Лабораторная 1. Лабораторная работа 1 Изучение классификации, устройств и основных рабочих характеристик энергетических установок и способов их измерения
 Скачать 123.78 Kb.
|
|
Лабораторная работа №1 Изучение классификации, устройств и основных рабочих характеристик энергетических установок и способов их измерения Цель работы - ознакомление с основными конструкциями стендов для определения основных рабочих характеристик энергетических установок, применяемым оборудованием Необходимые теоретические сведения Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) является тепловым двигателем, т.с. машиной, преобразующей теплоту в механическую работу. Свое название получил благодаря тому, что теплота в рабочем цикле подводится при сжигании топлива непосредственно в двигателе (внутри двигателя). По этой причине ДВС свойственна такая особенность, как необходимость обновления рабочего тела в процессе работы. По принципу действия и конструктивным особенностям ДВС разделяются на поршневые двигатели (поршни совершают возвратно поступательное движение); роторно-поршневые двигатели (двигатели с вращающимися поршнями); газотурбинные двигатели и реактивные двигатели. В качестве двигателя в наземных транспортных системах наибольшее распространение получил поршневой двигатель. Для ДВС различают эффективные и индикаторные показатели его работы. Название «эффективные» подчёркивает, что эти показатели характеризуют те качества двигателя, которые достаются потребителю, т.е. производят тот полезный эффект, ради которого создавался двигатель. Индикаторные показатели характеризуют процесс, протекающий в цилиндрах двигателя. Например, индикаторная работа - это работа, которая совершается газами в цилиндрах, а эффективная - работа, которая снимается с коленчатого вала двигателя для нужд потребителя. Из-за наличия механических сопротивлений в самом двигателе эффективная работа (мощность, среднее давление, к.п.д.) будет всегда меньше индикаторной работы (мощности, среднего давления, к.п.д.). 2. Применяемое лабораторное оборудование Лабораторные исследования двигателей внутреннего сгорания (ДВС) в целом и процессов, протекающих в отдельных его частях проводятся в специально подготовленных испытательных лабораториях, в которых размещаются испытательные стенды, представляющие собой комплексы средств испытаний для проведения исследований и испытаний ДВС. Ниже описаны испытательные лаборатории и стенды, применяемые при определении характеристик и индицировании, предусмотренных лабораторным практикумом по учебной дисциплине "Теория и моделирование рабочих процессов ДВС". Помещение испытательной лаборатории в целях повышения безопасности разделено стеной с окнами и дверями на испытательную комнату и пультовую. Стекла окон и дверей, предназначенные для визуального контроля, выполняются ударопрочными. Испытываемый двигатель и наиболее опасные элементы стенда находятся в испытательной комнате, а управление работой стенда и двигателя, как правило, ведется дистанционно из пультовой. Лаборатории имеют системы автономной вентиляции. Вентиляторы располагаются в подсобном помещении или на крыше здания. Специальные отсасывающие рукава подводящих газопроводов вентиляторов, отсасывающих выпускные газы ДВС, могут подходить или непосредственно герметично крепиться на выпускной трубопровод ДВС. Отводящий рукав вентилятора выводятся за пределы здания. Обычно, обе комнаты лаборатории оснащаются естественной вытяжной вентиляцией, а испытательная комната принудительной вытяжной вентиляцией с притоком воздуха из коридора здания (через пультовую) и вытяжным вентилятором вне лаборатории. В лаборатории подводится электрический ток для освещения, стендов и прочего оборудования. В помещение лаборатории подведен водопровод для отбора, при необходимости, тепла проточной водой водопровода от охлаждающей жидкости ДВС в водо-жидкостном радиаторе или от индукторного стенда. В лабораториях имеются электровентиляторы дополнительного местного охлаждения двигателя. Каждый испытательный стенд, как правило, оснащен тормозным устройством, измерительными каналами, регистрирующей аппаратурой, аппаратурой для исследования отдельных процессов в двигателях, контрольными приборами, системой управления. Тормозное устройство (тормоз) испытательного стенда является потребителем механической энергии двигателя и создает регулируемый момент сопротивления на его выходном валу. Тормоз дает возможность вывести двигатель на заданный скоростной и нагрузочный режим