Назначение диаграммы двс. Построение индикаторной диаграммы

По результатам исследований строят графики зависимости дебита скважины от забойного давления Р заб или от депрессии (Р пл -Р заб), называемые индикаторными диаграммами (ИД).

Индикаторные диаграммы (ИД) добывающих скважин располагаются ниже оси абсцисс, а водонагнетательных - выше этой оси.

Обе индикаторные диаграммы (Q = f(Р заб) и Q = f()) строят в тех случаях, когда скважины эксплуатируются при сравнительно больших депрессиях (более 0,5…1,0 МПа). Ошибки измерений при этом обычно не приводят к большому разбросу точек при построении ИД в координатах Q = f(Р заб) (тем более для Q = f()).

При малых депрессиях (порядка 0,2…0,3 МПа) разброс точек может быть настолько большим, что индикаторную диаграмму в координатах Q = f(Р заб) построить не удается. В этих случаях на каждом режиме следует измерять и Р заб, и Р пл, а индикаторную диаграмму строить в координатах Q = f(). Депрессия, определяемая на каждом режиме, имеет меньшую относительную ошибку, чем Р заб, т.к. при измерениях за один спуск прибора абсолютные ошибки Р пл и Р заб примерно одинаковы и поэтому на разность =Р пл -Р заб почти не влияют. Либо используют не глубинные манометры, а глубинные дифференциальные манометры.

Если процесс фильтрации жидкости в пласте подчиняется линейному закону, т. е. индикаторная линия имеет вид прямой, зависимость дебита гидродинамически совершенной скважины от депрессии на забое описывается формулой Дюпюи

где Q -- объемный дебит скважины в пластовых условиях; Р пл -- среднее давление на круговом контуре радиуса R к.

Рис. 5.2. Индикаторная диаграмма Q=f(Р заб)

Считается, что давление на забое через некоторое время после остановки скважины становится примерно равным среднему пластовому давлению, установившемуся на круговом контуре с радиусом, равным половине среднего расстояния между исследуемой скважиной и соседними, ее окружающими.

Q=f(Р заб ) предназначена для оценки величины пластового давления, которое можно определить путем продолжения индикаторной линии до пересечения с осью ординат (Рис. 5.2). Это соответствует нулевому дебиту, т. е. скважина не работает и Р заб Р пл =Р к.

Индикаторная диаграмма Q=f() строит-ся для определения коэффициента продуктивности скважин К.

В пределах справедливости линейного зако-на фильтрации жидкости, т. е. при линейной зависимости Q=f(),коэффициент продуктивности является величиной постоянной иРис. 5.3 Индикаторная диаграмма Q = f()

численно равен тангенсу угла наклона индикаторной линии к оси дебитов (оси абсцисс). По коэффициенту продуктивности скважин, определенному методом установившихся отборов, можно вычислить также другие параметры пласта.

Откуда коэффициент гидропроводности

И проницаемость пласта в призабойной зоне

Приведенные выше формулы справедливы для случая исследования гидродинамически совершенной скважины (вскрывшей пласт на всю его толщину и имеющей открыты забой) и измеряемые величны (дебит, динамическая вязкость и др.) приведены к пластовым условиям.

Реальные индикаторные диаграммы не всегда получаются прямолинейными (Рис 5.4). Искривление индикаторной диаграммы характеризует характер фильтрации жидкости в призабойной зоне пласта.

Рис. 5.4. Индикаторные кривые при фильтрации по пласту однофазной жидкости: 1 - установившаяся фильтрация по линейному закону Дарси; 2- неустановившаяся фильтрация или фильтрация с нарушением линейного закона Дарси при больших Q ; 3 - нелинейный закон фильтрации.

Искривление индикаторной линии в сторону оси P (рис. 5.4, кривая 2) означает увеличение фильтрационных сопротивлений по сравнению со случаем фильтрации по закону Дарси. Это объясняется тремя причинами:

1. Превышение скорости фильтрации в ПЗП критических скоростей при котрых линейный закон Дарси нарушается (V>V кр)

2. Образованием вокруг скважины области двухфазной (нефть+газ) фильтрации при Р заб <Р нас. Чем меньше Р заб, тем больше радиус этой области.

3. Изменения проницаемости и раскрытости микротрещин в породе при изменении внутрипластового давления вследствие изменения Рзаб.

Искривление ИД в сторону оси Q (рис. 5.4, кривая 3) объясняется двумя причинами:

1) некачественные измерения при проведении исследований;

2)неодновременным вступлением в работу отдельных прослоев или пропластков.

Продуктивные пласты, как правило, неоднородны. Глубинные дебитограммы для них:

Площадь заштрихованного прямоугольника прямо пропорциональна дебиту каждого пропластка. С уменьшением Р заб (т.е. с ростом P=Р пл -Р заб) растет работающая толщина пласта (h эф.), откуда по формуле Дюпюи растет Q (рис 5.4, кривая 3). Ошибка в определении пластового давления может привести к искривлению начального участка индикаторной диаграммы, построенной в координатах Q=f().

Рис. 5.5. Индикаторная диаграмма: 2 - замеренное пластовое давление соответствует фактическому; 1, 3 - замеренное пластовое давление соответственно завышено и занижено против фактического.

