Газораспределительный механизм дизеля. Методические указания на выполнение лабораторных работ Часть 1 Хабаровск 2000 Рецензент Доцент кафедры "Тепловозы и тепловые двигатели"
 Скачать 1.7 Mb.
|
|
2.6. Контрольные вопросы 1. Какие типы характеристик ДВС вы знаете? 2. Что называют нагрузочной характеристикой? 3. Какой параметр неизменен при определении нагрузочной характеристики? 4. Какой параметр неизменен при определении внешней характеристики? 5. По каким характеристикам работают дизели с приводом на гидротрансформатор, гидромуфту? 6. Какая характеристика называется генераторной (тепловозной)? 7. Что называется эффективной мощностью? 8. Как экспериментально найти удельный эффективный расход топлива? Что показывает эта величина? 9. Что называют эффективным коэффициентом полезного действия? ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИНДИКАТОРНЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЯ 3.1. Цель работы Познакомиться с принципами работы оборудования для определения индикаторной диаграммы двигателя, анализа и обработки экспериментальных индикаторных диаграмм. Определить среднее индикаторное давление, индикаторную мощность, индикаторный КПД двигателя, удельный индикаторный расход топлива, механический КПД двигателя. 3.2. Объект исследований и оборудование По усмотрению преподавателя объектом исследований является один из действующих дизелей лаборатории “Тепловые двигатели”. Двигатель должен быть предварительно оснащен датчиком давления в цилиндре и датчиком угла поворота коленчатого вала. Опытное определение индикаторной диаграммы может быть выполнено с помощью специального стенда “Вектор”, разработанного на кафедре “Тепловозы и тепловые двигатели” ДВГУПС. Структурная схема стенда приведена на рис. 3.1. Рис. 3.1. Структурная схема лабораторного стенда: 1 – датчик угла поворота; 2 – диск с прорезями; 3 – датчик давления; 4 – блок преобразования; 5 – блок питания и первичного преобразования; 6 – компьютер IBM-PC-AT с платой АЦП Рабочая полость датчика давления 3 должна быть сообщена с камерой сгорания двигателя. Для двигателя с предкамерой можно установить датчик вместо свечи накаливания, как это показано на схеме. Электрический сигнал с датчика давления, пропорциональный величине давления в его рабочей полости, усиливается в усилителе блока питания и преобразования 5 и передается по кабельной системе к блоку 4, где приводится к стандартному уровню 0 5 В, оцифровывается в аналого-цифровом преобразователе (АЦП) и может быть программно обработан необходимым образом. Оптоэлектрический датчик угла поворота состоит из двух частей: подвижной части – диск 2 с 60-ю равномерно распределенными по окружности прорезями, причем, 59 прорезей равной длины, а 60-я – “характерная” – длиннее; неподвижной части – собственно датчик 1. Диск с прорезями жестко закреплен на коленчатом валу двигателя так, чтобы положение “характерной” прорези совпадало или отклонялось на известное число градусов относительно верхней мертвой точки (ВМТ) одного из цилиндров двигателя. В корпусе датчика 1 находятся две оптоэлектрические пары, с помощью которых можно регистрировать как полный оборот диска, так и его поворот на 1/60 полного оборота, т.е. на 6 градусов угла поворота. Сигналы с датчика угла поворота преобразуются в стандартные сигналы прямоугольной формы и через цифровой вход АЦП передаются в компьютер. Опрос всех датчиков осуществляется одновременно, поэтому, для любого измеренного давления известно и положение коленчатого вала относительно ВМТ исследуемого цилиндра. 3.3. Анализ индикаторной диаграммы Зависимость давления в цилиндре двигателя относительно угла поворота коленчатого вала, сориентированная относительно ВМТ называется развернутой индикаторной диаграммой (линии 1 и 2 на рис. 3.2). Обработав индикаторную диаграмму соответствующим образом можно получить ряд характеристик двигателя, описывающих протекание его рабочего процесса. Программное обеспечение стенда “Вектор” позволяет представить развернутую индикаторную диаграмму цилиндра двигателя в виде графика (рис 3.2) или таблично с интервалом между соседними точками – 0,5 о по углу поворота коленчатого вала. Рис. 3.2. Зависимости от угла поворота коленчатого вала: 1 – давления сгорания; 2 – давления сжатия – расширения (без подачи топлива в цилиндр); 3 – скорости изменения давления dp/d ϕ Одним из основных индикаторных показателей работы двигателя является среднее индикаторное давление, характеризующее производительность цикла. Средним индикаторным давлением называют такое условное, постоянное по величине, избыточное давление, которое, действуя на поршень, совершает работу за один его ход от ВМТ к НМТ, равную работе газа за рабочий цикл. Зная значения давления в реальном цикле в зависимости от угла поворота коленчатого вала, можно рассчитать среднее индикаторное давление по формуле трапеций: , (3.1) где – изменение объема, соответствующее повороту коленчатого вала между соседними точками; – давление в j-й точке; – рабочий объем двигателя; – число интервалов, на которое “разбита” индикаторная диаграмма. Для расчета используются кинематические зависимости, связывающие угол поворота коленчатого вала ϕ j с текущим объемом цилиндра V j и текущим ходом поршня S j : , (3.2) где D – диаметр цилиндра; ε – степень сжатия; , (3.3) где (3.4) Индикаторная мощность двигателя является функцией среднего индикаторного давления, рабочего объема цилиндра, числа цилиндров i , тактности τ и частоты вращения коленчатого вала n (мин -1 ): , кВт. (3.5) Индикаторным КПД двигателя называется отношение индикаторной работы к теплоте, затраченной на получение этой работы. Так как индикаторная мощность двигателя и есть индикаторная работа в единицу времени (1 с), то индикаторный КПД может быть найден как , (3.6) где – низшая рабочая теплота сгорания топлива; для дизельного топлива =42700 кДж/кг; – часовой расход топлива. Таким образом, индикаторный КПД характеризует экономичность цикла. Другим показателем экономичности действительных циклов является удельный индикаторный расход топлива, равный частному от деления часового расход топлива на индикаторную мощность: (3.7) Если при индицировании двигателя дополнительно измерять эффективную мощность двигателя, то можно рассчитать механический КПД двигателя, представляющий собой отношение эффективной работы, совершаемой двигателем, к работе, выполняемой газами в цилиндре (индикаторной): (3.8) В табл. 3.1 приведены некоторые индикаторные показатели современных двигателей на номинальных режимах их работы. Таблица 3.1 Индикаторные показатели для различных двигателей Показатель Двигатель p mi , МПа η i b i , г(кВт • ч) Карбюраторные без наддува 0,4 .... 1,2 0,25 .... 0,40 205 .... 330 с наддувом 0,9 .... 1,9 Дизели четырехтактные без наддува 0,75 .... 1,2 0,39 .... 0,49 175 .... 220 с наддувом 1,4 .... 3,0 0,45 .... 0,55 150 .... 190 Дизели двухтактные без наддува 0,6 .... 0,8 0,39 .... 0,53 162 .... 220 с наддувом 0,9 .... 1,4 0,45 .... 0,55 150 .... 190 Дизели тепловозные 10Д100 1,14 0,466 182 12Д70 1,42 0,476 179 3.4. Порядок выполнения работы При выполнение лабораторной работы необходимо: 1. Двигатель прогреть и вывести на режим, по возможности близкий к номинальному. 2. На установившемся режиме работы двигателя произвести измерение расхода топлива (в течение не менее 2 мин); показаний амперметра и вольтметра нагрузочного устройства (если нагрузкой является генератор). 3. Произвести индицирование цилиндра двигателя, согласно порядка, предусмотренного программным обеспечением стенда “Вектор”. Результаты индицирования распечатать на принтере и приложить к отчету. 4.6. Контрольные вопросы 1. Какие свойства топлива характеризует цетановое число? 2. В каких пределах может изменяться цетановое число? 3. Как влияет цетановое число на технико-экономические показатели работы дизеля? 4. Какие требования предъявляются к моторным установкам для определения цетанового числа? 5. В чем заключается суть метода “совпадения сжатия вспышек”? 6. Какие преимущества и недостатки, в сравнении со стандартным методом, дает приближенный метод определения цетанового числа топлива? СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Двигатели внутреннего сгорания (тепловозные дизели и газотурбинные установки) / А.Э. Симсон, А.З. Хомич, А.А. Куриц и др. – М., Транспорт, 1987.– 536 с. 2. Двигатели внутреннего сгорания. Устройство и работа поршневых и комбинированных двигателей / Под ред. А.С. Орлина и М.Г. Круглова.– М.: Машиностроение, 1990.– 288 с. 3. Володин А.