Газораспределительный механизм дизеля. Методические указания на выполнение лабораторных работ Часть 1 Хабаровск 2000 Рецензент Доцент кафедры "Тепловозы и тепловые двигатели"
 Скачать 1.7 Mb.
|
|
Министерство путей сообщенияРоссийской Федерации Дальневосточный государственный университет путей сообщения Кафедра “Тепловозы и тепловые двигатели” З.Б. Погребинский А.Ю. Коньков ЛОКОМОТИВНЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ Методические указания на выполнение лабораторных работ Часть 1 Хабаровск 2000 Рецензент: Доцент кафедры “Тепловозы и тепловые двигатели” Дальневосточного государственного университета путей сообщения В.В. Литвинчук В указаниях приведены сведения, необходимые для выполнения лабораторных работ по курсу “Локомотивные энергетические установки”. В первую часть указаний включены работы, связанные с определением фаз газораспределения четырехтактного ДВС, проведением испытаний двигателя по нагрузочной характеристике, индицированию ДВС и определению цетановых чисел дизельного топлива. Методические указания предназначены для студентов специальности “Локомотивы” всех форм обучения. СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ Лабораторная работа № 1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ФАЗ ГАЗОРАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЧЕТЫРЕХТАКТНОГО ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ 1.1. Цель работы 1.2. Устройство и принцип работы системы газораспределения двигателя внутреннего сгорания 1.3. Описание лабораторного стенда 1.4. Порядок выполнения работы 1.5. Контрольные вопросы Лабораторная работа № 2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ НАГРУЗОЧНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ 2.1. Цель работы 2.2. Характеристики двигателей 2.3. Описание лабораторного стенда для определения нагрузочной характеристики 2.4. Порядок выполнения работы 2.5. Обработка опытных данных 2.6. Контрольные вопросы Лабораторная работа № 3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИНДИКАТОРНЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЯ 3.1. Цель работы 3.2. Объект исследований и оборудование 3.3. Анализ индикаторной диаграммы 3.4. Порядок выполнения работы 3.5. Контрольные вопросы Лабораторная работа № 4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЦЕТАНОВОГО ЧИСЛА ДИЗЕЛЬНОГО ТОПЛИВА 4.1. Цель работы 4.2. Воспламеняемость топлива 4.3. Стандартный метод определения цетанового числа 4.4. Приближенный метод определения цетанового числа 4.5. Порядок выполнения работы 4.6. Контрольные вопросы СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ВВЕДЕНИЕ Лабораторная база кафедры “Тепловозы и тепловые двигатели” в последнее время подвергалась модернизации. Значительно обновилось оборудование, смонтированы новые стенды, расширилось использование новой измерительной аппаратуры, современной компьютерной техники. Это потребовало переработки методической литературы, используемой в учебном процессе, в частности, по дисциплине “Локомотивные энергетические установки (ЛЭУ)”. В методических указаниях на выполнение лабораторных работ по ЛЭУ дается необходимый теоретический материал, расширяющий представление студентов о соответствующих разделах учебной дисциплины: конструкции и принципе работы газораспределения ДВС; различных режимов работы дизелей; технико-экономических показателях на основе индицирования и определения цетанового числа – одного из важнейших показателей дизельного топлива. В методических указаниях приведен достаточный справочный материал и необходимый объем аналитических выражений для обработки опытных данных и анализа полученных результатов. Выбранный перечень лабораторных работ и содержание методических указаний на их выполнение соответствуют учебной программе дисциплины ЛЭУ, одобренной в 1999 г. учебно-методическим советом по специальности 150700 “Локомотивы”. Методические указания могут быть использованы студентами всех форм обучения специальности “Локомотивы” и при изучении соответствующих разделов дисциплины “Теплотехника”. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ФАЗ ГАЗОРАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЧЕТЫРЕХТАКТНОГО ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ 1.1. Цель работы Изучение конструкции системы газораспределения, определение длительности и моментов открытия и закрытия впускных и выпускных клапанов газораспределительного механизма (ГРМ) двигателя внутреннего сгорания (ДВС). 