Эксплуатация транспортно-технологических машин

И комплексов

Профиль подготовки:

Автомобили и автомобильное хозяйство

Квалификация (степень) выпускника: бакалавр

Форма обучения: очная

Тула 2014 г.

Методические указания к лабораторным работам составлены доц. К.А. Авдеевым, проф. С.А. Чесноковым, Р.Н. Хмелевыми обсуждены на заседании кафедры «Автомобили и автомобильное хозяйство» факультета транспортных и технологических систем.

протокол №___ от " ___" ____________ 20___ г.

Зав. кафедрой________________И.Е. Агуреев

Методические указания к лабораторным работам пересмотрены и утверждены на заседании кафедры «Автомобили и автомобильное хозяйство» факультета транспортных и технологических систем.

протокол №___ от " ___" ____________ 20___ г.

Зав. кафедрой________________И.Е. Агуреев

ОГЛАВЛЕНИЕ

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1. Индикаторная диаграмма двигателя
внутреннего сгорания 4

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2. Экспериментальное исследование
неравномерности крутящего момента и хода одноцилиндрового двигателя. 10

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3. Экспериментальное исследование
характеристики холостого хода автомобильного дизельного двигателя
Citroen C3 системой Common Rail 14

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4. Экспериментальное исследование
характеристики холостого хода автомобильного бензинового двигателя
Citroen C3 с распределенным впрыском топлива. 20

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5. Снятие нагрузочной характеристики
двигателя внутреннего сгорания. 23

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1

Индикаторная диаграмма двигателя внутреннего сгорания

Цель работы: осциллографическая регистрация давления в цилиндре двигателя внутреннего сгорания (ДВС) и построение индикаторной диаграммы.

Задачи работы:

· знакомство с основными понятиями и особенностями рабочих процессов в ДВС;

· изучение конструкции датчика давления и методики измерений;

· регистрация давления, построение индикаторной диаграммы и ее анализ.

Теоретический материал

Основы процесса сгорания в ДВС

Схема поршневого двигателя внутреннего сгорания представлена на рис. 1. Положения поршня, в которых он меняет направление движения называются верхней и нижней мертвыми точками (в.м.т. и н.м.т.). Расстояние вдоль оси цилиндра между ними (путь поршня) называют ходом поршня S=2R, где R - радиус кривошипа. Объем, освобождаемый поршнем при движении его от в.м.т. до н.м.т., называется рабочим объемом цилиндра:

где D - диаметр цилиндра.

Рис. 1 Рис. 2

Объем над поршнем при его положении в в.м.т., называется объемом камеры сгорания V_с. Объем над поршнем при его положении в н.м.т., называется полным объемом цилиндра V_а = V_с + V_h. Отношение полного объема цилиндра к объему камеры сгорания называется степенью сжатия:

Степень сжатия показывает, во сколько раз уменьшается объем рабочей смеси топлива и воздуха при перемещении поршня от н.м.т. до в.м.т.

Сгорание рабочей смеси и последующее расширение газов являются основными процессами рабочего цикла ДВС. Именно в этих процессах осуществляется превращение химической энергии топлива сначала в тепловую энергию, а затем в механическую работу. Горение топлива является окислительным процессом, при котором химические элементы топлива C, H, N соединяются с кислородом воздуха, образуя как продукты полного окисления CO₂и H₂O, так и неполного окисления CO, NO, CN и др. Появление и развитие процесса горения определяются моментом воспламенения, скоростью химических реакций и условиями тепло- и массообмена горящей смеси. В карбюраторном двигателе используется принудительное воспламенение топливно-воздушной смеси, поступающей от карбюратора, электрической свечой.

Рассмотрим осциллограмму изменения давления в цилиндре карбюраторного ДВС в зависимости от времени, тo есть от угла поворота коленчатого вала j (рис. 2). При выключенном зажигании процессы сжатия и расширения не воспламенившейся смеси характеризуются линией 1-2-3-6-7. Процесс горения начинается с момента зажигания смеси искрой в точке 2, составляющего с моментом прохождения поршня в.м.т. некоторый угол поворота коленчатого вала, называемый углом опережения зажигания (j_о = 10...30 град.).

После зажигания смеси давление в цилиндре в течение некоторого промежутка времени, называемого периодом задержки воспламенения, продолжает изменяться по тому же закону, что и при выключенном зажигании (участок 2-3). В течение этого периода происходит предпламенное окисление топлива с незначительным повышением температуры и сгоранием лишь 6...8 % смеси. В это время происходит накапливание активных центров - осколков молекул со свободными валентными связями (радикалов) OH, CH, C₂ и др., необходимых для быстрого протекания основных реакций окисления. К концу периода задержки воспламенения окислительные процессы ускоряются, появляется пламя, начинается прогрессирующее повышение температуры и давления газов, т.е. наступает период видимого сгорания (участок 3-4), в течение которого сгорает 80...90% горючей смеси. Длительность этого периода, продолжающегося до достижения максимального давления в цилиндре, соответствует углу поворота коленчатого вала 20...30 град. и зависит от скорости распространения пламени (30...60 м/с).

Распространение пламени в камере сгорания не заканчивается к моменту достижения максимального давления, и догорание смеси с выделением тепла продолжается еще некоторое время, называемое периодом догорания в процессе расширения. Точно установить момент окончания горения смеси можно лишь с помощью анализа состава продуктов сгорания в процессе расширения.