И. Локомотивные двигатели внутреннего сгорания. – М.: Транспорт, 1978.– 239 с. 4. Тепловозные двигатели внутреннего сгорания и газовые турбины / Н.М. Глаголев, А.А. Куриц, В.В. Водолаженко и др.– М.: Транспорт, 1973. – 335 с. 5. Школьников В.М.Товарные нефтепродукты. Свойства и применение. Справочник. – М.: Химия, 1978. ЛОКОМОТИВНЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ Методические указания на выполнение лабораторных работ Часть 2 Хабаровск 2001 Рецензент: Доцент кафедры "Тепловозы и тепловые двигатели" Дальневосточного государственного университета путей сообщения В.В. Литвинчук Погребинский З.Б., Коньков А.Ю. Локомотивные энергетические установки: Методические указания на выполнение лабораторных работ. Часть 2. - Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2001. - 35 с.: ил. В методических указаниях приведены сведения, необходимые для выполнения лабораторных работ по курсу "Локомотивные энергетические установки". Во вторую часть указаний включены работы, связанные с особенностями конструкции, регулировкой и эксплуатацией топливной аппаратуры тепловозных дизелей. Методические указания предназначены для студентов специальности "Локомотивы" всех форм обучения. Издательство Дальневосточного государственного университета путей сообщения (ДВГУПС), 2001 СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ 1. Лабораторная работа № 1 ТОПЛИВНАЯ АППАРАТУРА ТЕПЛОВОЗНЫХ ДИЗЕЛЕЙ 1.1. Цель работы 1.2. Топливные системы тепловозов 1.2.1. Принцип работы топливного насоса высокого давления 1.2.2. Конструкция ТНВД дизеля Д50 1.2.3. Конструкция ТНВД дизеля 10Д100 1.2.4. Конструкция и принцип работы форсунок дизелей типа Д100 и Д50 1.2.5. Конструкция форсунки дизеля 10Д100 1.2.6. Конструкция форсунки дизеля Д50 2. Лабораторная работа № 2 ВНЕШНИЙ ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ 2.1. Цель работы 2.2. Внешний тепловой баланс двигателя внутреннего сгорания 2.3. Расчет внешнего теплового баланса 2.4. Порядок проведения лабораторной работы 2.5. Контрольные вопросы 3. Лабораторная работа № 3 ОПРЕДЕЛЕНИЕ УГЛА ОПЕРЕЖЕНИЯ ПОДАЧИ ТОПЛИВА 3.1. Цель работы 3.2. Принципы регулирования угла опережения подачи топлива 3.3. Методы определения УОПТ 3.4. Объект исследований и оборудование 3.5. Порядок выполнения работы 3.6. Контрольные вопросы 4. Лабораторная работа № 4 ВЛИЯНИЕ УГЛА ОПЕРЕЖЕНИЯ ПОДАЧИ ТОПЛИВА НА ПОКАЗАТЕЛИ РАБОТЫ ДИЗЕЛЯ 4.1. Цель работы 4.2. Теоретические сведения 4.3. Объект исследований и оборудование 4.4. Порядок выполнения работы 4.5. Контрольные вопросы СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ВВЕДЕНИЕ В методических указаниях изложены вопросы конструкции, принципы действия, регулировки элементов топливной аппаратуры тепловозных дизелей: топливных насосов высокого давления, форсунок. Особое внимание уделяется методам определения и регулирования углов опережения подачи топлива, производительности насосов - важнейших эксплуатационных регулировок дизелей. Раскрыты механизмы влияния этих характеристик на рабочий процесс двигателя внутреннего сгорания. В методических указаниях на выполнение лабораторных работ по ЛЭУ дается необходимый теоретический материал, расширяющий представления студентов о соответствующих разделах учебной дисциплины. Приведен достаточный справочный материал и необходимый объем аналитических выражений для обработки опытных данных и анализа результатов экспериментов. 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". 1. Лабораторная работа № 1 ТОПЛИВНАЯ АППАРАТУРА ТЕПЛОВОЗНЫХ ДИЗЕЛЕЙ 1.1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ Изучение требований, предъявляемых к топливной системе дизелей, конструкций и принципов работы основных устройств топливной аппаратуры и методов регулирования подачи топлива в цилиндр. 