Очевидно, если замеренное пластовое давление окажется выше фактического, то построенная индикаторная диаграмма (рис. 5.5, кривая 1) будет располагаться ниже фактической. При этом фактические точки будут располагаться параллельно, но выше построенных по замеренным значениям. Экстраполяция в начало координат создает видимость искривления индикаторной кривой к оси депрессии.

Если замеренное пластовое давление окажется ниже фактического, то индикаторная диаграмма в своем начальном участке при экстраполяции его в начало координат может стать выпуклой к оси дебитов (рис. 5.5, кривая 3 ). Это может привести исследователя к выводу, что вся кривая имеет выпуклый к оси дебитов вид. Для случая искривления индикаторной линии в сторону оси депрессий (Рис. 5.6, а) при нарушении линейного закона фильтрации скорость фильтрации вблизи перфорационных отверстий становится настолько большой, что числа Рейнольдса превышают критические. Уравнение индикаторной линии записывают в виде:

а саму индикаторную диаграмму индикаторную линию для ее спрямления изображают в координатах

где а и b - постоянные численные коэффициенты.

Получим индикаторную прямую в координатах Др/Q=f(Q) отсекающую на оси ординат отрезок, равный а , с тангенсом угла наклона к оси Q , равным b (рис. 5.6, б). В этом случае коэффициент продуктивности К является величиной переменной, зависящей от дебита скважины.

Рис. 5.6 Индикаторная диаграмма при нелинейном законе фильтрации: а - ИД в координатах Др - Q; б - ИД в координатах Др /Q - Q.

Отрезок а , отсекаемый на оси ординат может быть выражен как

где, (с 1 и с 2 - фильтрационные сопротивления, обусловленные несовершенст-вом скважины по степени и характеру вскрытия).

По отрезку а , отсекаемому на оси Др/Q , находятся гидропроводность и проницаемость пласта

Коэффициент b зависит от конструкции забоя скважины.

СХЕМА РАБОТЫ 4-Х ТАКТНОГО ДИЗЕЛЯ.

МАРКИРОВКА ДВС.

Маркировка отечественных дизелей производится по ГОСТу 4393-74. Каждый тип двигателя имеет условное буквенное и цифровое обозначение:

Ч - четырёхтактный

Д - двухтактный

ДД - двухтактный двойного действия

Р - реверсивный

С - с реверсивной муфтой

П - с редукторной передачей

К - крейцкопфный

Н - с наддувом

Г - для работы на газовом топливе

ГЖ - для работы на газожидкостном топливе

Цифры впереди букв обозначают число цилиндров; цифры после букв - диаметр цилиндра / ход поршня в сантиметрах. Например: 8ДКРН 74/160, 6ЧСП 18/22, 6Ч 12/14

Маркировка иностранных дизелестроительных фирм:

Двигатели завода SKL германии (бывшего ГДР)

Четырёхтактными ДВС называются двигатели, у которых один рабочий ход (такт) осуществляется за четыре хода поршня, или два оборота коленчатого вала. Тактами являются: впуск (наполнение), сжатие, рабочий ход (расширение), выпуск (выхлоп).

I такт - НАПОЛНЕНИЕ . Поршень движется от ВМТ к НМТ, вследствие чего в надпоршневой полости цилиндра создаётся разряжение, и через открытый впускной (всасывающий) клапан воздух из атмосферы поступает в цилиндр. Объем в цилиндре все время увеличивается. За НМТ клапан закрывается. В конце процесса наполнения воздух в цилиндре имеет следующие параметры: давление Pa=0,85-0,95 кг/см 2 , (86-96 кПа); температура Ta=37-57°C (310-330 K).

II такт - СЖАТИЕ . Поршень движется в обратном направлении и сжимает свежий заряд воздуха. Объем в цилиндре уменьшается. Давление и температура повышаются до значений: Pc=30-45кг/см 2 , (3-4 МПа); Tc = 600-700°C (800-900 K). Эти параметры должны быть такими, чтобы произошло самовоспламенение топлива.

В конце процесса сжатия в цилиндр двигателя из форсунки под большим давлением 20-150 МПа (200-1200 кг/см 2) впрыскивается мелкораспыленное топливо, которое самовоспламеняется под действием высокой температуры и быстро сгорает. Таким образом в течение второго такта происходит сжатие воздуха, подготовка топлива к сгоранию, образование рабочей смеси и начало её горения. В результате процесса горения параметры газа возрастают до значений: Pz=55-80кг/см 2 , (6-8,1 МПа); Tz=1500-2000°C (1700-2200 K).

III такт - РАСШИРЕНИЕ . Под действием усилий, возникающих от давления продуктов сгорания топлива, поршень движется к НМТ. Тепловая энергия газов преобразуется в механическую работу перемещения поршня. В конце такта расширения параметры газа снижаются до значений: Pb=3,0-5,0кг/см 2 , (0,35-0,5 МПа); Tb=750-900°C (850-1100 K).

IV такт - ВЫПУСК . В конце такта расширения (до НМТ) открывается выпускной клапан и газы, имеющие энергию и давление больше атмосферного, устремляются в выпускной коллектор, причём, при движении поршня к ВМТ происходит принудительное удаление выхлопных газов поршнем. В конце такта выпуска параметры в цилиндре будут следующие: давление P 1 =1,1-1,2кг/см 2 , (110-120кПа); температура T 1 =700-800°C (800-1000 K). За ВМТ выпускной клапан закрывается. Рабочий цикл закончен.