Общая продолжительность процесса сгорания смеси в цилиндре двигателя зависит главным образом от скорости распространения фронта пламени, которая в свою очередь определяется составом смеси, ее однородностью, интенсивностью вихревого перемешивания (турбулизации), формой камеры сгорания, углом опережения зажигания, расположением свечи, нагрузкой двигателя. Снижение температуры газов в период рабочего хода поршня объясняется затратами внутренней энергии газов (и температуры) на совершение работы расширения (перемещения поршня) и на тепловые потери в стенку цилиндра.

Отработавшие газы, удаляемые из двигателя в окружающую среду, содержат ряд токсичных химических соединений, например, окись углерода CO как продукт неполного окисления углерода (при обогащенной горючим топливной смеси доля CO может достигать 10%); окись NO и двуокись NO₂ азота; сероводород H₂S; различные углеводороды, особенно бензапирен; соединения свинца. Наиболее распространенным способом нейтрализации отработавших газов является очистка их в специальных каталитических нейтрализаторах, где медленное беспламенное окисление продуктов неполного сгорания ускоряется катализатором (платиной и др.).

Индикаторная диаграмма

Индикаторная диаграмма строится в координатах давление p - объем V (ход поршня S) по данным осциллограммы давления (рис. 2). Первые датчики давления назывались индикаторами, что определило название диаграммы. Для перехода от угла поворота коленчатого вала j к ходу поршня S используется бицентровая диаграмма Брикса (рис. 3). Она состоит из двух окружностей, диаметр первой равен ходу поршня S, диаметр второй - произвольный. Для экономии площади рисунка изображены половинки окружностей. Расстояние между их центрами ОО₁ является поправкой, учитывающей размеры шатуна L икривошипа R:

Вторая (внутренняя) окружность разделена на равные угловые интервалы (30 град.) поворота коленчатого вала, тем самым вводится угловая координата коленчатого вала j. Лучи, проведенные из центра О₁образуют на первой окружности точки, горизонтальное положение которых соответствует положениям днища поршня (пунктир). Откладывая на пунктирных вертикалях давление p из осциллограммы давления для различных углов поворота коленчатого вала j = 0, 30, 60, 90, ... град. получим индикаторную диаграмму.

Площадь верхней петли диаграммы, ограниченная контуром 1-2-3-1, представляет, в соответствии с размерностью произведения

работу L_i_в, совершаемую газами в цилиндре. Площадь нижней петли 1-4-3-1 соответствует работе L_i_н, затрачиваемой на насосные ходы поршня (всасывание-выталкивание). Таким образом, действительная индикаторная работа газов в lодном цилиндре за один цикл

L_i = L_i_в - L_i_н.

Для сравнительной оценки циклов в разных двигателях широко используют среднее индикаторное давление, Па, - условно постоянное давление на поршень в течение одного хода, совершающее работу, равную индикаторной работе за весь цикл:

где V_h - рабочий объем цилиндра. Графически p_i представляет собой высоту прямоугольника, построенного на основании V_h, площадь которого равна разности площадей верхней и нижней петли диаграммы.

Рис. 3

Работа, совершаемая газами в цилиндре двигателя за единицу времени, называется индикаторной мощностью. Если число оборотов коленчатого вала в минуту обозначить n , то получим: n/60 оборотов в секунду и 2n/60 число тактов (ходов поршня) в секунду. Тогда индикаторная мощность многоцилиндрового двигателя, кВт,

где t - число тактов в течение цикла; i_ц- число цилиндров.

* * *

Как известно, даже в идеальном термодинамическом цикле ДВС часть тепла, подводимого при горении к рабочему телу (газам) должна отводиться к холодному источнику (в окружающую среду), в виде тепла отработавших газов. Самый совершенный идеальный цикл, с изотермическими подводом и отводом тепла - цикл Карно, имеет термический КПД

где Т₁ = 2200 К - температура горячего источника тепла (процесса сгорания бензина);

Т₂ = 273 К - температура холодного источника (окружающей среды).

Идеальный цикл карбюраторного ДВС - цикл Отто с быстрым изохорным подводом тепла - имеет термический КПД

где e - степень сжатия в цилиндре, k = 1, 33 - показатель адиабаты.

В действительном рабочем цикле наблюдаются дополнительные, в принципе устранимые, потери тепла, вызванные теплообменом между газом и стенками цилиндра, неполнотой сгорания топлива, утечкой газов через неплотности и т.п. Степень использования тепла в действительном рабочем цикле оценивается индикаторным КПД h_i, представляющим отношение тепла, выделенного при сгорании 1 кг топлива и преобразованного в полезную работу цикла L_i к теплоте сгорания топлива H_u :

где N_i - индикаторная мощность, кВт; H_u - теплота сгорания топлива, кДж/кг.

Для карбюраторных ДВС

h_i = 0, 25...0, 40.

* * *

Если, в дополнение к рассмотренным, учесть затраты работы на механическое трение (в подшипниках) и на привод вспомогательных механизмов двигателя - вентилятора охлаждения, масляного насоса, электрогенератора и тому подобное - то получим конечные (и минимальные) эффективные показатели, характеризующие работу двигателя в целом: эффективную мощность, среднее эффективное давление, эффективный КПД и эффективный удельный расход топлива. Для их определения необходимо измерить полезную мощность на коленчатом валу двигателя.

12 3 Следующая ⇒