работы. Некоторые тормоза позволяют проворачивать вал двигателя от внешнего источника энергии с заданной частотой вращения. В зависимости от типа тормоза получаемая им механическая энергия преобразуется в тепло с рассеиванием в окружающей среде непосредственно или посредством охлаждающей жидкости. Тормоза (с рекуперацией энергии) преобразуют получаемую механическую энергию в электрическую и передают ее в электрическую сеть. Лаборатории могут иметь также оборудование для утилизации тепла от радиаторов ДВС и выхлопных газов для экономии затрат на обогрев помещений. При проведении лабораторных работ в основном используется электрический тормоз постоянного тока с рекуперацией энергии. Этот тормоз дает возможность, как нагружать ДВС необходимым моментом сопротивления, так и проворачивать его выходной вал с заданной частотой вращения. При проведении некоторых работ может использоваться индукторный тормоз, в котором подводимый к его ротору крутящий момент тормозится магнитным полем, нагревающим статор; отвод тепла от его сердечника осуществляется водой. Система управления тормозами автоматически поддерживает заданный скоростной режим. Запуск тормоза, управление им, контроль его работы, а также настройка необходимого скоростного режима производится с вынесенного в помещение оператора пульта управления. Измерительные каналы испытательного стенда позволяют измерять крутящий момент двигателя, частоту вращения вала тормоза, расходы воздуха и топлива, положение органа управления двигателем. Измерение крутящего момента производится посредством измерения реактивного момента на статоре электрической машины тормоза, вал ротора которой с помощью муфты связан с валом двигателя. С этой целью статор установлен на балансирной подвеске, позволяющей ему поворачиваться в станине тормоза относительно оси ротора. Для предотвращения этого поворота статор снабжен рычагом, конец которого соединен с динамометром. Динамометр измеряет силу, с которой статор стремится прийти во вращательное движение. На стенде в качестве динамометра используется прибор маятникового типа, установленный непосредственно над статором. Шкала прибора с учетом длины рычага отградуирована в Н•м и подсвечивается при включении измерительного стенда. Другой канал измерения крутящего момента - электрический. Он содержит датчик угла поворота стрелки динамометра и цифровую вторичную аппаратуру, преобразующую сигнал датчика в показания цифрового табло на пульте управления. Показания даются также в Н•м. Частота вращения на стенде тоже может быть измерена несколькими способами. Одним из датчиков частоты вращения является смонтированный на тормозе тахогенератор, вал которого вращается совместно с валом тормоза. Измерение напряжения, индуцируемого этим генератором, производится установленным на пульте управления стрелочным вольтметром, шкала которого отградуирована в об/мин. Имеется и цифровой канал измерения. Датчик, установленный вблизи вала тормоза, формирует электрические импульсы с частотой пропорциональной частоте вращения вала. Электронный преобразователь пересчитывает сигнал и индицирует результат на цифровом табло также в об/мин. Частоту вращения, также, можно измерить с помощью ручных приставных тахометров центробежного или часового типа. Наконечник их валика прижимается к центру торца вала, частоту вращения которого необходимо измерить, и по шкале со стрелкой считывается значение измеряемой величины. На стенде применены электрические измерители тензометрического типа с выводом на монитор пульта. Следует иметь в виду, что в отдельных случаях соединение валов двигателя и тормоза может производиться не непосредственно, а через редуктор с известным передаточным отношением. При таком соединении определение крутящего момента и скоростного режима необходимо производить с учетом передаточного отношения. Расход воздуха через ДВС может измеряются с помощью ротационных газовых счетчиков. В них число оборотов ротора пропорционально объему прошедшего через счетчик газа, и они показывают суммарный объем прошедшего через него газа в м3. С помощью промежуточных трубопроводов и ресиверов выход счетчика соединен со входом воздуха в ДВС. Весь воздух, поступающий в ДВС, проходит через этот прибор. Измерение расхода воздуха заключается в измерении с помощью секундомера времени () расходования двигателем заданного объема воздуха (Vв). Затем производится пересчет данных в часовой объемный или массовый расход воздуха. Измерение расхода топлива может производиться объемным