1.2. ТОПЛИВНЫЕ СИСТЕМЫ ТЕПЛОВОЗОВ Топливная система тепловозов служит для подачи топлива к форсункам тепловозного дизеля. Она должна обеспечивать: - запас топлива для пробега поездных тепловозов на расстояние 800-1300 км и маневровых для работы в течение 8-15 суток; - хорошую фильтрацию топлива; - подогрев топлива в холодное время года до t т = 35-55 °С; - избыточное давление в топливной системе, которое достигается увеличенной производительностью топливоподкачивающего насоса (ТПН) относительно потребностей дизеля (коэффициент циркуляции 2-3 ед.); - аварийную работу дизеля в случае отказа ТПН, при которой обеспечивается примерно 50 % номинальной мощности дизеля; - устойчивую работу дизеля при минимальной частоте вращения коленчатого вала; - точную дозировку цикловых подач топлива в цилиндр; - оптимальное давление впрыска топлива в цилиндр; - впрыск цикловой подачи в нужный момент; - оптимальный закон подачи для заданных условий смесеобразования, воспламенения и сгорания топлива. Топливные системы дизелей типа Д100 и Д50 относятся к системам непосредственного впрыска с механическим приводом, широко используемым в отечественных и зарубежных дизелях. Основными элементами топливной системы являются насосы высокого давления, форсунки, фильтры, нагнетательные трубопроводы, топливный бак, ТПН. 1.2.1. Принцип работы топливного насоса высокого давления Рассмотрим принцип действия топливного насоса высокого давления (ТНВД), принципиальная схема которого представлена на рис. 1.1. Внутри неподвижной гильзы помещен подвижный плунжер. Плунжер - это поршень, длина которого значительно превышает диаметр. Вместе эти детали - гильза и плунжер - образуют плунжерную пару. Плунжер подобран к гильзе или притерт к его стенкам так плотно, что утечки топлива между ними почти не происходит. Зазор между плунжером и гильзой не превышает обычно 1,5-4 мкм. Трубопровод, подходящий к окну А гильзы, всегда заполнен топливом. Когда плунжер находится в нижнем положении, топливо через окно А заполняет пространство над плунжером (рис. 1.1, а). При вращении кулачкового вала привода топливного насоса кулачок набегает на ролик толкателя (рис. 1.1, б), плунжер начинает двигаться вверх и верхней кромкой постепенно закрывает окно А. При этом нагнетательный клапан, прижатый к своему седлу пружиной, испытывает снизу давление топлива, вытесняемого плунжером, а сверху - усилие пружины и давление топлива, оставшегося в трубопроводе. Пока усилие на клапан, создаваемое давлением топлива, меньше усилия, создаваемого пружиной, клапан закрыт и часть топлива, не имея другого выхода, устремится из надплунжерного пространства обратно в окно А (рис. 1.1, б). Когда плунжер кромкой a полностью закроет окно А (рис. 1.1, в), вытекание топлива через него прекратится. Примерно с этого момента при продолжающемся ходе плунжера вверх начнется нагнетание: давление топлива преодолеет усилие пружины нагнетательного клапана, он откроется, и топливо будет через трубопровод поступать в форсунку до тех пор, пока плунжер не достигнет своего крайнего положения (рис. 1.1, г). Когда плунжер начинает двигаться вниз, прекращается подача топлива. Нагнетательный клапан под действием пружины снова садится на свое седло. Сбегая с выступа кулачка, ролик вместе с толкателем и плунжером возвращается в первоначальное положение (см. рис. 1.1, а). Рис. 1.1. Схема действия топливного насоса высокого давления Если бы дизель всегда работал только на постоянной мощности, то рассмотренный нами топливный насос вполне удовлетворял бы требованиям работы на дизеле, так как за один ход плунжера он подает одно и то же количество топлива, необходимое для получения нужной мощности. Количество топлива, подаваемого таким насосом, постоянно потому, что высота кулачка, а следовательно, и ход плунжера являются величинами постоянными, а начало и конец нагнетания топлива, определяемые ходом плунжера в процессе работы, как мы видим, при такой конструкции не могут быть изменены. Однако условия работы тепловоза требуют, чтобы мощность дизеля могла изменяться. Дизель должен быть приспособлен к переменному режиму работы локомотива. Мощность дизеля зависит от количества впрыскиваемого в цилиндры топлива. Чем больше топлива поступит в цилиндр во время рабочего хода, тем большую мощность будет развивать дизель. Поэтому нужно, чтобы топливный насос при необходимости позволял изменять количество топлива, подаваемого в течение одного хода плунжера в каждый из цилиндров дизеля соответственно его нагрузке. При номинальной мощности 2200 кВт и номинальной частоте вращения коленчатого вала 850 мин дизель 10Д100 расходует в среднем за час 495 кг топлива. Очевидно, что за один оборот вала (дизель двухтактный) расход топлива в каждый из цилиндров дизеля составит 0,97 г. Подача топлива в цилиндр одним насосом за один оборот вала будет вдвое меньше ( на каждый цилиндр установлены два топливных насоса), т.