В зависимости от положения поршня изменение давления в цилиндре двигателя можно изобразить графически в координатных осях PV (давление - объём) замкнутой кривой, которая называется индикаторной диаграммой. На диаграмме каждая линия соответствует определённому процессу (такту):

1-a - процесс наполнения;

a-c - процесс сжатия;

c-z" - процесс горения при постоянном объёме (V=const);

z"-z - процесс горения при постоянном давлении (P=const);

z-b - процесс расширения (рабочий ход);

b-1 - процесс выпуска;

Po - линия атмосферного давления.

Примечание: если диаграмма расположена выше линии Po, то двигатель оборудован системой наддува и имеет большую мощность.

Крайние положения поршня (ВМТ и НМТ) изображены пунктирными линиями.

Объемы, занятые рабочим телом, в любом положении поршня и заключенные между его донышком и цилиндровой крышкой, откладываются на оси абцисс диаграммы, которые имеют следующие обозначения:

Vc – объем камеры сжатия; Vs – рабочий объем цилиндра;

Va. – полный объем цилиндра; Vx – объем над поршнем в любой момент его движения. Зная положение поршня всегда можно определить над ним объем цилиндра.

На оси ординат (в выбранном масштабе) откладывают давления в цилиндре.

Рассматриваемая индикаторная диаграмма показывает теоретический (расчетный) цикл, где приняты допущения, т.е. такты начинаются и заканчиваются в мертвых точках, поршень находится в ВМТ, камера сгорания заполнена остатками отработавших газов.

В реальных двигателях моменты открытия и закрытия клапанов начинаются и заканчиваются не в мёртвых точках положения поршня, а с определённым смещением, что наглядно видно на круговой диаграмме газораспределения. Моменты открытия и закрытия клапанов, выраженные в градусах поворота коленчатого вала (п.к.в.) называют фазами газораспределения. Оптимальные углы открытия и закрытия клапанов, а также начала подачи топлива определяются экспериментальным путём при испытании опытного образца на стенде завода-изготовителя. Все углы (фазы) указываются в формуляре двигателя.

К моменту поступления заряда воздуха в цилиндр двигателя открывается всасывающий клапан. Точка 1 соответствует положению кривошипа в момент открытия клапана. Для лучшего наполнения цилиндра воздухом всасывающий клапан открывается до ВМТ и закрывается после перехода поршнем НМТ на угол равный 20-40° п.к.в., который обозначается как угол опережения и запаздывания впускного клапана. Обычно угол п.к.в. соответствует процессу впуска равного 220-240°.Когда клапан закрывается наполнение цилиндра заканчивается и кривошип занимает положение, соответствующее точке (2).

После процесса сжатия для самовоспламенения топлива требуется время на его нагревание и испарение. Такой промежуток времени называется периодом задержки самовоспламенения. Поэтому впрыск топлива производится с некоторым опережением до момента прихода поршня в ВМТ на угол 10-35° п.к.в.

УГОЛ ОПЕРЕЖЕНИЯ ПОДАЧИ ТОПЛИВА

Угол между направлением кривошипа и осью цилиндра в момент начала впрыска топлива называют углом опережения подачи топлива. УОПТ отсчитывается от начала подачи до ВМТ и зависит от системы подачи, сорта топлива и частоты вращения вала двигателя. УОПТ у дизелей бывает от 15 до 32° и имеет большое значение на работу ДВС. Очень важно определить оптимальный угол опережения подачи, который должен соответствовать значению завода-изготовителя, указанному в паспорте двигателя.

Оптимальный УОПТ имеет большое значение для нормальной работы двигателя и его экономичности. При правильном регулировании горение топлива должно начинаться до прихода поршня в ВМТ на 3-6° п.к.в. Наибольшее давление Pz, равное расчётному, достигается когда поршень перейдёт ВМТ на угол 2-3° п.к.в. (см."Фазы горения").

При увеличении УОПТ период задержки самовоспламенения (I-я фаза) увеличивается и основная масса топлива сгорает в момент перехода поршнем ВМТ. Это приводит к жёсткой работе дизеля, а также к повышенному износу деталей ЦПГ и КШМ.

Уменьшение УОПТ ведёт к тому, что основная часть топлива поступает в цилиндр при переходе поршнем ВМТ и горит в большем объёме камеры сгорания. Тем самым уменьшается цилиндровая мощность двигателя.

После процесса расширения для уменьшения затрат на выталкивание отработавших газов поршнем производится открытие выпускного клапана с опережением до прихода поршнем в НМТ на угол равный 18-45° п.к.в., который называют углом опережения открытия выпускного клапана. Точка (). Для лучшей очистки цилиндров от продуктов сгорания выпускной клапан закрывается после перехода поршнем ВМТ на угол запаздывания равный 12-20° п.к.в., соответствующей точке () на круговой диаграмме.

Однако, из диаграммы видно, что всасывающий и выпускной клапана некоторое время находятся одновременно в открытом положении. Такое открытие клапанов называют углом перекрытия фаз клапанов, который составляет в сумме 25-55° п.к.в.

Исследование работы реального поршневого двигателя целесообразно производить по диаграмме, в которой дается изменение давления в цилиндре в зависимости от положения поршня за весь

цикл. Такую диаграмму, снятую с по­мощью специального прибора индикато­ра, называют индикаторной диаграммой. Площадь замкнутой фигуры индикатор­ной диаграммы изображает в определенном масштабе индикаторную работу газа за один цикл.