или массовым методами. При объемном методе используется штихпробер – набор, расположенных последовательно (друг над другом) прозрачных емкостей известного, но отличающегося, объема, уровень топлива в которых можно наблюдать визуально, а также регистрировать моменты начала и окончания расхода из каждой емкости с помощью средств автоматизации. При измерении переключают входной топливный трубопровод от бака на расходование топлива из штихпробера и с помощью секундомера измеряют время расходования топлива т из одного или нескольких сосудов штихпробера Vт . При известной плотности топлива расход топлива может быть пересчитан в массовый. Массовый метод отличается только тем, что при его использовании измеряется время расходования т заданной массы топлива Gт из установленной на весы емкости. При необходимости измерения угла опережения зажигания, пользуются стробоскопическим методом. На шкив переднего конца коленчатого вала наносится метка или устанавливается стрелка. На корпусе ДВС вблизи шкива укрепляется угломерная шкала таким образом, чтобы можно было легко определить, против какого деления шкалы находится метка или стрелка. Шкалу, отградуированную в угловых градусах, устанавливают таким образом, чтобы при достижении поршнем первого цилиндра верхней мертвой точки метка или стрелка находились напротив нулевого деления шкалы. При измерении угла опережения зажигания на работающем ДВС шкалу и шкив освещают импульсным источником света, который дает вспышки в момент подачи высокого напряжения на свечу зажигания первого цилиндра. Деление шкалы, вблизи которого метка или стрелка кажутся неподвижными, соответствует углу опережения зажигания при отсчете его от нулевого значения в направлении противоположном направлению вращения вала. Изменение угла опережения зажигания ДВС с традиционной системой зажигания производится путем поворота корпуса распределителя зажигания в нужную сторону на необходимый угол. В зависимости от конструкции привода эта операция может производиться при работающем или при остановленном ДВС. При исследовании современных двигателей с микропроцессорным управлением значения многих параметров его работы могут быть извлечены из электронного блока управления работой ДВС. Система управления такого ДВС оснащается рядом датчиков, таких как датчики массового расхода воздуха Gв , частоты вращения вала двигателя n и др., позволяющих определить режим работы ДВС и в соответствии с ним сформировать оптимальные значения регулируемых параметров: коэффициента избытка воздуха , угла опережения зажигания/впрыска и др. Специальный инженерный блок управления, применяемый при исследованиях и доводке такого ДВС, совместно с компьютером дает возможность контролировать значения измеренных и сформированных параметров. Таким образом, исключается необходимость измерений с использованием другой аппаратуры и производства некоторых вычислений. В специальном режиме работы инженерного блока можно принудительно задавать значения параметров рабочего процесса угол опережения зажигания , коэффициент избытка воздуха и др., отличающиеся от значений, формируемых системой управления ДВС. В этом режиме возникает возможность снятия регулировочных характеристик ДВС. На стендах имеется возможность за счет регулирования нагрузки измерять и поддерживать частоту вращения, крутящий момент и мощность; измерять специальными приборами расход топлива весовым способом с выводом на ПК, расход воздуха, расход картерных газов, влажность и атмосферное давление. Инструкции по включению в работу и использованию испытательных стендов, ДВС и дополнительных устройств находятся в лабораториях испытаний ДВС. 3. Классификация характеристик двигателей внутреннего сгорания Условия эксплуатации транспортных средств диктуют необходимость частых изменений режимов движения. Поэтому двигатели обычно работают на установившихся режимах лишь короткие промежутки времени, часто переходя с одного режима на другой, причём скоростные и нагрузочные режимы могут изменяться независимо друг от друга. Это означает, что при любой частоте вращения коленчатого вала двигателя (от минимально устойчивой до максимальной) нагрузка двигателя может также изменяться от нулевой до максимальной. Для определения динамических и экономических показателей, а также оценки регулировочных параметров проводятся стендовые испытания двигателей. Испытания проводятся в соответствии с действующими нормативными документами и ГОСТами. На показатели работы двигателя одновременно воздействует большое число факторов, учесть совместное влияние которых практически невозможно. Поэтому испытания проводят при задании некоторых неизменных условий (постоянный скоростной режим двигателя, постоянное положение органа управления подачей топлива и т.