close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Grigorev Ispyt avtom dvig2012

код для вставкиСкачать
Министерство образования и науки
Российской Федерации
Санкт-Петербургский государственный
архитектурно-строительный университет
В. Г. ГРИГОРЬЕВ, В. Н. СТЕПАНОВ
ИСПЫТАНИЕ АВТОМОБИЛЬНЫХ
ДВИГАТЕЛЕЙ
Учебное пособие
Санкт-Петербург
2012
1
УДК 621.431
Рецензенты: канд. техн. наук, профессор В. В. Румянцев (СПбГПУ);
канд. техн. наук, профессор Л. Л. Зотов (СЗТУ)
Введение
Григорьев, В. Г.
Испытание автомобильных двигателей: учеб. пособие / В. Г. Григорьев, В. Н. Степанов; СПбГАСУ. – СПб., 2012. – 112 с.
ISBN 978-5-9227-0341-3
Описываются стендовое оборудование, средства и методы измерения
различных параметров при испытании двигателей; дается методика проведения испытаний двигателей; рассматриваются характеристики двигателей внутреннего сгорания, методики их снятия, метрологической обработки
и интерпретации полученного при испытаниях материала.
Адресовано студентам автомобильно-дорожного факультета СПбГАСУ,
но может быть использовано аспирантами и специалистами, занимающимися вопросами испытания, ремонта и эксплуатации подвижного состава
с использованием двигателей внутреннего сгорания.
Табл. 4. Ил. 18. Библиогр.: 10 назв.
Рекомендовано Редакционно-издательским советом СПбГАСУ в качестве учебного пособия.
ISBN 978-5-9227-0341-3
© В. Г. Григорьев, В. Н. Степанов, 2012
© Санкт-Петербургский государственный
архитектурно-строительный университет, 2012
2
Лабораторные работы по курсу «Автомобильные двигатели»
(и другим дисциплинам, включающим отдельные разделы из общего курса «Двигатели внутреннего сгорания») являются его составной частью. Они направлены на углубление и совершенствование знаний лекционного материала, физико-химических процессов, происходящих в цилиндрах двигателей, на усвоение способов
и методов испытаний двигателей внутреннего сгорания в стендовых условиях, практическое изучение двигателей, стендового оборудования, контрольно-измерительной аппаратуры, применяемой
при испытании двигателей внутреннего сгорания (ДВС), а также
методов обработки результатов измерений.
Объем лабораторных работ и их содержание соответствуют
требованиям учебных программ по указанным курсам для студентов автомобильно-дорожного факультета, обучающихся по специальностям 190701 – организация перевозок и управление на автомобильном транспорте, 190601 – автомобили и автомобильное хозяйство (дневная и вечерняя формы обучения), 190603 – сервис
транспортных средств и технологических машин и оборудования,
190500 – эксплуатация транспортных средств.
После выполнения программы работ студент приобретает знания по методике проведения испытаний ДВС, стендовому оборудованию, контрольно-измерительной аппаратуре; способам измерения
параметров двигателей и современной методики обработки получаемых данных; природе протекания физико-химических процессов
в цилиндрах ДВС и преобразования тепловой энергии в механическую, закономерностям изменения основных характеристик двигателя, получаемых при испытаниях двигателей.
При сдаче зачета по лабораторному практикуму студент должен
представить отчет, включающий следующие разделы:
3
1. Цели, назначение и методика проведения работы.
2. Описание технической характеристики испытываемого двигателя.
3. Схема испытательного стенда с технологической оснасткой
и оборудованием, предназначенным для проведения испытаний.
4. Анализ результатов с представлением графических зависимостей и протоколов испытаний.
5. Выводы по каждой лабораторной работе.
1. ОБОРУДОВАНИЕ ИСПЫТАТЕЛЬНЫХ СТЕНДОВ
Испытания двигателей в лабораторных условиях осуществляются на испытательных стендах, в состав которых входят:
двигатель – объект испытаний, установленный с подмоторной рамой на фундаментную плиту или на железобетонный фундамент, изолированные от фундамента здания;
нагружающее устройство, соединенное с валом испытываемого двигателя через коробку передач или напрямую; оно устанавливается на том же фундаменте, что и двигатель;
технологическая оснастка и оборудование, обеспечивающие работоспособность двигателя и нагружающего устройства
и включающие в свой состав топливную, охлаждения, впускную и выпускную системы для отработавших газов двигателя, а также охлаждающую систему для нагружающего устройства (в случае использования гидротормозов и индукторных
тормозов);
контрольно-измерительные средства, информационно-измерительная аппаратура и ЭВМ;
пульт управления пуском и режимами работы двигателя;
контрольно-измерительные приборы для метрологической
аттестации средств измерения, поверок и градуировок.
Рассмотрим назначения и принцип действия отдельных систем
и устройств испытательного стенда.
4
1.1. Двигатель
Объектами испытаний в основном являются наиболее широко
применяемые в технике поршневые ДВС с внешним смесеобразованием (карбюраторные и с впрыском топлива) и внутренним смесеобразованием (дизели и двигатели с принудительным зажиганием (ДПЗ) и впрыском легкого топлива непосредственно в цилиндр). Кроме того, в этом качестве можно использовать двигатели с внешним подводом теплоты (двигатели Стирлинга); газотурбинные двигатели (ГТД), роторно-поршневые (РПД) и другие
типы двигателей.
Испытаниям могут подвергаться как полноразмерные двигатели со штатными или опытными агрегатами, так и отсеки – одноцилиндровые опытные установки, предназначенные для экспериментальных исследований и доводки.
Устанавливаемый на стенд двигатель в зависимости от цели
испытаний может быть не полностью укомплектован заводскими системами и агрегатами. Так, в составе двигателя могут отсутствовать глушитель, радиатор, бензобак, воздушный фильтр,
стартер (в этом случае двигатель запускается с помощью электрической машины, входящей в состав нагружающего устройства, или с помощью воздушной системы). Необходимые для
обеспечения работы двигателя системы и агрегаты доукомплектовываются и входят в состав технологической оснастки и вспомогательного оборудования.
1.2. Нагружающие устройства
Мощность, развиваемая ДВС в процессе испытаний, должна
полностью поглощаться внешним сопротивлением. При стендовых испытаниях для этой цели применяют специальные нагружающие устройства, называемые тормозами. Независимо от принципа работы любой тормоз содержит элемент, вращающийся вместе с коленчатым валом двигателя – ротор, а также статор, установленный неподвижно или же опирающийся на подшипники
5
балансирной подвески, что бывает чаще. Все типы тормозов,
помимо поглощения вырабатываемой энергии, одновременно
позволяют измерять величину крутящего момента, развиваемого двигателем. Часть тормозов (электрические машины) могут
к тому же рекуперировать энергию, вырабатываемую двигателем при испытаниях.
Тормоза по принципу, использованному для создания тормозного момента, можно подразделить на механические, воздушные,
гидравлические, электрические, индукторные и комбинированные. Наибольшее распространение при испытании поршневых
ДВС получили гидравлические, электрические и индукторные
(разновидность электрических) тормоза.
Конструкции гидротормозов разнообразны, но на практике
нашли применение в основном дисковые, лопастные, штифтовые,
камерные, пленочные и объемные тормоза.
Схема дискового гидравлического тормоза показана на рис. 1.
4
2
Вход
5
1
3
8
1.2.1. Механические тормоза
В механических тормозах нагружение испытываемых двигателей осуществляется путем регулирования силы трения между барабаном, соединенным с коленчатым валом двигателя, и тормозными колодками.
Механические тормоза имеют следующие недостатки:
непостоянство коэффициента трения между колодками и барабаном, что требует непрерывной их регулировки;
малую энергоемкость.
1.2.2. Гидравлические тормоза
6
7
Слив
Рис. 1. Схема гидравлического тормоза:
1 – ротор; 2 – тормозной диск; 3 – труба подвода воды;
4 – вентиль, регулирующий подвод воды; 5 – кожух;
6 – подшипники; 7 – вентиль выпускного трубопровода; 8 – стойка
Принцип действия гидравлических тормозов (гидротормозов)
основан на использовании силы сопротивления движению твердого тела в жидкости. Гидротормоза получили наибольшее распространение в практике стендовых испытаний вследствие относительной простоты конструкции и большой энергоемкости
(до 60 000 кВт и выше). Поглощаемая в гидротормозах энергия превращается в тепловую и затрачивается на нагрев жидкости (обычно воды, так как она обладает высокой теплоемкостью
и вязкость ее сравнительно слабо зависит от температуры).
На вал 1 насажен тормозной диск 2, вращающийся на подшипниках относительно кожуха 5. Вода по трубе 3, снабженной вентилем 4, подается к центру диска 2, откуда под действием центробежной силы отбрасывается к периферии кожуха и располагается
вокруг него равномерным слоем. Вследствие трения между водой
и диском вода увлекается диском и отбрасывается к кожуху.
Усилие, возникающее при трении воды о стенки кожуха 5, поворачивает его в сторону вращения диска 2. Для того чтобы вода
в тормозе отдавала бóльшую часть приобретенной от диска 2 энергии, кожух 5 снабжен внутри ребрами. Момент силы трения воды
6
7
Ne, кВт
о кожух будет равен крутящему моменту, приложенному к валу 1
тормозного диска 2 со стороны двигателя. Так как кожух 5 установлен на шариковых подшипниках 6 относительно стоек 8, то
он уравновешивается грузом, подвешенным на рычаге. Зная длину рычага L и величину силы тяжести груза G, можно определить
тормозной момент, Н · м:
B
C
2
Mт = GL.
1
A
Поскольку на установившемся режиме работы двигателя Mт =
= Me, где Me – крутящий момент двигателя, то в протоколы испытаний заносятся полученные значения Mт = Me.
Количество воды внутри кожуха 5 и, следовательно, мощность,
поглощаемую тормозом, регулируют кранами 4 и 7. Краном 7, кроме того, регулируется величина нагрева отработавшей воды, которая сливается в канализацию.
Для того чтобы показания гидротормоза не зависели от колебаний давления в водопроводной сети, вода к патрубку 3 в некоторых случаях подается из специального напорного бака, в котором постоянство уровня поддерживается при помощи переливного патрубка.
Характеристика гидротормоза, представляющая собой зависимость поглощаемой мощности от частоты вращения, приведена на
рис. 2. По данной характеристике можно судить о величине тормозной мощности, возможных пределах скоростного режима тормоза и степени устойчивости режима торможения. Область режимов работы гидротормоза ограничена контуром ОАВС.
Участок ОА соответствует работе тормоза при заполнении его
водой. Зависимость поглощаемой мощности от частоты вращения
ротора на этом участке является кубической. В точке А тормозной
момент достигает максимума, на измерение которого рассчитано
весовое устройство. Дальнейшее увеличение поглощаемой мощности (участок АВ) возможно при постоянном максимальном моменте путем увеличения числа оборотов ротора. В точке В поглощаемая тормозом мощность ограничивается условиями допускаемой
температуры воды, и дальнейшее повышение частоты вращения
возможно лишь в том случае, если мощность остается постоянной,
т. е. при одновременном снижении тормозного момента (участок ВС).
В точке С частота вращения ограничивается механической прочностью ротора тормоза. Нижняя граница (линия ОD) соответствует мощности, поглощаемой тормозом без заполнения его водой,
в основном за счет потерь на трение в подшипниках.
Температура воды на выходе из гидротормоза должна поддерживаться в пределах 50–75 °С. При более высокой температуре
резко увеличиваются коррозия деталей тормоза и образование накипи, а главное, возникает угроза кавитации, которая может вывести тормоз из строя.
Основное условие, которое должно соблюдаться при использовании тормозных устройств всех типов, состоит в том, что характеристика испытываемого двигателя должна обязательно располагаться
внутри рабочего поля характеристики тормоза (кривая 1 на рис. 2).
8
9
D
O
n, об/мин
Рис. 2. Характеристики: ОАВСD – внешняя характеристика гидравлического тормоза; 1, 2 – внешние характеристики ДВС
Тормоза данного типа представляют собой электрическую машину, ротор которой сочленяется с валом испытываемого двигателя. На практике используются следующие типы электрических
тормозов:
электрические машины, корпус (статор) которых жестко закреплен на фундаменте, а вырабатываемая электрическая энергия
выдается в сеть или выделяется на реостатах, помещенных в жидкостную или воздушную среды;
электрические машины балансирного типа, корпус (статор)
которых подвешен на балансирных подвесках, а выделяемая электрическая энергия, как и в первом случае, выдается в сеть или выделяется на реостатах.
Электрические тормоза первого типа в основном используются
при испытании дизель-генераторов, укомплектованных штатными
электрическими генераторами и аппаратурой, автоматически поддерживающей амплитуду, частоту и фазу вырабатываемого напряжения. При отсутствии подобной аппаратуры напряжение, вырабатываемое электрическим генератором, гасится реостатом, помещенным
в жидкостную или воздушную среды, т. е. энергия, вырабатываемая
двигателем, не используется. Мощность испытываемого двигателя
в этом случае определяется по показаниям вольтметра и амперметра
с учетом КПД генератора. Такие тормоза наиболее просты, но возможности их использования ограничены. Их основные недостатки:
невозможность (в случае испытания двигателей без штатных
генераторов с управляющей аппаратурой) рекуперации электрической энергии в сеть;
дискретность регулирования поглощаемой мощности, так
как число ступеней подключаемых реостатов конечно и, как правило, ограничено;
невысокая точность определения мощности.
Электрические тормоза с электрическими машинами в балансирном исполнении подразделяются на тормоза с рекуперацией
в сеть и тормоза с нагрузкой с помощью реостатов.
Примером нагружающего устройства второго типа является
тормоз, изображенный на рис. 3.
Он состоит из следующих узлов: асинхронной балансирной машины трехфазного тока с фазовой обмоткой ротора; жидкостного регулировочного реостата; весового устройства; пусковой электроаппаратуры.
Рассмотрим его работу. Вал ротора 8 вращается в подшипниках
7, расположенных в корпусе 6 статора. Корпус статора подвешен
на подшипниковых опорах 3, размещенных в стойках 4, установленных на раме тормоза. Магнитная система асинхронной машины
состоит из двух сердечников: наружного (статора, имеющего форму полого цилиндра) и внутреннего (ротора). На внутренней стороне статора в пазах уложена трехфазная обмотка 9, соединенная через рубильник 10 с внешней цепью 11. Обмотка ротора трехфазная,
соединенная со звездой; свободные концы этой обмотки подведены к кольцам 1 на валу ротора. По кольцам скользят щетки 2, через
которые обмотка ротора соединена с регулировочным реостатом 5,
предназначенным для регулирования частоты вращения при работе установки в двигательном режиме (при пуске двигателя, определении механических потерь двигателя или для холодной обкатки),
а также в генераторном (тормозном) режиме при снятии характеристик двигателя.
10
11
Если же характеристика двигателя не укладывается внутри поля,
ограниченного внешней характеристикой тормоза, то последний не
обеспечит работу двигателя в необходимой области мощностных
и скоростных режимов.
К недостаткам гидротормозов следует отнести:
отсутствие возможности использования (рекуперации) энергии, вырабатываемой двигателем и поглощаемой тормозом;
отсутствие возможности проворачивания коленчатого вала
двигателя от тормоза (невозможность холодной обкатки двигателя);
значительный расход воды. (Для уменьшения расхода воды
необходимо создавать специальные холодильники.)
Достоинствами гидротормоза являются компактность и простота конструкции, обусловливающие их относительно невысокую
стоимость и несложный уход.
1.2.3. Электрические тормоза
15
12
5
13
A
2
C
B
4
G
Рт = Gβ / 2tg α
Me = PтL = LGb / 2tg α.
17
9
где r – радиус ведущей шестерни привода стрелки, откуда
и
а
8
1
тра массы до точки подвеса через b, угол отклонения от положения
равновесия через α. Так как сила Pт действует относительно точки
подвеса маятника на плече r, можно записать, что
Ртrcos α = bGsin α,
α
Вид по A
7 36
16
14
G
10 11
Эффективная мощность двигателя, кВт, определяется по формуле
Ne = Men / 9550 = (LGb / 2ntg α) / 9550,
Если в точку а рычага подсоединить с помощью тяги 12 весовое устройство, то Мe будет уравновешиваться моментом маятника. Обозначим силу тяжести маятника через G, расстояние от цен-
где n – частота вращения коленчатого вала двигателя, мин–1.
В реальных условиях из-за неточности изготовления деталей
весового механизма и относительного их расположения связь между углом отклонения маятника и углом отклонения статора более
сложная. В силу этого построить шкалу весового устройства расчетным путем (которая была бы пригодна для всех стендов данного типа) трудно, вследствие чего шкалу конкретного нагружающего устройства изготавливают тарировкой весового устройства при
помощи двуплечего рычага и гирь.
Шкалу тарируют статическим методом раздельно для двигательного и тормозного режимов электрической машины. При тарировке шкалы на чашки весов кладут гири, затем отклоняют
корпус машины в обоих направлениях примерно на одинаковые
углы (3–4 раза) и после устранения колебаний каждый раз наносят отметки или записывают показания шкалы. Среднее показание стрелки принимают за действительное показание весового устройства.
Шкалу тарируют ступенями, число которых принимают не менее 10. При тарировке демпфер должен быть без масла, а плечо, на котором подвешивается груз, должно составлять 716,2 мм.
Показания весового устройства тормоза протарированы в кгс или
в ньютонах (Н).
12
13
Рис. 3. Схема асинхронной электрической тормозной установки со специальным весовым устройством:
1 – кольцо; 2 – щетки; 3 – подшипниковые опоры; 4 – стойки; 5 – жидкостный реостат; 6 – корпус статора; 7 – подшипники; 8 – вал ротора; 9 – трехфазная обмотка; 10 – рубильник; 11 – внешняя цепь; 12 – тяга; 13 – рычаг
подвески; 14 – маятник; 15 – ролик; 16 – весовой механизм; 17 – груз
Весовое устройство стенда включает балансирные стойки, корпус электромашины, стойку весового механизма, маятник 14, состоящий из груза 17 и рычага подвески 13, а также тягу 12, соединяющую корпус машины с осью маятника.
Крутящий момент двигателя Мe, численно равный реактивному моменту на корпусе машины, стремится вращать корпус. Чтобы
компенсировать его, к точке a надо приложить силу Pт, действующую на плече L. Тогда крутящий момент двигателя, Н · м,
Мe = PтL.
Тормоз электрически соединен с генератором 4, образуя цепь
электротормоз – генератор. Питание обмоток возбуждения генератора и электротормоза осуществляется от двух автотрансформаторов 1 через выпрямители 2.
Так как напряжение генератора при данной схеме может изменяться почти от нулевого до максимального, то и число оборотов
электротормоза может варьироваться от весьма малого значения
до максимального, соответствующего наибольшему напряжению
генератора.
Для проворачивания коленчатого вала двигателя, когда требуется большой первоначальный момент при малом числе оборотов,
создается максимальное возбуждение электротормоза 5 и максимальное возбуждение генератора 4 с помощью автотрансформаторов 1. Плавно увеличивая силу тока возбуждения генератора, приводят во вращение коленчатый вал двигателя. Для дальнейшего
увеличения числа оборотов силу тока возбуждения тормоза уменьшают.
Переход электромашины с режима поворачивания коленчатого
вала двигателя на режим торможения происходит автоматически
путем включения подачи топлива и зажигания двигателя. При этом
двигатель перейдет в режим работы с повышенным числом оборотов, а электротормоз – из двигательного режима в генераторный.
В этом случае энергия от тормоза будет передаваться генератору,
он начнет работать в режиме двигателя и будет вращать двигатель
переменного тока. При числе оборотов, несколько превышающем
число оборотов двигателя переменного тока, он начнет работать
в режиме генератора и отдавать энергию в сеть переменного тока.
Для увеличения момента, требуемого для вращения асинхронного генератора, нужно соответственно повысить крутящий момент приводного двигателя (генератора 4). Поскольку момент, развиваемый генератором 4, зависит от силы тока в цепи якоря и величины магнитного поля статора, это вызовет пропорциональное
увеличение силы тока в цепи электротормоз – генератор (при условии независимости возбуждения генератора и тормоза), что происходит автоматически при повышении мощности испытываемого двигателя. Такой характер изменения силы тока и мощности
в цепи электротормоз – генератор обеспечивает автоматическое
поддержание заданного числа оборотов двигателя независимо от
изменения его мощности.
Недостатками тормоза с рекуперацией энергии являются его
сложность, большие размеры и ограниченное число оборотов (не
более 6000 мин–1, а у машин большой мощности – 1000–4000 мин–1).
На рис. 5 приведена характеристика электрического тормоза.
Регулирование скоростного режима двигателя осуществляется
изменением силы тока возбуждения тормоза и генератора.
14
15
На рис. 4 приведена схема электрического балансирного тормоза
с рекуперацией энергии. В тормозную установку входят асинхронный или синхронный двигатель переменного тока 3, механически
соединенный с ним генератор постоянного тока с независимым возбуждением 4 и балансирный тормоз с независимым возбуждением
5, механически связанный с испытываемым двигателем 6.
1
1
2
3
2
4
5
6
Рис. 4. Принципиальная схема электрической балансирной
машины постоянного тока:
1 – автотрансформаторы; 2 – выпрямители; 3 – двигатель переменного тока; 4 – генератор постоянного тока; 5 – тормоз
балансирный; 6 – испытываемый двигатель
минимальной тормозной мощностью, поглощаемой машиной при
отсутствии тока возбуждения.