На рис. 7.6.1 изображена индикаторная диаграмма двигателя, работающего с быстрым сгоранием топлива при посто­янном объеме. В качестве горючего для этих двигателей применяют легкое топливо бензин, светильный или генераторный газ, спирты и др.

При ходе поршня из левого мертвого положения в крайнее правое через всасывающий клапан засасывается горючая смесь, состоящая из паров и мелких частиц топлива и воздуха. Этот процесс изображается на диаграмме кривой 0-1, которая называется линией всасывания. Очевидно, линия 0-1 не является термодинамическим процессом, так как в нем основные параметры не изменяются, а изменяются только масса и объем смеси в цилиндре. При обратном движении поршня всасывающий клапан закрывается, происходит сжатие горючей смеси. Процесс сжатия на диаграмме изображается кривой 1-2, которая называется линией сжатия. В точке 2, когда поршень еще немного не дошел до левого мертвого положения, происходит воспламенение горючей смеси от электрической искры. Сгорание горючей смеси происходит почти мгновенно, т. е. практически при постоянном объеме. Этот процесс на диаграмме изображается кривой 2-3. В результате сгорания топлива температура газа резко возрастает и давление увеличивается (точка 3). Затем продукты горения расширяются. Поршень перемещается в правое мертвое положение, и газы совершают полезную работу. На индикаторной диаграмме процесс расшире­ния изображается кривой 3-4, называемой линией расширения. В точке 4 открывается выхлопной клапан, и давление в цилиндре падает почти до наружного давления. При дальнейшем движении поршня справа налево из цилиндра удаляются продукты сгорания через выхлопной клапан при давлении, несколько превышающем атмосферное давление. Этот процесс изображается на диаграмме кривой 4-0 и называется линией выхлопа.

Эффективной мощностью N e называют мощность, получаемую на коленчатом валу двигателя. Она меньше индикаторной мощности N i на величину мощности, затрачиваемой на трение в двигателе (трение поршней о стенки цилиндров, шеек коленчатого вала о подшипники и др.) и приведение в действие вспомогательных механизмов (газораспределительного механизма, вентилятора, водяного, масляного и топливного насосов, генератора и др.).

Для определения величины эффективной мощности двигателя можно воспользоваться приведенной выше формулой для индикаторной мощности, заменив в ней среднее индикаторное давление p i средним эффективным давлением р е (р е меньше p i на величину механических потерь в двигателе)

Индикаторной мощностью N i называют мощность, развиваемую газами внутри цилиндра двигателя. Единицами измерения мощности являются лошадиные силы (л. с.) или киловатты (квт); 1 л. с. = 0,7355 квт.

Для определения индикаторной мощности двигателя необходимо знать среднее индикаторное давление p i т. е. такое условное постоянное по величине давление, которое, действуя на поршень в течение только одного такта сгорание-расширение, могло бы совершить работу, равную работе газов в цилиндре за весь цикл.

Тепловой баланс представляет собой распределение тепла, которое появляется в двигателе за время сгорания топлива, на полезное тепло для полноценного функционирования автомобиля и тепло, что можно квалифицировать как тепловые потери. Различают такие основные потери теплоты:

• вызванные преодолением трения;
• возникающие из-за излучения тепла нагретыми внешними поверхностями двигателя;
• потери на привод некоторых вспомогательных механизмов.

Нормальный уровень теплового баланса двигателя может быть разным в зависимости от режима работы. Определяется по результатам испытаний в условиях установившегося теплового режима. Тепловой баланс помогает определить степень соответствия конструкции двигателя и экономичности его работы, и в дальнейшем принять меры по регулировке определенных процессов с целью добиться более совершенной работы.

Индикаторная диаграмма ДВС (рис.1) строится с использованием данных расчета процессов рабочего цикла двигателя. При построении диаграммы необходимо выбрать масштаб с таким расчетом, чтобы получить высоту равной 1,2... 1,7 ее основания.

Рис.1 Индикаторная диаграмма дизельного двигателя

Рис. 1 Индикаторная диаграмма дизельного двигателя

В начале построения на оси абсцисс (основание диаграммы) в масштабе откладывается отрезок S а = S с + S,

где S – рабочий ход поршня (от ВМТ до НМТ).

Отрезок S с, соответствующий объему камеры сжатия (V с), определяется по выражению S с = S / - 1.

Отрезок S соответствует рабочему объему V h цилиндра, а по величине равен ходу поршня. Отметить точки, соответствующие положению поршня в ВМТ, точки А, В, НМТ.

По оси ординат (высота диаграммы) откладывается давление в масштабе 0,1 МПа в миллиметре.

На линии ВМТ наносятся точки давлений р г, р с, р z .

На линии НМТ наносятся точки давлений р а, р в.

Для дизельного двигателя необходимо еще нанести координаты точки, соответствующей концу расчетного процесса сгорания. Ордината этой точки будет равна р z , а абсцисса определяется по выражению

S z = S с   , мм. (2.28)

Построение линии сжатия и расширения газов можно проводить в такой последовательности. Произвольно между ВМТ и НМТ выбирается не менее 3 объемов или отрезков хода поршня V х1 , V х2 , V х3 (или S х1 , S х2 , S х3).

И подсчитывается давление газов

На линии сжатия

На линии расширения

Все построенные точки плавно соединяются между собой.

Затем производится скругление переходов (при каждом изменении давления на стыках расчетных тактов), учитываемое при расчетах коэффициентом полноты диаграммы.

Для карбюраторных двигателей скругление в конце сгорания (точка Z) проводится по ординате р z = 0,85 Р z mах.

2.7 Определение среднего индикаторного давления по индикаторной диаграмме

Среднее теоретическое индикаторное давление р" i представляет собой высоту прямоугольника, равного площади индикаторной диаграммы в масштабе давления

МПа (2.31)

где F i - площадь теоретической индикаторной диаграммы, мм 2 , ограниченная линиями ВМТ, НМТ, сжатия и расширения, может быть определена с помощью планиметра, методом интегрирования, либо другим способом; S - длина индикаторной диаграммы (ход поршня), мм (расстояние между линиями ВМТ, НМТ);

 p - масштаб давления, выбранный при построении индикаторной диаграммы, МПа / мм.

Действительное индикаторное давление

р i = р i ΄ ∙ φ п, МПа, (2.32)

где  п - коэффициент неполноты площади индикаторной диаграммы; учитывает отклонение действительного процесса от теоретического (скругление при резком изменении давлений, для карбюраторных двигателей  п =0,94.. .0,97; для дизелей  п = 0,92.. .0,95);

р = р r - р а - среднее давление насосных потерь в процессе впуска и выпуска для двигателей без наддува.

После определения р i по индикаторной диаграмме сравнивают его с ранее подсчитанным (формула 1.4) и определяют расхождение в процентах.

Среднее эффективное давление р е равно

р е = р i – р мп,

где р мп определено по формуле 1.6.

Тогда подсчитайте мощность по зависимости
и сравните с заданной. Расхождение должно быть не более 10…15%, если больше следует пересчитать процессы.

Индицирование двигателя. Определение мощности

Индикаторные диаграммы, снятые с соблюдением необходимых условий, позволяют определить индикаторную мощность и распределение ее по цилиндрам двигателя, исследовать газораспределение, работу форсунок, топливных насосов, а также определить максимальное давление цикла p z , давление сжатия р с и др.

Снятие индикаторных диаграмм производят после прогрева двигателя при установившемся тепловом режиме. После снятия каждой диаграммы индикатор должен быть отключен от цилиндра 3-ходовым краном индикатора и индикаторным клапаном на двигателе. Барабаны индикатора останавливают отключением шнура от привода. Периодически после снятия нескольких диаграмм поршень индикатора и его шток надо слегка смазывать. Не следует производить индицирование двигателя при волнении моря свыше 5 баллов. При снятии индикаторных диаграмм привод индикатора должен быть исправным, индикаторные краны полностью открыты. Диаграммы рекомендуется снимать одновременно со всех цилиндров; если последнее невозможно, то последовательное снятие их надо производить в возможно более короткий срок при постоянной частоте вращения коленчатого вала двигателя.

Перед индицированием необходимо проверить исправность индикатора и его привода. Поршень и втулка индикатора должны иметь полное прилегание; смазанный поршень при снятой пружине из верхнего положения должен опускаться в цилиндре медленно и равномерно под действием собственного веса. Поршень и втулку индикатора смазывают только цилиндровым или моторным маслом, но не приборным, которое входит в комплект индикатора и предназначено для смазывания сочленений пишущего механизма и верхней части штока поршня. Пружину и гайку (колпачок), зажимающую пружину, надо завернуть полностью. Высота подъема пишущего штифта индикатора должна быть пропорциональна давлению газов в индицируемом цилиндре, а угол поворота барабана - пропорционален ходу поршня. Зазоры в шарнирных соединениях передаточного механизма должны быть небольшими, что проверяется легким покачиванием рычага при неподвижном поршне, а также должен отсутствовать мертвый ход. При сообщении индикатора с рабочей полостью цилиндра при неподвижном барабане пишущий штифт индикатора должен чертить вертикальную прямую линию.

Индикатор связан с приводом либо специальным индикаторным шнуром, либо специальной стальной лентой размером 8 х 0,05 мм. Шнур для привода - льняной, плетеный; перед установкой новый шнур вытягивают в течение суток, подвешивая к нему груз массой 2 - 3 кг. При неудовлетворительном состоянии шнура получаются значительные искажения индикаторной диаграммы. Стальную ленту применяют для двигателей с числом оборотов 500 об/мин и выше, а также если число оборотов меньше 500 об/мин, но соединение индикатора и привода имеет вид ломаной линии длиной 2 - 3 м. Пригодность шнура с точки зрения его вытяжки проверяют снятием диаграммы сжатия при выключенной подаче топлива. Если линия сжатия совпадает с линией расширения, то шнур пригоден к работе. Длину индикаторного шнура необходимо отрегулировать так, чтобы в крайних положениях барабан не доходил до упора. При коротком шнуре происходит его обрыв, при длинном - диаграмма имеет укороченный вид („обрезанный”), так как в конце хода поршня барабан будет неподвижен. Во время индицирования шнур должен быть постоянно в натянутом положении.

