Pocazindic

Индикаторные показатели дизеля

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА ИНДИКАТОРНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ ДИЗЕЛЯ

Цель работы - по результатам индицирования рабочего процесса

дизеля определить основные индикаторные показатели дизеля. Необходимые теоретические сведения Индикаторная диаграмма показывает, как изменяется давление в

цилиндре двигателя за цикл. В качестве параметра фазы цикла может быть объём цилиндра V (рис.1а) или угол поворота коленчатого вала ϕ (рис. 1б). Такие индикаторные диаграммы называют, соответственно, свёрнутой индикаторной диаграммой и развернутой индикаторной диаграммой.

Рис.1 Индикаторные диаграммы дизеля 4Ч9/12,5: свёрнутая (а) и развернутая (б)

Если эффективные показатели позволяют оценить эффективность двигателя в целом, то по индикаторной диаграмме можно оценить качество протекания рабочего процесса в его цилиндрах. Площадь свёрнутой индикаторной диаграммы (в координатах pV) эквивалента работе действительного цикла или, говоря иначе, индикаторной работе Li. Наряду с индикаторной работой, к индикаторным показателям также относятся:

- среднее индикаторное давление pmi; - индикаторная мощность Ni; - удельный индикаторной расход топлива bi; - индикаторный к.п.д. ηi. Средним индикаторным давлением pmi называют такое условно

постоянное давление, которое бы воздействуя на поршень в течение одного его полного хода (такта) выполнило бы работу, равную

0 0,2 0,4 0,6 0,80

2

4

6

p, МПа

1

3

7

5

V, л 0 120 240 360 480 6000

2

4

6

p, МПа

1

3

7

5

j, град

а) б)

Коньков А.Ю. Лабораторный практикум по ЛЭУ

индикаторной Li. Графический эквивалент среднего индикаторного давления показан на рис.2. Обратите внимание, что величина среднего индикаторного давления для представленной диаграммы примерно равна 0,7МПа: при таком значении площадь прямоугольника со сторонами pmi и Vh равна площади действительного цикла.

Рис.2 Графическое представление среднего индикаторного давления

Итак, если известна индикаторная работа Li, кДж, то среднее индикаторное давление pmi, МПа рассчитывается как

h

imi V

Lp = , (1)

где Vh – рабочий объём цилиндра, л, т.е. объём, который описывает поршень за один полный ход поршня

,4

2

SDVhπ

= (2)

где D – диаметр цилиндра, дм; S – ход поршня, дм. Обратите внимание, что если бы члены уравнений (1), (2)

подставлялись в системе «СИ», то среднее индикаторное давление, получилось бы в Па. При использовании указанных выше единиц, результат расчета по (1) будет в МПа.

Среднее индикаторное давление и среднее эффективное давление позволяют сравнивать друг с другом двигатели различной мощности, размерности, тактности и т.д. При этом, фактически, сравниваются силы, действующие на поршень. Ведь давление это и есть удельная сила – сила, отнесенная к единице площади поршня. По величине средних давлений

0 0,2 0,4 0,6 0,80

2

4

6

p, МПа

1

3

7

5

V, л 0 0,2 0,4 0,6 0,80

2

4

6

p, МПа

1

3

7

5

V, л

pmi

Vh Vh

0,7

Площади равны!


можно судить о достигнутом уровне форсирования двигателя (возможности дальнейшего форсирования), механической напряженности деталей кривошипно-шатунного механизма двигателя и т.п.

Для дизелей на полной нагрузке значение pmi , МПа достигает:

- для быстроходных (автотракторных) без наддува ………… 0,5 – 1,4 - то же с наддувом …………………………………………………………..... до 1,6 - среднеоборотные (тепловозные) …………………………………… 0,9 – 2,7 - малооборотные (судовые) ……………………………………………… 0,9 – 3,4

Рост средних давлений достигается за счет форсирования дизеля по

наддуву (увеличения количества топлива, сгораемого в камере при подаче воздуха с большим, чем в атмосфере давлением).

Индикаторная мощность – это индикаторная работа, совершаемая в единицу времени (в 1 с). Поскольку условия работы в различных цилиндрах двигателя не строго одинаковы (теплообмен, регулировки, износ), то и работа каждого цилиндра может отличаться. Поэтому, при индицировании всех цилиндров, индикаторную мощность двигателя находят как сумму индикаторных мощностей в цилиндрах.