Достоинствами балансирных машин постоянного тока являются устойчивость режимов нагрузки, легкость и плавность перехода с одного режима нагрузки на другой, удобство в управлении,
незначительный расход электроэнергии (только для возбуждения)
и отсутствие необходимости использования охлаждающей жидкости. Кроме того, электрический тормоз, будучи обратимой машиной, может быть использован для пуска, холодной обкатки двигателя и определения механических потерь путем его прокрутки.
Ne, кВт
A
B
C
O
n, об/мин
Рис. 5. Внешняя характеристика электрического тормоза
1.2.4. Индукторные тормоза
Мощность, поглощаемая генератором постоянного тока, пропорциональна квадрату числа оборотов его вала, т. е. при увеличении
числа оборотов она возрастает по параболе и может быть представлена семейством параболических кривых (ОА, ОС) в зависимости
от изменения сопротивления цепи якоря или от величины магнитного потока полюсов статора. Каждому значению сопротивления
в цепи якоря при неизменном магнитном потоке присущи определенные значения мощности, зависящие от числа оборотов вала.
В данном случае линия ОАВС ограничивает те максимальные значения мощности, которые может поглощать генератор без нагрева в течение длительного времени.
Таким образом, изменяя сопротивление в цепи якоря и силу
тока машины, можно изменять мощность, развиваемую балансирной машиной и, следовательно, устанавливать любое число оборотов испытуемого двигателя и величину отдаваемой им мощности. Причем последняя не должна выходить за пределы внешней
характеристики электрического тормоза и допускаться условиями
электрической машины (точка А), предельной угловой скоростью
в связи с прочностью якоря, нагружаемого центробежной силой
(точка В); по линии ВС – максимальным напряжением, допускаемым электрической прочностью изоляции обмоток; по линии СО –
В тормозах этого типа вырабатываемая двигателем энергия расходуется на образование вихревых токов, возникающих в монолитном магнитопроводе при его намагничивании и размагничивании, и на нагрев охлаждающей воды.
Схема одного из вариантов индукторного тормоза приведена
на рис. 6. Ротор (индуктор) тормоза представляет собой двухрядное зубчатое колесо с прямоугольной или трапецеидальной формой
зуба, который вращается внутри статора 3, свободно закрепленного
на балансирных подвесках. Статор разделен на две половины, между которыми помещается катушка возбуждения 2, которая создает
магнитный поток, концентрирующийся в местах расположения зубьев ротора. Гильза 4 и ротор 2 изготовлены из стали высокой магнитной проницаемости. При вращении ротора отдельные участки
гильз статора поочередно намагничиваются и размагничиваются,
при этом в гильзах, изготовленных в качестве короткозамкнутых
витков, возникают вихревые токи, нагревающие их.
Взаимодействие основного магнитного поля с полем вихревых
токов создает сопротивление вращению ротора, и статор поворачивается на угол пропорционально вырабатываемой ДВС мощности.
Таким образом, в индукторном тормозе происходит двойное преобразование энергии: подводимая к его ротору механическая энергия превращается сначала в электрическую, а затем в тепловую.
16
17
Ne, кВт
2
3
1
4
O
Рис. 6. Схема электрического
индукторного тормоза:
1 – ротор; 2 – катушка возбуждения; 3 – статор;
4 – гильза
n, об/мин
Рис. 7. Внешняя характеристика индукторного
тормоза
Индукторные тормоза просты, компактны, имеют высокую
энергоемкость и надежны в эксплуатации. К недостаткам индукторных тормозов относят невозможность рекуперации поглощаемой энергии, а также использования его для проворачивания вала
двигателя.
Для обеспечения отвода тепла индукторные тормоза имеют систему охлаждения. Тормозную мощность индукторных тормозов
регулируют изменением величины тока возбуждения.
Мощность возбуждения составляет в среднем 0,3 % от максимальной поглощаемой мощности, что на порядок ниже, чем для
электрических тормозных установок.
Внешняя характеристика индукторного тормоза мощностью
780 кВт представлена на рис. 7.
Участок ОА характеристики соответствует нарастанию поглощаемой мощности при полном возбуждении. В точке А (n = 1250 об/мин)
тормоз имеет максимальную мощность. Точка В характеризует его
максимальный скоростной режим, а участок ОС представляет собой собственные механические потери тормоза. Механические
потери индукторных тормозов значительно ниже, чем у гидротормозов, поэтому индукторные тормоза обладают более широким диапазоном регулирования.
Для обеспечения принудительного отвода тепла от рабочих цилиндров двигателя нужно создать определенный тепловой режим
на каждом из установившихся режимов двигателя. Эту задачу можно решить установкой системы охлаждения на стенде. Поскольку
в ряде двигателей отсутствуют водяной насос и радиатор, то на испытательном стенде их функции выполняет смесительный бак (рис. 8),
с помощью которого обеспечиваются определенный температурный
режим и напор охлаждающей воды в системе охлаждения двигателя. Вода в бак 1 поступает из водопроводной трубы 5. Уровень воды
18
19
1.3. Технологическое оборудование стенда
1.3.1. Система охлаждения стенда
6
5
топливный бак располагается ниже уровня двигателя, поскольку
бензин из бака подается с помощью топливного насоса. Для дизеля
на стенде предпочтительно расположение топливного бака выше
уровня топливного насоса.
2
1.3.3. Система для удаления отработавших газов
1
7
3
4
Рис. 8. Система охлаждения стенда:
1 – смесительный бак; 2 – отводная труба; 3 – подводящая
труба; 4 – труба возврата охлаждающей жидкости из
двигателя; 5 – водопроводная труба; 6 – вентиль
водопроводной трубы; 7 – вентиль, подводящий
к двигателю воду из бака
К впускному коллектору двигателя присоединяется отводная
труба; вывод ее находится в специальном колодце за пределами
лаборатории. К трубопроводу, отводящему отработавшие газы,
предъявляются следующие требования:
длина должна составлять не менее 6 м;
колена (максимум три) должны иметь плавные закругления;
проходное сечение трубы не должно быть меньше проходного сечения выпускного коллектора;
все соединения должны быть плотными.
1.4. Измерительные средства стенда
Для обеспечения подачи топлива в двигатель и определения его
расхода с высокой точностью на испытательном стенде установлены топливные баки и устройства для определения количества подаваемого топлива. Емкость баков подбирается в зависимости от
мощности испытываемого двигателя. Для бензинового двигателя
Современные автомобили и их энергетические установки – двигатели – оснащены большим количеством датчиков, позволяющих
контролировать работу всех систем и даже узлов. Преобразование
информации с выходов датчиков в форме, удобной для индикации,
осуществляется бортовыми компьютерами и выводится на цифровое табло. Встроенные (штатные) датчики служат для преобразования неэлектрических величин в электрические сигналы: уровня
напряжений, токов, изменения сопротивления импульсов напряжений и токов и т. д. В системах управления двигателями устанавливается больше десятка датчиков, причем назначение некоторых из
них несколько отличается у бензиновых двигателей и дизелей. Они
могут быть объединены по типу измеряемых параметров в следующие группы: расходомеры воздуха (расход топлива в инжекторных двигателях косвенно определяется по длительности открытия инжектора в момент впрыскивания топлива), давлений, температур, угла поворота дроссельной заслонки (дросселя), угла
20
21
в баке, а следовательно и напор в системе охлаждения двигателя, регулируются с помощью отводной трубы 2 уровнем установки самого бака. Охлаждающая вода поступает в двигатель по трубе 3, а из
двигателя возвращается по трубе 4 в бак, где перемешивается с водопроводной водой.
Температура может регулироваться с помощью вентиля 6.
1.3.2. Система питания двигателя топливом
поворота и частоты вращения коленчатого вала, датчиков детонации
и кислорода (в бензиновых двигателях), уровня топлива в баках, начала подачи топлива (в дизелях) и т. д.
В этой связи современные двигатели, как правило, не требуют
установки на стенде дополнительных систем, кроме измерителей
расхода топлива для получения более точных значений часового
массового расхода топлива и индикаторных диаграмм.
Для проведения стендовых испытаний двигателей, не имеющих
штатных датчиков, необходимы измерительные средства, с помощью которых может быть получена информация о состоянии двигателя во всех режимах работы.
Достоверность и сравнимость получаемых при испытаниях результатов зависят от правильности выбора измерительной аппаратуры, которая должна обеспечивать:
заданную точность измеряемых величин;
стабильность показаний в течение измерительного процесса;
высокую чувствительность измерительных преобразователей, в особенности первичных (датчиков);
требуемое быстродействие при измерении быстропротекающих процессов.
Все измерительные средства на испытательном стенде можно разделить на две группы. В первую входит контрольно-измерительная
аппаратура, предназначенная для контроля исправного функционирования систем двигателя, часто встраиваемая в него. Ко второй
группе относится информационная измерительная аппаратура стационарного типа.
Требования к аппаратуре этих групп разные. Приборы первой
группы не отличаются высокой точностью, но должны быть надежны в эксплуатации и относительно дешевы при изготовлении.
К приборам этой группы относятся датчики частоты вращения,
контрольные манометры давления масла, топлива, датчики температуры охлаждающей жидкости и масла, расходомеры топлива
и воздуха и т. д. Приборы второй группы, напротив, должны обладать высокой точностью и стабильностью, высоким быстродействием в системе измерения быстропротекающих процессов и бы-
где Vт – израсходованный объем топлива, л; ρт – плотность топлива, кг/м3; τ – время прохождения дозы топлива, с.
Весовой способ расхода топлива заключается в определении
массы израсходованного топлива за определенный промежуток времени. Схема такой установки приведена на рис. 9.
Топливо из бака 1 через двухпозиционный вентиль 2 подается в сосуд 3, установленный на весах 5. После заполнения сосуда топливом вентиль 2 закрывается. Масса заполненного топлива
уравновешивается грузом 9 (навеской). Питание двигателя топливом во время запуска и прогрева осуществляется от бака 1 через
22
23
строменяющихся величин. К ним относятся приборы для измерения температуры и давлений в цилиндре двигателя и топливоподающих системах дизелей, расходов топлива и воздуха, температуры
выхлопных газов и т. д.
Для построения большинства характеристик двигателя необходим следующий набор измеряемых величин:
частота вращения коленчатого вала двигателя;
крутящий момент на коленчатом валу;
расходы топлива, воздуха и охлаждающей воды;
температуры воды на выходе и входе в двигатель, масла, отработавших газов, воды в гидротормозе;
давление масла, топлива, картерных газов;
угол опережения зажигания (впрыска топлива);
состав и количество вредных выбросов и т. д.
1.4.1. Измерение расходов топлива
Для измерения расхода топлива с погрешностью не хуже 0,5 %
применяются два способа: объемный и весовой. При объемном способе топливо в двигатель во время измерения поступает из заранее проградуированных сосудов. По времени расходования топлива
определение часового расхода топлива, кг/ч, осуществляется по следующей зависимости:
Gт = 3,6(Vтρт) / τ,
1
7
8
9
4
2
3
5
6
Рис. 9. Схема устройства для определения расхода топлива
весовым способом:
1 – расходный бак; 2 – вентиль; 3 – мерный сосуд; 4 – трехходовой
кран; 5 – циферблатные весы; 6 – навеска; 7 – насос;
8 – фильтр; 9 – двигатель
трехпозиционный вентиль 4. Топливо из бака 1 через двухпозиционный вентиль 2 подается в сосуд 3, установленный на весах 5.
После заполнения сосуда топливом вентиль 2 закрывается. Масса
заполненного топлива уравновешивается грузом 9 (навеской). Питание двигателя топливом во время запуска и прогрева осуществляется от бака 1 через трехпозиционный вентиль 4. Для измерения
расхода топлива вентиль 4 необходимо перевести в такое положение, когда топливо в двигателе 9 будет поступать через топливоподающий насос 7 и фильтр 8. Определяя время расходования навески топлива Gт, можно рассчитать часовой расход топлива, кг/ч, по
уравнению
Gт = 3,6(Gоп) / τ,
1.4.2. Измерение расхода воздуха
Современные двигатели оснащены встроенными датчиками
расхода топлива и воздуха для поддержания в эксплуатации определенного состава топливовоздушной смеси (ТВС).
Расход воздуха определяют либо непосредственными способами, например путем измерения массы или объема воздуха в единицу времени с помощью различных датчиков, либо косвенным
способом – измерением параметров потока, характеризующего его
среднюю или мгновенную скорость. При отсутствии современных
датчиков массового расхода измерение на стенде может осуществляться дросселированием мерного впускного трубопровода двигателя диаметром D для получения перепада давлений. На диафрагме (пластинке с калиброванным отверстием диаметра), установленной между фланцами мерного трубопровода, измеряется
перепад давления на диафрагме Δp. Расход воздуха, кг/ч, можно
определить по формуле
Gb = 3600μF0 2pgρ ,
где F0 – площадь проходного сечения диафрагмы, м2; Δp – перепад
давления, мм вод. ст.; ρ – плотность рабочего тела (воздуха), кг/м3;
μ – коэффициент, характеризующий параметры геометрического
профиля диафрагмы.
Метод дросселирования воздушного потока наряду с простотой имеет и недостатки: сравнительно низкую точность и ухудшение параметров наполнения цилиндров двигателя свежим зарядом вследствие увеличения гидравлического сопротивления
диафрагмы.
1.4.3. Измерение давлений
где Gоп – масса топлива, израсходованного за время опыта, г; τ –
время, за которое было израсходовано топливо, с.
Следует отметить, что точность измерений в этом случае будет возрастать по мере увеличения топливной навески и времени измерения.
Давления в энергетических установках, в первую очередь ДВС,
подразделяются на статические (практически не изменяющиеся во
времени на установившихся режимах работы двигателей) и подверженные быстрым изменениям (динамические). Давления жидкостей
24
25
и газов в емкостях и потоках измеряют манометрами, разрежения – мановакуумметрами и пьезометрами, давление окружающей среды – барометрами, перепады давления – пьезометрами
и дифференциальными манометрами.
Ртутные и водяные пьезометры применяют для измерения разрежения во впускной системе двигателя. Пьезометр представляет
собой U-образную трубку, которая одним концом через резиновую
трубку соединяется с местом замера давления, а другим сообщается с атмосферой. Дифференциальный пьезометр двумя концами
подсоединяется к измеряемому месту и показывает разность давлений. Пружинные манометры применяют для измерений давлений масла в системе смазки, давлений топлива в топливных фильтрах дизелей. Имеются манометры, позволяющие измерять высокие давления, которые используются при регулировке форсунок
и топливных дизелей насосов.
Наиболее сложны измерения нестационарных давлений при
исследовании рабочих процессов внутри цилиндров ДВС и в топливопроводах высокого давления дизелей (динамических). Такие измерения ведутся специальными индикаторами. В состав
индикаторов входят датчики быстроменяющихся давлений, усилители и регистрирующие приборы. В чувствительном элементе датчика динамических давлений происходит преобразование
силы давления газов в пропорциональные электрические величины. Поступающий от датчика электрический параметр в электрической схеме преобразуется в ток или напряжение, усиливается и подается на регистрирующий прибор. В качестве датчиков
используются пьезоэлектрические, в первую очередь пьезокварцевые, тензометрические емкостные и другие датчики. Действие пьезометрического датчика основано на пьезоэлектрическом эффекте кристаллов ряда химических элементов – возникновении электрических зарядов противоположной полярности
на гранях кристалла при механическом воздействии на них.
Тензометрические датчики используют тензометрический эффект – изменения сопротивления проводника в результате его
деформации.
26
1.4.4. Изменение температур
Для определения теплового режима двигателей во время испытаний необходимо знать температуры охлаждающей жидкости на
выходе из него, масла в системе смазки, отработавших газов.
Для измерения температур применяют термопары, термометры
сопротивления для местного и дистанционного контроля температуры. По принципу действия термометры разделяют на механические, электромеханические и электрические. Выбор нужного термометра определяется назначением, необходимой точностью измерений и пределами изменения температуры.
Так, жидкостные термометры расширения применяют для измерения температуры окружающей среды, теплового состояния
потока воздуха и жидкостей в трубопроводах; термометры давления, или монометрические термометры, – для измерения температуры охлаждающей жидкости и картерного масла двигателя;
термометры сопротивления – для измерения температуры охлаждающей жидкости, воздуха, картерного масла, топлива и т. д.;
термоэлектрические термометры (термопары) – для измерения
температуры отработавших газов и тепловой напряженности деталей двигателя.
1.4.5. Приборы для измерения частоты вращения
Для измерения частоты вращения используются электрические
тахометры, тахоскопы, электронные тахометры и др.
При испытании двигателей наибольшее применение получили электрические тахометры. Они более удобны, надежны, позволяют измерять частоту вращения на расстоянии до 25 м. Каждый
электрический тахометр включает в себя датчик, соединительные
провода и измеритель.
В электронных тахометрах индукционные или фотоэлектрические преобразователи посылают в измерительное устройство
кратковременные импульсы через каждый оборот или долю оборота вала испытываемой машины. Регистрирующим устройством
27
в этом случае обычно служат электронные частометры, действие
которых обусловлено либо зарядом-разрядом конденсатора, либо
иными схемами с цифровой индексацией результатов, основанной
на автоматическом повторении счета через определенные промежутки времени.
В электронных фотоэлектрических тахометрах датчиком служат фотоэлементы. Вращающиеся перфорированные диски или
лопасти прерывают луч света, попадающий на фотоэлемент, благодаря чему величина фототока пульсирует.
Протокол служит для занесения в него измеряемых и расчетных величин в системе СИ. На основании данных протокола необходимые результаты должны быть представлены в виде графических зависимостей.
На последней странице протокольного бланка помещается краткий анализ экспериментальных результатов.
2.2. Рабочие места при проведении испытаний
В методическом плане лабораторные занятия по испытаниям двигателей опираются на требования ГОСТ 14846–87 (СТ СЭВ 765–77)
«Двигатели автомобильные. Методы стендовых испытаний». Методике лабораторных испытаний по контролю показателей токсичности автомобилей соответствует ГОСТ 17.2.2.03–87 «Охрана природы. Атмосфера. Нормы и методы измерений содержания окиси
углерода и углеводородов в отработавших газах автомобилей с бензиновыми двигателями» и ГОСТ 21393–75 «Автомобили с дизелями. Дымность отработавших газов. Нормы и методы измерений».
Порядок проведения лабораторных испытаний предусматривает ознакомление студентов с целью испытаний, краткой характеристикой испытываемого двигателя, технологической оснасткой
и специальным оборудованием, контрольно-измерительной аппаратурой стенда, методикой и порядком выполнения работы, формой протокола испытаний.
Основным документом испытаний двигателей служит протокол
испытаний с указанием даты испытаний и подписями участников
испытаний.
Испытание проводит группа студентов из 5–6 человек.
Руководитель испытания, назначаемый из числа студентов, совместно с преподавателем проверяет готовность к работе двигателя, тормозного устройства, измерительной аппаратуры и установки в целом, распределяет студентов по рабочим местам и проверяет знание ими своих обязанностей, следит за правильностью
проведения испытания (определяемой как соответствие целям
и программе работы), контролирует своевременность выполнения
всех измерений, дает сигнал к измерению необходимых параметров. Руководитель обязан контролировать соблюдение студентами правил техники безопасности и пожарной безопасности.
Рабочее место управления двигателем обслуживает либо механик, либо студент-руководитель по усмотрению преподавателя.
Рабочее место управления тормозными системами обслуживается одним студентом. По указанию руководителя испытаний или
преподавателя он устанавливает необходимую нагрузку (режим
работы) двигателя и передает данные о нагрузках студенту, ведущему протокол испытаний.
Рабочее место контроля за тепловым состоянием двигателя предназначено для определения теплового режима двигателя. Обязанности
студента по контролю за тепловым состоянием двигателя сводятся
к следующему:
проверить наличие охлаждающей жидкости в системе охлаждения двигателя;
поддерживать тепловой режим по температуре воды на выходе из двигателя.
28
29
2. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИСПЫТАНИЙ
ДВИГАТЕЛЕЙ
2.1. Организация и порядок проведения
лабораторных занятий
по сигналу «Замер» снимать показания измерительного при-
Обязанности студента на рабочем месте измерения расхода топлива сводятся к следующему. Перед испытанием двигателя студент должен:
проверить наличие топлива в топливной системе двигателя;
ознакомиться с положениями переключающего топливного
крана;
открыть краны топливного бака перед пуском двигателя.
После окончания испытаний двигателя студенту необходимо:
закрыть кран топливного бака;
во избежание попадания воздуха в топливную систему следить за тем, чтобы не предпринимались попытки пуска двигателя
при закрытом топливном кране.
Рабочее место измерения расхода охлаждающей жидкости обслуживается одним студентом, обязанности которого сводятся
к следующему:
при объемном способе определения расхода ознакомиться
с системой слива воды: местами расположения и положения кранов на режимах «Замер», «Слив», «Работа», а также шкалой емкости бака;
при измерении расходов при помощи водомера ознакомиться
с градуировкой шкалы;
убедиться в исправности и готовности к работе секундомера
и ознакомиться с его шкалой;
по сигналу «Замер» проводить измерения и результаты заносить в протокол.
При измерении температуры выпускных газов студент обязан:
перед началом испытаний установить тип термопары (термоэлектродные материалы);
ознакомиться с типом и принципом действия измерительного прибора;
убедиться в наличии тарировочной кривой (графика) измерительного устройства, представляющей собой зависимость
температуры горячего спая термопары от показаний измерительного прибора, и ознакомиться с масштабами тарировочного графика;
бора и соответствующие им значения температуры (по тарировочному графику), занося их в протокол;
в протоколе испытания указать сведения о типе термопары
и измерительном приборе.