1.2. Устройство и принцип работы системы газораспределения двигателя внутреннего сгорания Система газораспределения ДВС осуществляет газообмен, обеспечивая зарядку цилиндра рабочей смесью для двигателей с принудительным зажиганием или зарядку цилиндра воздухом для дизелей, а также выпуск из цилиндра отработавших газов. Газораспределительные органы должны обеспечить качественную очистку и наполнение цилиндра при достаточной надежности в работе. Совершенство очистки и наполнения цилиндра зависит, в первую очередь, от величины проходного сечения газораспределительных органов и длительности их открытия. При этом, длительность открытия зависит не только от конструктивных особенностей ГРМ, но и от частоты вращения коленчатого вала. 1 – впускной клапан; 2 – клапанная пружина; 3 – распределительные валы; 4 – направляющая втулка; 5 – выпускной клапан Наибольшее распространение имеет клапанное газораспределение благодаря относительной простоте и высокой надежности работы. Схема клапанного газораспределения с верхним приводом клапанов, когда практически все элементы ГРМ размещены в крышке цилиндров, показана на рис. 1.1. По такой схеме выполнены ГРМ дизелей М756, 1Д6, В12. Распределительные валы (при такой схеме их, как правило, два) расположены непосредственно над клапаном. Однако большее распространение получило нижнее расположение распределительного вала (рис. 1.2). 1 – распределительный вал; 2 – кулачок; 3 – ролик толкателя; 4 – толкатель; 5 – корпус толкателей; 6 – штанга толкателя; 7 – защитный кожух; 8 – резиновая втулка; 9 – крышка цилиндра; 10 – стойка; 11- клапанная коробка;12–болт- толкатель; 13 – крышка клапанной коробки; 14 – коромысло; 15 – ось; 16, 20, 21 – пружины; 17 – ударник; 18 – траверса; 19 – боек; 22 – направляющий палец; 23 - клапаны Клапан, как орган газораспределения, применяется во всех типах четырехтактных тепловозных дизелей (Д50, Д49, Д70, 1Д80, М750 и др.), а также и в некоторых двухтактных дизелях (11Д45, 14Д40), имеющих прямоточно-клапанную продувку. Конструктивно, распределительные валы могут быть выполнены заодно с кулачками (Д50, 11Д45, 14Д40, М756 и др.) или иметь съемные кулачки (Д49, Д56). Кулачки на распределительном вале располагаются в соответствие с порядком работы цилиндров, установленном для данного двигателя. Профиль кулачка обусловливает моменты открытия и закрытия клапана. При выборе профиля учитываются необходимость обеспечения: плавного перемещения и безударной посадки клапана; величины максимально допустимых сил инерции; максимальной полноты диаграммы перемещения клапана при высокой надежности механизма, технологичности профиля и приемлемых размерах клапанных пружин. В современных ДВС применяются кулачки с выпуклым, тангенциальным и вогнутым профилями. Находят применение также безударные кулачки Курца и кулачки, построенные по методу “полидайн”. На рис. 1.3 представлен тангенциальный профиль кулачка привода клапана четырехтактного двигателя. Угол действия такого кулачка – α , а величина максимального перемещения толкателя клапана: Графическая зависимость величины перемещения клапана относительно угла поворота коленчатого вала ϕ называется диаграммой перемещения клапана. Рассмотрим диаграмму перемещения впускного и выпускного клапанов (рис. 1.4 Длительность открытия выпускного клапана (линия 1) в угловых градусах поворота коленчатого вала равна отрезку , а впускного (линия 2) – . Длительность открытия клапанов или других регулирующих органов называют фазами газораспределения. Как видно из рис. 1.4 длительность открытия клапанов четырехтактного ДВС превышает длительность одного такта и тем больше, чем выше степень наддува. 1 – перемещение выпускного клапана; 2 – перемещение впускного клапана Рис. 1.4. Диаграмма перемещения клапанов четырехтактного ДВС: Так как распределительный вал должен за один оборот обеспечить газообмен в цилиндрах за весь цикл в течение двух оборотов коленчатого вала, то угол действия соответствующего кулачка: или На рис. 1.4 обозначены углы открытия и закрытия клапанов. При этом: α 1 – угол предварения открытия впускного клапана до верхней мертвой точки (ВМТ); β 1 – угол запаздывания закрытия впускного клапана после нижней мертвой точки (НМТ); α 2 – угол предварения открытия выпускного клапана до НМТ; β 2 – угол запаздывания закрытия выпускного клапана после ВМТ. Длительность периода, когда одновременно, вблизи ВМТ, открыты и впускной и выпускной клапаны называется углом перекрытия у ВМТ Наличие этого периода способствует улучшению процесса наполнения цилиндра