УСТРОЙСТВО ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ СГОРАНИЯ ТОПЛИВА В ДИЗЕЛЬНЫХ УСТАНОВКАХ (КАМЕРА КАТРЕНКО "КК-1") Российский патент 2001 года по МПК F02B3/08 

Предлагаемое изобретение относится к области дизельных двигателей, а конкретно к исследованию и моделированию процессов сгорания топлива в дизельных установках, с целью оптимизации конструкции и достижения максимального коэффициента полезного действия.

Известны методы конструирования и расчета дизельных установок, в соответствии с которыми все технические параметры дизельных двигателей предварительно рассчитывают теоретически, а затем проверяется соответствие этих параметров фактическим на реальных двигателях [1,2].

Недостатком известных дизельных установок является то, что их конструкция рассчитывается теоретически, а фактические данные различных технических характеристик получают уже по реальному двигателю (мощность, расход топлива, надежность и др.). Кроме того, эти установки не могут быть использованы для моделирования процессов сгорания топлива с целью подбора наиболее эффективных параметров работы дизельных двигателей.

Известны также способы моделирования процессов сгорания в дизельных установках для их осуществления [3,4,5,6,7], которым также присущи недостатки, отмеченные выше.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту (прототипом) к заявленному техническому решению является устройство для моделирования процессов сгорания топлива в дизельных установках, содержащее корпус-цилиндр, поршень, устройство для подачи сжатого воздуха и топлива [8] .

Недостатками неизвестного устройства для моделирования является то, что это устройство (стенды) для построения и исследования моделей процессов сгорания топлива в дизелях очень сложно. Сложность заключается и в том, что очень сложно вычислить определенный искомый параметр из общего цикла работы дизеля. В процессе работы такого устройства практически невозможно с высокой точностью рассчитать заданный рабочий объем давления сжатия P_с камеры сгорания и, следовательно, увязывать его с другими параметрами дизельной установки, такими как давление впрыска топлива и его количества.

Задачей изобретения является создание устройства для моделирования процессов сгорания в дизельных установках с целью оптимизации их конструкции, повышения надежности и достижения максимального коэффициента полезного действия.

В соответствии с поставленной задачей в известном устройстве для моделирования процесса сгорания топлива в дизельных установках, содержащем корпус-цилиндр, поршень, устройства для подачи сжатого воздуха и топлива, корпус-цилиндр в нижней своей части герметизирован дном с герметизирующим приспособлением, через которое проходит шток поршня, делящего корпус-цилиндр на рабочую и демпферную камеры, снабженные штуцерами для подачи в них сжатого воздуха, датчиками энергетических параметров и дренажными вентилями, при этом поршень, выполнен с возможностью посредством высокого давления воздуха управлять камерами.

Другое отличие предлагаемого устройства состоит в том, что шток поршня снабжен делениями с фиксированным ползунком, позволяющим считывать эти деления для определения объема рабочей камеры и хода поршня.

Предпочтительно в верхней части рабочей камеры установить штуцер для подачи через него топлива в рабочую камеру.

Далее изобретение поясняется эскизным чертежом, где в схематическом виде представлено устройство для моделирования процессов сгорания топлива в дизельных установках.

Предлагаемое устройство состоит из корпуса-цилиндра 1, внутри которого размещен поршень 2 со штоком 3, на котором нанесены деления в виде масштабной линейки 4 для учета объемов камер 5 и 6. В корпусе 1 выполнены выхлопные окна 7, перекрываемые поршнем 2 с уплотнительными кольцами 8 и 9. В нижней части корпуса 1 прикреплено дно 10, через которое проходит герметизированный шток 3, контактирующий с уплотнением 11. Поршень 2 делит корпус 1 на рабочую 5 и демпферную 6 камеры. На стенках рабочей 5 и демпферной 6 камер установлены штуцеры 12 и 13 для подвода сжатого воздуха, датчики 14 давления, датчики 15 температуры, дренажный вентиль 16. Кроме того, на рабочей камере 5 установлена форсунка 17 для подачи топлива в камеру 5. Вентили на штуцерах 12 и 13, а также источники сжатого воздуха и топлива на чертеже условно не показаны.

Корпус 1 посредством болтов, вставленных в отверстиях 18, крепится к стенду (условно не показано).

Для герметизации камер 5 и 6 поршень 2 дополнительно имеет канавки, в которые уложены фторопластовый подшипник 19, прокладка 20 из бензостойкой и жаростойкой резины. Кроме того, поршень 2 снабжен маслонабивной канавкой 21.