Если лабораторной работой предусмотрено индицирование
двигателя, то рабочее место обслуживается одним или двумя студентами. Их обязанности на этом месте таковы:
перед испытанием двигателя ознакомиться со способом снятия индикаторной диаграммы;
перед началом испытания и после него определить масштабы
давлений для индикаторов прямого преобразования или пневмоэлектрического типа;
по сигналу руководителя «Замер» снять индикаторную диаграмму и нанести на нее дату, время испытаний, номер режима
и его параметры.
Индикаторные диаграммы и полученные на их основе показатели наравне с протоколом являются первичными исходными документами испытания; они подписываются снимавшим их лицом
и прикладываются к протоколу.
Рабочее место, на котором обеспечивается ведение протокола испытаний, обслуживается одним студентом, в обязанности которого
входит фиксирование по сигналу руководителя частоты вращения
коленчатого вала двигателя, определение отдельных расчетных величин по данным проводимого испытания, занесение результатов
расчета в протокол, построение «контрольных графиков» измерения
одного или нескольких параметров для проверки правильности выполнения замеров и хода испытания. Опытные точки, выпадающие
из общей закономерности, указывают на наличие ошибок в измерениях или расчетах и на необходимость повторения опытов.
При проведении отдельных видов работ может возникнуть необходимость в изменении перечня рабочих мест или назначении
дополнительных рабочих мест (например, при проведении анализа отработавших газов в цилиндре двигателя или компьютерной
обработке непосредственных измерений).
30
31
В зависимости от числа участников и задачи испытания преподаватель может объединять рабочие места или назначать дополнительные.
2.3. Проверка готовности двигателя к испытанию
Перед началом работы проверяется готовность установки к проведению испытаний в соответствии с программой.
Перед испытанием необходимо проверить:
1) надежность крепления двигателя и тормоза на фундаменте;
2) соединение двигателя с тормозным устройством (при наличии коробки передач между двигателем и тормозом следует включить ее на необходимую передачу); наличие и надежность крепления защитного кожуха соединительной муфты;
3) натяжение ремней привода электрического генератора, вентилятора и водяного насоса, а также наличие и надежность крепления защитных щитков в зоне приводных ремней и воздушного
вентилятора;
4) состояние соединения рукоятки управления с рейкой топливного насоса или дроссельной заслонкой. При этом следует установить положение рукоятки управления, соответствующее режимам
холостого хода и полной нагрузки;
5) соединения электрических свечей зажигания с прерывателемраспределителем в бензиновом двигателе;
6) наличие в топливном баке необходимого сорта топлива;
7) уровень масла в поддоне двигателя или наличие масла в масляном баке для двигателя с сухим картером;
8) наличие охлаждающей жидкости в системе охлаждения двигателя;
9) готовность тормозного устройства к пуску установки (при
использовании электрического тормоза рукоятки реостатов должны принимать исходное положение, а к установке должно быть подано напряжение; при гидравлическом торможении проверяется
заполнение водой бака постоянного уровня при включенной подаче воды из водопроводной сети);
32
10) наличие стационарного тахометра, термометров охлаждения (на входе и выходе из двигателя), а также манометра в системе смазки двигателя;
11) готовность пускового устройства к началу работы. В случае
применения стартера подключается аккумуляторная батарея или
другой источник питания;
12) наличие и исправность действия контрольно-аварийной
сигнализации.
При проверке готовности измерительной аппаратуры к проведению испытаний необходимо:
1) убедиться в наличии на установке необходимой измерительной аппаратуры. Аппаратура выбирается в зависимости от задач
и программы испытаний;
2) проверить наличие у приборов паспортов или градуировочных документов;
3) ознакомиться со шкалами приборов. При записи показаний
точность не должна превышать половины наименьшего деления
шкалы прибора;
4) осуществлять тарировку измерительной аппаратуры для
регистрации быстроизменяющихся величин, например, в случае
применения пьезокварцевого индикатора для записи изменения
давления в камерах сгорания рабочих цилиндров двигателя или
в системе топливоподачи перед форсункой (дизель); при обработке опытных данных пользоваться осредненными данными тарировок, проводимых до и после испытаний.
Знание принципа действия и устройства приборов и соблюдения правил обращения с ними является обязательным условием
успешной подготовки измерительной аппаратуры к испытаниям
двигателя.
2.4. Правила техники безопасности и пожарной безопасности
Во избежание несчастных случаев при проведении испытаний
двигателя самое серьезное внимание должно быть уделено вопросам техники безопасности и пожарной безопасности.
33
Перед началом работы преподаватель проверяет состояние стенда, а также знание студентами правил техники безопасности и пожарной безопасности в условиях проводимой работы (испытательного стенда).
При проведении испытания необходимо руководствоваться следующими правилами техники безопасности и пожарной безопасности:
1. Следует убедиться в наличии и исправности стендовых средств
пожаротушения.
2. Категорически запрещается находиться в плоскостях вращения соединительных муфт или коллекторов электрических машин
даже при наличии ограждений.
3. Запрещается прикасаться к вращающимся и горячим деталям двигателя.
4. При возникновении ненормальных стуков и шумов в двигателе, тормозе или соединительной муфте двигатель по указанию
руководителя переводится на низкие обороты холостого хода
прикрытием дросселя или уменьшением подачи топлива в дизель
с одновременным полным снятием нагрузки; после этого двигатель следует остановить для выяснения причин и устранения возникшей неисправности.
5. В аварийных случаях и при возникновении очага возгорания двигатель должен быть остановлен немедленно. Остановка
дизеля обычно производится выключением подачи топлива.
В случаях возникновения неисправностей в системе выключения топлива необходимо остановить двигатель прекращением
подачи воздуха. Остановка бензинового двигателя обычно достигается выключением системы зажигания. Однако вследствие
перегрева изоляторов запальных свечей возможна работа двигателя в режиме «калильного зажигания» при выключенном электрическом зажигании. В этом случае необходимо полностью закрыть дроссель и, если возможно, резко нагрузить двигатель до
полной его остановки.
6. Во избежание «разноса двигателя» студент, обслуживающий
тормоз, в случаях ненормальной работы двигателя, тормоза или
соединительной муфты может снимать нагрузку только по указаниям руководителя (преподавателя).
7. В присутствии преподавателя допускается регулировка или
отключение отдельных цилиндров работающего двигателя в соответствии с программой работы. К числу таких регулировок относятся изменение угла опережения впрыска топлива (у дизелей); изменение опережения зажигания двигателя с искровым зажиганием
(работа производится в резиновых перчатках, на резиновом коврике); регулировка состава смеси в двигателе с искровым зажиганием;
выключение цилиндров двигателя с искровым зажиганием с целью
определить индикаторную мощность отключаемого цилиндра (работа выполняется в резиновых перчатках, на резиновом коврике).
8. При проведении испытаний студенты должны находиться на
своих рабочих местах. Студенту, обслуживающему тормоз, категорически запрещается покидать свое рабочее место и отвлекаться от
наблюдения за работой стенда. При обнаружении в процессе испытаний любых неисправностей двигателя, тормоза или аппаратуры
студент обязан сообщить об этом руководителю и преподавателю.
9. При перегревании двигателя, фиксируемом по показаниям
температуры охлаждающей жидкости или температуры отработавших газов, а также при падении давления масла ниже допустимого
двигатель необходимо разгрузить и перевести в режим минимально устойчивых оборотов холостого хода.
10. При наличии в составе испытываемого двигателя радиатора
необходимо соблюдать осторожность при добавлении в него воды.
Кроме того, следует иметь в виду, что после остановки двигателя, работавшего в режиме полной нагрузки, возможно вскипание
воды в рубашке двигателя и выбрасывание ее из горловины радиатора. Во избежание этого необходимо перед остановкой двигателя
постепенно снизить нагрузку до холостого хода.
11. Категорически запрещается:
курить и пользоваться открытым пламенем;
набрасывать на ходу приводные ремни вентиляторов системы
охлаждения, приводного электрогенератора, тахометров и других
приводных агрегатов;
34
35
содержать топливо в открытых емкостях;
работать на установке, не имеющей необходимых противо-
Перед пуском следует убедиться в готовности двигателя и тормозного устройства к работе.
Необходимое для пуска принудительное вращение коленчатого вала двигателя может быть осуществлено одним из следующих
способов:
электростартером от аккумулятора (выпрямителя напряжения), допускаемая длительность включения которого не должна превышать 3–4 с. Если пуск двигателя при первой попытке не
удался, следует сделать паузу, после чего снова осуществить пуск
двигателя;
электрическим тормозом в электромоторном режиме.
При пуске ДПЗ необходимо включить систему электрического зажигания; после этого производится принудительное вращение коленчатого вала двигателя.
Пуск дизеля осуществляется путем принудительного вращения коленчатого вала двигателя одним из указанных способов при
включенной подаче топлива. Наличие у дизеля всережимного регулятора скорости вращения коленчатого вала исключает необходимость вмешательства механика в работу топливной системы во
время пуска.
При отсутствии регулятора, т. е. при ручном управлении подачей топлива, необходимо на время пуска установить рейку топливного насоса в положение частичной подачи топлива. После
первых вспышек в цилиндрах необходимо прекратить принудительное вращение коленчатого вала, включив пусковое устройство, далее уменьшением подачи топлива установить режим минимально устойчивой частоты вращения.
Прогревание двигателя после пуска осуществляется в режиме
холостого хода без нагрузки до температуры охлаждающей воды
на выходе из двигателя в пределах 40–50 °С, температуры масла
30–40 °С. Для ускорения прогревания, как уже указывалось, необходимо следить за тем, чтобы в смесительный бак системы охлаждения не поступала холодная вода из водопроводной сети.
Выведение двигателя на заданный режим связано с дальнейшим прогреванием его до равновесного теплового состояния, контролируемого значениями температур охлаждающей воды на выходе из двигателя в пределах 80–90 °С и масла – 70–85 °С.
Нагружение двигателя осуществляется плавным увеличением
подачи топлива (у дизелей – перемещением рейки топливного насоса, у карбюраторных двигателей – открытием дросселя) с одновременным повышением величины тормозного момента (путем
изменения подачи воды в гидротормоз или изменения величины
тока в цепи якоря или обмотке возбуждения электротормоза нагрузочными реостатами). Необходимо, чтобы частота вращения
коленчатого вала при увеличении нагрузки изменялась плавно.
Одновременно с изменением нагрузки двигателя необходимо изменять подачу в смесительный бак холодной воды из водопроводной сети, поддерживая заданное тепловое состояние
двигателя.
36
37
пожарных средств: огнетушителя, ящика с песком, лопаты, кошмы и т. д.;
проводить испытания на установке, не имеющей надежного
заземления;
работать на установке, не имеющей защитных кожухов у вращающихся деталей двигателя и горячих выпускных труб;
проводить испытания при обнаружении неплотностей в соединениях топливной системы и системы выпуска отработавших
газов.
12. Необходимо строго соблюдать правила обращения с топливом: запрещается мыть руки в бензине или дизельном топливе, засасывать топливо ртом в перепускной шланг, прикасаться руками,
смоченными в топливе или масле, к глазам, носу, рту.
13. Необходимо своевременно проветривать помещение лаборатории.
2.5. Пуск двигателя, его прогревание, выведение
на заданный режим и остановка
Остановка двигателя под нагрузкой категорически воспрещается, поскольку это приводит к резкому падению частоты вращения коленчатого вала и сопровождается возникновением больших
инерционных нагрузок в кривошипно-шатунном механизме двигателя. Двигатель перед остановкой необходимо постепенно разгрузить уменьшением подачи топлива и величины тормозного момента вплоть до малых оборотов холостого хода и только после этого
произвести остановку. Остановка бензинового двигателя достигается выключением системы зажигания, а дизеля – прекращением
подачи топлива.
После остановки двигателя следует закрыть топливный кран
и вентили системы охлаждения, в гидротормозе закрыть входной
вентиль (в сети питания водой), а при наличии электротормоза –
отключить его от питающей электрической сети.
После остановки двигателя и завершения испытаний установка
сдается механику лаборатории.
2.6. Порядок проведения испытаний
После распределения студентов по рабочим местам и проверки
готовности установки к проведению испытаний руководитель получает разрешение преподавателя начать испытания.
Под наблюдением преподавателя и механика студенты осуществляют пуск и прогревание двигателя, после чего, руководствуясь программой испытаний, двигатель выводят на необходимый режим.
При достижении устойчивой работы и тепловой стабилизации
двигателя на заданном установившемся режиме руководитель испытания подает сигнал «Замер», по которому каждый студент обязан тщательно провести измерения на своем рабочем месте и занести результаты в протокол.
Студент, обслуживающий рабочее место «Ведение протокола
испытаний», заносит данные опыта в протокол, рассчитывает отдельные параметры (по указанию преподавателя) и строит графики их изменения для проверки правильности ведения опыта.
38
На каждом установившемся режиме измерения повторяются не
менее четырех раз. Убедившись в правильности всех измерений,
руководитель дает указание студенту, обслуживающему тормозное
устройство, о переходе на следующий режим.
Если в процессе контрольного анализа результаты измерений
на каком-либо режиме вызывают сомнения, то двигатель выводят
на этот режим и измерения повторяют.
После выполнения программы испытаний механик и студент,
обслуживающий тормозное устройство, постепенно снижают нагрузку двигателя до нуля, переводя его на режим малых оборотов холостого хода, затем останавливают двигатель, закрывают топливный кран, вентили системы охлаждения и сдают установку.
Все расчеты и графические работы, связанные с составлением индивидуальных отчетов о проделанной работе, выполняются
студентами самостоятельно. Оформленные отчеты предъявляются
преподавателю, который после собеседования и проверки подписывает их и проставляет зачет в установленном порядке.
Каждый студент обязан своевременно представить преподавателю надлежащим образом оформленный отчет по проведенной
лабораторной работе.
Отчет должен содержать:
индивидуальный протокол испытаний;
необходимые функциональные зависимости изменения параметров, выполненные в соответствии с правилами оформления
графиков настоящего пособия;
выводы по работе.
По особому указанию преподавателя к отчету должна прилагаться принципиальная схема установки.
Отчет должен быть выполнен аккуратно, с соблюдением правил и требований настоящего пособия.
39
3. ХАРАКТЕРИСТИКИ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
Gт Gв
3.1. Режимы работы двигателей
Mс
Автомобильные двигатели в силу специфики эксплуатации автотранспортных средств (разгоны, торможение, движение в сложных дорожных условиях) бóльшую часть времени работают на переходных режимах.
Режим работы ДВС определяется крутящим моментом (мощностью) и частотой вращения коленчатого вала, изменяющимися
в определенном диапазоне, ограниченном тепловыми и механическими нагрузками на детали двигателя. Мощность двигателя должна соответствовать требуемым тяговым характеристикам транспортного средства, обеспечивать динамические качества при высокой топливной экономичности и малой токсичности отработавших газов.
Состояние двигателя на определенном режиме работы характеризуется рядом параметров, которые условно можно разделить:
на входные – подача топлива (цикловая подача топлива gц, часовой расход топлива Gт, удельный расход топлива gе), подача воздуха Gв, внешняя нагрузка на двигатель, определяемая моментом
сопротивления Мс;
выходные – частота вращения (угловая скорость вращения ω,
скорость поршня Сп), развиваемый двигателем крутящий момент Ме;
параметры двигателя, характеризующие качество протекания
рабочего процесса: среднее индикаторное pi и эффективное ре давления, максимальное давление сгорания рz, индикаторный ηi, эффективный ηe и механический ηм КПД двигателя, коэффициент избытка воздуха α, коэффициент наполнения ηv и т. д.
На рис. 10 приведена упрощенная схема двигателя как объекта испытаний. На этой схеме входные параметры обозначены
сплошными линиями со стрелками, направленными к двигателю,
выходные параметры – сплошными линиями со стрелками, направленными от двигателя, а параметры, характеризующие протекание рабочего процесса двигателя, – пунктирными линиями.
40
n(ω)
ДВС
pz
pi
Tz
ge
Me
ηv
ηi
Рис. 10. Схема ДВС как объекта испытаний
Для поддержания выходных параметров Mе и ω на заданном
уровне при изменении Мc необходимо воздействовать на орган
управления подачи топлива (в дизеле) и горючей смеси (в карбюраторном двигателе).
Режим работы двигателя можно считать установившимся, если
значения всех параметров сохраняются неизменными во времени.
Постоянство параметров во времени на установившемся режиме
возможно при выполнении следующих условий:
Ме – Мс = 0 или dω / dt = 0.
(1)
При нарушении условий «равновесия», т. е. при изменении
одного, нескольких или всех параметров двигателя во времени, режим становится неустановившимся и описывается дифференциальным уравнением вида
J(dω / dt) = Ме – Мс,
(2)
где J – приведенный момент инерции двигателя.
При этом:
если Me > Mс, то n возрастает;
если Me < Mс, то n понижается;
если Me = Mс, то двигатель работает с постоянной n.
3.2. Характеристики двигателей
Между параметрами двигателя в установившемся режиме существуют определенные функциональные зависимости. На практике
41
наиболее информативны и представляют наибольший интерес взаимосвязи мощностных, топливно-экономических и скоростных показателей двигателя.
Характеристиками двигателя называются зависимости основных показателей его работы (мощности, крутящего момента, расхода топлива и т. д.) от одного из режимных параметров, чаще всего
частоты вращения коленчатого вала (угловой скорости вращения коленчатого вала), нагрузки (мощности, момента, среднего эффективного давления) и др.
В зависимости от того параметра, который взят в качестве независимой переменной, различают характеристики:
скоростные – независимые переменные n, ω или Сп;
нагрузочные – независимые переменные Ne, ре или Me;
регулировочные – независимые переменные: угол опережения зажигания (в случае ДПЗ) или угол опережения подачи топлива (дизели); по составу смеси – независимый параметр – коэффициент избытка воздуха α;
механических потерь двигателя;
токсичности – зависимость содержания отдельных токсичных составляющих от режима работы двигателя (Ne, pe или n);
комбинированные – зависимость эффективной мощности Ne
и удельного расхода топлива от среднего эффективного давления
и частоты вращения коленчатого вала двигателя.
Существует еще ряд специальных характеристик двигателей:
регуляторные, холостого хода и т. д., но на практике чаще всего используются перечисленные выше характеристики.
При проведении научно-исследовательских и доводочных работ,
а также в учебном процессе для исследования характера рабочего
процесса двигателя снимается индикаторная диаграмма (кривая),
представляющая собой зависимость изменения давления газов в цилиндре в функции угла поворота коленчатого вала. По индикаторной диаграмме можно определить, насколько качественно осуществляется рабочий процесс двигателя, а также получить ряд важнейших показателей этого процесса: максимальное давление цикла рz,
соответствующий ему угол φPz, среднее индикаторное давление, ско-
рость нарастания давления и т. д. При наличии сигнала от датчика,
фиксирующего момент начала зажигания (впрыска топлива), можно определить угол опережения зажигания (впрыска топлива), длительность задержки воспламенения и т. д.
Для анализа характеристик двигателя целесообразно рассмотреть взаимосвязь его основных параметров. Мощность двигателя можно определить следующим образом:
42
43
Ne = C1Men,
(3)
где С1 = π / 3 · 10 = 1 / 9550; Ne – эффективная мощность, кВт; Me =
= Mд – крутящий момент двигателя, Н · м; n – частота вращения, мин–1.
Поскольку
Me = C2 pe,
(4)
4
где pe – среднее эффективное давление, МПа; С2 = 103Vл / πτ – постоянная величина для конкретного двигателя, л; Vл = Vhi – литраж
двигателя, л (дм3); Vh – рабочий объем цилиндра, л (дм3); i – число
цилиндров; τ – коэффициент тактности, равный для четырехтактного двигателя 4, для двухтактного – 2,
то взаимосвязь Ne с pe будет следующей:
Ne = C3 pen,
(5)
где C3 = C1C2 = Vл / 30τ.
Учитывая тот факт, что
а
pe = piηм,
pi = С4(ηi / α)ηv,
(6)
где C4 = Huρк / l0 – постоянная величина; pi – среднее индикаторное
давление, МПа; Hu – низшая теплота сгорания, МДж/кг топл.; l0 – теоретически необходимое количество воздуха для полного сгорания
1 кг топлива, кг/кг топл.; ηv – коэффициент наполнения; ρк – плотность воздуха, кг/м3; ηi – индикаторный КПД; α – коэффициент избытка воздуха,
можно окончательно установить взаимосвязь Me и Ne с основными параметрами рабочего процесса двигателя:
Me = C5(ηi / α)ηvηмρк;
(7)
Скоростные характеристики двигателя представляют собой зависимости основных показателей его работы: эффективной мощности Ne, крутящего момента Me, среднего эффективного давления pe,
часового Gт и эффективного удельного ge расходов топлива, механического ηм и эффективного ηe КПД, а при необходимости и ряда показателей процесса наполнения цилиндра свежим зарядом (двигатель
с принудительным зажиганием и газовый) или воздухом (дизели)
и рабочего процесса: среднего индикаторного давления pi, коэффициента избытка воздуха α, коэффициента наполнения ηv и т. д. –
от частоты вращения коленчатого вала двигателя n. Определение
скоростных характеристик осуществляется при постоянном положении дроссельной заслонки (дросселя) для ДПЗ или рейки топливного насоса для дизелей при установившихся тепловых состояниях двигателей. Изменение частоты вращения осуществляется путем
изменения момента сопротивления нагружающего устройства.
