Лабораторная работа Эффективные показатели дизеля
.pdf
Эффективные показатели дизеля
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА ЭФФЕКТИВНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ ДИЗЕЛЯ
Цель работы - экспериментально определить основные эффективные показатели дизеля на различных нагрузочных режимах его работы.
Необходимые теоретические сведения
Различают эффективные и индикаторные показатели работы двигателей внутреннего сгорания. Само название – «эффективные» подчёркивает, что эти показатели характеризуют те качества двигателя, которые достаются потребителю, т.е. создают тот полезный эффект, ради которого создавался двигатель. Индикаторные показатели характеризуют процесс, протекающий в цилиндрах двигателя. Так, например, индикаторная работа – это работа, которая совершается газами в цилиндрах, а эффективная – та, которая снимается с коленчатого вала двигателя для нужд потребителя. Из-за наличия механических сопротивлений в самом двигателе, эффективная работа (мощность, среднее давление, к.п.д.) будет меньше индикаторной работы (мощности, среднего давления, к.п.д.). По этой же причине удельный эффективный расход топлива будет больше индикаторного.
Рассмотрим перечисленные выше показатели подробнее. Эффективная мощность – это полезная мощность двигателя,
передаваемая с коленчатого вала двигателя потребителю.
При испытаниях двигателя применяются разные способы создания нагрузки, поэтому расчет мощности может выполняться по разным формулам. При использовании гидравлических и электромагнитных нагрузочных устройств непосредственно измеряется тормозной момент, равный на установившемся режиме двигателя его крутящему моменту (эффективному крутящему моменту) Мкр. Связь между эффективным крутящим моментом Мкр, Н.м и эффективной мощностью Ne, кВт устанавливается уравнением
Ne = M крω = |
M крπn |
= |
M кр n |
, |
(1) |
|
30 ×103 |
9550 |
|||||
|
|
|
|
где ω – угловая скорость, с-1; n – частота вращения вала, мин-1.
При использовании электрических тормозов (дизель приводит во вращение генератор), эффективная мощность двигателя Ne, кВт определяется по параметрам активной электрической нагрузки генератора, т.е.
Коньков А.Ю. Лабораторный практикум по ЛЭУ
|
Ne = |
IгUг |
, |
(2) |
|
ηг ×103 |
|||
где Iг – ток |
|
Uг |
|
|
в цепи генератора, А; |
- напряжение на выводах |
|||
генератора, В. |
|
|
|
|
Эффективная мощность зависит от размерности двигателя, числа оборотов коленчатого вала и уровня форсирования двигателя. Уровень форсирования двигателя удобно оценивать удельной величиной силы, действующей на поршень – средним эффективным давлением pme.
Средним эффективным давлением называют такое условно постоянное давление в цилиндрах, которое бы воздействуя на поршни в течение одного их полного хода (такта) выполнило бы работу, равную работе, снимаемой с вала за один цикл. Если обозначить эффективную работу в каждом цилиндре за цикл как Le, кДж, то среднее эффективное
давление pme, МПа можно рассчитать как |
|
|||
pme = |
Le |
, |
(3) |
|
Vh |
||||
|
|
|
||
где Vh – рабочий объём цилиндра (объём, описываемый поршнем за один его полный ход), л:
Vh = |
πD2 |
S , |
(4) |
|
4 |
||||
|
|
|
где D – диаметр цилиндра, дм; S – ход поршня, дм;
С другой стороны, работа за цикл может быть найдена на основании секундной работы (мощности), если известно как часто повторяются циклы
во времени: |
30τ Ne |
|
|
|
Le = |
, |
(5) |
||
|
||||
|
n z |
|
||
где τ – тактность двигателя (2 или 4); z – число цилиндров, 30=60/2 – переводной коэффициент, учитывающий число секунд в минуте (60) и число ходов поршня за один полный оборот вала (2).
Подставляя (5) в (3) получим
pme = |
30Ne τ |
. |
(6) |
|
|||
|
n z Vh |
|
|
Среднее эффективное давление характеризует уровень форсирования двигателя, его тепловую и механическую напряженность. На номинальном режиме работы среднее эффективное давление у современных дизелей, выпускаемых серийно, достигает 0,7 – 3,0 МПа. Меньшее значение соответствует безнаддувным двигателям. Значение 3,0 МПа достигнуто на высокооборотном судовом дизеле V595TE фирмы MTU (Германия). На отечественных тепловозных дизелях достигнуто значение 1,81 МПа (Коломенский дизель 12ЧН26/26 заводское обозначение 21-26ДГ-01
Эффективные показатели дизеля
мощностью 2500 кВт при 1000 мин-1). Главный судовой двигатель, выпускаемый ОАО «Коломенский завод» 16ЧН26/26 (заводское обозначение 16Д49) имеет среднее эффективное давление 2,17 МПа. На сегодняшний день для нашей страны это рекордное достижение. По прогнозу авторов книги [3] среднее эффективное давление в высокофорсированных двигателях производимых лидерами мирового дизелестроения уже к 2015 году достигнет 4,0 – 4,5 МПа.
Следует учитывать, что высокий уровень форсирования по среднему эффективному давлению влечёт повышенные требования к конструкционным материалам по критериям механической и термической прочности и, поэтому, может быть причиной снижения надёжности двигателя и его ресурса.
Анализ уравнения (6) показывает, что среднее эффективное давление для данного двигателя будет зависеть от режима: нагрузочного (Ne) и скоростного (n). А при постоянной частоте вращения только от Ne. Поэтому при построении нагрузочных характеристик в качестве показателя нагрузки часто принимают среднее эффективное давление.
Эффективный к.п.д. – доля теплоты, подведенной с топливом, преобразованная в эффективную работу.
ηe = |
Ne 3600 |
, |
(7) |
|
|||
|
Hu Bч |
|
|
где Hu – теплотворная способность топлива, кДж/кг; Bч - часовой расход топлива дизелем, кг/ч.
|
Эффективный к.п.д. характеризует, |
ηe |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
пожалуй, главную |
для |
потребителя, |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
0,4 |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
сторону |
двигателя |
– |
его |
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
экономическую |
эффективность, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
совершенство двигателя в целом. 0,3 |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
Следует понимать, что к.п.д. двигателя |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
не |
является |
величиной |
постоянной |
0 |
1000 |
2000 Ne, кВт |
||||||||
для |
всех режимов |
величиной. Так, |
Рис.1. Изменение эффективного к.п.д. |
|||||||||||
анализ уравнения (7) показывает, что |
||||||||||||||
|
тепловозного дизеля типа Д49 по |
|||||||||||||
на |
режиме |
холостого |
хода, |
когда |
|
|||||||||
|
|
нагрузочной характеристике |
||||||||||||
дизель потребляет топливо (Bч > 0), но
не совершает полезной работы (Ne = 0), эффективный к.п.д. будет равен нулю. По мере роста нагрузки, вплоть до номинальной мощности, будет, как правило, наблюдаться и рост к.п.д. Примерный вид кривой изменения эффективного к.п.д. по нагрузочной характеристике показан на рис.1.
Удельный эффективный расход топлива – это количество (кг или г)
топлива, необходимое |
для получения механической работы, равной |
1 кВт.ч. При опытном |
определении величины удельного эффективного |
Коньков А.Ю. Лабораторный практикум по ЛЭУ
расхода be, кг/(кВт.ч), нужно часовой расход топлива двигателем (кг/ч) поделить на эффективную мощность (кВт):
be = |
Bч |
. |
|
(8) |
|
|
|||||
|
|
Ne |
|
||
Удельный эффективный расход топлива обратно пропорционален |
|||||
эффективному к.п.д. Если из уравнения (7) выразить Bч и подставить |
|||||
результат в (8), то получим выражение |
|
||||
be = |
3600 |
. |
(9) |
||
|
|||||
|
Huηe |
|
|||
Среди двигателей, выпускаемых лидерами мирового дизелестроения, |
|||||
рекорд экономичности по данным [3] принадлежит фирме MAN B&W |
|||||
(Германия – Дания). Их малооборотные судовые дизели типоразмерного ряда 90MC (с диаметром цилиндра 900 мм) на номинальном режиме имеют удельный расход 0,155 кг/( кВт.ч) , что соответствует эффективному к.п.д. 54%.
Среднеооборотные дизели имеют более скромные показатели. Среди тепловозных дизелей отечественного производства наиболее экономичными являются дизели ОАО «Пензадизельмаш» 1-ПДГ4В(Д) (6ЧН31,8/33) с удельным расходом 0,197 кг/( кВт.ч) и ОАО «Коломенский завод» 1А-9ДГ исп. 3 с удельным расходом 0,180 кг/(кВт.ч). Этим удельным расходам соответствуют эффективные к.п.д. 43,0% и 46,8%.
Необходимо отметить, что экспериментальное определение показателей эффективности на заводах-изготовителях не всегда корректно, т.к. привод насосов водяной, масляной системы обычно выполняют автономно, независимо от двигателя. Стандарты разных государств в этом плане тоже отличаются. Поэтому при организации конкурсов с целью заключения контрактов двигатели испытывают в идентичных условиях в ходе межведомственных или межгосударственных испытаний. Так сравнительные испытания тепловозных дизелей 1А-9ДГ исп.3 (12ЧН26/26) с дизелем 7FDL (12ЧН22,9/26,8) фирмы «General Electric» (США), которые проводились на испытательном полигоне ВНИИЖТ, показали, что отечественный дизель имеет удельный расход топлива на номинальном режиме на 4,5 г/(кВт.ч) меньше, чем его американский конкурент [4].
Объект исследования и оборудование
Объектом лабораторного исследования является дизель 3Ч6,7/6,8. При выполнении лабораторной работы используется следующее
оборудование:
- дизель-генератор «YAMAHA EDL13000TE»;
Эффективные показатели дизеля
-весы электронные, секундомер;
-нагрузочный реостат;
-амперметры и вольтметры для измерения нагрузки генератора.
Дизель-генератор доукомплектованный нагрузочным и измерительными устройствам установлен в лаборатории «Тепловые двигатели» кафедры «ТТД» ДВГУПС (рис.2).
3 |
|
4 |
|
5 |
6 |
7
2
1
Рис.2. Внешний вид лабораторной установки: 1 – весы; 2 – бак с водой и ТЭНами; 3 – щит с электроприборами и выключателями нагрузки; 4 – расходный бачок с топливом; 5 – дизель-генератор; 6 – указатель температуры;
7 – измеритель расхода охлаждающей жидкости
Ниже приводятся основные характеристики дизеля:
-обозначение по ГОСТ - 3Ч6,7/6,8;
-номинальная мощность – 15,9 кВт;
-номинальная частота вращения коленчатого вала – 3000 мин-1;
-охлаждение – жидкостное.
Для создания нагрузки дизелю используется штатный 3-фазный асинхронный генератор Г установки (рис.3). Ток каждой фазы протекает через свою нагрузку Ra, Rb, Rc, создаваемую нагревателями воды (ТЭНами). Изменяя число одновременно подключенных к генератору ТЭНов, можно ступенчато регулировать нагрузку.
Т.к. ТЭНы создают чистую активную нагрузку генератору (без реактивной составляющей), эффективную мощность дизеля Nе, кВт можно определить аналогично (2) по уравнению
Ne = |
Ua Ia +Ub Ib +Uc Ic |
, |
(10) |
|
|||
|
103ηг |
|
|
Коньков А.Ю. Лабораторный практикум по ЛЭУ
где Ua, Ub, Uc – напряжения в фазах A, B, и C соответственно, В; Ia, Ib, Ic – токи в этих же фазах, А; ηг – к.п.д. генератора.
Bоп , г |
|
|
Ia ,А |
|
Ra |
τоп, с |
|
|
А |
Rb |
|
|
|
Ib ,А А |
|||
|
|
|
|||
В |
|
Iс ,А А |
|
|
Rc |
|
|
|
|
|
|
Д |
Г |
V |
V |
V |
|
3Ч6,7/6,8 |
Uc,В Ub,ВUa,В |
|
|||
|
|
||||
Рис.3. Схема установки: В – весы электронные; Д – дизель; Г – генератор; Ra , Rb, Rc – нагрузочные сопротивления (ТЭНы)
Для генератора установки «YAMAHA EDL15000TE» ηг =0,8. Значение напряжения установки меняется в зависимости от нагрузки от 240В (на холостом ходу) до 215В на режиме полной мощности. При несимметричной нагрузке фаз значения напряжения в фазах могут незначительно отличаться друг от друга.
Сила тока и напряжение определяются по стрелочным приборам, внешний вид которых показан на рис.4.
Рис.4. Приборы для измерения нагрузки в цепи генератора: показания вольтметра U = 205В, амперметра I = 18,5А
Эффективные показатели дизеля
Для измерения часового расхода топлива используется расходомер массового типа. На время лабораторной работы, потребление топлива переключается с основного бака на расходный бачок, меньшего объёма. В этот же бачок направляется отобранное из бака подкачивающим насосом, но неизрасходованное для нужд двигателя топливо, так называемая «обратка». При работающем двигателе показания на индикаторе весов будут уменьшаться. Разрешающая способность весов составляет 1 г. Например, изображенным на рис. 5 показаниям соответствует масса бачка с топливом 4,208 кг или 4208 г.
Рис.5. Шкала электронных весов
При проведении опыта рекомендуется измерить массу израсходованного топлива за время, не менее чем две минуты (время опыта τоп ≥ 120 с). Часовой расход топлива Bч, кг/ч рассчитывается по уравнению
Bч = 3,6 |
Bоп |
, |
(11) |
|
|||
|
τоп |
|
|
где Bоп =M1-M2 – масса топлива, израсходованная за время опыта, г; M1 - показания весов в начале опыта, г; M2 – показания весов в конце опыта, г; 3,6 – переводной коэффициент, равный (3600 с/час) / (103 г/кг).
Все измерения выполняются на установившемся режиме. Для построения графиков изменения эффективных показателей необходимо выполнить измерения минимум на 4-х различных нагрузочных режимах. Нагрузка изменяется сотрудником лаборатории выбором комбинации включенных ТЭНов.
Содержание отчета и порядок выполнения работы
Отчет должен содержать: цель работы; схему установки; результаты измерений; результаты расчета эффективных показателей; графики изменения удельного эффективного расхода топлива и эффективного
Коньков А.Ю. Лабораторный практикум по ЛЭУ
к.п.д. в зависимости от нагрузки (эффективной мощности или среднего эффективного давления); заключение.
Опыт выполняется под руководством персонала лаборатории на предварительно прогретом двигателе. Во время опыта каждый студент должен разобраться с тем, как и с помощью каких приборов, выполняются измерения, где размещаются эти приборы и т.п. Следует быть готовым повторить эти действия при защите лабораторной работы. Группа разбивается на подгруппы (не менее четырёх), каждая записывает результаты собственных измерений в сводную таблицу (табл. 1).
Табл. 1. Данные опыта
|
Расход |
|
|
Нагрузка |
|
|
||
Режим |
топлива |
Фаза А |
Фаза В |
Фаза С |
||||
|
Bоп, г |
τоп, с |
Ua, В |
Ia, А |
Ub, В |
Ib, А |
Uc, В |
Ic, А |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Для каждого опыта (нагрузочного режима) рассчитываются следующие показатели:
-эффективная мощность по формуле Nе, кВт (10);
-среднее эффективное давление pme, МПа (6);
-часовой расход топлива Bч, кг/ч (11);
-удельный эффективный расход топлива be, кг/(кВт.ч) (8);
-эффективный к.п.д. ηe – формула (7);
При расчете среднего эффективного давления число оборотов коленчатого вала принять равным номинальному. Теплоту сгорания дизельного топлива при расчёте по (7) принять равной 42700 кДж/кг.
Результаты расчета представляются в табличной форме (табл.2) и графически – зависимостями эффективных показателей вида ηe (pme) и
be (pme).
Табл. 2. Результаты расчета
Режим |
Nе, кВт |
pme, МПа |
Bч, кг/ч |
be, |
ηe, % |
кг/(кВт.ч) |
|||||
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4 |
|
|
|
|
|
В заключении студент подводит краткий итог выполненной работы.
Эффективные показатели дизеля
Дополнительная литература
По общим вопросам теории тепловозного дизеля (индикаторные и эффективные показатели):
1.Володин, А.И. Локомотивные энергетические установки [Текст]: учеб. для вузов ж.-д. транспорта / А.И. Володин, В.З. Зюбанов, В.Д. Кузьмич
идр.; под ред. А.И. Володина. – М.: ИПК «Желдориздат», 2002. – 718 с.
2.Симсон, А.Э. Двигатели внутреннего сгорания (тепловозные дизели и газотурбинные установки) [Текст]: учеб. для вузов / А.Э. Симсон, А.З. Хомич, А.А. Куриц и др. – М.: Транспорт, 1987. – 536 с.
Для сравнения эффективных показателей современных дизелей различного типа и назначения
3.Конкс, Г.А. Современные подходы к конструированию поршневых двигателей: Учеб. пособие [Текст]/ Г.А. Конкс, В.А. Лашко.- М.: «Моркнига», 2009. – 388 с.
4.Рыжов, В.А. Новое поколение типоразмерного ряда Д49 [Текст]/ В.А. Рыжов // Двигателестроение. – 2006. – №6.– С. 3-5.
5.ОАО «Коломенский завод» - Продукция [Электронный ресурс]/ ОАО «Коломенский завод», 2010. – Режим доступа: http://www.kolomnadiesel.com/productions/