новым зарядом воздуха. В табл. 1.1 представлены значения фаз газораспределения некоторых современных тепловозных четырехтактных дизелей. Таблица 1.1 Фазы газораспределения некоторых тепловозных дизелей Дизель Впускной клапан Выпускной клапан Порядок работы цилиндров α 1 , 0 β 1 , 0 α 2 , 0 β 2 , 0 ПД1М Д50 80 35 70 52 69 54 1–3–5–6–4–2 K6S310DR 80 35 45 55 1–3–5–6–4–2 1Д6 20 48 48 20 1–5–3–6–2–4 1Д12Н 35 50 60 45 1л-6пр-5л-2пр-3л-4пр-6л-1пр-2л-5пр-4л- 3пр М750 50 56 56 50 1л-6пр-5л-2пр-3л-4пр-6л-1пр-2л-5пр-4л- 3пр Д70 64 46 49 61 1п-8л-6п-3л-7п-2л-4п-5л-8п-1л-3п-6л-2п- 7л- 5п-4л-1п Д49 57 28 59,5 40,5 1п-4л-5п-2л-7п-6л-3п-1л-8п-5л-4п-7л-2п- 3л- 6п-8л ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ НАГРУЗОЧНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ 2.1. Цель работы Экспериментальное подтверждение теоретических положений о характере изменения основных параметров двигателя по нагрузочной характеристике. Получение практических навыков по испытанию двигателя внутреннего сгорания и обработке экспериментальных данных. 2.2. Характеристики двигателей Локомотивные двигатели внутреннего сгорания (ДВС) должны обеспечивать работу силовой установки на переменных режимах в широком диапазоне от холостого хода до номинальной мощности при изменяющейся частоте вращения коленчатого вала двигателя. Характеристиками ДВС называют зависимости между различными параметрами двигателя на заданных режимах работы. Рис. 2.1. Характеристики двигателя: 1 – генераторная; 2 – внешняя; 2’ – частичная внешняя; 3 – винтовая; 4 – нагрузочная Основными величинами, характеризующими ДВС как источник энергии являются: эффективная мощность P e и частота вращения n. В этой системе координат (рис. 2.1) представлен ряд характеристик. Зависимости показателей работы двигателя от частоты вращения коленчатого вала называются скоростными характеристиками. Одной из таких характеристик является зависимость P e =f(n). Пределами изменения частоты вращения вала являются n min и n ном , т.е. минимальная и номинальная частота вращения. На тепловозах с электрической передачей зависимость P e =f(n) называется генераторной характеристикой. На рис. 2.1 она обозначена линией 1. В точке А, при номинальной частоте вращения n ном , показана величина номинальной мощности P e ном . В точке В достигается максимальная мощность при максимальной частоте вращения вала n max . Регулирование требуемой мощности ДВС при заданной частоте вращения вала производится за счет изменения подачи топлива. Скоростная характеристика, которая реализуется при постоянном положении органа управления подачей топлива, соответствующем номинальной мощности, называется внешней характеристикой (кривая 2). Пунктиром обозначена кривая частичной внешней характеристики (линия 2’), которая осуществляется при соответствующей постоянной подаче топлива, но меньшей по сравнению с номинальной. При работе дизеля с гидропередачей вид скоростной характеристики определяется наличием гидротрансформатора или гидромуфты. Когда двигатель передает мощность через гидротрансформатор, характеристика имеет вид кривой 3. Такая характеристика называется винтовой. При этом мощность изменяется по закону кубической параболы: , где Если при работе двигателя с гидропередачей мощность передается через гидромуфту, то двигатель работает по внешней характеристике или по частичным характеристикам, которые определяются положением контроллера машиниста. Такую же характеристику будет иметь двигатель с механической передачей (редуктором). Условия работы двигателя могут требовать изменения мощности при постоянной величине частоты вращения коленчатого вала. Такие характеристики носят название нагрузочных. На рис. 2.1 такая характеристика изображена линией 4. Рис 2.2. Нагрузочная характеристика дизеля 10Д100: зависимости давления наддува p s ; давления газов перед турбиной p т ; максимального давления сгорания, p z ; температуры наддувочного воздуха Т s ; температуры газов перед турбиной Т т ; механического КПД h м ; индикаторного КПД h i ; коэффициента избытка воздуха a ; часового расхода топлива В; удельного эффективного расхода топлива b е в зависимости от эффективной мощности дизеля P e На рис. 2.2, в качестве примера, показана нагрузочная характеристика тепловозного дизеля 10Д100. Характер изменения параметров других дизелей будет в большинстве случаев подобным. Следует обратить внимание на заметно выраженный минимум удельного эффективного расхода топлива и максимум эффективного КПД, который