Различают абсолютную внешнюю, внешнюю и частичные скоростные характеристики. Для дизелей помимо перечисленных характеристик добавляется характеристика предела дымления.
Абсолютную внешнюю скоростную характеристику получают
при полных подачах топлива и оптимальных регулировках угла
опережения зажигания (двигатели с принудительным воспламенением) или впрыска топлива (дизели), состава смеси (ДПЗ) и закона подачи топлива (дизели) для каждой точки характеристики. Эта
характеристика ограничивает поле возможных максимальных нагрузок двигателя.
Внешнюю скоростную характеристику получают при полном
открытии дроссельной заслонки или установке рейки топливного насоса на упор при оптимизации угла опережения зажигания
(впрыска) на выбранном эксплуатационном режиме. Частичные
скоростные характеристики определяют зависимость перечисленных параметров от частоты вращения при промежуточных положениях дроссельной заслонки (рейки топливного насоса).
Работа ДПЗ в условиях эксплуатации приближается к внешней скоростной характеристике при регулировке на максимальную
мощность. Этим объясняется то, что на практике с целью определения рабочей зоны двигателя снимают чаще всего внешнюю скоростную характеристику.
Работа дизеля на предельных мощностях допускается только
при регулировке топливного насоса двигателя, поскольку связана
с сильным дымлением, большим нагарообразованием и чрезмерным
перегревом двигателя, приводящими к быстрому изнашиванию деталей цилиндропоршневой группы. Дымление дизеля на мощностях,
Ne = C6(ηi / α)ηvηмρкn,
(8)
44
45
где C5 = (30Vл) / (103πτ)(Hu / l0) и C6 = (Vл / 30τ)(Hu / l0).
При рассмотрении зависимости (7) и (8), видно, что характер изменения Ме и Ne в большей степени определяется четырьмя
безразмерными коэффициентами, три из которых ηv, ηi и ηм характеризуют различного рода потери. Коэффициент наполнения ηv
определяет потери при наполнении двигателя свежим зарядом
(воздухом), ηi – тепловые потери в ходе преобразования тепловой
энергии в механическую, ηм – механические потери. Изменение
коэффициента избытка воздуха α с изменением нагрузки и частоты вращения сказывается также на рабочем процессе двигателя,
в первую очередь на процессе сгорания.
Плотность воздуха во впускной системе для двигателей без
наддува равна ρ0, и ее незначительным изменением можно пренебречь. Для двигателей с наддувом изменение массового наполнения зависит от ρк.
Удельный эффективный расход топлива ge изменяется в соответствии с изменением ηe или произведения ηiηм, так как
ge = C71 / ηe = C71 / ηiηм,
(9)
где C7 = 3600 / Hu – постоянная величина для выбранного вида топлива.
3.2.1. Скоростные характеристики двигателя
с принудительным зажиганием
близких к максимальным, начиная со значений 0,85 Ne ном, объясняется уменьшением α до значений 1,2–1,4, а это приводит к недостатку воздуха для полного сгорания топлива. Начало неполного сгорания топлива в дизелях называется пределом дымления. На каждом
скоростном режиме этому моменту может соответствовать своя подача топлива. Кривая, полученная по началу дымления на каждом
скоростном режиме дизеля, называется характеристикой предела
дымления.
Скоростные характеристики позволяют судить о тяговых и экономических качествах двигателей и выявлять характерные режимы их работы.
В зависимости от указаний преподавателя снимаются либо внешняя, либо частичные скоростные характеристики двигателей.
При построении скоростных характеристик необходимо определять частоты вращения, которые характеризуют предельные значения рабочего диапазона частот, а также частоты, соответствующие
экстремальным значениям крутящего момента, удельного расхода
топлива, мощности. В соответствии с этим в двигателях установлены следующие характерные значения частот вращения коленчатого вала:
nx min – минимальная частота вращения коленчатого вала на
холостом ходу;
nmin – минимальная частота вращения, при которой двигатель
устойчиво работает на полной нагрузке;
nм – частота вращения, соответствующая наибольшему крутящему моменту (для двигателей с принудительным nм находится
в области частот вращения (0,4–0,6)nN, для дизеля (0,5–0,7)nN;
nge – частота вращения, соответствующая минимальному удельному расходу топлива;
nN – частота вращения, соответствующая максимальной мощности;
nном – номинальная частота вращения;
nx max – наибольшая частота вращения холостого хода при полностью открытой дроссельной заслонке (или соответствующая работе с регулятором);
46
nразн – наибольшая частота вращения, при которой вся инди-
каторная мощность расходуется на трение (предельные частоты).
Для ДПЗ nразн = (1,7–2,0)nном, для дизелей nразн = (1,4–1,6)nном.
Методика снятия скоростных характеристик. Скоростные характеристики определяются при различных, постоянных для каждой характеристики положениях органа регулирования подачи свежего заряда (ДПЗ) или органа управления регулятором скорости
с помощью рейки топливного насоса (дизели). Как правило, транспортные дизели оборудуются всережимными регуляторами. При
максимальной затяжке пружины регулятора (установка рейки на
упор) определяется внешняя скоростная характеристика с регуляторной ветвью. Причем в области частот вращения от nmin до nном
снимается собственно внешняя скоростная характеристика, а в области частот вращения nном до nx max – регуляторная характеристика. При снятии скоростных характеристик (рис. 11) последовательность работы следующая: после пуска двигателя нагружением его
с помощью тормоза устанавливается дроссельная заслонка в нужном положении в зависимости от того, какие характеристики снимаются – внешняя или частичные.
Ne ,
кВт
γr
pi
pe
ηv
Me
Ne
ηe
ηм
ηi
α
ge
n, об/мин
Рис. 11. Внешняя скоростная характеристика ДПЗ
47
После восстановления устойчивого теплового состояния производят замеры необходимых величин, а затем путем изменения
нагрузки выходят на следующий скоростной режим работы и т. д.
Дискретно с равномерным шагом получают данные на 6–8 скоростных режимах. Для повышения точности данных необходимо путем увеличения нагрузки пройти характеристику по тем же
скоростным режимам от nmin до nном. Для уменьшения случайных
погрешностей результатов измерения снятие характеристики для
каждого положения управляющего органа необходимо повторить
не менее 4 раз.
Скоростные характеристики ДПЗ рассматриваются в диапазоне
частот вращения от nmin до nx max, причем для данного типа двигателя чаще всего nN = nном.
Практический интерес представляют как внешняя, так и частичные скоростные характеристики. Работа бензиновых двигателей в условиях их эксплуатации вне городов близка к внешней скоростной характеристике, а в городских условиях автомобильный
транспорт работает на частичных скоростных режимах.
Эффективная мощность Ne и крутящий момент двигателя Мe
могут изменяться от нулевого значения на частоте nx max до максимальных значений: Me max на частоте nм = (0,4–0,6)nном и Ne на частоте вращения коленчатого вала, равной номинальной nном. Крутящий
момент после nм с повышением частоты вращения начинает снижаться и составляет на частоте nном 60–85 % от Me max.
Характер изменения Me в соответствии с зависимостью (4) полностью определяется значениями среднего эффективного давления, представляющего собой эффективную удельную работу цикла.
Изменение pе в соответствии с (6) определяется видом зависимого
от индикаторного КПД ηi, характеризующего тепловые потери рабочего процесса двигателя, механического КПД, характеризующего
механические потери двигателя, коэффициента наполнения, характеризующего потери двигателя в процессе наполнения его свежим
зарядом, а также коэффициентом избытка воздуха α.
Значения pе и связанные с ним значения pi имеют максимумы
в области средних частот, причем pe при частоте nм, а максимум pi
расположен правее в области более высоких частот, поскольку pe =
= piηм. Положение максимумов Me, pe и pi в области указанных частот вращения объясняется наилучшей очисткой цилиндров двигателя и соответственно наименьшим значением коэффициента
остаточных газов γr, наибольшим значением коэффициента наполнения ηv. Все это приводит к наибольшей эффективности преобразования тепловой энергии в механическую и, соответственно, к наибольшему значению Me.
Снижение частоты вращения относительно nм ведет к ухудшению
качества очистки цилиндров, а это способствует уменьшению ηv.
Уменьшаются индикаторный и механический КПД. Ухудшение показателей γr и ηv объясняется зависимостью их при работе двигателя
по скоростной характеристике от скорости газов в проходных сечениях выпускного и впускного клапанов, фаз газораспределения и положения дроссельной заслонки. В силу этого при уменьшении n значение γr увеличивается, а ηv уменьшается из-за несоответствия регулировок органов газораспределения скоростному режиму, поскольку
фазы открытия и закрытия впускных и выпускных клапанов выставляются, как правило, оптимальными для эксплуатационных режимов. Снижение ηi, характеризующего тепловые потери, происходит
в первую очередь за счет увеличения относительных потерь тепла через стенки цилиндра, головки и поршня в охлаждающую среду, увеличения утечек газов через неплотности поршневых колец и уменьшения α. Уменьшение механического КПД с понижением n объясняется зависимостью его от ηv и ηi, поскольку
48
49
ηм = pe / pi = 1 – (pм / pi) = 1 – (pмα) / (C4ηiηv).
(10)
При увеличении частот вращения относительно nм значения
pe и pi начинают уменьшаться из-за ухудшения показателей ηi, ηv
и ηм, причем наибольшее влияние на более крутое изменение Me
по внешней скоростной характеристике с повышением n оказывает значительное изменение γr и ηv, вызванное увеличением гидравлического сопротивления впускного и выпускного трактов.
Механические потери возрастают, поскольку с увеличением n увеличиваются потери на трение.
С увеличением частоты вращения сокращается время рабочего
цикла двигателя, что вызывает увеличение догорания топлива на
линии расширения, а это приводит к потере тепла (и соответственно к уменьшению ηi) через стенки цилиндра в систему охлаждения и с отработавшими газами. Для устранения этого недостатка
в бензиновых двигателях регулируется угол опережения зажигания с помощью вакуумного и центробежного регуляторов. Это
приводит к оптимизации φоп.з при изменении n и нагрузки.
Изменение часового расхода топлива по скоростной характеристике определяется в основном числом оборотов и коэффициентом
наполнения, а также коэффициентом избытка воздуха α, но в меньшей степени, поскольку последний мало изменяется в рабочем диапазоне частот (от nм до nном). После достижения коэффициентом
наполнения максимума и дальнейшего его уменьшения с увеличением n значения Gт отклоняются в прямо пропорциональной зависимости от n, и далее в некоторых случаях Gт может иметь максимум на близких nном частотах.
Удельный расход топлива ge изменяется в соответствии с изменением произведения ηiηм (9) и при nmin и nразн стремится к бесконечности. Минимум gе наступает при nge, расположенном между nм
и nном, где достигает максимума значение ηe.
Мощность двигателя в соответствии с зависимостью (5) полностью определяется характером изменения pе и n. Она растет с повышением частоты вращения до тех пор, пока влияние увеличения
n сказывается сильнее, чем влияние уменьшения pe. Поскольку pe
на частотах вращения, близких к nном, резко уменьшается, то мощность перестает увеличиваться, достигает максимума и далее начинает снижаться.
Как правило, в бензиновых автомобильных двигателях номинальной частотой считается та, при которой Ne достигает максимума. Работа двигателя на режимах, превышающих nном, нецелесообразна вследствие ухудшения топливной экономичности
при уменьшающейся мощности и значительных механических
нагрузках, вызываемых возрастанием сил инерции подвижных
деталей.
Максимумы Ne, Me, Gт и минимум ge на частичных скоростных
нагрузках путем прикрытия дроссельной заслонки и соответственно уменьшения подачи рабочей смеси смещаются в сторону малых частот вращения, что в существенной мере сужает диапазон
рабочих частот вращения. В первую очередь это объясняется увеличением скорости газов на всасывании и выпуске и соответственно увеличением гидравлических сопротивлений (пропорционально квадрату скорости потока газа). В итоге это приводит к уменьшению ηv и соответственно уменьшению подачи топлива на цикл.
С прикрытием дроссельной заслонки рабочая смесь все более разбавляется остаточными газами, обуславливая уменьшение pi, Me
и Ne.
Экономичность карбюраторных двигателей при прикрытии
дроссельной заслонки ухудшается, что вызывается уменьшением
ηi и ηv, а это приводит к уменьшению ηм и ηe. Так, если при полностью открытой дроссельной заслонке ηe достигает 30–32 %, то при
работе на частичных характеристиках ηe падает до 5–15 %. При
этом ухудшается в соответствии с зависимостью (19) и экономичность двигателя.
50
51
3.2.2. Скоростные характеристики дизелей
Наиболее эффективно наддув используется в дизелях (в ДПЗ
его использованию препятствует детонационное сгорание), поэтому при изучении скоростных и других характеристик дизелей рассматриваются двигатели без наддува.
Внешняя скоростная характеристика дизеля заключается в области частот от nmin до nном. Выбор частоты nном объясняется тем,
что максимальная мощность дизеля не доводится до частоты, где
Ne достигает своего максимального значения вследствие ухудшения процесса сгорания.
Номинальной частотой вращения дизеля считается та, при которой начинается неполнота сгорания, характеризуемая выделением большого количества свободного углерода в виде сажи.
Мощность дизеля при этом на 10–15 % ниже Ne max. Работу дизеля
с явно выраженным дымным выпуском, обусловленным недогоранием топлива, допускать не рекомендуется.
Рассмотрим внешнюю скоростную характеристику дизеля (рис. 12).
Общий вид кривых pi, pе, Mе, Ne, ηe и ge такой же, как и у двигателей
с внешним смесеобразованием, и определяется теми же факторами.
Однако в рабочем диапазоне частот вращения pi, pе и Mе будут более
пологими, что обуславливает меньший (без корректоров подачи топлива), чем у карбюраторных двигателей, коэффициент приспособляемости k = Mmax / Mn ном = 1,05–1,15 (в карбюраторных двигателях
K = 1,25–1,4). Подобный ход указанных зависимостей объясняется
тем, что коэффициент наполнения ηv при работе дизеля по скоростной характеристике зависит от скорости газа в проходных сечениях клапанов и фаз газораспределения, а в карбюраторном двигателе
еще и от положения дроссельной заслонки. В двигателях с наддувом
на величину ηv влияет также давление наддува pk. Сопротивление
впускной системы дизеля из-за отсутствия такого органа, как дроссельная заслонка с карбюратором, несколько меньше, чем в карбюраторном двигателе. Этим и объясняются более плавное изменение
ηv и его несколько бóльшие значения по абсолютной величине.
Рис. 12. Внешняя скоростная характеристика дизеля
При работе дизеля по скоростной характеристике, несмотря на
то, что орган, регулирующий подачу топлива, фиксируется, с повышением n цикловая подача топлива gц в случае применения наиболее часто используемого топливного насоса золотникового типа
возрастает. Причина – уменьшение влияния утечек топлива через
зазоры золотниковой пары и увеличение влияния дросселирования
во всасывающих и перепускных окнах насоса в начале и конце нагнетания. Небольшое уменьшение ηv и увеличение gц с повышением n вызывают уменьшение α, что приводит к ухудшению протекания рабочего процесса и увеличению тепловых потерь (уменьшается ηi) и, как следствие, к уменьшению pi. Понижение же частоты
вращения ведет к некоторому увеличению α, уменьшению цикловой подачи топлива и соответственно pi, pе и Mе.
На практике увеличение Mе на низких частотах достигается
установкой специальных корректоров, позволяющих увеличивать
цикловую подачу топлива, обеспечивая тем самым постоянство α
и увеличение Me на 15–25 %.
В дизелях с наддувом наполнение зависит от плотности воздуха ρк. С увеличением частоты вращения α растет, а с понижением
n плотность воздуха уменьшается, что приводит к уменьшению α.
Влияние α при работе дизеля по скоростной характеристике таково, что его индикаторный КПД ηi возрастает с повышением n, хотя
отношение ηi / α уменьшается. Таким образом, кривая ηv с ростом
частоты вращения (в силу уменьшения относительных потерь
давления во впускной системе) становится более пологой, чем
у двигателя без наддува. В случае нерегулируемого газотурбинного наддува максимум ηv смещается в сторону большей частоты вращения. Это вызывает (с ростом n) увеличение pk, Тk, ρk, pz
и, как следствие, – повышение расходов воздуха и отработавших
газов. При превышении номинальной частоты вращения падение
ηi и соответственно pi, pe и Me станет еще больше вследствие значительного ухудшения процесса смесеобразования и сгорания.
С увеличением n механический КПД в дизелях без наддува снижается более интенсивно, чем в двигателях с наддувом.
Перечисленные особенности изменения отдельных сомножителей
52
53
Ne ,
кВт
α
ηv
Me
Ne
Gт
ge
n, об/мин
В ДПЗ переход на частичные скоростные характеристики связан
с количественным регулированием свежего заряда изменением
положения дроссельной заслонки, что вызывает резкое снижение
pi, pе и Me, Nе и смещение их максимумов в сторону меньших частот вращения коленчатого вала. Это приводит к тому, что при
некоторых частичных скоростных характеристиках двигатель будет работать на режиме холостого хода на частотах, меньших номинальной частоты. У дизелей с топливными насосами золотникового типа при уменьшении топливоподачи путем перестановки
рейки осуществляется качественное регулирование и характеристики смещаются, практически не меняя своего характера. Такое
изменение основных параметров ограничивает возможность работы карбюраторных двигателей по частичным скоростным характеристикам.
в выражении (7) определяют характер изменения Me при работе
двигателя по скоростной характеристике. В двигателях без наддува pe начиная с малых частот постепенно увеличивается, достигая
в современных дизелях максимума в области частот (0,55–0,70)nном,
в то время как в карбюраторных двигателях pe max достигается при
(0,45–0,55) nном. В двигателях с наддувом в связи с ростом pк среднее эффективное давление при увеличении n может изменяться
двояко: либо возрастать, как у двигателей без наддува, либо возрастать монотонно. Это объясняется более пологим характером изменения ηi и ростом pк при использовании наддува. С повышением
величины наддува максимум pe (Me) сдвигается в сторону высоких
частот либо вовсе отсутствует. Такой характер применения pe и Me
ухудшает устойчивость работы дизеля в автомобильном транспорте либо вообще исключает возможность его применения без промежуточных преобразователей, например электрических машин.
Удельный эффективный расход топлива дизелей изменяется
в соответствии с изменением ηe = ηiηм. У дизелей максимум ηe
(характер изменения более плавный, чем в ДПЗ) находится в интервале частот nм и nном. В соответствии с (9) ge min определяется
максимумом ηe. Особенностью характера изменения ge дизеля по
скоростной характеристике является его незначительное колебание – до 5 % в зоне рабочего диапазона частот вращения.
При работе дизеля по частичным скоростным характеристикам
характер изменения основных показателей не меняется. С изменением органа, регулирующего топливоподачу, закон подачи топлива в зависимости от частоты вращения сохраняется. Коэффициент
наполнения ηv с ростом подачи топлива несколько уменьшается
(не более 5 % с увеличением мощности от нуля до номинальной),
но характер его изменения практически не меняется. Все это приводит к тому, что характеристики мощности представляют собой
слабо изогнутые кривые, не имеющие максимумов, а значения
максимумов pe и Mе и минимума ge находятся примерно на одном
и том же скоростном режиме независимо от подачи топлива.
Таким образом, сопоставление частичных скоростных характеристик ДПЗ и дизелей показывает их существенное отличие.
В эксплуатационных условиях автомобильные двигатели вынуждены работать чаще всего на неполных нагрузках. Нагрузочные
характеристики снимаются с целью выбрать наиболее экономичный режим работы двигателя в рабочем диапазоне нагрузок.
Нагрузочной характеристикой ДВС называется зависимость
часового расхода топлива Gт, удельного эффективного расхода топлива ge и других показателей (ηi, α, ηv, ηe и т. п.) работы двигателя от изменения нагрузки (pe, Ne, Мe) при постоянном скоростном
и тепловом режимах. При графическом построении нагрузочных
характеристик изменение нагрузки двигателя откладывается на
оси абсцисс либо в абсолютных значениях величины pe (Мe) или
Ne, либо в относительных – в процентах от значений pe (Мe) или Ne,
соответствующих полному открытию дросселя. Для двигателей
с наддувом наносят также кривую расхода воздуха, КПД турбины,
компрессора, частоту вращения ротора и т. д.
54
55
3.3. Нагрузочные характеристики
3.3.1. Основные понятия, цель и методика определения
характеристик
Целями работы являются:
определение характера изменения Gт, gе, ηv, α, ηi, ηe в функции
от pe (Mе) или от Ne либо в процентах от pe (Me) или Ne при заданной преподавателем частоте вращения двигателя;
определение Ne (Рe, Mе) или процентов этих значений, при которых будет минимальным удельный эффективный расход топлива на выбранной частоте вращения;
определение (для карбюраторного двигателя) момента включения в работу экономайзера или эконостата и параметров двигателя, на которых в первую очередь скажется это включение.
Методика определения характеристик. Регулирование нагрузки осуществляется открытием дроссельной заслонки (карбюраторный двигатель) или перемещением рейки топливного насоса
(дизель). Скоростной режим поддерживается постоянным с помощью нагружающего устройства.
Нагрузочную характеристику на практике измеряют при номинальной частоте вращения, a также при 0,75, 0,5 или 0,25 nном.
Отклонение действительной частоты вращения от предложенной
не должно превышать 1 %.
При снятии каждой из характеристик последовательность работы следующая:
1. Запускается двигатель и прогревается до нормального теплового состояния (проверяется по температуре охлаждающей воды,
масла и выпускных газов).
2. Подача топлива двигателя доводится до полной при одновременном его нагружении. Таким образом устанавливается заданный
скоростной режим.
