Газораспределительный механизм дизеля. Методические указания на выполнение лабораторных работ Часть 1 Хабаровск 2000 Рецензент Доцент кафедры "Тепловозы и тепловые двигатели"
 Скачать 1.7 Mb.
|
|
2.3. РАСЧЕТ ВНЕШНЕГО ТЕПЛОВОГО БАЛАНСА Внешним тепловым балансом ДВС является распределение общего количества теплоты, внесенной в цилиндр на основные составляющие, на которые расходуется подводимая теплота. Обозначим общее количество теплоты, внесенной в цилиндр за час, , а сумму расходных составляющих , тогда уравнение внешнего теплового баланса будет иметь вид (2.1) или , (2.2) где – общее количество располагаемой теплоты топлива; – количество физической теплоты, внесенной топливом в цилиндр; – количество физической теплоты, внесенной воздухом; – количество теплоты, преобразованной в эффективную мощность дизеля. При проведении лабораторной работы величинами и можно пренебречь ввиду их малости: , (2.3) где В – часовой расход топлива, кг/ч; Н и – теплота сгорания дизельного топлива, Н и = 42700 кДж/кг; , (2.4) где – эффективная мощность дизеля, кВт. Во время испытаний , кВт, определяется по выходным параметрам генератора, который приводится в действие дизелем: , (2.5) где I – сила тока, А; V – напряжение, В; = 0,9 – КПД генератора. – количество теплоты, которое уносится выпускными газами: , (2.6) где – количество выпускных газов, кг/ч; – теплоемкость выпускных газов, кДж/кг • ° С; – температура выпускных газов, ° С. Для расчетов можно принять ≅ 1,05–1,08 кДж/кг • ° С. Количество выпускных газов можно определить по уравнению (2.7) или , (2.8) где – количество воздуха, поступившего в цилиндр дизеля; – коэффициент избытка воздуха или воздушно-топливное отношение, = 1,7; – коэффициент продувки, = 1,05 – 1,15; – молекулярная масса выпускных газов воздуха, = 28,95 кг/кмоль; – теоретически необходимое количество воздуха для полного сгорания 1 кг топлива. Для дизельного топлива, имеющего следующий элементарный состав: С = 0,87; Н 2 = 0,126; О = 0,004, величина = 0,5 кмоль/кг. может быть определено экспериментально с использованием расходомерного устройства. – количество теплоты, уносимое охлаждающей водой: , (2.9) где – количество охлаждающей воды, кг; – теплоемкость охлаждающей воды, кДж/кг • ° С, = 4,2 кДж/кг • ° С; , – температура охлаждающей воды соответственно на входе и выходе из дизеля. – остаточный член управления типового баланса, включающий неучтенные в эксперименте потери теплоты: 2.4. ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ Время проведения испытаний , устанавливается преподавателем. Для записи показателей измерительных приборов и других операций составляют табл. 2.1. аблица2.1 Результаты измерений № замера , кг , кг , С , С I, А V, В , С , кВт , кг/ч 1 2 3 4 5 6 7 среднее значение Для подсчета часового расхода, кг/ч, используется выражение , (2.10) где – расход топлива за время в минутах. Аналогично рассчитывается После выполнения расчетов, указанных в п. 2.4, уравнение теплового баланса можно представить в таком виде: , (2.11) , (2.12) , (2.13) где – относительная доля теплоты, перешедшая в эффективную мощность, , т.е. это есть эффективный КПД; – относительная доля теплоты, унесенная выпускными газами; – относительная доля теплоты, перешедшая в охлаждающую воду; – относительная доля невязки баланса. На основе анализа полученных данных после выполнения лабораторной работы необходимо сравнить их с данными современных тепловозных дизелей. 2.5. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Что называется внешним тепловым балансом? 2. Какие составные части теплового баланса вы знаете? 3. В каких пределах измеряется относительная доля теплоты, уносимая выпускными газами? 4. Чему равен эффективный КПД дизеля? 5. Чему равна относительная доля теплоты, уносимая охлаждающей водой? 6. Чему равна теплота сгорания дизельного топлива? 7. Какие величины измеряются при проведении лабораторной работы? 8. Как подсчитать количество теплоты, вносимой в цилиндр топливом? 9. Как определить мощность дизеля? 10. Как подсчитать количество теплоты, уносимой выпускными газами? 11. Как подсчитать теплоту, уносимую охлаждающей водой? 3. Лабораторная работа № 3 ОПРЕДЕЛЕНИЕ УГЛА ОПЕРЕЖЕНИЯ ПОДАЧИ ТОПЛИВА 3.1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ Изучение принципов регулирования угла опережения подачи топлива, методов определения этой характеристики в эксплуатации. 