п.). Результаты испытаний принято представлять в виде графической зависимости параметров. Характеристикой двигателя называется графическая зависимость одного или нескольких параметров работы двигателя от некоторого фактора (параметра), выбираемого в качестве независимого и непосредственно изменяемого экспериментатором в ходе испытаний. Название и вид характеристики определяется независимой переменной, в качестве которой выбирается один из эксплуатационных или конструктивных факторов (частота вращения коленчатого вала, мощность, расход топлива, угол опережения зажигания (впрыска), коэффициент избытка воздуха и др.). В зависимости от того, какой параметр является независимой переменой и задаётся экспериментатором при проведении испытаний, характеристики двигателя делят на три основные группы: скоростные, нагрузочные и специальные. В характеристиках первой группы, независимая переменная – частота вращения коленчатого вала двигателя; эти характеристики снимаются как при полной, так и при частичных нагрузках. Наибольший интерес представляет скоростная характеристика, получаемая при полной нагрузке; она называется внешней и показывает, какие наибольшие значения мощности и крутящего момента может развивать двигатель при различных частотах вращения коленчатого вала и какой при этом будет часовой и удельный расход топлива. В характеристиках второй группы независимая переменная – нагрузка на коленчатом валу двигателя. Нагрузка при испытаниях задаётся углом открытия дроссельной заслонки (для двигателей с искровым зажиганием) или перемещением рычага управления подачей топлива насоса высокого давления (для дизелей). Нагрузка характеризуется значениями эффективной мощности, среднего эффективного давления или эффективного крутящего момента. Нагрузочная характеристика позволяет судить об экономичности двигателя на наиболее часто встречающихся в эксплуатации режимах работы двигателя (с неполной нагрузки). Характеристики третьей группы разнообразны и снимаются с двигателя для выбора оптимальных условий его работы, широко применяются при проведении научно-исследовательских работ. В качестве зависимых переменных обычно принимаются эффективная мощность, крутящий момент, часовой и удельный расходы топлива. 4. Виды и объём испытаний Двигатели подвергают следующим основным испытаниям: приёмосдаточным; периодическим; типовым. Приёмосдаточные испытания проводят с целью контроля качества сборки и регулировки двигателей. Они должны включать определение мощности, удельного расхода топлива и давления масла при номинальной частоте вращения и положении органов управления подачей топлива, соответствующем полной подаче топлива, а также максимальной частоты вращения холостого хода и давления масла при минимальной устойчивой частоте вращения холостого хода. Периодические испытания проводят с целью контроля соответствия показателей двигателей техническим условиям на двигатели конкретных марок. При периодических испытаниях определяют: номинальную мощность, максимальный крутящий момент, внешние скоростные характеристики мощности и крутящего момента. Для серийного двигателя номинальная мощность, максимальный крутящий момент и внешние скоростные характеристики считаются подтвержденными, если их значения отличаются от указанных в технической документации на двигатель или автомобиль в пределах ±5%; нагрузочную характеристику при частоте вращения, соответствующей максимальному крутящему моменту двигателя; характеристику холостого хода; регуляторную характеристику (для дизелей). Типовые испытания проводят после внесения в конструкцию или технологию изготовления двигателя изменений, которые могут повлиять на параметры двигателя, указанные в технических условиях, с целью оценки эффективности и целесообразности внесенных изменений. Испытания следует проводить по программе периодических испытаний или по специальной программе, согласованной с потребителем. 5. Условия и правила проведения испытаний двигателей Условия, методы и правила испытаний двигателей изложены в ГОСТ 14846-81 «Двигатели автомобильные. Методы стендовых испытаний» и ГОСТ 18509-88 «Дизели тракторные и комбайновые. Методы стендовых испытаний». При испытаниях используется метод торможения работающего двигателя, за исключением определения характеристики холостого хода, минимальной устойчивой частоты вращения холостого хода и пусковых качеств. Марки топлива и масла, а также вид и (или) марка охлаждающих жидкостей, применяемых во время испытаний, должны соответствовать требованиям технических условий на испытуемый двигатель. Топливо и масло должны соответствовать требованиям стандартов или технических условий. Их физико-химические показатели должны быть удостоверены паспортом или протоколом испытаний. Температура охлаждающей жидкости на выходе из дизеля с жидкостным охлаждением должна поддерживаться в пределах, указанных в технических условиях на испытуемый двигатель, а при отсутствии таких указаний: 90±5) °С. Температура масла в поддоне, или на выходе из двигателя, или перед масляным радиатором должна поддерживаться в пределах, указанных в технических условиях на испытуемый двигатель, а при отсутствии таких указаний: 90±5 °С. Атмосферное давление, температура и влажность окружающего воздуха во время испытаний должны находиться в пределах, указанных в технических условиях на испытуемый двигатель. Показания с приборов должны сниматься при установившемся режиме работы двигателя, при постоянных показаниях всех приборов. Значения крутящего момента, частоты вращения и расхода топлива должны определяться одновременно. При ручном управлении стендом продолжительность измерения расхода топлива, как правило, составляет 30 с. При каждом испытании число точек измерений должно быть достаточным для того, чтобы при построении характеристик выявить форму и характер протекания кривой во всем диапазоне обследуемых режимов. Как правило, необходимо получить не менее 8 равномерно расположенных опытных точек. В области значительных изменений показателей интервалы между опытными точками уменьшают. 6. Обработка результатов испытаний Результаты измерений и расчетов заносят в протокол. По данным измерений, полученным при испытании двигателя, а также по результатам расчетов величин, определяемых аналитически, строят графики необходимых зависимостей (характеристики двигателя). Опытные точки наносят на график (например, Ме и Gт). На графических зависимостях величин, получаемых в результате расчетов (например, Nе и gе), точки на графике не ставят. Формулы для расчёта и единицы измерения параметров используются в соответствии с ГОСТ 14846 и ГОСТ 18509 на испытания двигателей. Крутящий момент двигателя Ме, Н·м, рассчитывают по формуле:  (1)где Рвес показание измерительного устройства тормоза, Н; l плечо весового устройства тормоза, м (для используемых в данной работе стендов l = 0,7162 м). Эффективная мощность двигателя Nе, кВт, рассчитывается по формуле:  , (2)где n частота вращения коленчатого вала, мин -1. Определение часового расхода жидкого топлива GT, кг/ч, проводят по приборам, непосредственно показывающим расход, или по формуле (для весового способа измерения):  , (3)где  – масса контрольной порции топлива, г (обычно = 50 г);τ – время расхода контрольной порции топлива, с. Удельный расход топлива gе, г/(кВт·ч), рассчитывается по формуле:  , (4)где Ne мощность, определенная при испытаниях, кВт. По полученным результатам строятся характеристики двигателя. Порядок построения характеристик (графических зависимостей параметров) следующий: Определяется количество кривых, предполагаемых к построению. В зависимости от величины максимального значения параметра выбирается масштаб соответствующей шкалы. График должен иметь максимальный размер в данной системе координат для возможности оценки характера зависимости. Для построения графиков используется сантиметровая сетка. Шкала строится для диапазона, в котором изменяется данная величина при проведении испытания. Шкала подписывается обозначением параметра и указанием его размерности. Располагать шкалы можно с обеих сторон поля графика. ГОСТ 18509 рекомендует использовать следующие масштабы графиков (прил. 3). Рекомендуется применять масштабы таким образом, чтобы по построенным кривым был виден характер изменения рассматриваемых величин. Показатель работы двигателя, принятый за аргумент, откладывается в выбранном масштабе по оси абсцисс. Точки, полученные в ходе эксперимента, наносятся на график и соединяются плавной кривой. Так как при испытаниях всегда имеется некоторый разброс точек (вызванный разными погрешностями), то при проведении плавной кривой следует стремиться к тому, чтобы она проходила возможно ближе ко всем опытным точкам. Ломаные линии на графиках не допускаются (если это не выражает характера изменения величины). При проведении плавной кривой следует уделять внимание и выпавшим точкам, устанавливая причины их выпадения. Над проведёнными кривыми надписывается буквенное обозначение параметра. 