е. 0,485 г. При работе дизеля в режиме холостого вала и минимальной частоте вращения коленчатого вала n = 400 мин-1, подача топлива одним насосом может сократится до 0,055 г за цикл, т.е. почти в девять раз меньше, чем на режиме номинальной мощности. Рис. 1.2. Форма головки плунжера Каким же образом можно регулировать количество подаваемого топлива, не усложняя слишком конструкцию топливного насоса? Наиболее просто изменение подачи топлива в таком диапазоне решается путем изменения активного хода плунжера. Для этого в верхней части плунжера выполним поперечную кольцевую выточку (рис. 1.2, а), вертикальный сквозной паз и специальный косой срез со спиральной кромкой О. В результате головка плунжера примет вид, изображенный на рис. 1.2, в. Развертка рабочей поверхности головки плунжера (рис. 1.3) представляет собой прямоугольник, один угол которого срезан. Срез соответствует спиральной кромке О и является прямой линией cd. Рис. 1.3. Развертка головки плунжера Спиральная кромка О плунжера имеет большое значение, так как она является регулирующей. С ее помощью можно изменять количество топлива, подаваемого плунжером. Количество подаваемого топлива зависит от положения, которое занимает регулирующая кромка О относительно окна А (рис. 1.4) гильзы плунжера. Топливо начнет подаваться в тот момент, когда верхний торец плунжера перекроет окно А, а прекращение подачи соответствует моменту, когда плунжер, продолжая двигаться вверх, своей спиральной кромкой откроет это окно. Для того чтобы изменить величину подачи топлива насосом, нужно заставить плунжер повернуться на некоторый угол так, чтобы против окна оказался другой участок регулирующей кромки, т.е заставить плунжер участвовать одновременно в двух разных движениях: поступательном и вращательном (рис. 1.4). Рис. 1.4. Схемы различных положений плунжера в гильзе: а) нулевая подача; б) неполная подача; в) полная подача Поступательное движение плунжеру насоса сообщает кулачек (см. рис. 1.1). Поворот же его осуществляется с помощью специального механизма через выступ (поводок) плунжера. На рис. 1.4 показаны различные положения плунжера, соответствующие нулевой, частичной и полной подаче топлива плунжером. Вертикальный паз соединяет надплунжерное пространство с кольцевой выточкой, при этом топливо заполняет не только надплунжерное пространтво, но и вертикальный паз и кольцевую выточку. Если повернуть плунжер так, чтобы вертикальный паз расположился прямо против окна А в гильзе, то при движении плунжера вверх топливо будет перепускаться через окно А и не попадет в нагнетательный трубопровод. Для осуществления частичной подачи топлива плунжер поворачивают вокруг оси по часовой стрелке так, чтобы окно А было изолировано от вертикального паза (рис. 1.4, б). Топливо из надплунжерного устройства будет поступать в нагнетательный топливопровод только до момента, когда кромка О не откроет окно А. Плунжер при этом поднимается на величину h1, объем вытесненного в цилиндр топлива будет равен площади поперечного сечения плунжера, умноженной на расстояние h1. Дальнейшее движение плунжера вверх происходит вхолостую, так как вытесняемое топливо перепускается через окно А. Если плунжер повернуть на больший угол (рис. 1.4, в), то полезный ход его увеличится и станет равным h2. Соответственно увеличится и объем топлива, вытесненного плунжером и поданного через форсунку в цилиндр. Таким образом, каждому значению мощности дизеля соответствует определенное положение спиральной кромки О плунжера относительно окна гильзы. При увеличении мощности дизеля плунжер будет поворачиваться по часовой стрелке до нужной величины. Уменьшение нагрузки будет сопровождаться поворотом плунжера в обратном направлении. Чем больше угол, на который повернется плунжер по часовой стрелке, тем позднее спиральная кромка откроет окно А. Тем больше топлива будет подано плунжером за один ход и тем меньше топлива уйдет обратно через окно А. Итак, изменение величины подачи топлива производится поворотом плунжера. Практически для изменения подачи топлива от нуля до максиму-ма плунжер достаточно повернуть на 1/4 оборота. |