3.2. ПРИНЦИПЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ УГЛА ОПЕРЕЖЕНИЯ ПОДАЧИ ТОПЛИВА Угол опережения подачи топлива (УОПТ) является одной из важнейших регулировочных характеристик дизеля. Своевременность подачи топлива в цилиндры двигателя во многом определяет качественные и количественные параметры рабочего процесса дизеля в целом. Для понимания принципов регулирования УОПТ рассмотрим упрощенно процесс топливоподачи насосом высокого давления (рис. 3.1). При работе секции насоса плунжер 4 вместе с толкателем 2 совершает возвратно-поступательное движение под действием вращающегося кулачка 1 и пружины 6. При движении плунжера вниз топливо через канал А во втулке заполняет надплунжерное пространство. В начале движения плунжера вверх плунжер вытесняет часть топлива через впускное отверстие втулки в питательный канал. Геометрический момент начала подачи топлива, соответствующий так называемому геометрическому УОПТ, определяется моментом перекрытия впускного отверстия А втулки верхней кромкой плунжера. С этого момента при дальнейшем движении плунжера вверх происходит сжатие топлива в надплунжерной полости, а при достижении давления, при котором открывается нагнетательный клапан, также и в полостях трубопровода высокого давления, и в форсунке. В цилиндр топливо поступит только после подъема иглы форсунки. Этот момент называют действительной подачей топлива, а УОПТ соответственно действительным или фактическим УОПТ. Рис. 3.1. Схема топливного насоса: А – питательный канал; 1 – кулачок; 2 – ролик толкателя; 3 – толкатель; 4 – плунжер; 5 – пружина нагнетательного клапана; 6 – возвратная пружина плунжера Воздействовать на величину геометрического момента начала подачи топлива можно двумя основными направлениями. Во-первых, поворотом кулачкового вала топливного насоса относительно верхней мертвой точки (ВМТ) в цилиндре. Как правило, такая возможность имеется у большинства типов дизелей за счет взаимного смещения полумуфт привода топливного насоса или изменением сцепления зубчатых колес передачи от коленчатого вала к кулачковому. Вращая полумуфты относительно друг друга, можно изменить УОПТ в значительных пределах. Такую регулировку выполняют обычно при установке топливного насоса на дизель после замены или ремонта, а в эксплуатации к такой регулировке прибегают редко. Во-вторых, изменить момент перекрытия плунжером отверстия А (см. рис. 3.1) можно, если конструктивно предусмотреть возможность изменения расстояния h, при этом обеспечивается большая точность и "плавность" изменения УОПТ. Это достигается или установкой регулировочных прокладок между толкателем и плунжером (рис. 3.2, б), или наличием в конструкции толкателя регулировочного винта (рис. 3.2, а). Рис. 3.2. Фрагмент конструкции топливного насоса: а – с резьбовой регулировкой (дизель 11Д45); б – с регулировкой прокладками (Д70); 1 – кулачок; 2 – ролик толкателя; 3 – толкатель; 4 – регулировочный винт; 5 – тарелка пружины; 6 – хвостовик плунжера; 7 – регулировочные прокладки Кроме того, в малой степени на момент начала подачи топлива можно повлиять еще и изменением затяжки пружины нагнетательного клапана насоса или возвратной пружины форсунки. Однако назначение этих элементов топливной аппаратуры иное: нагнетательный клапан должен разобщать полости форсунки и насоса в промежутки между впрысками, а пружина форсунки предназначена для регулировки давления топлива в момент впрыска. От величины давления начала подачи топлива зависит качество распыления топлива и последующего смесеобразования в цилиндре. 3.3. МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УОПТ Определение геометрического момента начала подачи топлива осуществляют с помощью простого устройства - моментоскопа (рис. 3.3). Моментоскоп устанавливают на регулируемом насосе (секции насоса), проворачивают вал дизеля с помощью валоповоротного устройства до заполнения стеклянной трубки топливом, примерно на половину ее рабочей высоты. Далее медленно поворачивают коленчатый вал двигателя. В момент начала подачи топлива в этой трубке будет хорошо видно движение мениска топлива вверх. По градуированному диску определяют угол, при котором происходит начало подачи топлива. Определение момента начала подачи следует произвести два-три раза. Опытный регулировщик может установить этот угол с точностью до 1°. Описанный метод часто называют способом определения УОПТ "по мениску". Преимущества этого метода - простота устройств, универсальность, наглядность. Недостатки - необходимость частичной разборки топливной системы, трудоемкость, сравнительно невысокая точность. Рис. 3.3. Моментоскоп: 1 – штуцер насоса; 2 – пружина нагнетательного клапана; 3 – наконечник; 4 – нажимное кольцо; 5 – стеклянная трубка; 6 – резиновая трубка Среди методов определения фактического (действительного) УОПТ наибольшее распространение на железнодорожном транспорте получил метод, основанный на измерении начала перемещения иглы форсунки. Требуемое оборудование включает: специализированный компьютер, датчик угла поворота коленчатого вала, датчик перемещения иглы форсунки, блоки питания и сопряжения сигналов. В качестве датчика хода иглы форсунки применяют магнитоиндукционный преобразователь, который закрепляют на форсунке таким образом, чтобы его подвижная часть (сердечник катушки) при работе форсунки двигалась вместе с иглой. Следует отметить, что среди тепловозных дизелей только топливная аппаратура дизеля 10Д100 позволяет применить подобные датчики без переделки конструкции форсунки. Согласуя сигналы с датчика угла поворота коленчатого вала и магнитоиндукционного датчика, получают диаграмму вида, подобного диаграмме рис. 3.4. Рис. 3.4. Диаграмма хода иглы форсунки По диаграмме легко определяются моменты начала подъема иглы форсунки (т. Ф) и посадки иглы в седло (т. К), продолжительность подачи топлива, ход иглы h и ряд других важных характеристик топливоподачи. Наряду с высокой дополнительной информативностью такого способа определения УОПТ, к достоинствам последнего следует отнести точность и достовер-ность измерений, а к недостаткам - сложность оборудования, значительные затраты времени на оснащение дизеля датчиками, неуниверсальность. Существует способ определения действительного УОПТ, основанный на анализе кривой давления в нагнетательном топливопроводе (рис. 3.5). Получить такую диаграмму можно, установив в трубке высокого давления (ближе к форсунке) датчик давления. Рис. 3.5. Диаграмма давления топлива перед форсункой Повышение давления на участке, предшествующему Н, соответствует началу подачи топлива насосом, а сам участок Н обычно связывают с открытием нагнетательного клапана и началом формирования волны давления на участке "ТНВД - форсунка". Дальнейшее повышение давления топлива вызвано продолжающимся движением плунжера ТНВД вверх. Падение давления после т. Ф обусловлено начавшимся движением иглы форсунки вверх, а следовательно, расходом топлива через сопла форсунки. На последующих участках возможно некоторое повышение давления топлива (в данном случае оно значительно), что связано с продолжающейся со стороны ТНВД подачей топлива. Как правило, такая картина наблюдается на режимах большой производительности насоса. Прекращение подачи топлива насосом (отсечка) характеризуется резким снижением давления. Минимум первой полуволны на этом участке (т. К) соответствует посадке иглы на место (завершение подачи топлива). Наряду с действительным УОПТ, по диаграмме давления можно судить еще о целом ряде диагностических характеристик топливной аппаратуры: величине давления начала подачи топлива, плотности запорного конуса форсунки, цикловой подаче и др. Существенным недостатком такого метода следует признать необходимость изменения длины и объема нагнетательного топливопровода, что может исказить процесс топливоподачи. Кроме того, установка датчика давления в топливопровод требует значительных дополнительных затрат времени. Необходимо отметить, что существуют устройства для измерения давления жидкости "через стенки трубопровода". Хотя их применение и приведет к некоторому удорожанию оборудования, зато указанные выше недостатки могут быть устранены. Наиболее полно требованию удобства установки на двигатель измерительного оборудования отвечает способ измерения УОПТ по виброграмме (рис. 3.6). Датчик (акселерометр) закрепляют на корпусе форсунки или на нагнетательном трубопроводе c помощью магнитного крепления или пружинного зажима. Рис. 3.6. Виброграмма эталонной форсунки дизеля 10Д100 Реализация сигнала, показанная на рис. 3.6, содержит три характерных участка. Передний фронт первого импульса соответствует удару иглы об ограничитель (Ф), второго - удару иглы при посадке о седло (К). Эти импульсы отличаются высокой амплитудой и частотой сигнала. Участок между ними содержит низкочастотные колебания, вызванные гидродинамическими явлениями, сопровождающими подачу топлива в цилиндр двигателя. В качестве недостатка применения данного метода для определения УОПТ следует указать наличие существенных виброакустических помех, сопровождающих работу многоцилиндрового дизеля, что усложняет анализ реальных виброграмм. Однако применение компьютера для обработки вибросигнала может устранить указанный недостаток. Следует отметить, что в точности этот метод несколько уступает методам, описанным выше. Главным преимуществом можно считать универсальность: измерительное оборудование одинаково хорошо работает с любыми форсунками закрытого типа. 3.4. ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЙ И ОБОРУДОВАНИЕ 1. Дизель 1Ч8,5/11,5. 2. Моментоскоп. 3. Измерительный комплекс "Вектор". 3.5. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ 1. Изучить способы регулировки и определения УОПТ. 2. Определить величину геометрического УОПТ с помощью моментоско-па. Измерения выполнить не менее трех раз. Результаты занести в табл. 3.1. 3. С помощью компьютерного измерительного комплекса "Вектор" опре-делить диаграмму давления топлива перед форсункой. 4. По распечатанной диаграмме давления топлива определить действи-тельный УОПТ. Результат занести в табл. 3.1. 5. В выводе работы сопоставить величины геометрического и действи-тельного УОПТ, объяснить их расхождение. Таблица 3.1 Результаты измерений УОПТ Геометрический УОПТ Действительный УОПТ № опыта отметка на диске УОПТ, о среднее значение, о УОПТ, о среднее значение, о 1 2 3 4 3.6. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. В чем различие между действительным и геометрическим углом опережения подачи топлива? 2. Каким образом можно изменить величину УОПТ дизеля? 3. Принцип определения УОПТ по "мениску". 4. Принципы определения действительного УОПТ. 5. В чем заключаются основные недостатки и преимущества используемых в настоящей работе способов определения УОПТ? 6. Какой из рассмотренных способов определения УОПТ вам представляется наиболее подходящим для условий депо или завода? 4. Лабораторная работа № 4 ВЛИЯНИЕ УГЛА ОПЕРЕЖЕНИЯ ПОДАЧИ ТОПЛИВА НА ПОКАЗАТЕЛИ РАБОТЫ ДИЗЕЛЯ 4.2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ Для выявления механизмов влияния угла опережения подачи топлива на показатели работы дизеля выполним анализ процесса сгорания по индикаторной диаграмме. Традиционно различают четыре фазы сгорания топлива в цилиндре дизеля (рис. 4.1). Первая фаза I - задержка самовоспламенения топлива. Длительность фазы определяется от момента начала подъема иглы форсунки (т. 1) до начала сгорания (т. 2) и зависит от ряда условий. Решающее значение оказывают состояние рабочего тела в цилиндре в момент начала подачи топлива (прежде всего температура) и свойства топлива (цетановое число). Рис. 4.1. Фазы сгорания: p – кривая давления в цилиндре; T – кривая температуры; ϕ оп – УОПТ Вторая фаза II - фаза быстрого сгорания. Границей этой фазы принято считать момент достижения максимального давления в цилиндре двигателя (т.3). В течение этой фазы сгорает большая часть топлива, накопившегося за период задержки самовоспламенения. Скорость повышения давления, определяющая жесткость сгорания, во многом зависит от количества топлива, поданного в цилиндр в первой фазе: чем больше это количество, тем выше скорость нарастания давления, выше жесткость работы дизеля. С другой стороны, на жесткость процесса сгорания оказывает влияние и момент начала сгорания топлива (абсцисса точки 2). Третья фаза III - основное сгорание. Начало третьей фазы определяется положением максимума давления (т. 3), а конец - положением максимума температуры газов в цилиндре (т. 4). При высоких температурах, достигаемых в третьей фазе, преобладающее влияние на сгорание оказывают продолжающиеся процессы смесеобразования, в частности диффузия (перемешивание топлива с воздухом). Поэтому длительность третьего периода сгорания в основном определяется степенью совершенства подвода воздуха к топливу и продуктам его частичного окисления. Четвертая фаза IV - догорание топлива и продуктов его неполного окис- ления. Начало этой фазы приходится на момент максимума температуры в цилиндре (т. 4), конец (т. 5) - на момент максимума кривой тепловыделения (кривая не показана). Период характеризуется отсутствием подачи свежего топлива в цилиндр, увеличением скорости поршня. Количество неиспользованного воздуха в цилиндре к этому моменту невелико, поэтому догорание топлива происходит сравнительно медленно. Теплота, выделяющаяся в этот период, используется малоэффективно, так как степени расширения газа на этой части хода поршня малы. Регулируя УОПТ, можно воздействовать на протекание рабочего процес-са в цилиндрах двигателя. Рис. 4.2. Индикаторные диаграммы: 1 – нормальный УОПТ ( ϕ оп1 ); 2 – ранний впрыск ( ϕ оп2 ) |