3. После установления теплового режима двигателя производятся измерение и запись в протокол всех параметров, указанных
в таблице.
4. Уменьшается подача топлива дросселем или рейкой топливного насоса; одновременным снижением нагрузки (уменьшают тормозной момент) добиваются поддержки выбранного скоростного
режима.
5. После установления теплового режима двигателя на этом режиме производятся измерения и запись в протокол данных измере-
Изменение нагрузки в этих двигателях осуществляется изменением подачи свежего заряда путем воздействия на дроссель (количественное регулирование). Изменение положения дросселя сказывается в первую очередь на коэффициенте остаточных газов γr
и коэффициенте наполнения ηv, поскольку изменяется гидравлическое сопротивление впускной системы. На холостом ходу дроссель почти полностью прикрыт: коэффициент наполнения мал (коэффициент остаточных газов большой), а Ne = 0 и ηe = 0, поэтому ge
56
57
ния (не менее чем на 4–8 режимах) до полной разгрузки двигателя
(холостого хода) при заданном скоростном режиме.
3.3.2. Нагрузочная характеристика двигателей
с принудительным зажиганием
Поскольку из двигателей с внешним смесеобразованием наибольшее применение находят карбюраторные, рассмотрим нагрузочную характеристику ДПЗ (рис. 13).
α
ηi
ηv
pi
pe
Gт
ηм
ηe
ge
pм
Ne / Ne ном, %
Рис. 13. Нагрузочная характеристика ДПЗ
стремится к бесконечности. По мере открытия дросселя увеличивается ηv, а согласно (6), pi, pe, Мe и (в конечном счете) Ne. Значение
ge уменьшается обратно пропорционально ηe = ηiηм, достигая минимума при максимуме ηe в зоне нагрузок, когда включается экономайзер (эконостат).
Коэффициент избытка воздуха зависит от конструкции и настройки карбюратора и изменяется в сравнительно малых пределах: от 0,7–0,8 на малых нагрузках и 1,05–1,2 на средних нагрузках
(экономическая и экологическая смесь) до 0,85–0,95 на нагрузках,
близких к максимальной (мощностная смесь).
Величина ηi, характеризующая тепловые потери, находится
в прямой зависимости от ηv и α, определяющих характер рабочего процесса. Поскольку α мало изменяется во всем мощностном
диапазоне, то изменение ηi также незначительно от средних нагрузок до нагрузок, где включается экономайзер и происходит автоматическое обогащение в двигателях с впрыском легкого топлива. В этом случае ηi начнет резко уменьшаться. На малых мощностях уменьшение ηi объясняется ростом относительной величины
теплоотдачи через стенки цилиндра в охлаждающую среду, разбавлением смеси все большим (с уменьшением нагрузки) количеством остаточных газов и уменьшением несгоревшей части топлива (α < 1).
Механический КПД с увеличением нагрузки растет, поскольку механические потери практически неизменны, а индикаторная
мощность возрастает:
Изменение количества топлива осуществляется изменением продолжительности подачи, а часто и изменением давления впрыска.
В дизелях с наддувом и без него с ростом нагрузки увеличивается цикловая подача топлива (рис. 14) при практически неизменном количестве поступающего воздуха и соответственно уменьшается примерно с 4–2 на холостом ходу до 1,8–1,3 на номинальной
мощности (в дизелях неполнота сгорания наблюдается уже начиная с α = l,3–1,4).
ηм = Ne / Ni = 1 – (Nм / Ni).
Характер изменения ηi в двигателях с наддувом несколько отличается от характера изменения в двигателях без наддува, но
в том и другом случае он снижается с повышением нагрузки. Это
снижение наиболее существенно в области максимальных нагрузок (в этой области увеличиваются потери в охлаждающую среду), с выпускными газами и за счет увеличения степени неполноты сгорания.
Так как гидравлическое сопротивление во впускной системе
в четырехтактных дизелях при работе по нагрузочной характеристике остается постоянным, то ηv в пределах средних мощностей
(11)
Характер изменения pi, pe и Me представляется в соответствии
с (3) и (5) в виде прямых, причем pe и Me переходят через начало
координат.
3.3.3. Нагрузочная характеристика дизелей
В дизеле работа по нагрузочной характеристике осуществляется путем воздействия на рабочий процесс количеством топлива.
58
ηv
pz
α
ηм
ηi
ηe
Gт
ge
Ne / Ne ном, %
Рис. 14. Нагрузочная характеристика дизеля
59
изменяется незначительно. Уменьшение ηi, а следовательно и Gт,
в области больших нагрузок объясняется увеличением подогрева
свежего заряда от стенок цилиндра и уменьшением плотности заряда в начале такта сжатия.
Характер зависимости ηv от нагрузки в дизеле приблизительно такой же, как в двигателях с внешним смесеобразованием.
Вид кривых ηe и ge полностью определяется произведением ηiηм.
Удельный расход топлива после достижения минимума в районе
максимума указанного произведения начинает возрастать так же,
как в карбюраторном двигателе. Температура отработавших газов
с повышением нагрузки возрастает, так как с увеличением подачи топлива возрастает максимальная температура сгорания, и процесс сгорания смещается по линии расширения к моменту открытия выпускного клапана.
3.4. Регулировочные характеристики
Регулировочные характеристики ДВС подразделяются на характеристики по составу смеси, опережению угла зажигания
(ДПЗ) или опережению угла подачи топлива (дизели). Они снимаются при доводке двигателей, необходимости подбора новой
топливной аппаратуры или для проверки существующих регулировок штатной топливной аппаратуры, а также после ремонта
двигателей.
Регулировочные характеристики снимают как при полной нагрузке,
так и при частичных нагрузках. Изменение состава смеси карбюраторных двигателей достигается установкой жиклеров с разной пропускной способностью или изменением проходного сечения главного жиклера специальной иглой, у дизеля – перемещением рейки
топливного насоса.
Цели работы:
выявление влияния регулировок двигателей по составу смеси
на мощностные и экономические показатели;
определение оптимальной регулировки системы впрыска, карбюратора или топливного насоса для исследования режима работы
двигателя;
определение α, при котором Ne max и ge min.
3.4.2. Регулировочная характеристика двигателя
с принудительным зажиганием по составу смеси
Методика снятия характеристики. Порядок проведения испытаний определяется в зависимости от условий работы двигателя
в эксплуатации.
Рассмотрим регулировочную характеристику автомобильного
ДПЗ (карбюраторного – рис. 15).
Ne max
3.4.1. Регулировочные характеристики по составу смеси
Регулировочной характеристикой двигателя по составу смеси
называется зависимость эффективной мощности Ne и удельного
расхода топлива ge от коэффициента избытка воздуха α или зависимость этих же параметров от часового расхода топлива Gт.
Регулировочную характеристику ДПЗ по составу смеси снимают при постоянном положении дроссельной заслонки, а дизеля – при постоянном положении рейки топливного насоса, постоянном числе оборотов и оптимальном угле опережения зажигания.
Рис. 15. Регулировочная характеристика ДПЗ по составу смеси
60
61
ge min
0,4
0,6
0,9
1,1
1,3
α
Последовательность снятия характеристики карбюраторного
двигателя следующая:
1. Нагрузить двигатель, открыть дроссель в соответствии с выбранным режимом работы. С помощью винта регулировки состава
смеси карбюратора обеднить смесь до появления перебоев в работе двигателя, затем путем небольшого обогащения смеси устранить
перебои, регулировкой нагрузки на тормозе довести частоту вращения коленчатого вала двигателя до принятого значения и установить
с помощью октан-корректора оптимальный угол опережения зажигания, поддерживая частоту вращения постоянной.
2. Дать выдержку при работе двигателя на установившемся режиме не менее 1 мин. По сигналу произвести в протоколе испытаний запись показаний всех измерительных приборов.
3. Несколько обогатить смесь, отвернув винт регулировки состава смеси, и подобрать оптимальный угол опережения зажигания, поддерживая заданной частоту вращения коленчатого вала.
4. Дать выдержку при работе двигателя на вновь установившемся режиме. По сигналу произвести запись показаний всех измерительных приборов.
Аналогичным образом, постепенно обогащая смесь и каждый
раз устанавливая оптимальный угол опережения зажигания (при
неизменной частоте вращения), необходимо произвести снятие
всех 6–8 точек характеристики. Опыты продолжают до получения на характеристике точек, показывающих снижение мощности
двигателя.
Анализ характеристики. Из характеристики следует, что минимальные удельные расходы топлива и максимальная эффективная
мощность достигаются при различных значениях: при полностью
открытом дросселе ge min – при α, равном 1,05–1,15, a Ne max – при α,
равном 0,85–0,95.
Получение максимальной мощности на обогащенных смесях
объясняется в основном тем, что при α = 0,85–0,95 имеет место
наибольшая скорость сгорания топливовоздушной смеси. Процесс
сгорания происходит в тот момент, когда объем цилиндра минимален, а давление конца сгорания достигает максимальных значений.
Топливные насосы на дизелях в большинстве случаев устанавливают с завышенной максимальной подачей топлива, поэтому для
исключения нагарообразования и повышенного расхода топлива
в них устанавливают специальный регулируемый упор, ограничивающий подачу топлива.
Установка ограничителя производится по регулировочной
(рис. 16) или нагрузочной характеристикам в заводских условиях.
Методика снятия характеристики. Регулировочная характеристика дизеля строится при наивыгоднейшем для выбранного
скоростного режима угле опережения впрыска топлива при постоянной частоте вращения.
Последовательность получения характеристики следующая:
1. Перед началом испытаний отключается регулятор скорости.
62
63
При этом уменьшаются потери тепла через стенки. Однако сгорание богатых смесей (α < 1) сопровождается потерями тепла вследствие химической неполноты сгорания топлива, поэтому удельные
расходы топлива в этом случае не являются минимальными.
По мере обеднения горючей смеси падает скорость ее сгорания,
что ведет к снижению мощности. Но при α > 1 отсутствуют потери
тепла от химической неполноты сгорания топлива и понижается
температура процессов сгорания и расширения, поэтому тепловой
баланс двигателя при α = 1,05–1,15 складывается наиболее благоприятно, что и способствует достижению минимальных удельных
расходов топлива, т. е. ge min.
Повышение удельных расходов топлива и снижение мощности
двигателя на слишком обедненных смесях (при α ≥ 1,2) объясняются резким снижением скорости сгорания. Чрезмерное переобогащение горючей смеси (α < 0,8) также сопровождается уменьшением скорости сгорания и, кроме того, увеличением потерь тепла
от химической неполноты сгорания топлива. Мощностные и экономические показатели двигателя при этом снижаются.
3.4.3. Регулировочная характеристика дизеля
по составу смеси
Ne max
Ne
ηi
ge
‫׀‬
1
‫׀‬
1,2
‫׀‬
1,4
‫׀‬
1,6
‫׀ ׀‬
1,8 2
α
Рис. 16. Регулировочная характеристика дизеля
по составу смеси
фике можно приводить и другие показатели двигателей: индикаторный КПД α, максимальные давления pz, температуру Tz и т. д.
Ход кривых Ne, pe, ge, ηi зависит от типа камеры сгорания и сорта топлива, но закономерность их изменения остается одной
и той же. Положения Ne max (pe max), ge min относительно α никогда не
совпадают. Так, максимуму Ne соответствует наименьшее значение α
(или, иначе, наибольшая удельная подача топлива на цикл), ge min
соответствуют более высокие значения α, a ηi max соответствует α
больше, чем ge min. Начало неполного сгорания характеризуется
появлением свободного углерода в выпускных газах (дымность).
Дымность имеет место при нагрузках, равных 85–95 % от максимально возможной мощности дизеля, при отсутствии ограничения
подачи топлива.
Максимальная подача топлива определяется по нагрузочной характеристике на номинальном скоростном режиме. В среднем максимально допустимая подача топлива соответствует номинальному pe, которое принимается приблизительно равным 0,9 pe max.
2. Подача топлива после пуска двигателя устанавливается примерно равной половине подачи при полной мощности, а затем изменением нагрузки устанавливается номинальный скоростной режим. Если имеется возможность регулировать угол опережения
подачи топлива, то для каждого режима выбирается оптимальное
опережение; в противном случае характеристика снимается при
опережении, установленном изготовителем.
3. После достижения устойчивого теплового режима двигателя осуществляются необходимые замеры.
4. В дальнейшем последовательность операций повторяется: увеличивается подача топлива, тормозом поддерживается
номинальная частота вращения двигателя, после установления
теплового режима осуществляются измерения. Так повторяется
до Ne max, но снимается не менее 6–8 точек. При испытании двигателя необходимо наблюдать за характером и цветом выпускных газов.
Анализ характеристики. Характеристика представляется в виде
зависимости Ne (pe) и ge в функции от α. При необходимости на гра-
Регулировочной характеристикой двигателя (рис. 17) по углу
опережения зажигания называется зависимость нагрузочных (Me,
pе, Ne), экономических (Gт, ge) и других показателей от угла опережения зажигания φоп.з.
Характеристика снимается при постоянном положении дроссельной заслонки (чаще всего при полном ее открытии), неизменной частоте вращения коленчатого вала двигателя и установившемся тепловом его состоянии.
Цели работы – определение:
характера изменения мощностных и экономических показателей двигателя в зависимости от угла опережения зажигания;
наивыгоднейшего угла опережения зажигания для каждого
исследуемого режима работы двигателя.
64
65
3.4.4. Регулировочная характеристика двигателя
с принудительным зажиганием по углу
опережения зажигания
Ne
Gт
ge
5
10 15 20 25 30 35
φоп.з
Рис. 17. Регулировочная характеристика бензинового двигателя
по углу опережения зажигания
Для двигателей, у которых угол опережения зажигания изменяется автоматически (при наличии центробежного и вакуумного регуляторов), снятие характеристики производится для проверки правильности установки и действия регуляторов (в некоторых
случаях регуляторы отключаются).
Методика получения характеристики. Подготовленный к испытаниям двигатель следует ввести в режим, соответствующий
началу снятия характеристики: положение дроссельной заслонки – заданное, опережение зажигания – позднее (φоп.з = 0°), число
оборотов коленчатого вала – требуемое. Далее последовательность
снятия характеристики следующая:
1) дать выдержку двигателю для установления теплового режима и по сигналу руководителя произвести в протоколе испытаний
запись всех необходимых параметров;
2) увеличить угол опережения зажигания на 5° и одновременно
путем изменения регулировки тормоза установить прежнее заданное число оборотов;
3) дать выдержку при работе двигателя на установившемся режиме. По сигналу произвести запись показаний всех измерительных приборов.
66
Аналогичным образом, увеличивая угол опережения зажигания
на 5°, производят замеры всех остальных опытных точек характеристики, закончив ее при наступлении металлических стуков в цилиндрах и при сильном уменьшении показаний тормоза.
Затем по результатам замеров нужно вычислить Ne, Gт, ge и по
полученным данным построить характеристики Ne = f(φоп.з), Gт =
= f(φоп.з), ge = f(φоп.з), ρкηi / α и др.
На основании полученных результатов следует определить
оптимальный угол опережения зажигания, при котором мощностные показатели работы двигателя достигают максимального значения, а удельный расход топлива – минимального.
Анализ характеристики. Снижение мощности и увеличение
удельных расходов топлива при углах опережения зажигания, меньших оптимального, объясняется тем, что по мере уменьшения φоп.з
процесс сгорания все больше и больше переносится на такт расширения. Это сопровождается увеличением потерь тепла с выхлопными
газами и в систему охлаждения. Увеличение угла опережения зажигания свыше оптимального φоп.з сопровождается преждевременным
горением, возникновением противодавления на поршень, ведущим
к снижению мощностных и экономических показателей и появлению детонации.
С уменьшением нагрузки при неизменном скоростном режиме двигателя величина оптимального φоп.з возрастает, что связано
с уменьшением (из-за прикрытия дросселя) коэффициента наполнения (соответственно увеличения γr).
3.4.5. Регулировочная характеристика дизеля
по углу опережения подачи топлива
Регулировочной характеристикой дизеля по углу опережения
подачи топлива (рис. 18) называется зависимость нагрузочных (pе,
Me, Ne), экономических (Gт, gе) и других показателей от угла опережения подачи топлива φоп.впр.
Характеристика снимается при постоянном положении рейки топливного насоса (чаще всего в положении на упор), постоянной частоте вращения коленчатого вала и установившемся тепловом режиме.
67
Уменьшение по сравнению с оптимальным значением углов
опережения подачи топлива приводит к переносу процесса горения на линию расширения, падению pz и Tz, увеличению температуры выпускных газов, а это обуславливает рост относительных
потерь тепла с выпускными газами и в охлаждающую среду.
С уменьшением нагрузки оптимальный угол впрыска сдвигается в сторону меньших углов, поскольку с уменьшением подачи
топлива температура стенок камеры сгорания ввиду снижения
температуры остаточных газов значительно понижается, вызывая некоторое понижение pc и Tc.
С понижением частоты вращения оптимальный угол опережения впрыска топлива уменьшается, особенно в двигателях с предкамерой, что вызывается ухудшением смесеобразования из-за
уменьшения перепада давления между предкамерой и основной
камерой сгорания.
Tо.г
p/φ
pz
Ne
Gт
20
25
30
35
40
45
50
55
Рис. 18. Регулировочная характеристика транспортного
дизеля по углу опережения впрыска
Цели работы и методика получения характеристики те же, что
и при построении регулировочной характеристики карбюраторного двигателя.
Анализ характеристики. Изменение в сторону увеличения от
оптимального угла приводит к снижению индикаторных и эффективных показателей. Это в основном обусловлено двумя причинами: 1) увеличением периода задержки воспламенения в связи
с тем, что топливо попадает в камеру сгорания при меньших давлении и температуре сжатого воздуха и частично успевает осесть на
стенках камеры сгорания; 2) увеличением работы сжатия.
Перечисленные причины приводят к тому, что уменьшается
мощность двигателя, растет расход топлива и загрязняются выхлопные газы продуктами неполного сгорания (появляется дымность). Увеличение периода задержки самовоспламенения ведет
к увеличению жесткости процесса сгорания Δp / Δφ.
68
3.5. Определение механических потерь двигателей
φоп.з
Механические потери двигателей определяются с целью получить абсолютные (мощность и среднее давление механических потерь) и относительные (механический КПД) показатели, оценивающие все механические потери: на преодоление трения внутри
двигателя (поршней с кольцами в цилиндрах, вращающихся деталей в подшипниках и т. д.), на привод вспомогательных механизмов
(топливного, масляного и водяного насосов, вентилятора и т. д.),
привод компрессора и газообмен (если наддув двигателя осуществляется с помощью приводного компрессора).
Величины Nм (pм) и ηм зависят от типа конструкции двигателя, степени быстроходности, качества изготовления, марки смазочного масла и других факторов. На практике в экспериментальных
условиях получают Ne, pe и Nм, а затем, используя эти показатели,
определяют ηм:
или
ηм = pe / pi = pe / (pe + pм) = 1 / (1 + (pм / pe))
ηм = Ne / Ni = 1 / (1 + (Nм / Ne)).
69
(12)
(13)
Механические потери в двигателях могут быть определены следующими экспериментальными методами:
1) индицированием (измерением давления в цилиндре в функции от угла поворота коленчатого вала или изменения объема цилиндра) двигателя с одновременным определением эффективной
мощности;
2) одиночным или двойным выбегом двигателя (построение зависимости затухания частоты вращения после выключения подачи топлива);
3) прокручиванием двигателя посторонним источником (чаще
всего электродвигателем);
4) поочередным выключением цилиндров;
5) построением кривой часового расхода топлива.
Наиболее точны при определении механических потерь первые
два метода, причем во втором методе наиболее точен и перспективен второй вариант – метод двойного выбега. На практике первый
метод определения Nм (pм) и ηм мало используется ввиду большой
трудоемкости, связанной с индицированием каждого цилиндра двигателя, одновременной синхронизацией по углу поворота коленчатого вала, дальнейшей сложной обработкой индикаторных диаграмм с получением pi в каждом цилиндре и определением с помощью тормоза значений pм.
Наименее точны два последних метода, в которых механические потери определяются косвенным способом.
Наиболее предпочтительны ввиду относительно малой трудоемкости методы прокручивания коленчатого вала посторонним источником, а также одиночного и двойного выбега. Рассмотрим их
более подробно.
Метод прокручивания коленчатого вала двигателя от постороннего источника энергии заключается в том, что двигатель, работающий на определенном режиме, сразу же после выключения подачи топлива или зажигания прокручивается электродвигателем
или балансирной динамо-машиной с той же частотой вращения.
Измеренная по показаниям динамометра балансирной машины
и по частоте вращения мощность, затрачиваемая на проворачива-
ние коленчатого вала, отождествляется с мощностью механических потерь.
Температурное состояние трущихся деталей двигателя заметно влияет на работу трения и мощность механических потерь,
поэтому при прокручивании вала двигателя (и других способах
определения механических потерь) особую важность приобретает поддержание определенного температурного режима двигателя.
Несоблюдение этого условия может привести к грубым погрешностям измерений.
Метод одиночного выбега для определения мощности механических потерь основан на том, что при отключении подачи топлива или выключении зажигания двигатель прокручивается за счет
запаса кинетической энергии движущихся деталей. Эта энергия
затрачивается на преодоление механических потерь (если выбег
производится с режима холостого хода) или механических потерь
и внешней нагрузки (если выбег производится с одного из рабочих режимов).