соответствует работе двигателя по экономической характеристике. Экономической характеристикой называют такую характеристику двигателя, при работе по которой достигается минимальный для всех частот вращения коленчатого вала удельный эффективный расход топлива. По мере понижения мощности происходит резкое повышение удельного расхода топлива или снижение эффективного КПД. Однако при работе двигателя на режиме холостого хода эффективная мощность не равна нулю. Приводимые в действие дизелем вспомогательные агрегаты отбирают значительную мощность. Так, на тепловозах 2ТЭ10В мощность вспомогательных агрегатов достигает 11% номинальной мощности. Поэтому удельный расход топлива при работе дизелей на холостом ходу в условиях тепловоза достигает, например, для дизеля 10Д100 1200 г/(кВт • ч). 2.3. Описание лабораторного стенда для определения нагрузочной характеристики Рис. 2.3. Схема лабораторного стенда: 1 – дизель; 2 – генератор; 3 – нагрузочно–рекуперативная установка; 4 – электрическая сеть Лабораторный стенд (рис. 2.3) включает ДВС 1, асинхронный генератор переменного тока 2, устройство рекуперации электрической энергии 3 в потребительскую сеть 4 и измерительную аппаратуру. По усмотрению преподавателя в качестве объекта испытаний может быть дизель 4VD (с воздушным охлаждением) или дизель 2С- T (с водяным охлаждением). При работающем двигателе, устройство рекуперации 3 позволяет плавно менять нагрузку на генератор 2, а значит и на двигатель, за счет управления величиной мощности, отдаваемой в сеть. Так как сеть лаборатории связана с городскими электрическими сетями, то изменять отдаваемую мощность можно в достаточно больших пределах, вплоть до максимальной мощности ДВС. К измерительной аппаратуре установки относятся: амперметр и вольтметр, установленные на рекуперативной установке 3 и позволяющие контролировать мощность установки; мерный бачок и секундомер для контроля за расходом топлива; тахометр для измерения частоты вращения коленчатого вала двигателя, термопары для измерения температуры отработавших газов. Дополнительно на исследуемом двигателе может быть установлена аппаратура для измерения других параметров работы двигателя. Так на двигателе 2С-Т установлены и могут быть использованы для измерений датчики температуры воды системы охлаждения, воздуха после компрессора, давления наддувочного воздуха. По мере развития лаборатории “Тепловые двигатели”, количество параметров двигателя, контролируемых при испытаниях двигателя по нагрузочной характеристике, а следовательно, и число приборов, может увеличиться. 2.4. Порядок выполнения работы При выполнении работы необходимо: 1. Изучить лабораторный стенд и технику использования контрольно-измерительных приборов. 2. Запустить оснащенный для испытаний дизель, вывести на режим 25% от номинальной нагрузки, прогреть его до стабилизации теплового состояния (с течением времени не изменяется температура охлаждающей воды и выпускных газов). Контроль за нагрузкой осуществлять по мощности двигателя, считая ее на этом этапе примерно равной мощности генератора. 3. Измерить: силу тока I , напряжение U, расход топлива B оп за время опыта , температуру выпускных газов t ух , температуру охлаждающей воды t cool 4. Измерения на каждом режиме повторить не менее 3-х раз, по результатам которых определить среднее арифметическое значение каждого параметра. 5. Повторить п. 2, 3, 4 при нагрузках 50%, 75%, 100% от номинальной. Частота вращения коленчатого вала должна оставаться неизменной. 6. Результаты испытаний занести в протокол (табл. 2.1). Таблица 2.1 Результаты измерений и расчетов Режим работы I, А U, В P e , кВт t cool , О С t ух , О С B оп , кг ,с b e , кг/(кВт ч) е 25% 100% 2.5. Обработка опытных данных Эффективная мощность на каждом режиме определяется по уравнению: кВт, (2.1) где – среднее значение силы тока на каждом режиме, А; – среднее значение напряжения на каждом режиме, В; – КПД генератора, Часовой расход топлива на каждом режиме находится по формуле , кг/ч , (2.2) где – расход топлива, кг за время опыта , с. Удельный эффективный расход топлива определяется равенством , кг/(кВт • ч) . (2.3) Эффективный кпд двигателя может быть найден как отношение работы, совершаемой двигателем в течение часа к количеству теплоты, которая выделяется при полном сгорании топлива в течение того же времени: , (2.4) где – низшая теплота сгорания топлива. Для дизельного топлива кДж/кг. Полученные в результате измерений и расчетов характеристики представляются в виде графиков. |