7. Испытательный стенд и аппаратура Испытательный стенд должен иметь оборудование для измерения показателей работы двигателя с необходимой точностью в соответствии с ГОСТ 14846 на испытания двигателей. Например, крутящий момент и расход топлива необходимо измерять с точностью ±1%, частоту вращения коленчатого вала с точностью ±0,5%, температуры охлаждающей жидкости и масла с точностью ±2 °С; Стенд для типовых испытаний двигателя состоит из следующих основных компонентов (рис. 1): силовая установка с соответствующим типом двигателя; нагрузочное устройство (балансирная машина) с индикатором нагрузки; штатные контрольно-измерительные приборы данного двигателя; тахометр; секундомер; весы лабораторные.  Для снятия характеристик дизельного двигателя используется стенд с двигателем ЯМЗ. Для исследования двигателя с искровым зажиганием используется стенд с двигателями ЗМЗ или ВАЗ. В качестве нагрузочного устройства применяется индуктивный тормоз – асинхронный двигатель с фазным ротором. Нагрузка на коленчатом валу двигателя задается тормозным моментом нагрузочного устройства. Тормозной момент зависит от величины тока в обмотке статора и изменяется с помощью реостата. Нагрузочное устройство стенда закреплено балансирно, т.е. корпус электродвигателя (статор) может качаться на подшипниках, закрепленных в опорных стойках. При создании нагрузки на коленчатом валу двигателя с помощью данного устройства крутящий момент двигателя передаётся индуктивно на статор, который стремится повернуться в сторону вращения коленчатого вала. Статор связан с индикатором нагрузки − весовым устройством маятникового типа, с помощью которого определяют величину тормозной силы Р на плече l тормоза. Контрольно-измерительные приборы позволяют контролировать режим работы двигателя, температуру охлаждающей жидкости и давление в системе смазки. С помощью тахометра контролируется частота вращения коленчатого вала двигателя. В качестве тахометра используется цифровой прибор типа ТЦ-1 индуктивного типа, снимающий показания с контрольной звёздочки, закреплённой на валу балансирной машины. Измерение расхода топлива производится весовым методом. Для этого используются пружинные (маятниковые) весы. На одну чашу весов установлена емкость с топливом, а на другую укладываются грузы. В процессе снятия характеристики замеряется время расхода контрольной порции топлива (50 граммов). Изменение количества топлива в мерной ёмкости компенсируется увеличением количества грузов на чаше весов либо доливкой топлива в мерную емкость. 8. Требования к отчёту Отчет должен содержать следующие разделы: название лабораторной работы; цель, оборудование и оснащение лабораторной работы; краткое изложение теоретических положений; формулы, используемые при расчетах, с расшифровкой входящих в них параметров и указанием единиц измерения; протокол результатов испытаний и расчетов (см. прил. 1); обработку результатов эксперимента с выполнением необходимых расчётов и построением графиков полученных зависимостей; вывод, отражающий суть проделанной работы с анализом полученных результатов и характеристик. Контрольные вопросы 1. Как определяется эффективная мощность Ne? 2 Опишите идеальные газовые процесс? 3. Опишите как проводили опыты, какие показатели вы при этом определяли? 4. Опишите второй закон термодинамики? 5. От чего зависит часовой расход топлива и как он определялся? 6. Как определяется эффективный кпд установки?  Кафедра «Автомобили и автомобильное хозяйство» АлтГТУ Протокол №____________________ Дата ___________________________ Приложение 1  Двигатель______________________ Характеристика_________________ Вид испытания__________________ Топливо _______________________ Протокол результатов испытаний и расчётов
 Кафедра «Автомобили и автомобильное хозяйство» АлтГТУ Протокол №____________________ ата ___________________________ Приложение 2 Лаборатория испытаний двигателей К протоколу №___________ Дата испытаний ___________  Замечания:
 Кафедра «Автомобили и автомобильное хозяйство» АлтГТУ Протокол №____________________ Дата ___________________________ Приложение 3 Масштабы графиков
Масштабы графиков, построенных по результатам измерений и расчетов, выбирают по таблице, исходя из условия размещения графиков на формате A3 или A4. |