебник. Под ред. В.Н. Луканина. - 4-е изд.: М. Высшая школа, 1984. 3. Двигатели внутреннего сгорания. В 3 кн. Кн. 1. Теория рабочих процессов: Учеб./Луканин В.Н., Морозов К.А., Хачиян А.С. и др.; Под ред. В.Н. Луканина. - М. Высш. шк., 1995. -368 с.:ил. 4. Двигатели внутреннего сгорания. Теория поршневых и комбинированных двигателей. Учебник. Под ред. А.С. Орлина, М.Г. Круглова. - 4-е изд.: М. Машиностроение, 1983. 5. Испытания двигателей внутреннего сгорания. Учебник. Под ред. И.Я. Райкова. - М.: Высшая школа, 1975. 6. Автомобильные двигатели: Учебник для автотранспортных техникумов/С.Н. Богданов, М.М. Буренков, И.Е. Иванов. - М.: Машиностроение, 1987. - 368 с., ил. УДК 09. 113. 011. 1-03.30-82 ББК 39. 33-04 Р18 ИСПЫТАНИЯ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ 65 Часть 1 Характеристики автомобильных двигателей. Стендовые испытания дизелей. Составитель: Гергенов С.М. Подписано в печать ….01.2002 г. Формат 60х84 1/16. Усл. п. л. 3,72. Уч. – изд. л. 3,2. Тираж 50 экз., с. 64. ___________________________________________________ Издательство ВСГТУ, г. Улан-Удэ, Ключевская, 40, а. @ ВСГТУ, 2002 г.