При проведении атмосферной линии необходимо следить за тем, чтобы она располагалась на расстоянии 12 мм от нижней кромки бумаги для индикаторов модели 50 и 9 мм - модели 30. В этом случае пишущий механизм будет работать в наиболее оптимальном диапазоне измерений и вести правильную запись линии всасывания под линией атмосферного давления. Длина диаграммы должна быть не более 90% наибольшего хода барабана.

Индикаторный шнур должен лежать в плоскости качания рычага индикаторного привода. В среднем положении рычага шнур должен быть перпендикулярен его оси. Индикатор следует установить так, чтобы шнур не задевал трубопроводы, машинные решетки и другие детали. Если же он задевает, и это не устраняется изменением положения индикатора, то устанавливают переходный ролик. При этом необходимо сохранить перпендикулярность шнура от ролика к оси рычага индикатора привода при среднем положении последнего. Нажим карандаша (пишущего штифта) должен быть отрегулирован так, чтобы он не рвал бумагу, а оставлял тонкий ясно видимый след. Медный штифт должен быть всегда хорошо заточен. Сильный нажим карандаша вызывает увеличение площади диаграмм. Бумага должна плотно прилегать к индикаторному барабану.

Перед установкой индикатора во избежание засорения каналов и поршня необходимо тщательно продуть индикаторный клапан двигателя. Перед снятием диаграммы продувку повторить через 3-ходовой кран индикатора. Перед индицированием двигателя индикатор должен быть хорошо прогрет. Невыполнение этого требования приводит к искажению индикаторных диаграмм. При установке и снятии индикатора нельзя пользоваться ударным инструментом при зажатии и отдаче накидной гайки. Для этого служит специальный ключ, входящий в комплект индикатора.

Индикаторы и индикаторные пружины не реже 1 раза в два года должны проверяться органами надзора и иметь свидетельство о годности. Состояние индикаторного привода проверяют на работающем двигателе снятием диаграмм сжатия при выключенной подаче топлива. При правильно отрегулированном индикаторном приводе линии сжатия и расширения должны совпадать. При обнаружении дефектов в механизме газораспределения в период анализа индикаторных диаграмм необходимо принять меры по их устранению. После исправления дефектов произвести повторное индицирование и обработку (анализ) индикаторных диаграмм.

Обычные индикаторные диаграммы для анализа изменения рабочего процесса двигателей, работающих с переменной нагрузкой. Снимают серией на непрерывной ленте, следуют одна за другой через установленный интервал.

Снятые индикаторные диаграммы перед обработкой анализируются, так как из-за недостатков регулировки двигателя или в связи с неисправностью индикатора, его привода или нарушением правил индицирования индикаторные диаграммы могут иметь различные искажения.

Планиметрирование.

Индикаторные диаграммы обрабатывают в такой последовательности: настраивают планиметр и планиметрируют все диаграммы; определяют их площади; замеряют длины всех диаграмм и значения ординат р с и p z , подсчитывают р i , для каждого цилиндра. Планиметр настраивают по площади круга, очерченного планкой, прилагаемой к планиметру. В случае отсутствия специальной планки показания планиметра проверяют по квадрату на миллиметровой бумаге. Планиметрирование производят на гладкой доске, покрытой листом бумаги. При установке планиметра его рычаги по отношению к диаграмме располагают под углом 90°. При обводе диаграммы угол между рычагами планиметра должен составлять 60 - 120°.

Длину индикаторной диаграммы измеряют по атмосферной линии. Ход привода следует выбирать таким, чтобы длина диаграммы равнялась 70 и 90 - 120 мм для индикаторов моделей 30 и 50 соответственно.

При отсутствии планиметра среднее индикаторное давление р i находится с достаточной точностью методом трапеции. Для этого диаграмму разбивают вертикальными линиями на 10 равных частей. Среднее индикаторное давление определяют по формуле

pi = Σ h /(10m),

где Σ h - сумма высот h1,h2 h10,

мм; т - масштаб индикаторной пружины, мм/МПа. Способ измерения ординат h, p z и р с показан на рис. 4.6. При снятии индикаторных диаграмм в каждом отдельном случае для сравнительной оценки распределения нагрузки по цилиндрам надо учитывать температуру отработавших газов.

Каждый участок делят пополам и посередине измеряют его высоту. При оформлении результатов индицирования на бланке снятой диаграммы дизеля необходимо указывать название судна, дату индицирования, марку дизеля, номер цилиндра, масштаб пружины, длину и площадь диаграммы, полученные параметры p z , р с , р,-, N е , n . Обработанные индикаторные диаграммы каждого двигателя вклеивают в „Журнал индицирования” с соответствующим анализом результатов индицирования. В пояснительном тексте должны быть указаны выявленные недостатки регулировки двигателя и принятые меры по их устранению. По окончании рейса,.Журнал индицирования” и комплект обработанных диаграмм надо представлять в МСС флота вместе с рейсовым машинным отчетом. При обработке диаграмм, снятых с высокооборотных дизелей, необходимо делать поправку на погрешность пишущего механизма индикатора, которая в отдельных случаях может достигать 0,02-0,04 МПа (прибавляется к основному значению).

Анализ процесса сгорания по диаграммам и осциллограммам

Индикаторная диаграмма – это графическая изображение зависимости давления в цилиндре от хода поршня.

Способы получения(снятия) индикаторных диаграмм

Для получения индикаторных диаграмм используются механические индикаторы либо электронные системы измерения давления газов в цилиндре и топлива в процессе впрыскивания (MIP Calculator , pressure analyzer )(NK-5 " Аутроника " и Cyldet ABB ). Для получения полноценных индикаторных диаграмм с помощью механического индикатора двигатель д.б. оборудован индикаторным приводом.

Виды индикаторных диаграмм

С помощью механических индикаторов можно получить следующие виды индикаторных диаграмм: нормальные, смещенные, диаграммы-гребенки, сжатия, газообмена и развернутые.

Нормальные индикаторные диаграммы служат для определения среднего индикаторного давления и общего анализа характера протекания индикаторного процесса.

Рис. 1 Виды индикаторных диаграмм

Смещенные диаграммы используют для анализа процесса сгорания, выявления недостатков в работе топливной аппаратуры, оценки правильности установки угла опережения подачи топлива, а также для определения максимального давления сгорания p z и давления начала видимого сгорания р" с которое обычно приравнивают к давлению сжатия р с . Смещенную диаграмму снимают путем присоединения индикаторного шнура с приводом соседнего цилиндра, если его кривошип заклинен под углом 90 или 120°, или с помощью привода с поворотной головкой, или быстро поворачивая барабан индикатора за шнур рукой.

Диаграммы-гребенки служат для определения давления в конце сжатия р с и максимального давления сгорания р г на двигателях, не имеющих индикаторных приводов. При этом барабан индикатора при помощи шнура поворачивают рукой. Для определения р с диаграмму снимают при выключенной подаче топлива в цилиндр.

Диаграммы сжатия как указывалось, используются для проверки индикаторного привода. По ним можно также определить давление р с и оценить герметичность поршневых колец по величине площадки между линией сжатия 1 и линией расширения 2.

Диаграммы газообмена снимают обычным способом, но применяют слабые пружины с масштабом 1 кгс/см 2 = 5 мм (и более) и нормальный («паровой») поршень. По таким диаграммам анализируют процессы выпуска, продувки и наполнения цилиндра. Верхняя часть диаграммы ограничивается горизонтальной линией, так как поршень индикатора, находясь под воздействием слабой пружины, достигает крайнего верхнего положения и остается в нем до снижения давления в цилиндре до 5 кгс/см 2 .

Развернутые диаграммы служат для анализа процесса сгорания в районе ВМТ, а также для определения р, в двигателях, не имеющих индикаторного привода. Развернутые диаграммы снимают электрическим пли механическим индикатором с независимым от вала двигателя приводом (например, от часового механизма).

Для снятия всех вышеперечисленных диаграмм за исключением гребёнки требуется индикаторный привод

Искажения индикаторных диаграмм возникают чаще всего при заедании поршня индикатора (рис. 2, а), установке слабой (рис. 2, б) или жесткой пружины (рис. 2, в), ослаблении гайки крепления пружины индикатора, вытяжке индикаторного шнура (рис. 2, г) или большой его длине (рис. 2, д).

Рис. 2. Искажения индикаторных диаграмм

Обработка индикаторных диаграмм производится с целью определения по ним значений среднего индикаторного давления р i , максимального давления сгорания p z и давления в конце сжатия р с . Наиболее просто определяются параметры p z и р с по диаграммам-гребенкам и смещенным диаграммам. Для этого масштабной линейкой с диаграммы снимают ординаты от атмосферной линии до соответствующих точек (см. рис. 1, б, в) или, при ее отсутствии, простой линейкой. В последнем случае значения р z и р с будут равны:

где т - масштаб пружины.

Максимальное давление сгорания можно определить также по нормальной индикаторной диаграмме, а давление, в конце сжатия - по диаграмме сжатия.

Среднее индикаторное давление определяют по нормальным или развернутым индикаторным диаграммам. По развернутым диаграммам p i находят графоаналитическим способом, перестроением развернутой диаграммы в нормальную или при помощи специальной номограммы.

По нормальной индикаторной диаграмме значение р i определяют по формуле

(130)

где F i - площадь индикаторной диаграммы, мм 2 ;

т - масштаб пружины индикатора, мм/(кгс/см 2 );

l - длина диаграммы, мм.

Длину каждой индикаторной диаграммы замеряют между касательными к крайним точкам контура диаграммы, которые проводятся перпендикулярно атмосферной линии. Площадь диаграммы измеряют планиметром.

Следует отметить, что при определении среднего индикаторного давления р i по индикаторной диаграмме погрешность измерения может достигать 10-15% и более. Вместе с тем в судовых малооборотных дизелях при нормальном техническом состоянии систем топливоподачи и наддува соотношения между давлениями р i р τ , p z , индексом топливного насоса и цикловой подачей топлива g ц обычно сохраняются достаточно стабильными продолжительное время. Поэтому любой из указанных параметров может быть выбран для оценки нагрузки цилиндра.

В связи с этим некоторые дизелестроительные заводы установку индикаторных приводов считают нецелесообразной , а в разработанной для этих двигателей системе диагностики для оценки нагрузки цилиндров используется величина р z .

Поэтому наиболее распространёнными видами индикаторных диаграмм, снятых механическим индикатором являются гребёнки и развернутые «от руки».

Диаграмма-гребёнка позволяет определить давление конца сжатия (р с ) и максимальное давление цикла (p z ), причём для снятия р с необходимо отключение подачи топлива на данный цилиндр. Отключение цилиндра приведёт к снижению мощности и оборотов двигателя, ГТН и давления наддува, что в свою очередь скажется на величине давлении сжатия. Для измерения давления сжатия предпочтительнее диаграмма развёрнутая «от руки». Данная диаграмма при определённо навыке напоминает развернутую диаграмму снятую при помощи индикаторного привода, но связь между давлением и ходом поршня отсутствует.

Полученные значения p с и p z необходимо проанализировать. Для получения более точных выводов одновременно со снятием диаграммы необходимо записать следующие данные: температуры газов за цилиндрами, перед и после турбины, давление и температуру наддувочного воздуха, обороты двигателя и турбины, указатель нагрузки двигателя. Желательно знать расход топлива на момент снятия диаграммы.

Лучший способ анализа состояния двигателя – это сравнить замеренные величины с величинами полученными при заводских или ходовых испытания двигателя при той же нагрузке.

В случае отсутствия данных испытаний необходимо сравнить полученные значения со средним.

Например Таблица 1

Дата

Дв-ль

ГНТ

Доп значения

Время

Обороты

р н

Пар/№ц

ср.зн.

p z бар

165

156

167

156

175

164

163,8

Δp z

0,71%

-4,78%

1,93%

-4,78%

6,82%

0,10%

3,5%*

p c бар

124

120

125

128

127

122

124,3

Δp c

0,27%

3,49%

0,54%

2,95%

2,14%

1,88%

2,5%*

T г °С

370

390

380

390

372

350

375,3

ΔT г

-1,42%

3,91%

1,24%

3,91%

0,89%

-6,75%

5,0%*

Индекс ТНВД

Действие

Кольца,
клапана

TР↓

ϕ↓

TР

*РД 31.21.30-97 Правила технической эксплуатации СТС и К стр. 99

p z бар

T г °С

Действие

ТР

ϕ↓

ТР↓

Рис. 3. Диагностический комплекс фирмы «Аутроника » НК-5

Комплекс НК-5 фирмы «Аутроника» . С помощью комплекса (рис. 3) можно получить наиболее полную информацию о протекании рабочего процесса во всех цилиндрах двигателя и распознать возникающие в нем нарушения, в том числе в работе топливовпрыскивающей аппаратуры. С этой целью предусмотрен датчик 6 высокого давления, устанавливаемый на топливопроводе высокого давления у форсунки, а также датчики: 4 - давления наддува; 5 - ВМТ и угла поворота вала; 7 - давления газов (3 - промежуточные усилители сигналов датчиков). Результаты измерений.в виде кривых давлений и цифровых значений измеренных параметров выводятся на цветной дисплей 1 и печатающее устройство 2 . Встроенный в систему микропроцессор позволяет данные измерений сохранять в памяти и в дальнейшем сопоставлять новые данные с

прежними или эталонными.

В качестве примера кривые давлений газов в цилиндре и в топливопроводе у форсунки (рис. 4) иллюстрируют типичные нарушения в протекании процессов. Эталонная кривая 1 отражает характер изменения давлений на рассматриваемом режиме работы двигателя при технически исправном состоянии, кривая 2 характеризует действительный процесс с теми или иными искажениями, вызванными неисправностями.

Подтекание иглы форсунки (рис. 4, а) в связи с ухудшением распыливания топлива приводит к небольшому увеличению угла φ z , снижению давления р z и значительному догоранию топлива на линии расширения. Кривая расширения идет более полого и выше эталонной. Увеличиваются температура выпускных газов t г и давление р ехр на линии расширения на координате 36° после ВМТ.

При запаздывании вспрыскивания топлива (рис. 4, б) смещаются вправо начало видимого сгорания и весь процесс сгорания топлива. Одновременно снижается давление р z растет температура t г и давление р ехр . Аналогичная картина наблюдается при износе плунжерной пары топливного насоса и потере плотности его всасывающего клапана. В последнем случае уменьшается цикловая подача топлива и соответственно несколько снижается давление p i

Вследствие ранней подачи топлива (рис. 4, в) весь процесс сгорания смещается влево в сторону опережения, уменьшается угол φ г и растет давление р z . Поскольку процесс становится более экономичным, несколько увеличивается p i . Раннюю подачу подтверждает и кривая давлений топлива у форсунки (рис. 4, г).

Изменения в кривой давления топлива вследствие увеличения цикловой подачи (рис. 4, д) сопровождаются ростом величин р ф т a х и продолжительности подачи φ ф .

Падение скорости нарастания давления топлива Δр ф /Δφ на участке от начала его подъема до момента открытия иглы, а также общее падение давления впрыскивания (рис. 4, е) вызывает уменьшение угла опережения подачи φ нп и максимального давления р ф max . Причина заключается в увеличении протечек топлива через плунжерную пару, пару игла-направляющая форсунки вследствие их износа или в потере плотности клапанов насоса, штуцерных соединений топливопровода. Закоксовывание сопловых отверстий или чрезмерное увеличение вязкости топлива (рис. 4, ж) приводит к росту давления впрыскивания вследствие роста сопротивления истечения топлива из отверстий.

220

-15 40 -5 ВМТ 5 10 15 f, 9 №8

Рис.4. Давление газов в цилиндре и топлива в трубопроводе высокого давления

Рис. 6.4. Давление газов в цилиндре и топлива в топливопроводе у форсунки 220

-15 40 -5 ВМТ 5 10 15 f, 9 №8