Мощность, развиваемая двигателем за счет запаса кинетической энергии, кВт, может быть определена по формуле
70
71
N = (Jω) / 102(dω / dτ),
(14)
где J – приведенный момент инерции движущихся деталей двигателя; ω – угловая скорость коленчатого вала двигателя; dω / dτ –
угловое ускорение (замедление) коленчатого вала.
Если выбег производится в режиме холостого хода, то мощность, кВт, затрачивается на преодоление механических потерь
и тогда
Nм = (Jω) / 102(dω / dτ)х.х.
(15)
Метод двойного выбега заключается в том, что с одного и того
же числа оборотов коленчатого вала n совершаются два выбега, но
в различных условиях: один выбег – без отключения внешней нагрузки (например, тормоза), а второй – с режима холостого хода.
Тогда применительно к первому и второму выбегам на основании выражения (14) можно записать:
N1 = Ne + Nм= Ni = (Jω) / 102(dω / dτ)н;
N2 = Nм = (Jω) / 102(dω / dτ)х.х,
(16)
(17)
где индексы н и х.х означают, что выбег производится соответственно с внешней нагрузки и с режима холостого хода.
Механический КПД двигателя может быть определен из выражения
ηм = Ne / Ni = (Ni – Nм) / Ni = ((Jω) / 102(dω / dτ)н –
– (Jω) / 102(dω / dτ)х.х) / ((Jω) / 102(dω / dτ)н) =
= 1 – ((dω / dτ)х.х / (dω / dτ)н).
(18)
Но так как (dω / dτ) = (π / 30)(dn / dτ), где n – число оборотов коленчатого вала двигателя, то
ηм = 1 – ((dn / dτ)х.х / (dn / dτ)н) = 1 – tg αx.x / tg αн,
(19)
нию при работе всех цилиндров. При этом мощность, поглощаемая
тормозом, будет разниться от предыдущей на величину индикаторной мощности выключенного цилиндра, т. е.
Ni(к) = Ne – Ne(к).
Осуществив по очереди выключение всех цилиндров двигателя и замерив при этом в каждом случае мощность, поглощаемую
тормозом, находят индикаторную мощность каждого цилиндра.
Мощность всего двигателя определяют как сумму индикаторных
мощностей отдельных цилиндров:
Ni = ∑Ni(к).
Мощность механических потерь
Nм = Ni – Ne,
где Ne – эффективная мощность двигателя при всех работающих
цилиндрах.
При использовании метода выключения цилиндров двигатель
должен работать на режиме полностью открытого дросселя (двигатели с искровым зажиганием) или полной подачи топлива (дизели) при числах оборотов, соответствующих Me max.
Остальные показатели работы двигателя могут быть определены согласно разд. 3.2.
Равномерность работы цилиндров оценивается коэффициентом
равномерности
где αн и αx.x – углы наклона линии – числа оборотов двигателя (по
тахограммам).
Цели работы:
1) отработать методику определения механических потерь;
2) найти на основании полученных экспериментальных данных
основные показатели работы двигателя: Ni, Ne, Nм, Me, pi, pe, pм, ηi,
ηe, ηм, Gт, gi, ge;
3) определить равномерность работы цилиндров с помощью коэффициента равномерности kр.
Для нахождения мощности механических потерь и индикаторной мощности двигателя воспользуемся методом прокручивания
(при наличии электрического тормоза) или, если нет электрического тормоза, методом выключения цилиндров.
Содержание второго метода состоит в следующем: после достижения двигателем установившегося теплового состояния определяют мощность, поглощаемую тормозом при работе всех цилиндров,
затем выключают подачу топлива в один цилиндр (в двигателе с воспламенением от сжатия) или выключают зажигание в одном цилиндре (в ДПЗ) и, снижая нагрузку на тормозе, восстанавливают частоту вращения коленчатого вала двигателя, соответствующую враще-
где Ni(к)min – наименьшее значение индикаторной мощности одного цилиндра; Ni(l)max – наибольшее значение индикаторной мощности одного цилиндра.
Методика проведения испытаний:
1) подготовить двигатель к испытанию;
2) ввести двигатель в режим испытания: полностью открыть
дроссельную заслонку (полную подачу топлива у дизеля), установить частоту вращения, близкую к nм, и тепловой режим (ввод
72
73
kp = (Ni(к)min) / (Ni(l)max),
(20)
двигателя в испытательный режим плавным открыванием дроссельной заслонки или подачей топлива с одновременным изменением регулировки тормоза при заданных оборотах); установленный режим выдержать не менее 1 мин и произвести в протоколе испытаний запись показаний всех измерительных приборов
и устройств;
3) выключить зажигание (подачу топлива у дизеля) в первом
цилиндре и установить изменением нагрузки на тормозе заданную частоту вращения коленчатого вала; по установленному сигналу произвести запись показаний всех измерительных приборов
и устройств в протоколе;
4) включить в работу первый цилиндр и восстановить заданное
число оборотов, при этом дать выдержку в течение 2–3 мин; выключить зажигание (подачу топлива) у второго цилиндра и установить
изменением нагрузки на тормозе заданное число оборотов коленчатого вала; по установленному сигналу произвести запись показаний
всех измерительных приборов и устройств в протоколе.
Аналогичным образом, выключая по очереди каждый цилиндр
и осуществляя замеры по всем работающим цилиндрам после каждого включения, производят записи показаний в протоколе.
В процессе испытаний двигателя должны замеряться крутящий
момент (усилие на тормозе), частота вращения коленчатого вала
(поддерживается постоянной), время расхода топлива, температура воды на входе и выходе из двигателя, а также масла в картере
и отработавших газов.
При определении индикаторной мощности методом выключения цилиндров ДПЗ следует помнить, что во время работы двигателя на полной нагрузке возможен перегрев свечей, что приводит
к воспламенению горючей смеси в цилиндре при выключенном зажигании. Кроме того, некоторая ошибка может быть получена за
счет испарения капель жидкого топлива, попавших во время впуска смеси в отключенный цилиндр двигателя.
При использовании метода прокручивания коленчатого вала двигателя методика проведения испытаний будет следующей. Необходимо
выключить подачу топлива и затем прокручиванием неработающего
74
двигателя электронагрузочным устройством стенда при различных
частотах вращения измерить и занести в протокол:
частоту вращения n, об/мин;
показания весового механизма G, кг;
давление масла в главной магистрали pм, МПа;
температуру масла, воды, окружающей среды tм, tв, tокр.с.
3.6. Определение дымности и содержания в отработавших
газах окиси углерода и углеводородов
В условиях реальной эксплуатации автомобильного транспорта
дымность отработавших газов (ОГ) дизелей и эмиссия с ОГ окиси углерода и углеводородов бензиновых двигателей определяются непосредственно на автомобиле в соответствии с требованиями
ГОСТ 21393–75 и ГОСТ 17.2.2.03–87. В качестве показателя дымности по ГОСТ 17.2.1.02–76 принимается оптическая плотность
ОГ, характеризующая степень поглощения светового потока, просвечивающего ОГ двигателя автомобиля. В качестве показателей
токсичности бензиновых двигателей принимаются объемные доли
содержания в ОГ окиси углерода (СО) и суммарных углеводородов (СН).
Цели работы:
1) определение показателей дымности ОГ дизельного автомобиля и показателей токсичности (СО, СН) бензинового автомобиля, сравнение их величин с предельно допустимыми значениями
по ГОСТ 21393–75, ГОСТ 17.2.2.03–87;
2) овладение навыками регулирования топливной системы (ТС),
позволяющими минимизировать дымность и токсичность ОГ. Предельно допустимые нормы дымности и токсичности приведены
в табл. 1 и 2.
Примечание. Регулирование ТС дизелей выполняется на безмоторных
стендах, поэтому производится регулировка только установочного угла
опережения впрыскивания топлива; регулировка системы холостого хода
и системы зажигания карбюраторного двигателя осуществляется непосредственно на автомобиле.
75
Дымность ОГ дизельного автомобиля измеряется на холостом ходу, в режиме свободного ускорения (разгон двигателя от
минимальной до максимальной частоты вращения) и при максимальной частоте вращения (частота вращения вала двигателя при полностью нажатой педали подачи топлива, ограниченная регулятором).
Содержание окиси углерода и углеводородов в ОГ бензинового автомобиля определяют при работе двигателя на холостом
ходу для двух частот вращения коленчатого вала, установленных
предприятием-изготовителем: минимальной nmin и повышенной
nпов в диапазоне 2000 мин–1 – 0,8nном.
Условия измерений. Измерения должны производиться на неподвижно стоящих автомобилях при обеспечении мер безопасности, исключающих самопроизвольное движение.
Перед измерением двигатель должен быть прогрет не ниже рабочей температуры охлаждающей жидкости (или моторного масла
для двигателей с воздушным охлаждением), указанной в руководстве по эксплуатации автомобиля.
Место, отведенное для измерения дымности и содержания в ОГ
окиси углерода и углеводородов автомобилей, должно быть оборудовано принудительной или естественной вентиляцией.
Выпускная система автомобилей должна быть исправной, что
определяется внешним осмотром.
Дымометр должен отвечать следующим требованиям:
1. Он должен работать на принципе просвечивания отработавших газов при длине просвечивания L = 0,5 м.
2. Шкала прибора должна быть линейной с диапазоном измерения от 0 до 100 %.
3. Основная погрешность прибора ±2 % по всей шкале.
4. Проверка прибора должна производиться путем установки
перед фотоэлементом фильтров с определенными характеристиками светопоглощения, при этом показания прибора не должны отличаться от характеристики фильтра более чем на 2 %.
Газоанализатор и тахометр должны соответствовать следующим требованиям:
1. Для определения содержания окиси углерода и суммы углеводородов в ОГ бензинового автомобиля необходимо применять газоанализаторы непрерывного действия, работающие на принципе
инфракрасной спектроскопии, со следующими метрологическими
характеристиками: основная приведенная погрешность газоанализатора должна быть не более ±5 % верхнего предела измерений для
каждого диапазона; постоянная времени должна быть не более 60 с.
2. Шкала газоанализатора окиси углерода должна быть отградуирована по бинарной газовой смеси (окись углерода в воздухе или азоте) в объемных долях, выраженных в процентах окиси
углерода, 0–5 и 0–10 %; шкала газоанализатора суммы углеводородов должна быть отградуирована по бинарной газовой смеси
76
77
Таблица 1
Предельно допустимые нормы дымности ОГ дизельных
автомобилей по ГОСТ 21393–75
Режим измерения дымности
Дымность, %, не более
Свободное ускорение для автомобилей с дизелями:
без наддува
с наддувом
Максимальная частота вращения
40
50
15
Таблица 2
Предельно допустимые нормы токсичности ОГ бензиновых
автомобилей по ГОСТ 17.2.2.03–87
Предельно допустимое
Частота
содержание окиси углерода
вращения
(объемная доля), %
nmin
1,5
nпов
2,0
Предельно допустимое
содержание окиси углеводородов (объемная доля), млн–1
для двигателей с числом
цилиндров
до 4
более 4
1200
3000
600
1000
МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИСПЫТАНИЙ
(пропан в азоте) в объемных долях, выраженных в частях на миллион гексана при следующих оборотах: 0–1000 мин–1 и 0–10 000 мин–1.
3. Шкала тахометра для измерения частоты вращения коленчатого
вала двигателя должна иметь два диапазона: 0–1000 и 0–10 000 мин–1;
погрешность измерения частоты вращения для каждого диапазона
должна быть не более ±2,5 % верхнего предела измерений.
Порядок проведения измерений. Измерение дымности ОГ дизельного автомобиля рекомендуется проводить в такой последовательности:
1) подключить пробоотборный зонд дымомера к выпускной системе автомобиля и нажатием на педаль подачи топлива установить
максимальную частоту вращения вала дизеля. Продолжительность
работы на данном режиме должна обеспечить температуру ОГ, поступающих в прибор, соответствующую требованиям инструкции
по эксплуатации дымометра;
2) произвести измерение дымности ОГ на режиме свободного
ускорения (СУ) путем 10-кратного повторения цикла воздействия
на педаль подачи топлива от «свободного» состояния до «упора»
с интервалом не более 15 с; замер показателей следует производить при последних четырех циклах изменения частоты вращения
вала дизеля от минимальной до максимальной с фиксацией максимальных показаний прибора в каждом цикле;
3) не позднее чем через 60 с после испытаний на режиме СУ измерить дымность ОГ на режиме максимальной частоты вращения
вала при полном нажатии на педаль подачи топлива с фиксацией
показаний прибора после их стабилизации, но не ранее чем через
30 с после поступления ОГ в прибор;
4) занести результаты измерений в протокол, форма которого
приведена в табл. 3. За результат измерений принимается среднее
арифметическое значение, определенное по крайним показателям.
Если в результате предварительного контроля измеренные значения дымности ОГ превышают предельно допустимые, то под присмотром преподавателя или механика осуществляется настройка топливной системы и повторяются измерения с записью результатов
в протоколе.
Измерение токсичности ОГ бензинового автомобиля нужно
производить в следующей последовательности:
1) установить рычаг переключения передач (избиратель скорости для автомобилей с автоматической коробкой передач) в нейтральное положение;
2) затормозить автомобиль стояночным тормозом;
3) заглушить двигатель (при его работе);
4) открыть капот моторного отсека;
5) подключить тахометр;
6) установить пробоотборный зонд газоанализатора в выпускную трубу автомобиля на глубину не менее 300 мм от среза (при
косом срезе выпускной трубы глубина отсчитывается от короткой
кромки среза);
7) полностью открыть воздушную заслонку карбюратора;
8) запустить двигатель;
9) увеличить частоту вращения вала двигателя до nпов и проработать в этом режиме не менее 15 с;
10) установить минимальную частоту вала двигателя и не ранее чем
через 20 с измерить содержание в ОГ окиси углерода и углеводородов;
78
79
Таблица 3
ɉɪɨɬɨɤɨɥ ɭɱɟɬɚ ɞɵɦɧɨɫɬɢ
Ʉɚɮɟɞɪɚ
Ɇɨɞɟɥɶ ɚɜɬɨɦɨɛɢɥɹ
Ɇɨɞɟɥɶ ɞɜɢɝɚɬɟɥɹ
Ⱦɚɬɚ ɢɫɩɵɬɚɧɢɣ
2
3
4
1
2
3
4
ɉɨɞɩɢɫɶ
ɩɪɟɩɨɞɚɜɚɬɟɥɹ
ɋɪɟɞɧɟɟ ɚɪɢɮɦɟɬɢɱɟɫɤɨɟ
1
ɋɪɟɞɧɟɟ ɚɪɢɮɦɟɬɢɱɟɫɤɨɟ
Ɋɟɡɭɥɶɬɚɬɵ ɢɡɦɟɪɟɧɢɣ ɞɵɦɧɨɫɬɢ
ɞɨ ɪɟɝɭɥɢɪɨɜɤɢ Ɍɋ
ɩɨɫɥɟ ɪɟɝɭɥɢɪɨɜɤɢ Ɍɋ
ɋɜɨɛɨɞɧɨɟ
Ɋɟɠɢɦ
Cɜɨɛɨɞɧɨɟ
Ɋɟɠɢɦ
ɭɫɤɨɪɟɧɢɟ
nmax
ɭɫɤɨɪɟɧɢɟ
nmax
11) установить повышенную частоту вращения вала двигателя
nпов и не ранее чем через 30 с после поступления ОГ в приборы измерить содержание в ОГ окиси углерода и углеводородов;
12) результаты измерений занести в протокол, форма которого
приведена в табл. 4.
Таблица 4
ɉɪɨɬɨɤɨɥ ɭɱɟɬɚ ɢɡɦɟɪɟɧɢɣ ɨɤɢɫɢ ɭɝɥɟɪɨɞɚ ɢ ɭɝɥɟɜɨɞɨɪɨɞɨɜ
Ʉɚɮɟɞɪɚ
3) овладеть навыками контроля и регулировки топливной системы и системы зажигания (бензинового двигателя) по показателям дымности и токсичности ОГ;
4) уметь произвести анализ связи измеренных показателей дымности и токсичности ОГ с вероятными отклонениями параметров
технического состояния автомобильного двигателя и его систем,
а также с показателями рабочего процесса.
4. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИСПЫТАНИЙ
Ɇɨɞɟɥɶ ɚɜɬɨɦɨɛɢɥɹ
Ɇɨɞɟɥɶ ɞɜɢɝɚɬɟɥɹ
Ⱦɚɬɚ ɢɫɩɵɬɚɧɢɣ
4.1. Условия проведения испытаний
Если в результате предварительного контроля измеренные значения токсичности ОГ превышают предельно допустимые, то под
присмотром преподавателя (или механика) необходимо произвести регулировку (техническое обслуживание топливной системы
и системы зажигания), затем повторить измерения с записью результатов в протоколе.
Задание по работе:
1) уяснить цель и сущность определения показателей дымности
и токсичности дизельных и бензиновых автомобилей в условиях
реальной эксплуатации;
2) изучить устройство и принципы работы дымомера и газоанализаторов на окись углерода и углеводороды;
При проведении испытаний испытательный стенд и двигатель
необходимо комплектовать в соответствии с требованиями, изложенными в ГОСТ 14846–87 «Двигатели автомобильные. Методы
стендовых испытаний». Стенд должен содержать технологическое
оборудование для обеспечения проведения испытаний и измерительные средства для получения необходимых величин.
При монтаже двигателя на стенде, как правило, не устанавливается ряд агрегатов, обслуживающих его на транспортном средстве,
например радиатор, глушитель и т. д. Технологическое оборудование на стенде (системы для отвода отработавших газов, охлаждения, питания и т. д.) и средства измерения (СИ) при проведении лабораторных испытаний не должны изменять основные параметры
двигателя (мощность и расход топлива) на всех режимах его работы более чем на 1 % (при исследовательских испытаниях это правило может не соблюдаться).
Температурные режимы двигателя при испытаниях должны соответствовать техническим условиям на двигатель. При отсутствии
технических условий температура охлаждающей жидкости на выходе из двигателя должна поддерживаться в пределах 75–80 °С, температура масла – 0–95 °С.
Перед каждым этапом испытаний двигатель должен проработать на холостых оборотах не менее 5 мин. Для выявления всех
80
81
ɑɚɫɬɨɬɚ
ɜɪɚɳɟɧɢɹ
ɋɨɞɟɪɠɚɧɢɟ ɜɪɟɞɧɵɯ ɜɵɛɪɨɫɨɜ ɜ ɈȽ
ɞɨ ɪɟɝɭɥɢɪɨɜɤɢ Ɍɋ
Ɉɤɢɫɶ ɭɝɥɟ- ɍɝɥɟɜɨɞɨɪɨɞɚ
ɪɨɞɵ
ɩɨɫɥɟ ɪɟɝɭɥɢɪɨɜɤɢ Ɍɋ
Ɉɤɢɫɶ ɭɝɥɟɪɨɞɚ
ɉɨɞɩɢɫɶ
ɩɪɟɩɨɞɚɜɚɬɟɥɹ
ɍɝɥɟɜɨɞɨɪɨɞɵ
Nmin
Nɩɨɜ
закономерностей хода характеристик они должны сниматься не
менее чем на восьми режимах. На каждом режиме для устранения промахов и уменьшения случайных погрешностей измерения
должны повторяться не менее 4 раз. При этом значения частоты
вращения, крутящего момента и расхода топлива должны измеряться одновременно.
4.2. Методика обработки результатов
Полученные при испытаниях двигателей экспериментальные
данные в виде протоколов и графических зависимостей (чаще всего индикаторные диаграммы), а также необходимые для получения
результатов косвенных измерений табличные данные и расчетные
зависимости являются исходными данными для оформления лабораторных работ. Примерный перечень измеряемых величин и измерительных средств приведен в табл. 1П (см. приложение).
Результаты испытаний оформляются студентами самостоятельно и представляются преподавателю в виде отчета по лабораторной
работе с последующей защитой для выяснения понимания и закрепления знаний по материалу. Отчет по лабораторной работе должен
включать исходные данные (тип двигателя, его основные параметры), протокол испытаний и экспериментальные зависимости (если
они предусмотрены лабораторной работой), схему лабораторной
установки, расчетные данные и оформленные по результатам эксперимента и расчетов графические зависимости.
Методика обработки полученных при испытании двигателей
данных и расчетных зависимостей должна обеспечивать не только достоверные результаты с минимальными погрешностями, но
и построение графических зависимостей, типичных для каждого
режима испытываемого двигателя.
В связи с нестабильностью рабочих процессов двигателей, связанной в основном с изменением состава и количества топливовоздушной смеси (бензиновые двигатели) и впрыскиваемого топлива (дизели) от цикла к циклу, значения получаемых величин измеряются даже при работе двигателей на установившихся режимах.
82
Но особенно это проявляется при измерении быстроменяющихся
величин, таких как давление газов в цилиндре (в первую очередь
максимальное давление сгорания), максимальная температура сгорания, давление впрыскиваемого топлива и т. д. В силу этого измерение каждого статистического параметра (частоты вращения,
крутящего момента, температуры охлаждающей воды, масла, воздуха во впускном коллекторе, температуры отработавших газов
и т. д.) на каждом режиме должно быть повторено не менее 4 раз,
затем результаты должны быть усреднены.
Для построения типичных для конкретного двигателя зависимостей по результатам эксперимента используется метод наименьших квадратов (квадрат расстояния от строящейся кривой до каждой точки по нормали должен быть минимальным). На практике,
в частности при оформлении лабораторных работ ручным способом (без применения компьютера), графические зависимости строятся с помощью лекала таким образом, чтобы получились плавные
(сглаженные) кривые, проходящие через большинство полученных экспериментальных точек или между точками в соответствии
с методом наименьших квадратов. При этом явно выпадающие из
графиков точки проверяются и при необходимости отбрасываются
как результаты грубых ошибок.