∑=

=z

jiji NN

1.дв , (3)

где j – номер цилиндра; z – число цилиндров. Если индицирование выполнялось только для одного цилиндра, то

индикаторную мощность двигателя приходится искать, полагая, что процесс во всех цилиндрах протекает идентично, тогда

ii zNN =.дв . (4)

Индикаторная мощность (секундная работа) отдельного цилиндра, как следует из определения Ni, кВт

τ30nL

N ii = , (5)

где n – частота вращения коленчатого вала двигателя, мин-1; τ – тактность двигателя (2 или 4); коэффициент 30 учитывает число секунд в минуте и число тактов в одном обороте 30 = 60/2;

Удельный индикаторный расход топлива дизелем показывает сколько кг топлива расходуется для получения механической энергии в количестве 1 кВт.ч. Отметим то обстоятельство, что в практике ДВС устоялась несистемная единица количества энергии (кВт.ч), впрочем, как и


во многих других случаях, например, при расчетах за электроэнергию в коммунальном хозяйстве и т.п.

Удельный индикаторный расход топлива двигателем bi, кг/(кВт.ч) находится на основании измеренного в опыте часового расхода Bч, кг/ч

ii N

Bb ч= . (6)

Индикаторный к.п.д. – это доля теплоты, подведённой с топливом, преобразованная в индикаторную работу (работу газов в цилиндре двигателя).

Для расчета индикаторного к.п.д. учитывают теплотворную способность топлива Hu, кДж/кг

ч

3600BH

Nu

ii =η . (7)

Как следует из приведенных выше уравнений, расчет индикаторных показателей, в конечном счете, опирается на индикаторную работу. Эту величину и определяют непосредственно обработкой индикаторной диаграммы. Современные электронные индикаторы позволяют получать зависимость давления в цилиндре от угла поворота коленчатого вала с достаточно большим разрешением (∆ϕ не более 1 град). Это делает возможным для расчета индикаторной работы воспользоваться известным в термодинамике аналитическим выражением

,2

1∫=

V

Vi pdVL (8)

которое будем интегрировать численно, находя приращение работы на каждом (j-м) шаге интегрирования по формуле трапеций

( )11

2 −− −

+=∆= jj

jjijij VV

ppLdL . (9)

Индексы при давлениях и объёмах поясняются на рис. 3. Если давление подставлять в МПа, а объем в л, то результат вычисления работы по (9) будет в кДж.

Суммарная работа за цикл, найдется как

∑=

∆=k

jiji LL

1, (10)

где k – число отсчетов индикатора (число строк в таблице).


Рис.3. К расчёту индикаторной работы

Для расчета объёма цилиндра, соответствующего углу поворота коленчатого вала ϕ, следует использовать следующие тригонометрические выражения

ch VfVV +⋅= )(

2ϕ , (11)

где Vc – объём камеры сгорания; f(ϕ) – вспомогательная функция угла поворота вала вида

)cos(1)cos(11)( βλ

ϕλ

ϕ −−+=f , (12)

где λ=r/l – постоянная КШМ (отношение радиуса кривошипа к длине шатуна); β – угол наклона шатуна .

( )[ ]ϕλβ sinarcsin ⋅= . (13)

Объем камеры сгорания Vc (если не задан явно), рассчитывается на основании степени сжатия ε. Учитывая, что полный объем Va равен сумме объёмов камеры сгорания Vc и рабочего Vh, а также то, что степенью сжатия называют отношение полного объёма к объёму камеры сгорания, имеем

1−=

εh

cVV . (14)

Таким образом, для определения индикаторных показателей по представленной выше зависимости нужно знать:

- геометрические характеристики поршневой группы двигателя (D, S, Vc или ε);

p

0300 360 420 ϕ, град

ВМТ

∆ϕ

pj, Vj

pj-1, Vj-1


- индикаторную диаграмму, представленную таблицей с двумя

колонками: ϕ, град и p, МПа; - часовой расход топлива дизелем. Измерение индикаторной диаграммы В лабораторной установке используется электронный индикатор,