Шток 4 крепится к поршню 2 посредством шарнирного соединения 22, при этом на корпусе 1 устанавливается указатель 23 для считывания показаний с масштабной линейки величин объемов камер 5 и 6.

Корпус цилиндра 1 может быть выполнен, например, из стали 40ХН, поршень 2 - из стали 40Х.

В качестве штока 3 поршня 2 может быть использована сталь 12Х18Н10Т (ГОСТ 5632-72). При этом шток поршня снабжен делениями, по которым определяют ход поршня и установочную (расчетную) камеру сгорания.

Жаростойкие компрессионные кольца выполняются из чугуна, покрытого твердым хромированием. Уплотнительные кольца 8 и 9 выполняется их жаростойкой резины.

Работу устройства рассмотрим на примере осуществления, приведенном на чертеже.

Согласно плановому эксперименту камеру при помощи болтовых соединений через отверстия 18 в днище нижней части цилиндра 3 закрепляют на специально оборудованном стенде. К штуцерам 12, 13 подсоединяют от баллона со сжатым воздухом рукава высокого давления. К форсунке 17 подсоединяют трубопровод от топливного насоса высокого давления. После визуального осмотра, убедившись в готовности устройства к работе, приступают к эксперименту.

Открыв вентиль на штуцере 12 и на штуцере 13, открывают вентиль на баллоне сжатого воздуха и подают воздух через штуцер 13 в рабочую камеру 5. Под действием сжатого воздуха поршень 2 начинает перемещаться вниз, вытесняя воздух из демпферной камеры через штуцер 12. Пройдя выхлопные окна 7, поршень останавливается, проходит естественная продувка рабочей камеры 5. Затем вентиль через штуцер 13 закрывают и подают воздух через штуцер 12. Поршень начинает двигаться вверх, пройдя окна 7, а в рабочей камере начинается процесс сжатия воздушной смеси.

По масштабной линейке 4, на штоке поршня 3, устанавливают необходимый (планируемый) объем рабочей камеры 5. На манометре 14 наблюдают давление в рабочей камере 5. При необходимости, манипулируя вентилями, на штуцерах 13, 12 и вентилем 16 устанавливают необходимое давление в рабочей камере 5 и ее расчетный объем.

Затем по команде с пульта управления посредством топливного насоса через форсунку 17 в камеру 5 производят планируемый по давлению впрыск топливной смеси.

Происходит мгновенное воспламенение топливной смеси. Образующиеся при сгорании углеводородов (топливной смеси) газы расширяются и совершают работу по перемещению поршня 2 вниз, сжимая тем самым как пружину начальное (заданное) давление воздуха в демпферной камере 6. Двигаясь вниз, поршень 2, пройдя выхлопные окна 7, дает возможность рабочим газам в камере 5 устремиться в атмосферу (наружу). При этом давление в рабочей камере 5 будет быстро стремиться к нулю, в то время как в демпферной камере 6 оно будет резко нарастать, т.к. энергия, полученная поршнем 2 от газов при сгорании топлива, будет очень велика. Этот процесс движения поршня 2 вниз будет происходить до тех пор, пока энергия поршня, полученная им от рабочих газов в камере 5, не уравняется с энергией сжимаемого воздуха в камере 6.

После чего сжатый воздух в камере 6 начнет с нарастающей скоростью возвращать поршень 2 в крайнее верхнее положение. Поршень 2, пройдя выхлопные окна 7, начнет сжимать остаточную воздушную смесь над поршневым пространством.

Этот процесс будет протекать до тех пор, пока энергия сжатого воздуха в камере 6 не уравняется с энергией сжимаемого воздуха в камере 5, последняя приведет к мягкой и полной остановке поршня в верхнем положении.

Открыв вентиль 20, производят продувку рабочей камеры 5 от остатков отработанных газов и воздушной смеси.

По температурному датчику контролируется не только задаваемая температура сжатия P_с в камере 5, но температура сгораемого топлива при P_z. Датчик давления имеет подвижные визиры, последние остаются в том максимальном положении, которое достигла стрелка манометра, таким образом фиксируя в каждом случае максимальное давление при P_z.

После снятия и фиксации всех параметров устройства за данный эксперимент последний повторяют при одних и тех же условиях пять-шесть раз, затем переводят работу устройства на новые заданные параметры и циклы работы повторяют, как описано выше, требуемое количество раз.

Затем, если этого требует эксперимент, поршень 2 можно опустить в крайнее нижнее положении и через выхлопные окна 7 с головки поршня можно взять пробу нагара для определения осмоления и чистоты сгораемого топлива.

