Индицирование двигателей

Мощность энергетической установки является главным показателем, определяющим правильность технической эксплуатации судового двигателя.

Первичные мощностные характеристики двигателя устанавливают на заводских стендах, а также в процессе ходовых испытаний. Во время эксплуатации судна производят периодическое измерение мощности с помощью специального переносного прибора, называемого индикатором. Индикаторы имеют пишущее устройство, с помощью которого вычерчивается графическое изображение рабочего цикла, т. е. замкнутая кривая, отражающая изменение давления газов в цилиндре двигателя взависимости от изменения объема, описываемого поршнем.

Рис. 1. Индикаторная диаграмма.

На рис. 1 представлена индикаторная диаграмма, снятая с рабочего цилиндра двигателя внутреннего сгорания. По оси ординат диаграммы откладывают давления, а по оси абсцисс — объем цилиндра в различные моменты цикла. В зависимости от частоты вращения двигателя используют индикаторы с цилиндрическими или стержневыми пружинами.

Рис. 2. Кинематическая схема индикаторного привода и индикатора с цилиндрической пружиной.

На рис. 2 представлена кинематическая схема привода к индикатору и индикатора с цилиндрической пружиной, который рассчитан на индицирование малооборотных двигателей с частотой вращения до 500 об/мин. Этот прибор состоит из корпуса, пишущего устройства 4 и барабана 3 с бумажным бланком. Газы из цилиндра 10 двигателя поступают в цилиндр 9 индикатора и воздействуют на поршень 8. Под действием давления газов поршенек 8 перемещается вверх и через шток 6 растягивает циллиндрическую пружину 5 до момента достижения равновесного состояния. Через систему шарнирных рычагов 7 пишущего устройства 4 движение поршенька передается на рычаг-карандаш, свободный конец которого перемещается строго по вертикали. На барабан 3 надевается бумажный бланк, на котором карандашом вычерчивается индикаторная диаграмма цикла. Барабан совершает возвратно-вращательное движение вокруг своей оси. В одну сторону вращение осуществляется посредством шнура 2, соединенного с индикаторным приводом 1 двигателя, а в другую — спиральной пружиной, находящейся внутри барабана. Соответственно в первом случае поршень рабочего цилиндра двигателя будет перемещаться вверх, а во втором случае — вниз.

Рис. 3. Индикатор с цилиндрической пружиной.

Конструкция индикатора с цилиндрической пружиной показана на рис. 3. Корпус 2 индикатора представляет собой массивную отливку, которая служит площадкой для крепления всех частей прибора. Правая нижняя часть корпуса оканчивается свободно сидящей накидной гайкой 19, при помощи которой индикатор плотно соединяется с индикаторным краном цилиндра двигателя. В этой же точке основания сделана сквозная расточка, в которую установлена бронзовая втулка 17 и стальной поршенек 18, насаженный на шток 15. Шток верхним концом соединяется с последним витком цилиндрической пружины 13 при помощи гайки 12. В основании цилиндрической пружины имеется стальная обечайка с внутренней резьбой, которой она наворачивается на верхнюю часть крышки 11 индикатора. Крышка 11 крепится гайкой 16. Отверстие в крышке служит направляющей для штока. На верхней части крышки укреплена система шарнирных рычагов 14, при помощи которых шток соединен с пишущим устройством 21.

С левой стороны площадки на вертикальной оси 6 установлен барабан 9. Пружина 7 одним концом закреплена на оси, а другим — на основании барабана. Основание барабана с наружной стороны имеет желобок, на который наматывают в виде спирали два витка шнура 5. Шнур пропускают через ролик 4, поворотную обойму 22 которого крепят к корпусу индикатора гайкой 3. Конструкция обоймы и способ ее крепления к корпусу позволяют ролику занимать любое положение относительно корпуса прибора.

Бумажный индикаторный бланк из специальной мелованной бумаги закрепляют на барабане 9 с помощью двух пластинчатых пружин 8. Для смазки втулки и оси барабана предусмотрена тавотница 1. Пишущее устройство вместе с системой шарнирных рычагов может поворачиваться на некоторый угол при помощи установочной винтовой рукоятки 20, опирающейся на стойку 10. Этой рукояткой регулируется степень нажатия карандаша на индикаторный бланк. В процессе индицирования двигателя давление газов в рабочем цилиндре передается на поршенек 18 индикатора, который совершает восходящее движение, растягивая пружину 13 и перемещая пишущее устройство.

Рис. 4. Индикаторная цилиндрическая пружина.

Выбор цилиндрической пружины производят из условий наибольшего давления в цилиндре двигателя, при котором предполагается снятие индикаторной диаграммы (рис. 4).

Для индицирования двигателей с частотой вращения более 500 об/мин применяют индикаторы со стержневыми пружинами. Кинематическая схема такого индикатора приведена на рис. 5, а конструкция индикатора — на рис. 6. Основные узлы индикатора — корпус 2, поршень 5, пишущее устройство 4, барабан 3, стержневая пружина 1 и запорный кран 6. Принципиальное отличие рассматриваемого индикатора от индикатора с цилиндрической пружиной заключается главным образом в конструкции пружины. Цилиндрическая пружина работает на растяжение, а стержневая пружина — на изгиб как консольная балка.