входящий в состав диагностического комплекса «Магистраль» (производства «Техтранс-Д», г. С-Петербург). Величина давления при работе комплекса непрерывно преобразуется в электрический сигнал в тензоэлектрических датчиках ДД (рис. 4), которые сообщены индикаторным каналом с камерами сгорания двигателя. Усилитель датчика имеет температурный компенсатор, что позволяет с высокой точностью определять давление на разных режимах работы двигателя. Привязка данных к углу поворота коленчатого вала осуществляется с помощью индуктивного датчика ИД, реагирующего на зубья шестерни стартера двигателя. Вращение вала от зуба к зубу считается равномерным и программно делится на 4 периода. В зависимости от числа зубьев шестерни достигается та или иная дискретизация измерений по углу поворота вала. Так, например, при 129 зубьях шестерни (как в лабораторной установке) измерение давления происходит с шагом = 360/(129*4)≈0,698 град.

Рис.4. Структурная схема аппаратурной части комплекса «Магистраль»: ДД1 … ДД16 датчики давления; ДВ1 … ДВ16 – датчики вибрации; ДТ – датчик тока; ДН – датчик напряжения; ИД – индуктивный датчик, ЛСБИ – локальная станция быстротекущих

измерений; МОМ – модуль определения мощности; БСУ – блок согласования и управления; ПК – персональный компьютер

ЛСБИ БСУ ПКRS232

МОМ

RS485

ДД1

ДД16

ДВ1

ДВ16

ИД

ДТ

ДН


Представленная схема рассчитана на использование комплекса на 16-цилиндровом тепловозном дизеле и, поэтому, предполагает использование 16-и датчиков давления. В учебной комплектации стенд имеет только два датчика давления. Поэтому, в лабораторной работе будет измеряться индикаторная диаграмма в одном цилиндре, а индикаторная мощность двигателя определяться по формуле (4).

Следует понимать, что измерение индикаторной диаграммы сопряжено с рядом погрешностей. В первую очередь, это связано с искажениями сигнала давления в индикаторном канале, которые будут тем значительнее, чем длиннее путь газов до мембраны датчика и чем меньше сечение канала. Поэтому при научных исследованиях в заводских условиях двигатель препарируют, устанавливая датчик так, чтобы его мембрана оказалась «заподлицо» со стенкой камеры. Если это не выполнить, то давление в полости датчика и давление в камере двигателя могут и не совпадать. Длинный и узкий канал может приводить к возникновению колебаний газового столба, наблюдающихся при резком увеличении давления (рис. 5). Эти колебания протекают в индикаторном канале и фиксируются датчиком, но это совсем не означает, что в камере двигателя давление также колеблется. На практике эти колебания можно компенсировать обработкой диаграммы, проведя среднюю линию относительно двух огибающих, как это показано на рисунке тонкой сплошной линией. При расчете индикаторной работы это делать не обязательно, т.к. участки с завышенной по величине работой будут автоматически скомпенсированы участками с заниженной.

Рис.5. Пример резонанса в индикаторном канале

0 60 120 180 240-60

7,0

1,0

6,0

5,0

4,0

3,0

2,0

p, МПа

ϕ, град


Следует учитывать, что при установке датчика через индикаторный

канал изменяются условия работы двигателя из-за того, что камера сгорания увеличивается на объем индикаторного канала. Это обстоятельство сказывается тем существеннее, чем меньше размерность двигателя.

Ещё одна группа неточностей связана с погрешностью определения положения ВМТ двигателя. Из-за ошибки положения ВМТ в ту или иную сторону всего на 1 градус, индикаторная работа окажется заниженной или завышенной на несколько процентов.

Всё выше сказанное свидетельствует о том, что индикаторная диаграмма, измеренная без строгого учёта указанных выше особенностей, может дать некорректные результаты при её обработке.

Для оценки корректности можно сравнить индикаторные показатели с эффективными, при условии, что для определения последних были выполнены необходимые измерения. Связь между эффективными и индикаторными показателями осуществляется через механический к.п.д. двигателя:

e

i

i

e

mi

me

i

e

bb

pp

NN

====ηη

ηм . (15)

Значение механического к.п.д. большинства двигателей изменяется в пределах 0,75 … 0,9.

Объект исследования и оборудование Объектом лабораторного исследования является рабочий процесс

дизеля 4Ч9/12,5 на номинальном режиме его работы. При выполнении лабораторной работы используется следующее

оборудование: - лабораторный стенд на базе вспомогательного дизель-генератора

рефрижераторного подвижного состава; - электронный индикатор в составе аппаратурной части

диагностического комплекса «Магистраль»; - персональный компьютер со специальным программным

обеспечением; - топливомер объёмного типа. Лабораторная установка и измерительное оборудование Дизель-генератор (рис.6) и комплекс «Магистраль» (рис.7)

расположены в лаборатории «Тепловые двигатели» кафедры «ТТД» ДВГУПС.


Рис. 6. Дизель-генератор 4Ч9/12,5 с оснащением для индицирования: ДУП – датчик угла поворота; ДД – датчик давления

Рис. 7. Диагностический комплекс «Магистраль»: БПС –блок питания и сопряжения с компьютером; ЛСБИ – локальная станция

быстротекущих измерений

ДД

ДУП


Ниже приводятся основные характеристики дизеля 4NVD-12,5

(заводское обозначение): - обозначение по ГОСТ - 4Ч9/12,5; - номинальная мощность – 20,2 кВт; - номинальная частота вращения коленчатого вала – 1500 мин-1; - степень сжатия – 18; - камера сгорания – вихревая; - охлаждение – воздушное, вентилятором с ременным приводом от

коленчатого вала; - постоянная кривошипно-шатунного механизма λ=1/4,5. Для создания нагрузки дизелю используется штатный 3-фазный

генератор установки. Ток каждой фазы выпрямляется с помощью диодного моста VD (рис. 8), после чего подаётся на водяной реостат Rн, где все 100% электрической энергии генератора преобразуются в тепловую (нагрев воды и, в конечном итоге, окружающей среды).

Рис.8. Схема установки: ДД – датчик давления в камере сгорания; ДУП – датчик угла поворота коленчатого вала; ЛСБИ – локальная станция быстротекущих измерений; БПС – блок питания и

сопряжения; ПК – персональный компьютер; Rн – нагрузка (водяной реостат); Rш – измерительный шунт

V

А

БПС

ДУП

ДД

ЛСБИк ПК (RS-232)

4Ч9/12,5

VD

Iн, А

Uн, В

RнDGBC30-4/3ηг = 0,8

ТНВД

Vоп, млτоп, с

∆Vв, м3

τоп, с

Rш


Эффективную мощность дизеля Nе, кВт можно определить как

г3нн

10 ηIUNe = , (16)

где Uн – напряжение в цепи нагрузки генератора, В; Iн – ток нагрузки, А; ηг – к.п.д. генератора (коэффициент мощности). Для генератора DGBC30-4/3 ηг =0,8.

Параметры электрической нагрузки (Uн и Iн) можно определить как по стрелочным приборам, так и по показаниям цифрового индикатора питания и сопряжения БПС комплекса «Магистраль».

Для измерения часового расхода топлива используется расходомер объёмного типа конструкции ДВГУПС. Основой конструкции является непрозрачный для ИК-лучей поплавок, который перемещается в направляющем стакане. На 2-х различных по высоте уровнях закреплены ИК оптоэлектронные пары. Принцип действия основан на регистрации времени от момента смещения поплавка с верхнего уровня (открытия луча) до момента перекрытия поплавком луча нижнего уровня. Стакан с поплавком и оптопарами помещается в мерную ёмкость. В настоящей лабораторной установке топливомер фиксирует время израсходования 110 мл топлива. Часовой расход топлива на установившемся режиме находится по уравнению

оп

топ3ч 106,3

τρVB −⋅= , (17)

где Vоп– объём топлива, израсходованный за время опыта, мл; ρт – плотность топлива при температуре в помещении, кг/м3; τоп – время опыта, определенное по индикатору топливомера, с; 3,6.10-3 =(3600 с/час) / (106 мл/м3).

Плотность топлива определяют ареометром при условиях (температуре), имевших место во время испытаний. При невозможности этого следует воспользоваться данными ранее выполненных измерений. При этом персонал лаборатории должен сообщить значения плотности топлива и температуры, при которых измерялась плотность (обычно это 20оС).

При значительных отклонениях окружающей среды от нормальных условий необходимо учитывать, что плотность топлива марки «Л» (летнее) изменяется в зависимости от температуры

)20(686,0т20т −−= tt ρρ , (18)

где ρт20 – температура топлива при 20оС.


Измерение числа оборотов коленчатого вала осуществляется

программой ПК на основе сигнала с датчика ДУП (см. рис. 6 и 8). Размещение оборудования в помещении лаборатории показано на

рис. 9.