По термометру 15 определяют температуру вспышки топлива при вспрыске, а также по нему контролируют, если это необходимо, температуру подаваемого воздуха в камеру 5.

При необходимости эксперимент можно повторить по методу, описанному выше, или перевести на новые параметры сжатия, объема и давления впрыска.

Настоящее устройство способно также решить вопросы воспламенения различных смесеобразований и определения их детонаций, определения критической точки взрыва сжимаемой газовой смеси.

Применение предлагаемого устройства позволит по сравнению с устройством-прототипом получить следующий технический результат:
- повысить точность расчета объема камеры сжатия (сгорания) при заданных объемах впрыска топливной смеси;
- подобрать оптимальное давление впрыска топливной смеси в момент впрыска топлива и количество этой смеси;
- проверять оптимальные величины отношения хода поршня к диаметру цилиндра;
- возможность анализировать максимальное давление P_z в цилиндре, которое зависит от типа осуществляемого цикла, от степени сжатия, способа смесеобразования и других факторов;
-проверять полноту сгорания топлива и отсутствия осмоления в паре: поршень-цилиндр.

Кроме того, на основании исследований можно составить таблицы, в которых при заданном давлении P и при определенном объеме можно определить необходимое давление впрыска с количеством впрыскиваемого топлива. Полученные данные могут быть также использованы для определения взрывоопасной гремучей смеси газов при их сжатии до определенного давления.

Источники информации, использованные при составлении описания
1. А. Оргин и др. "Двигатели внутреннего сгорания, их конструирование и расчет на прочность поршневых и комбинированных двигателей". М.: Машиностроение, 1984.

2. А. Альгибри. "Метод расчета и исследования объемных процессов смесеобразования и выгорания топлива в дизелях" (автореферат дис. к.т.н. - Л.: ЛПИ, 1986, с. 16).

3. Дизель-компрессор ДК2-3Р. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. Альбом рисунков. ДК-2-3Р-00.000 Т01. Приложение. 1985. Лист 12.

4. Н. Дьяченко и др. "Определение основных параметров характеристики тепловыделения при сгорании в дизеле". (Тр. ЛПН; Л.: Машиностроение, 1970, N 316, с. 25-30).

5. И. Астахов и др. "Подача и распыливание топлива в дизелях". (М.: Машиностроение, 1971, с. 359).

6. В. Пугачев и др. "Остаточное давление и его влияние на процессы топливоподачи". Двигателестроение, - 1970. N 3, с. 20-25).

7. Ю. Свиридов и др. "Математическая модель и метод расчета дизельного топливного факела". Рабочие процессы в двигателях внутреннего сгорания. М.: МАДИ, 1978, с. 84-86.

8. А.К. Костин и др. "Работа дизелей в условиях эксплуатации". Л.: Машиностроение, 1989, с. 178-185.

Изобретение относится к дизельным двигателям, а конкретно к моделированию процесса сгорания топлива в дизельных установках. Устройство для моделирования процессов сгорания топлива в дизельных установках, содержащее корпус-цилиндр, поршень, устройства для подачи сжатого воздуха и топлива, отличается от известных тем, что корпус-цилиндр в нижней своей части герметизирован дном с герметизирующим приспособлением, через которое проходит шток поршня, делящего корпус-цилиндр на рабочую и демпферную камеры, снабженные штуцерами для подачи в них сжатого воздуха, датчиками энергетических параметров и дренажными вентилями, при этом поршень выполнен с возможностью посредством высокого давления воздуха управлять камерами. Шток поршня снабжен делениями с фиксированным ползунком. Изобретение позволяет оптимизировать конструкцию дизельного двигателя, достичь максимального КПД, изучить процесс сгорания топлива в дизельных установках и повысить их надежность. 1 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Устройство для моделирования процессов сгорания топлива в дизельных установках, содержащее корпус-цилиндр, поршень, устройство для подачи сжатого воздуха и топлива, отличающееся тем, что корпус-цилиндр в нижней своей части герметизирован дном с герметизирующим приспособлением, через которое проходит шток поршня, делящего корпус-цилиндр на рабочую и демпферную камеры, снабженные штуцерами для подачи в них сжатого воздуха, датчиками энергетических параметров и дренажными вентилями, при этом поршень выполнен с возможностью посредством высокого давления воздуха управлять камерами. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что шток поршня снабжен делениями с фиксированным ползунком, позволяющим считывать эти деления для определения объема рабочей камеры и хода поршня.