После построения типичных сглаженных кривых в таблицу
вносят откорректированные значения параметров (таких как Me,
Gт и т. д.) и по ним получают расчетные показатели Ne, ge и др.
В процессе обработки экспериментальных и расчетных данных
для увеличения их достоверности определяют также погрешности
каждой измеряемой и расчетной величины; результаты записывают в предложенной нормативными документами форме.
4.3. Погрешности экспериментальных и расчетных данных
При проведении испытаний двигателей определяется не только сама измеряемая величина, но и дается оценка допущенной при
измерении погрешности. Любое измерение сопровождается погрешностью, поскольку результат измерений получен с помощью
83
средств измерений (СИ), каждое из которых обладает вполне определенной ограниченной точностью; кроме того, результат измерений часто отягощен случайными погрешностями.
Необходимую точность данных, получаемых при снятии рассматриваемых характеристик в стендовых условиях для автомобильных двигателей, регламентирует ГОСТ 14846–87 «Двигатели
автомобильные. Методы стендовых испытаний». В соответствии
с этим ГОСТ используемые СИ должны обеспечить по основным
параметрам следующие погрешности измерений:
1) крутящий момент ±0,5 %;
2) частота вращения ±0,5 %;
3) часовой расход топлива ±1,0 %;
4) температура всасываемого воздуха ±1,0 %;
5) температура охлаждающей жидкости, масла и топлива ±2 °C;
6) температура отработавших газов ±20 °C;
7) барометрическое давление ±0,2 кПа;
8) разряжение во впускном трубопроводе ±1,0 %;
9) относительная влажность окружающего воздуха ± 2 %;
10) угол опережения зажигания (подачи топлива) ±1 у. п. к. в.1
Поскольку погрешность прямого однократного измерения полностью определяется погрешностью СИ, то, согласно указанному
ГОСТ, все измерения должны выполняться предварительно проверенными, проградуированными или протарированными измерительными средствами в соответствии с действующими положениями об их контроле.
4.3.1. Разновидности погрешностей измерений
При испытаниях двигателей не все величины получают непосредственными измерениями. Различают прямые и косвенные измерения. При прямых измерениях измеряемая величина непосредственно
сравнивается с образцовой или искомая величина отсчитывается по
шкале прибора. Часть показателей определяется с помощью косвен1
У. п. к. в. – угол поворота коленчатого вала.
84
ных измерений, в которых искомая величина (например, мощность
или удельный расход топлива двигателя) получается с помощью
расчетных соотношений.
В зависимости от скорости изменения измеряемой величины во
времени различают статические и динамические величины и соответствующие им погрешности. Величины, не зависящие от скорости изменения во времени, называются статическими. В случае,
если эта скорость не равна нулю, измеряемые величины называются динамическими (быстроменяющимися).
Перечисленные параметры с погрешностями, не превышающими
указанных величин, относятся к ряду статических погрешностей.
Измеряемые в цилиндре двигателя или перед форсункой (дизели) давления в функции времени или угла поворота относятся
к динамическим, или быстроменяющимся, величинам с соответствующими динамическими и статическими погрешностями.
Качество результатов измерений характеризуется абсолютной,
относительной и приведенной погрешностями, которые отражают
форму их числового выражения.
Абсолютной погрешностью измерения Δx называется разность
между полученным результатом измерения и его действительным
значением:
Δx = x – а,
(21)
где х – полученная в результате измерения величина; а – действительное значение величины.
Поскольку действительное значение измеряемой величины неизвестно, то на практике в качестве его принимают наиболее вероятное значение измеряемой величины – среднее арифметическое
значение X , определяемое, как показано далее. Погрешности Δх
могут принимать как положительные, так и отрицательные значения. В общем случае они могут быть разными по абсолютной величине, однако чаще всего значения бывают положительными, отрицательными и равными по абсолютной величине.
Относительной погрешностью γ называют погрешность, %,
приходящуюся на единицу измеряемой величины:
85
γ = Δх · 100 / х,
где х – текущее значение измеряемой величины.
Приведенной относительной погрешностью, или просто приведенной, называется погрешность, %, выраженная отношением
абсолютной погрешности к максимальному значению измеряемой
величины или максимальному значению шкалы прибора хmax:
γпр = Δх · 100 / хmax.
По характеру и причинам появления погрешности делят на систематические, случайные и грубые (промахи). В действительности эти
составляющие погрешности чаще всего проявляются совместно.
Систематическими называют погрешности, остающиеся постоянными или изменяющиеся по определенному закону при повторных измерениях одной и той же величины. Они могут быть изучены
и предсказаны, что дает возможность во многих случаях исключить
их влияние на суммарную погрешность.
Случайными называют погрешности, изменяющиеся по случайному закону при повторных измерениях одной и той же величины.
Случайные погрешности не могут быть исключены из результатов
измерений, однако при проведении повторных измерений теория
вероятностей и математическая статистика позволяют получать
более точные результаты с увеличением числа измерений.
При определении случайных погрешностей прямых или косвенных измерений необходимо знание закона распределения погрешностей. На практике большинство погрешностей измерений
подчиняется симметричным одномодальным законам распределений: при прямых измерениях – нормальному (закону Гаусса)
и равномерному, при косвенных измерениях – треугольному (закону Симпсона), трапецеидальному, являющимися композициями
равномерного и нормального законов распределения.
Экспериментальные исследования показывают, что при измерениях на двигателях разброс измеряемых величин в большинстве случаев подчиняется нормальному закону распределения.
Распределение погрешностей для нормального закона описывается следующей функцией (плотностью распределения):
86
2
2
f(x) = e–(Δx) /(2σ )/(σ 2 ðπ ),
(22)
где σ2 – дисперсия измерений; Δх – погрешность измерений; е –
основание натуральных логарифмов.
Для нормального (распределения Гаусса) и ряда симметричных
законов распределения за наиболее вероятное значение измеряемой
величины принимают математическое ожидание М (при n → ∞)
или среднее арифметическое значение X (при конечном n).
В случае нормального закона распределения среднее арифметическое значение
X = x1 + x2 + … + xn / n,
(23)
где x1, x2, …, xn – результаты отдельных измерений.
Если n → ∞, то мерой наиболее вероятного значения будет математическое ожидание
M = limn→∞ X .
Мерой случайной погрешности является среднее квадратическое отклонение (с. к. о.) σ (при n → ∞), или стандарт S (при конечном n).
S  (( xi  X ) 2 ) /(n  1) ,
(24)
причем если число измерений велико, то σ = limn→∞Sср.
Для определения величины случайной составляющей общей
погрешности измерений необходимо знать закон распределения погрешности, величину самой погрешности Δx (иначе – доверительного интервала) и величину доверительной вероятности P
(иначе – коэффициента надежности), выражаемой в процентах
или долях единицы. Если истинное значение измеряемой величины есть X (за него принимается математическое ожидание M при
n → ∞ или среднее арифметическое значение X при конечном n),
а погрешность измерения – Δx, то доверительная вероятность P, или
вероятность того, что результат измерений отличается от истинного
значения на величину, не бóльшую чем Δх, будет иметь вид
87
P( X – Δx < X < X + Δx) = P.
(25)
Выражение (25) означает, что с вероятностью Р результат измерений не выходит за пределы доверительного интервала от X – Δх
до X + Δх, т. е. 2Δх. Причем чем бóльшая надежность Р требуется, тем бóльшим получается соответствующий доверительный интервал Δх и, наоборот, чем больший доверительный интервал задается, тем вероятнее, что результаты измерений выйдут за его
пределы.
Принято доверительный интервал (абсолютную погрешность)
выражать в долях σ. Тогда, чтобы обеспечить нужную степень надежности, например 0,68; 0,95 или 0,997, необходимо выбирать
в долях с. к. о.1 соответственно следующие доверительные интервалы: σ, 2σ или 3σ. Представление погрешности (доверительного
интервала) в виде ε = Δх / σ упрощает задачу определения доверительной вероятности, поскольку зависимость в функции от Р можно табулировать. В приложении (см. табл. 2П) приведены эти зависимости.
Из изложенного следует, что для получения одной и той же величины погрешности Δх, но с разной надежностью Р необходимо
производить измерения с большой точностью или изменять величину σ. А это можно осуществить (в случае превалирования случайных погрешностей над систематическими) путем многократного повторения измерений, поскольку с. к. о. усредненного результата убывает по сравнению со с. к. о. отдельного измерения в n
раз, т. е.
σn = σ / n или Sn = S / n .
(26)
При обычных измерениях в технике, в том числе в автомобилеи двигателестроении, наиболее предпочтительны доверительные
вероятности Р = 0,9; 0,95 и реже 0,8 (данную вероятность чаще
всего используют при проведении лабораторных работ в учебном
процессе). Причем при Р = 0,9 погрешность обладает тем уникальным свойством, что для широкого класса наиболее часто исполь1
С. к. о. – среднее квадратическое отклонение.
88
зуемых законов распределения вероятностей она имеет однозначное соотношение Δх = 1,6σ вне зависимости от вида закона распределения. Поэтому ГОСТ при отсутствии данных о виде закона распределения предписывает принимать Р = 0,9.
Указанные соотношения используются в случае нормального
закона распределения результатов измерений и их случайных погрешностей при объемах выборок n > 30.
Таким образом, выборки объемом выше 30 используются при
измерении быстроменяющихся величин, в основном характеризующих рабочий процесс двигателя (например, давления и температуры газов в цилиндре, давления топлива после насоса высокого давления (дизели), давления и температуры газов во впускном
и выпускном коллекторах и т. д.).
Как правило, объем выборок на установившихся режимах (такой режим двигателя чаще всего используется для снятия его характеристик) значительно меньше 30. При таких объемах выборок
при нахождении границ доверительного интервала Δх необходимо пользоваться распределением Стьюдента, поскольку использование нормального закона в этом случае дает неверные (завышенные) значения надежности. В связи с этим при определении Δх
в случае малой выборки вместо коэффициента ε вводится коэффициент Стьюдента tnp, зависящий от объема выборки n и величины
надежности Р (его значения в функции от Р и n приведены в приложении (см. табл. 3П):
tnp = Δx / Sn = Δx n / S,
(27)
где Sn определяется соотношением (26), а S – соотношением (24).
Причем при n → ∞ коэффициент t (т. е. практически при n > 30)
трансформируется в величину ε.
Как было отмечено, величина погрешности при получении средних арифметических значений зависит от объема выборки, поэтому очень важно в ходе экспериментов на двигателях для ограничения большого объема получаемых данных правильно выбирать
минимально необходимый объем информации. В соответствии
с математической статистикой при оценке Δх для нормального
89
нормированного закона распределения объем выборки для требуемой погрешности определяется следующим образом:
или
n = δ2zP2 / ψ2
(28)
n = zP2 / ψσ,
где δ – коэффициент вариации; δ = σ / a; ψ – максимальная относительная погрешность при определении X , равная Δх / X ; zP – квантиль уровня Р нормированной случайной величины
Ψ = vtпр / n .
(30)
Так как выборочный коэффициент вариации оказался больше
выбранного, то из полученной зависимости видно, что значение
Ψ будет больше 2 %. Зададимся n = 20, выберем из табл. 4П значение tпр и получим из формулы (30) ожидаемую относительную
ошибку при определении среднего значения pz:
Ψ = 0,056 · 1,73 / 4,472 = 0,022.
zP = (x – a) / σ = Δx / σ;
значения zP приведены в табл. 3П; Р – доверительная вероятность
непревышения доверительного интервала при оценке х; ψσ – максимальная относительная в долях σ ошибка при оценке X .
Поскольку коэффициент вариации δ, как правило, неизвестен,
то на практике при определении объема выборки его заменяют
выборочным коэффициентом v, получаемым на основании априорной информации по аналогичным параметрам двигателей, или
задаются значением v и уточняют его в процессе эксперимента.
В этом случае объем выборки определяют по формуле
n = v2tnp2 / ψ2.
После измерения 11 значений pz получим выборочный коэффициент вариации 5,6 %. Преобразуем формулу (29):
(29)
Определенное нами значение Ψ больше заданного, равного 2 %.
Берем значение n = 25 и по таблице находим t = 1,71. Подставив
выбранные значения в (30), получаем:
Ψ = 0,056 · 1,71 · 5 = 0,019.
Поскольку полученное значение меньше заданного, принимаем n = 25 и измеряем pz еще (25 – 11 = 14) раз. После дополнительных 14 измерений pz определяем v по суммарному объему выборки
n = 25. Если выборочный коэффициент вариации отличается от
предыдущего, что обещает неприемлемо высокое значение ψ, то
следует вновь откорректировать n по приведенной методике; если
не отличается, то на этом расчет закончен.
Пример. Крутящий момент двигателя Ме = 102,6 Н · м; ΔМ =
= ±1,1 Н · м; Р = 0,9.
Пример. Найти необходимый объем испытаний при определении среднего значения максимального давления сгорания pz,
если с доверительной вероятностью Р = 0,9 относительная погрешность ψ измерения не должна превышать 2 %.
Из табл. 4П для Р = 0,9 находим zP = 1,282. Задаемся значением коэффициента вариации δ, руководствуясь следующими соображениями: нестабильность, или, иначе, разброс значений pz, характеризуемый коэффициентом вариации, зависит
от типа двигателя, а также режима работы и степени его изношенности. По данным ряда исследований, величина pz от цикла
к циклу может изменяться в пределах 1–15 %. Возьмем значение δ = 5 %; тогда, подставив выбранное значение в формулу
(27), получим n = 11.
Третий способ представляется стандартными аппроксимациями функций распределения систематической и случайной составляющих погрешности измерения и их средними квадратическими
отклонениями (стандартами):
90
91
 = 0,6 Н · м.
ɫɬ
ɯ ; ı ; f ɫɬ ɯ ,
ɏ ; ıǻɟ ; f ǻc
где σ(Δе) – оценка среднего квадратического отклонения систематической составляющей погрешности измерения в единицах
измеряемой величины; fΔcст (х) – стандартная аппроксимация функции распределения систематической составляющей погрешности.
Стандартная аппроксимация функции распределения заключается в ее нормировке, т. е. в исключении из рассмотрения значений
случайных величин, лежащих вне выбранного интервала (х1, х2).
Степень усечения определяется показателем Δх / σ. Так, для нормального закона распределения указанный интервал может быть
выше 3, однако для стандартной аппроксимации он не превышает 3, для прямоугольного закона – 1,7, треугольного – 2,4 и трапецеидального – 2,3.
Применение той или иной формы представления результатов
измерений в большей степени зависит от соотношения систематической и случайной составляющих результирующей погрешности.
Правила применения форм представления
результатов измерений
1. Если систематическая погрешность Δ является определяющей, то достаточно выполнить одно измерение. В этом случае систематическая погрешность измерений полностью определяется
СИ и не может быть меньше погрешности СИ. В этом случае необходимо пользоваться первой формой представления результатов
измерений.
2. Если случайная погрешность больше систематической, то
измерения производятся столько раз, сколько необходимо, чтобы
случайная погрешность среднего арифметического была меньше
систематической погрешности Δ и последняя определяла бы результирующую погрешность измерений. Для этого необходимо,
чтобы доверительный интервал Δх, определенный с необходимой
степенью надежности Р, был меньше величины Δ, т. е. Δ >> Δх. Это
может быть выполнено при Δ / 10 >> Δх. Однако при таком условии
число измерений должно быть большим, поэтому на практике принимают Δ / 3 ≥ Δх.
92
Если в качестве оценки погрешности случайной составляющей
брать среднее квадратическое отклонение (стандарт), то влияние
случайной погрешности на результирующую погрешность можно
устранить при условии σ < 5Δ, т. е. если средняя квадратическая
погрешность не более чем в 5 раз меньше систематической. При
больших значениях Δ для уменьшения роли случайной погрешности требуется большое число измерений (сотни или тысячи).
Оптимальное число измерений при выбранной надежности
и установленном доверительном интервале в долях стандарта ε =
= Δх / S можно определить по табл. 3П.
Для данного случая необходимо также использовать первую
форму представления результатов измерений.
3. Если по каким-то причинам нельзя осуществить необходимое число измерений с целью устранения влияния случайной погрешности, то последняя в одинаковой мере со систематической
погрешностью определяет результирующую погрешность измерения. В этом случае используется вторая форма представления результатов измерений.
4. В ряде случаев, когда неизвестны точные значения систематических погрешностей, для повышения точности измерений осуществляют перевод систематических погрешностей в случайные. Это достигается такой организацией измерений, при которой постоянный
фактор, влияющий на результат измерений, в каждом из них действует различным образом, что приводит к случайному характеру получаемых данных. Такой прием превращения систематических погрешностей в случайные называется рандомизацией. В этом случае используется третий способ представления результатов измерений.
5. На практике часто необходимо дать оценку результирующей
погрешности вне зависимости от причин, ее породивших. Для
этого существует ряд формул, позволяющих с выбранной вероятностью получить результирующую погрешность. Так, с вероятностью Р = 0,95 результат измерений не будет отличаться от истинного значения на величину, превышающую ΔΣ.
ΔΣ = Δ + 2S.
93
(31)
4.3.2. Форма представления результатов
косвенных измерений
Погрешности косвенных измерений (иначе – погрешности расчетных величин) вычисляются с учетом того, что числовые значения расчетных величин являются функциями одного или нескольких измеряемых величин, т. е.
y = f(x1, x2, …, xn).
(32)
Если абсолютные погрешности величин х1, x2, …, xn, полученные путем прямых измерений, равны Δx1, Δx2, …, Δxn, то погрешность функции у может быть определена путем дифференцирования уравнения (32) и замены дифференциальной функции (в
предположении, что величины Δх малы) и переменных конечными разностями:
Δy = ∂fΔx1 / ∂x1 + ∂fΔx2 / ∂x2 + … + ∂fΔxn / ∂xn
(33)
Все представленные зависимости для определения погрешностей косвенных измерений распространяются как на систематические, так и на случайные погрешности. Однако необходимо иметь
в виду, что при получении результирующей случайной погрешности складываются не с. к. о. (стандарты), а дисперсии.
Абсолютные и относительные погрешности для ряда функций,
наиболее часто используемых при обработке экспериментальных
данных, приведены далее.
При вычислении с. к. о. и погрешности результата в случае косвенных измерений, как правило, поступают следующим образом:
находят значение
X = ∑xi / n;
подставляют это значение в уравнение y = f(x) и получают
значение
y = f( X );
определяют значение погрешности Δy как произведение:
или в общем случае
Δy = (∑(∂fΔxi / ∂xi)2)1/2.
(34)
Таким образом, абсолютная систематическая погрешность функции у равна сумме частных производных величин прямых измерений, входящих в искомую функцию, умноженных на абсолютные
погрешности каждого из них.
Относительная систематическая погрешность данной функции
будет
δy = Δy / y = d[ln f(x1, x2, …, xn)]
(35)
Δy = f( X )Δx.
(37)
Чтобы найти относительную погрешность косвенных измерений, необходимо взять натуральный логарифм функции (32) и дифференцировать его по непосредственно измеренным величинам, выступающим как независимые переменные.
Полученные при прямых измерениях величины, используемые
для вычисления результатов косвенных измерений, могут быть
отягощены как систематическими, так и случайными погрешностями. При определении расчетного параметра желательно, чтобы результаты прямых измерений были отягощены либо систематическими (что наиболее удобно для записи результирующей погрешности), либо случайными погрешностями (наиболее удобно,
когда они принадлежат одному закону распределения). Однако на
практике чаще всего встречаются как систематические, так и случайные погрешности.
С учетом отмеченного рассмотрим различные варианты определения и формы записи погрешностей косвенных измерений.
Предварительно отметим, что во всех вариантах могут быть случаи, когда одна из погрешностей в несколько раз больше другой.
В этом случае малыми погрешностями пренебрегают. Считается,
94
95
или
n
2
δy = Δy / y = ¦ (w ln f'xi / wxi ) .
n 1
(36)
что малой называется погрешность, которая в 10 раз меньше, чем
наибольшая из погрешностей. На практике, особенно в малочленных зависимостях, условие малой погрешности принимается, когда она в 3 и более раз меньше, чем наибольшая из погрешностей.
Поскольку расчетные зависимости, используемые для обработки
результатов испытаний двигателей, малочленные (число переменных в большинстве случаев составляет 2), то можно использовать
при оформлении результатов лабораторных работ последнее условие малых погрешностей. Второе существенное замечание заключается в том, что для всех измеряемых величин задается одно и то
же значение надежности Р.
Первый вариант. Погрешности носят систематический характер и мало отличаются друг от друга. Результирующая абсолютная погрешность подсчитывается в соответствии с зависимостями, приведенными в табл. 1П. Форма записи результатов по
ГОСТ 8.011–72 первая.
Второй вариант. Если погрешности носят случайный характер, то принимается, что доверительная вероятность равна 0,9,
и тогда используются зависимости для абсолютной или относительной погрешностей. Форма записи результата вторая или третья, но без систематической составляющей.
Третий вариант. Погрешности носят как систематический, так
и случайный характер. В этом случае можно рассматривать две модели представления результатов. Первая модель предполагает отдельное
суммирование систематических и случайных погрешностей и запись
результата по третьей форме. Вторая модель предполагает рандомизацию систематической погрешности, и запись результата в этом
случае осуществляется по третьей форме (ГОСТ 8.011–72).
Результаты прямых и косвенных измерений, их погрешности
часто получаются с бóльшим количеством знаков, чем это соответствует точности измерений.