Рис.9. Расположение оборудования в лаборатории: 1 – топливный бак и топливомер; 2 – электрические приборы в цепи нагрузки;

3 – ареометр; 4 – генератор; 5 – счётчик газа; 6 – дизель; 7 – монитор ПК

Содержание отчета и порядок выполнения работы Отчет должен содержать: цель работы; сведения об объекте

исследования и измерительном оборудовании; схему установки с краткими пояснениями; результаты измерений; результаты расчета индикаторных показателей; заключение.

Опыт выполняется под руководством персонала лаборатории на предварительно прогретом двигателе. Во время опыта каждый студент должен разобраться с тем, как и с помощью каких приборов, выполняются измерения, где размещаются эти приборы и т.п. Следует быть готовым повторить эти действия при защите лабораторной работы.

Результаты непосредственных измерений рекомендуется представить таблично по форме табл. 1. При измерении плотности топлива во время опыта данные таблицы 1 следует дополнить соответствующей информацией.

Результаты измерения индикаторной диаграммы наблюдаются студентом визуально во время опыта на мониторе компьютера и сохраняются для последующего анализа в файле MS-Excel. Данные


представлены двумя столбцами: угол поворота коленчатого вала ϕ, град и давление в камере сгорания p, МПа.

Табл.1. Данные опыта

Расход топлива Нагрузка Скоростной режим

Vоп, мл τоп, с Uн, В Iн, А n, мин-1

Рекомендуемый порядок расчета следующий: - расчет постоянных (не зависящих от угла поворота величин) Vh (2), Vc

(14), Ne (16) Bч (17, 18); - расчет изменяющегося в цикле приращения индикаторной работы.

Расчет следует выполнять в программе MS-Excel, располагая результаты расчета в колонках рабочего листа в следующем порядке (табл. 2). Нужные в расчетах функции Excel приведены в приложении А.

Табл.2.

Рекомендуемая форма расчёта

ϕ, град

p, МПа

ϕ, рад

β (13), рад

f(ϕ) (12)

V (11), л

∆Li (9), кДж

Li , кДж

Данные измерений

Расчет по приведенным выше уравнениям

Сум

ма

знач

ений

ст

олбц

а ∆

L i

- расчет индикаторных показателей Li (10), pmi (1) Ni (5), bi (6), ηi (7) и

механического к.п.д. ηм (15). При расчете индикаторного к.п.д. низшую рабочую теплоту сгорания

топлива следует принять равной Hu = 42700 кДж/кг. В заключении студент подводит краткий итог выполненной работы.


Дополнительная литература По общим вопросам теории тепловозного дизеля (индикаторные и

эффективные показатели): 1. Володин, А.И. Локомотивные энергетические установки [Текст]:

учеб. для вузов ж.-д. транспорта / А.И. Володин, В.З. Зюбанов, В.Д. Кузьмич и др.; под ред. А.И. Володина. – М.: ИПК «Желдориздат», 2002. – 718 с.

2. Симсон, А.Э. Двигатели внутреннего сгорания (тепловозные дизели и газотурбинные установки) [Текст]: учеб. для вузов / А.Э. Симсон, А.З. Хомич, А.А. Куриц и др. – М.: Транспорт, 1987. – 536 с.

По определению индикаторной диаграммы в условиях эксплуатации: 3. Коньков, А.Ю. Средства и метод диагностирования дизелей по

индикаторной диаграмме рабочего процесса: моногр. [Текст]/ А.Ю. Коньков, В.А. Лашко. – Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2007. – 147 с.


Приложение А (информационное)

Функции Excel, рекомендуемые для использования в расчетах ПИ() – возвращает число π, т.е. 3,141592654… с максимальной для

компьютера разрядностью; РАДИАНЫ(угол) – переводит угол, заданный в градусах в радианы; ASIN(число) – возвращает арксинус указанного числа. Число должно

быть в пределах от -1 до 1; COS(угол) – вычисляет косинус заданного угла. Угол указывается в

радианах; SIN(угол) – вычисляет синус заданного угла. Угол указывается в

радианах; CУММ(ячейка1: ячейка2) – подсчитывает сумму значений ячеек

таблицы указанного диапазона. Более подробную информацию об использовании функции смотрите в

справке к программе “MS Excel”.

Documents

Pocazindic