Рис. 5. Кинематическая схема индикатора со стержневой пружиной.

Из рисунка видно, что на конце пружины имеется шарик, который входит в выточку штока поршенька. При вертикальном перемещении поршенька под действием давления газов свободный конец пружины 1 также перемещается на некоторую величину в зависимости от жесткости пружины. Пишущее устройство работает так же, как и в индикаторе с цилиндрической пружиной. Запорный кран 6 служит для сообщения полости индикатора с рабочим цилиндром двигателя. К индикатору прилагается комплект стержневых пружин различной жесткости.

Рис. 6. Индикатор со стержневой пружиной.

Кроме нормальных индикаторных диаграмм с помощью индикаторов можно получить диаграммы развернутые, смещенные, снятые слабыми пружинами и так называемые «гребенки давления».

Развернутые индикаторные диаграммы снимают с двигателей, не имеющих ходоуменьшителей. Для снятия таких диаграмм применяют механические индикаторы пружинного типа, в которых барабан с бумагой получает непрерывное вращение от привода, независимо от вала двигателя, например, от часового механизма. Такой индикатор устанавливают, как и обычный, на индикаторный кран. На развернутой индикаторной диаграмме зафиксированы мертвые точки, атмосферная линия и масштаб давления. Для определения среднего индикаторного давления нужно развернутую диаграмму соответствующим графическим способом перестроить в координаты pV (рис. 7).

Рис. 7. Развернутая индикаторная диаграмма: 1 - сжатие; 2 - горение и расширение.

Смещенные индикаторные диаграммы получают сцеплением шнура индикатора с ходоуменьшителем соседнего цилиндра (при условии заклинки кривошипов коленчатого вала под углами 120 и 90°). В данном случае одно из крайних положений поршня будет соответствовать примерно середине смешанной диаграммы. В этот момент барабан индикатора вращается с наибольшей угловой скоростью.

В результате участок диаграммы рφ, соответствующий процессу сгорания, получается искусственно растянутым, что позволяет проанализировать изменение давления во время горения и выявить недостатки в работе топливной аппаратуры. Кроме того, по смещенной диаграмме можно определить р_c, p_z, а также сделать вывод об относительной величине угла опережения подачи топлива в цилиндре двигателя (рис. 8).

Рис. 8. Смешанная индикаторная диаграмма: 1 - сжатие; 2 - горение; 3 - расширение; 4 - расширение без горения.

На диаграмме точка С соответствует началу процесса горения топлива. Чтобы положение этой точки было более отчетливым, на диаграмме вычерчивают линию расширения без горения (показана штриховой линией), т. е. при выключенном топливном насосе. Если на смещенную диаграмму нанести две вспомогательные линии (показаны штрихпунктиром) и таким образом зафиксировать положение точки С, а также величины давления р_c и p_z, то очевидно, что любое отклонение от такой эталонной диаграммы станет сразу же заметным. Подобная диаграмма должна быть снята с цилиндра, на котором точно отрегулированы фазы газообмена и подачи топлива в соответствии с инструкциями завода-изготовителя.

Индикаторные диаграммы, снятые индикатором со слабыми пружинами, применяют для анализа процессов наполнения и выпуска четырехтактных двигателей, а также продувки двухтактных двигателей. На рис. 9 показана нижняя часть индикаторной диаграммы четырехтактного двигателя, снятая слабой пружиной.

Рис. 9. Нижняя часть индикаторной диаграммы четырехтактного двигателя: 1 - всасывание; 2 - выпуск.

Гребенки давлений снимаются в тех случаях, когда на двигателе нет индикаторного привода или когда отсутствует необходимость в определении индикаторной мощности, а требуется определить степень загрузки отдельных цилиндров. На рис. 10 показан индикаторный бланк, на котором вычерчены гребенки давлений сжатия р_c и давлений сгорания р_z шестицилиндрового двигателя. Для этого барабан индикатора поворачивают вручную за шнур, прижимая пишущее устройство к бланку. Очевидно, что ординаты «пик» при выключенной и включенной подаче топлива будут соответственно в масштабе пружины указывать величины давлений газа р_c и р_z различных цилиндров.

Рис. 10. Гребенки давлений.

Номера цилиндров указаны внизу цифрами 1 — 6. От атмосферной линии р₀ в масштабе пружины индикатора откладывают наименьшее и наибольшее давления конца сжатия (р_{c minи} p_{c max}) и давления сгорания (p_{z min} и p_{z max}), указанные в паспорте двигателя. Если в паспорте указаны только средние значения р_c и р_z, то отклонения от них допускаются в пределах ±2,5 %; если даны нижние значения тех же давлений, то отклонения допустимы не более ±5 %.