На практике принято приближенные числа записывать таким
образом, чтобы ошибка последней неотбрасываемой цифры не
превышала десяти единиц этого разряда. Тогда все цифры, кроме последней, будут верными, а последняя цифра будет сомнительной. Все цифры, расположенные правее сомнительной, – неверные. Верные и сомнительные цифры называются значащими.
Незначащими цифрами считаются все нули, стоящие правее сомнительной цифры. При записи окончательных результатов неверные цифры отбрасываются с соблюдением правил округления.
Результаты измерений и погрешности их округления следующие:
1. При отбрасывании ряда цифр, если первая из них больше 5,
последняя сохраняемая (последняя значащая или сомнительная)
цифра увеличивается на единицу; если первая отбрасываемая цифра меньше 5, то последняя сохраняемая цифра остается без изменений.
2. Если отбрасывается только цифра 5 и отсутствуют последующие за ней цифры, то последняя сохраняемая четная цифра увеличивается на единицу.
3. При округлении целых чисел все цифры, отбрасываемые при
округлении, заменяются множителем 10к (к – количество отбрасываемых цифр); при округлении десятичных дробей цифры, стоящие после запятой, отбрасываются без замены нулями. Результаты
прямых и косвенных измерений округляются до того же разряда,
которым оканчивается округленное значение абсолютной погрешности. При округлении погрешностей их значения указываются
с одной-двумя значащими цифрами. При этом если полученное
значение погрешности начинается с цифры, равной или больше 3,
в нем сохраняется лишь один знак; если же оно начинается с цифр
меньше 3 (т. е. с единицы или двойки), то в нем сохраняют два
знака. Округление же значений погрешностей осуществляют с использованием пп. 1–3 данных правил с одним исключением: если
отбрасывается только цифра 5 и последующих за ней цифр нет, то
вне зависимости от того, какая последняя цифра – четная или нечетная, она увеличивается на единицу.
96
97
4.4. Правила округлений и приближенных вычислений
4.4.1. Правила округления
4. Округление производится лишь в окончательном ответе, а все
предварительные вычисления проводят с одним, а иногда с двумя
лишними знаками (при многозвенных зависимостях), полученными в соответствии с пп. 1–3 данных правил.
4.4.2. Вычисления с приближенными числами
При совершении математических операций с приближенными
числами точность результатов определяется количеством значащих
цифр в используемых числах и характером арифметического действия, поскольку результат последнего есть также приближенное
число, в котором будут неверные цифры, подлежащие отбрасыванию. Например, сложение и умножение верной и неверной цифр
дают неверное число, а верной и сомнительной – сомнительное.
По правилам в таких случаях результат вычислений не может быть
точнее самого неточного числа в исходных данных. Из этого следует, что при совершении математических действий округлять
необходимо не только окончательные результаты, но и числа в исходных данных и промежуточных расчетах. С учетом отмеченного рассмотрим правила округления в основных математических
операциях:
1. При сложении и вычитании все участвующие в операциях
числа округляют до сомнительной цифры, стоящей в наиболее высоком разряде.
Пример. x = 25,379 + 3,4765 + 8,0134 + 0,75 – 35,38 + 3,48 + 8,01 +
+ 0,75 = 37,62.
При вычитании следует обращать внимание на возможную потерю точности результата в случае близких по величине чисел.
Пример. x = 23,7842 – 23,7836 = 0,0006.
В данном примере исходные данные имеют по шесть значащих (по пять верных и по одной сомнительной цифре), а результат действия – одну и ту же сомнительную цифру. При получении разности двух близких по значению чисел для увеличения
точности результатов необходимо изменять методику измерений
или вычислений.
98
2. При умножении и делении (предварительно округляются все
числа) в полученных результатах оставляют столько значащих цифр,
сколько их в исходном числе с наименьшим количеством значащих
цифр.
Пример. x = 75,8 · 0,045397 = 75,8 · 0,0454 = 3,44.
3. При возведении в степень и извлечении корня в приближенном числе оставляется столько значащих цифр, сколько их в основании или в числе под корнем.
4. При логарифмировании в мантиссе берется столько значащих цифр, сколько их в логарифмируемом числе.
4.5. Расчетные зависимости, используемые при обработке
экспериментальных данных
При обработке результатов испытаний двигателей необходимо соблюдать терминологию, принятые условные обозначения
и пользоваться расчетными зависимостями в соответствии с данным пособием.
Зависимости для определения по экспериментальным данным
(прямые измерения) параметров косвенных измерений:
1. Частота n вращения коленчатого вала (к. в.) двигателя может
измеряться разными способами. Если n измеряется специализированным прибором с установленным классом или оговоренной погрешностью СИ, то принимается погрешность, записанная в его
паспорте. Если частота вращения измеряется как количество оборотов к. в. за промежуток времени t, то
n = n∑ / t,
(38)
где n∑ – суммарное количество оборотов к. в. за время t , c.
Абсолютная погрешность измерения n в соответствии с табл. 1П
Δn = (Δn∑2 / t2 + Δt2n2 / t4)1/2.
(39)
2. Крутящий (эффективный) момент двигателя (при определении его тормозным устройством балансирного типа).
Ме = РL,
99
(40)
3. Эффективная мощность для тормозов балансирного типа
на единицу рабочего объема, т. е. удельной работе двигателя. Она
определяется экспериментально путем снятия индикаторной диаграммы (зависимости давления в цилиндре двигателя от угла поворота коленчатого вала) или менее точными косвенными методами:
прокруткой двигателя или выбегом, т. е. путем определения значений pe и среднего давления механических потерь рм:
Ne = Men / 9550.
pi = pе + pм.
где Р – усилие на плече тормоза, Н (кН); L – длина плеча (рычага), м.
Абсолютная погрешность при измерении Ме
ΔМе = (ΔP2L2 + ΔL2P2)1/2.
(41)
(42)
Абсолютная погрешность Ne определяется согласно зависимости (41). Для электрического тормоза с закрепленным статором
она определяется следующим образом:
Ne = IU / 103ηr,
(43)
где I – сила тока в цепи ротора электрического генератора, А; U –
напряжение на выходных клеммах ротора генератора, В; ηr – КПД
электрического генератора.
Абсолютная погрешность для Ne в данном случае
ΔNe = Ne((ΔI 2U 2ηr2 + ΔU 2I 2ηr2 + Δηr2I 2U 2) / ηr2)1/2.
(44)
4. Среднее эффективное давление pе равно удельной работе за
цикл с учетом механических потерь:
pе = τМе / 318Vл = K1Me,
(45)
где Vл = Vhi – литраж двигателя; Vh – рабочий объем цилиндра; τ –
тактность двигателя (τ = 4 для четырехтактных двигателей и τ = 2
для двухтактных);
K1 = τ / 318Vn.
Абсолютная погрешность
Абсолютная погрешность
Δpi = (Δpe2 + Δpм2)1/2.
(46)
(48)
Если известна индикаторная мощность Ni, то
Δpi = 30τNi / Vлn = K2Ni / n;
(49)
K2 = 30τ / Vл.
Погрешность
Δpi = (n2K2ΔNi2 + K22Ni2Δn2) / n4)1/2.
6. Индикаторная мощность
Ni = Vл pi n / 30τ = K3 pi n,
(50)
K3 = Vл / 30τ.
Абсолютная погрешность определяется в соответствии с (41).
7. Среднее давление механических потерь может быть найдено
путем индицирования двигателя (снятия индикаторной диаграммы) следующим образом:
pм = pi – pе.
Δpе = K1ΔМе.
(47)
(51)
Абсолютная погрешность в этом случае
5. Среднее индикаторное давление рi – условное, постоянное
избыточное давление в цилиндре двигателя, которое, действуя
на поршень, совершает работу за такт расширения, равную работе газов за цикл. Или, иначе, рi равно работе за цикл, отнесенной
Если механические потери определяются прокручиванием двигателя (при прокручивании вначале находится Nм), то pм определяется по (45).
100
101
Δpм = (Δpi2 + Δpe2)1/2.
(52)
8. Мощность механических потерь в случае, если известно pм,
находится следующим образом:
Nм = Vл pмn / 30τ.
(53)
Погрешность определяется в соответствии с (39).
Если механические потери определяются прокручиванием двигателя, то мощность механических потерь находится по (42).
9. Механический КПД характеризует механические потери (совершенство конструкции двигателя):
ηм = pе / рi = Ne / Ni = 1 – pм / pi = 1 – Nм / Ni.
(54)
Погрешность для данного случая определяется, как в (39).
10. Часовой расход топлива, кг/ч,
Gт = 3,6Gт / t,
(55)
где Gт – вес дозы (навески) топлива, израсходованного за время замера, г; t – время измерения, с.
Абсолютная погрешность
ΔGт = ((ΔG t + Δt Gт ) / t ) .
2 2
т
2
2
2 1/2
(56)
11. Удельный эффективный расход топлива ge, г/кВт · ч, – расход, приходящийся на единицу эффективной мощности при работе двигателя в течение 1 ч.
ge = 103Gт / Ne.
(57)
Погрешность удельного расхода gе
Δge = ((ΔGт2Ne2 + ΔN 2Gт2) / Ne2)1/2.
12. Удельный индикаторный расход топлива gi, г/кВт · ч, – расход, приходящийся на единицу индикаторной мощности при работе двигателя в течение 1 ч.
gi = 10Gт / Ni.
Погрешность gi определяется так же, как погрешность ge.
102
(58)
13. Эффективный КПД двигателя показывает отношение части
тепла, преобразованного в полезную работу на валу двигателя, ко
всему теплу, подведенному в двигателе:
ηе = 3600 / Ни ge.
(59)
Абсолютная погрешность определения эффективного КПД
двигателя
(60)
Δηе = ((ΔНи + Δge)2 / (Ни + ge)2)1/2,
где Ни – низшая теплота сгорания, равная 44 МДж/кг для бензина
и 42,5 МДж/кг для дизельного топлива.
14. Индикаторный КПД двигателя ηi показывает, какая часть
всего затраченного в двигателе тепла преобразуется в индикаторную работу:
ηi = 3600 / Ниgi.
(61)
Погрешность индикаторного КПД определяется по (60).
15. Часовой расход воздуха
Gв = 3600μFo(2gρвΔp)1/2,
(62)
где μ – коэффициент расхода, зависящий от формы и размеров диафрагмы, насадки или сопла; Fo – площадь отверстия диафрагмы,
мм; Δp – перепад давления на шайбе, мм вод. ст.; g – ускорение свободного падения, м/c2; ρв – плотность воздуха при испытании двигателя, кг/м3;
ρв = 0,464Bo / To.
(63)
Здесь Во – атмосферное давление воздуха при испытании двигателя, мм рт. ст.; То – температура воздуха перед входом в расходомер, К.
Погрешность Gв
ΔGв = 1 / 2((Δp2Δρк2 + ρк2Δ(Δp)2) / (ρкΔp))1/2.
16. Коэффициент избытка воздуха представляет собой отношение фактически поступившего в двигатель за 1 ч количества воздуха Gв к теоретически необходимому для полного сгорания топлива:
103
α = Gв / Gтlo,
(64)
где lo – количество воздуха, необходимое для полного сгорания 1 кг
топлива, кг; для ДПЗ lo = 15 кг воздуха на 1 кг топлива; для дизелей
lo = 14,5 кг воздуха на 1 кг топлива.
Погрешность коэффициента избытка воздуха α
Δα = ((Gт2ΔGе2 + Gе2ΔGт2) / Gт2)1/2.
17. Коэффициент наполнения представляет собой отношение
действительного количества свежего заряда, поступившего в цилиндр, к тому количеству, которое могло бы поместиться в рабочем объеме цилиндра при условии, что температура и давление
в нем равны температуре и давлению среды, из которой поступает свежий заряд:
ηv = 33,6Gв / Vл ρвn = BGв / n,
где B = 33,6ρв / (Vлρв).
Погрешность ηv определяется, как и для α.
104
(65)
Рекомендуемая литература
1. Луканин, В. Н. ДВС. Кн. 1. Теория рабочих процессов / В. Н. Луканин
[и др.] – М.: Высшая школа, 2005.
2. Ховах, М. С. Автомобильные двигатели / М. С. Ховах [и др.]. – М.:
Машиностроение, 1977.
3. Зайдель, А. Н. Погрешности измерений физических величин / А. Н. Зайдель. – Л.: Наука, 1985.
4. Деденко, Л. Г. Математическая обработка и оформление результатов
эксперимента / Л. Г. Деденко, В. В. Керженцов. – М.: Изд-во МГУ, 1977.
5. Степнов, М. Н. Статические методы обработки результатов механических испытаний / М. Н. Степнов. – М.: Машиностроение, 1985.
6. Гмурман, В. Е. Теория вероятности и математическая статистика /
В. Е. Гмурман. – М.: Высшая школа, 1977.
7. Башкардин, А. Г. Испытания автомобильных двигателей / А. Г. Башкардин; ЛИСИ. – Л., 1989.
8. Стефановский, Б. С. Испытания двигателей внутреннего сгорания /
Б. С. Стефановский [и др.]. – М.: Машиностроение, 1972.
9. ГОСТ 14846–87. Двигатели автомобильные, методы стендовых испытаний. – М.: Изд-во стандартов, 1987.
10. Григорьев, В. Г. Испытание автомобильных двигателей / В. Г. Григорьев, В. Н. Ложкин; СПбГАСУ. – СПб., 2001.
105
106
107
17
16
14
15
13
12
11
10
8
9
7
6
Давление масла
Давление окружающей
среды
Влажность окружающей
среды
Температура окружающей среды
Температура воды на
входе
Температура воды на выходе
Температура масла
Температура выхлопных
газов в выпускном коллекторе
Температура выхлопных
газов по цилиндрам
Температура воды в гидротормозе
Итого
Перепад давления на
мерной шайбе во впускной системе
Расход воздуха
–
»
»
»
»
То же
°С
%
МПа
кПа
кг/ч
кПа
Расход топлива (часовой) кг/ч
Расход топлива удельный г/кВт · ч
4
5
3
мин–1
Н·м
кВт
2
Частота вращения
Крутящий момент
Мощность
Наименование
измеряемого
параметра
1
1
2
3
№
п/п
Единицы
измерения
–
0–100
0–800
0–150
0–800
0–100
0–100
–
15–100
0–1
95–105
50–2500
0,1–10
3–100
160–350
2
2
1
1
1
1
1
1
1
2
1
2
Термопара хро- 8 (12)
мель-алюмель
Термометр со1
противления
–
26 (30)
»
»
»
Термометр сопротивления
То же
0–10 В
Реостатный
датчик
0–1 В
Рассчитываемые
параметры
0,1–10 В
Рассчитываемые
параметры
0–10 В
–
5
5
1
5
1
1
1
2
1
1
–
1
0,25
–
–
0,25
0,25
0,25
0,25
0,25
0,25
0,25
0,25
0,25
0,25
–
0,25
0,25
–
–
5
5
1,5
5
1,5
1,5
1,5
2,5
1,5
1,5
2
1,5
0,5
0,5
–
16
16
16
16
16
16
16
16
16
16
–
4
4
–
Максимально допустимая
погрешность, %
Выходной сиг- Кол-во
Число
Пределы нал и тип при- точек
Суммар- циРегистриизмеменяемого
измерения
клов
Датная
рующе
рения
датчика
устройчик
погрешство
ность
4
5
6
7
8
9
10
300–10 000 Индуктивность
1
1
–
1
1
10–1000 1–10 В
1
0,5
0,25
0,75
16
0–300
Рассчитываемые
1
–
–
1
–
параметры
Таблица 1П
Перечень измеряемых величин и измерительных средств для системы автоматизированных испытаний
ДВС (статическая подсистема)
ПРИЛОЖЕНИЕ
Таблица 2П
Значение доверительных вероятностей P для доверительного
интервала z = ΔX / σ
Таблица 4П
Значение квантиля нормированного нормального
распределения zP уровня P
z
P
z
P
z
P
P
z
P
z
P
z
0,0
0,1
0,3
0,5
0,7
0,9
0,00
0,08
0,16
0,38
0,52
0,63
1,0
1,2
1,4
1,5
1,6
1,8
0,68
0,77
0,84
0,87
0,89
0,93
2,0
2,2
2,4
2,5
2,6
3,0
0,950
0,972
0,984
0,988
0,991
0,997
0,50
0,55
0,60
0,65
0,70
0,000
0,126
0,253
0,385
0,524
0,75
0,80
0,85
0,90
0,92
0,674
0,842
1,036
1,282
1,405
0,930
0,940
0,950
0,990
0,997
1,474
1,555
1,645
2,326
2,748
Таблица 3П
Значение коэффициентов Стьюдента tnр в функции от объема
выборки n и доверительной вероятности P
P
n
2,0
4,0
6,0
8,0
10,0
12,0
14,0
16,0
18,0
20,0
22,0
24,0
26,0
28,0
30,0
0,8
0,9
0,95
0,99
3,1
1,6
1,5
1,4
1,4
1,4
1,4
1,3
1,3
1,3
1,3
1,3
1,3
1,3
1,3
6,3
2,4
2,0
1,9
1,8
1,8
1,8
1,8
1,7
1,7
1,7
1,7
1,7
1,7
1,7
12,7
3,2
2,6
2,4
2,3
2,2
2,2
2,1
2,1
2,1
2,1
2,1
2,1
2,0
2,0
63,7
5,8
4,0
3,5
3,3
3,1
3,0
2,9
2,9
2,9
2,8
2,8
2,8
2,8
2,8
108
109
Оглавление
Введение..............................................................................................................3
1. Оборудование испытательных стендов....................................................4
1.1. Двигатель................................................................................................5
1.2. Нагружающие устройства.....................................................................5
1.2.1. Механические тормоза..................................................................6
1.2.2. Гидравлические тормоза...............................................................6
1.2.3. Электрические тормоза..............................................................10
1.2.4. Индукторные тормоза.................................................................17
1.3. Технологическое оборудование стенда.............................................19
1.3.1. Система охлаждения стенда.......................................................19
1.3.2. Система питания двигателя топливом......................................20
1.3.3. Система для удаления отработавших газов..............................21
1.4. Измерительные средства стенда.........................................................21
1.4.1. Измерение расходов топлива.....................................................23
1.4.2. Измерение расхода воздуха........................................................25
1.4.3. Измерение давлений...................................................................25
1.4.4. Измерение температур................................................................27
1.4.5. Приборы для измерения частоты вращения.............................27
2. Методика проведения испытаний двигателей......................................28
2.1. Организация и порядок проведения лабораторных занятий...........28
2.2. Рабочие места при проведении испытаний.......................................29
2.3. Проверка готовности двигателя к испытанию..................................32
2.4. Правила техники безопасности и пожарной безопасности.............33
2.5. Пуск двигателя, его прогревание, выведение на заданный
режим и остановка......................................................................................36
2.6. Порядок проведения испытаний.........................................................38
3. Характеристики автомобильных двигателей внутреннего
сгорания............................................................................................................40
3.1. Режимы работы двигателей.................................................................40
3.2. Характеристики двигателей................................................................41
3.2.1. Скоростные характеристики двигателя с принудительным
зажиганием............................................................................................44
3.2.2. Скоростные характеристики дизелей........................................51
3.3. Нагрузочные характеристики..............................................................55
3.3.1. Основные понятия, цель и методика определения
характеристик........................................................................................55
3.3.2. Нагрузочная характеристика двигателей с принудительным
зажиганием............................................................................................57
110
3.3.3. Нагрузочная характеристика дизелей.......................................58
3.4. Регулировочные характеристики........................................................60
3.4.1. Регулировочные характеристики по составу смеси.................60
3.4.2. Регулировочная характеристика двигателя
с принудительным зажиганием по составу смеси..............................61
3.4.3. Регулировочная характеристика дизеля по составу смеси.....63
3.4.4. Регулировочная характеристика двигателя
с принудительным зажиганием по углу опережения зажигания......65
3.4.5. Регулировочная характеристика дизеля по углу
опережения подачи топлива.................................................................67
3.5. Определение механических потерь двигателей................................69
3.6. Определение дымности и содержания в отработавших
газах окиси углерода и углеводородов......................................................75
4. Обработка результатов испытаний.........................................................81
4.1. Условия проведения испытаний.........................................................81
4.2. Методика обработки результатов.......................................................82
4.3. Погрешности экспериментальных и расчетных данных.................83
4.3.1. Разновидности погрешностей измерений................................84
4.3.2. Форма представления результатов косвенных измерений......94
4.4. Правила округлений и приближенных вычислений........................96
4.4.1. Правила округления...................................................................96
4.4.2. Вычисления с приближенными числами.................................98
4.5. Расчетные зависимости, используемые при обработке
экспериментальных данных.......................................................................99
Рекомендуемая литература.........................................................................105
Приложение....................................................................................................106
111
Учебное издание
Григорьев Валерий Георгиевич
Степанов Владимир Николаевич
ИСПЫТАНИЕ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
Учебное пособие
Редактор А. В. Афанасьева
Корректоры А. А. Стешко, К. И. Бойкова
Компьютерная верстка А. А. Стешко
Подписано к печати 26.03.12. Формат 60×84 1/16. Бум. офсетная.
Усл. печ. л. 6,5. Тираж 300 экз. Заказ 26. «С» 12.
Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет.
190005, Санкт-Петербург, 2-я Красноармейская ул., д. 4.
Отпечатано на ризографе. 190005, Санкт-Петербург, 2-я Красноармейская ул., д. 5.
112
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
917 Кб
Теги
ispyt, avto, grigoreva, dvig2012
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа