RU2166107C2 - Diesel engine plants fuel combustion process simulator - Google Patents

Abstract

FIELD: mechanical engineering; diesel engines; combustion process simulator. SUBSTANCE: device has housing-cylinder, piston, compressed air and fuel supply devices. Design peculiarity of device is that housing-cylinder in its lower part is sealed by bottom of special sealing arrangement through which piston rod passes. Piston divides housing-cylinder into working and damper chambers provided with unions to take in compressed air, power parameters pickups and drain valves. Piston is made to control operation chambers by high air pressure. Piston rod has division marks and fixed slider. EFFECT: optimization of design of diesel engine, provision of maximum efficiency, possibility of studying fuel combustion process in diesel engine plants, improved reliability of plants. 2 cl, 1 dwg

Description

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. The present invention relates to the field of diesel engines, and specifically to the study and modeling of the processes of fuel combustion in diesel plants, in order to optimize the design and achieve maximum efficiency.

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]. Known methods for the design and calculation of diesel plants, in accordance with which all the technical parameters of diesel engines are pre-calculated theoretically, and then checked whether these parameters are actual on real engines [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. A disadvantage of the known diesel plants is that their design is calculated theoretically, and the actual data of various technical characteristics are already obtained from a real engine (power, fuel consumption, reliability, etc.). In addition, these plants cannot be used to simulate the processes of fuel combustion in order to select the most effective diesel engine operation parameters.

Известны также способы моделирования процессов сгорания в дизельных установках для их осуществления [3,4,5,6,7], которым также присущи недостатки, отмеченные выше. There are also known methods for modeling combustion processes in diesel engines for their implementation [3,4,5,6,7], which also have the disadvantages noted above.

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] . The closest in technical essence and the achieved effect (prototype) to the claimed technical solution is a device for simulating the processes of fuel combustion in diesel plants, containing a cylinder body, piston, a device for supplying compressed air and fuel [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.The disadvantages of the unknown device for modeling is that this device (stands) for constructing and studying models of the processes of fuel combustion in diesel engines is very difficult. The difficulty lies in the fact that it is very difficult to calculate a certain desired parameter from the general cycle of a diesel engine. In the process of operation of such a device, it is practically impossible to accurately calculate the given working volume of the compression pressure P _from the combustion chamber and, therefore, to link it with other parameters of the diesel installation, such as the fuel injection pressure and its quantity.

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. The objective of the invention is to provide a device for modeling combustion processes in diesel engines in order to optimize their design, increase reliability and achieve maximum efficiency.

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. In accordance with the task in a known device for simulating the process of fuel combustion in diesel plants, comprising a cylinder body, piston, device for supplying compressed air and fuel, the cylinder body in its lower part is sealed with a bottom with a sealing device through which the piston rod passes dividing the cylinder body into the working and damper chambers equipped with fittings for supplying compressed air to them, energy parameters sensors and drain valves, the piston being made possibility by high pressure air to control the cameras.

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. Another difference of the proposed device is that the piston rod is equipped with divisions with a fixed slider, allowing you to read these divisions to determine the volume of the working chamber and the stroke of the piston.

Предпочтительно в верхней части рабочей камеры установить штуцер для подачи через него топлива в рабочую камеру. It is preferable to install a fitting in the upper part of the working chamber to supply fuel through it to the working chamber.

Далее изобретение поясняется эскизным чертежом, где в схематическом виде представлено устройство для моделирования процессов сгорания топлива в дизельных установках. Further, the invention is illustrated in a sketch drawing, where in a schematic view a device for modeling the processes of fuel combustion in diesel plants is presented.

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. The proposed device consists of a cylinder body 1, inside of which there is a piston 2 with a rod 3, on which the marks are drawn in the form of a scale bar 4 to account for the volumes of chambers 5 and 6. In the case 1, exhaust windows 7 are made, which are blocked by a piston 2 with o-rings 8 and 9. In the lower part of the housing 1, a bottom 10 is attached, through which a sealed rod 3 is in contact with the seal 11. A piston 2 divides the housing 1 into a working 5 and a damper 6 chamber. On the walls of the working 5 and damper 6 chambers, fittings 12 and 13 for supplying compressed air, pressure sensors 14, temperature sensors 15, a drain valve 16 are installed. In addition, a nozzle 17 is installed on the working chamber 5 for supplying fuel to the chamber 5. Valves on the fittings 12 and 13, as well as sources of compressed air and fuel are not conventionally shown in the drawing.

Корпус 1 посредством болтов, вставленных в отверстиях 18, крепится к стенду (условно не показано). The housing 1 by means of bolts inserted in the holes 18, is attached to the stand (not shown conditionally).

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. To seal the chambers 5 and 6, the piston 2 additionally has grooves in which the fluoroplastic bearing 19, a gasket 20 of gas-resistant and heat-resistant rubber, are laid. In addition, the piston 2 is provided with an oil groove 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. The rod 4 is attached to the piston 2 by means of a swivel joint 22, while a pointer 23 is mounted on the housing 1 for reading readings from a scale line of the volumes of the volumes of chambers 5 and 6.

Корпус цилиндра 1 может быть выполнен, например, из стали 40ХН, поршень 2 - из стали 40Х. The cylinder body 1 can be made, for example, of steel 40XH, piston 2 - of steel 40X.

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. As the rod 3 of the piston 2 can be used steel 12X18H10T (GOST 5632-72). In this case, the piston rod is equipped with divisions by which the piston stroke and the installation (settlement) combustion chamber are determined.

Жаростойкие компрессионные кольца выполняются из чугуна, покрытого твердым хромированием. Уплотнительные кольца 8 и 9 выполняется их жаростойкой резины. Heat-resistant compression rings are made of cast iron coated with hard chrome plating. O-rings 8 and 9 are made of heat-resistant rubber.

Работу устройства рассмотрим на примере осуществления, приведенном на чертеже. The operation of the device is considered in the example implementation shown in the drawing.

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. According to a planned experiment, the chamber is bolted through holes 18 in the bottom of the lower part of the cylinder 3 through bolts to a specially equipped stand. High pressure hoses are connected to the fittings 12, 13 from the compressed air cylinder. To the nozzle 17 connect the pipeline from the high pressure fuel pump. After a visual inspection, making sure the device is ready for operation, proceed to the experiment.

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. Opening the valve on the nozzle 12 and on the nozzle 13, open the valve on the cylinder of compressed air and supply air through the nozzle 13 to the working chamber 5. Under the action of compressed air, the piston 2 begins to move downward, displacing the air from the damper chamber through the nozzle 12. Having passed the exhaust windows 7 , the piston stops, natural purging of the working chamber 5 takes place. Then the valve through the nozzle 13 is closed and air is supplied through the nozzle 12. The piston begins to move upward, passing through the windows 7, and the compression of the air mixture begins in the working chamber.

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. The scale bar 4, on the piston rod 3, sets the required (planned) volume of the working chamber 5. On the pressure gauge 14 observe the pressure in the working chamber 5. If necessary, manipulating the valves, on the fittings 13, 12 and valve 16 set the necessary pressure in the working chamber 5 and its estimated volume.

Затем по команде с пульта управления посредством топливного насоса через форсунку 17 в камеру 5 производят планируемый по давлению впрыск топливной смеси. Then, on command from the control panel through the fuel pump through the nozzle 17 into the chamber 5 produce the planned pressure injection of the fuel mixture.

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. Instantaneous ignition of the fuel mixture. The gases generated during the combustion of hydrocarbons (fuel mixture) expand and do the work of moving the piston 2 down, thereby compressing the initial (predetermined) air pressure in the damper chamber 6 as a spring. Moving downward, the piston 2, having passed the exhaust windows 7, allows working gases in chamber 5, rush into the atmosphere (out). In this case, the pressure in the working chamber 5 will quickly tend to zero, while in the damper chamber 6 it will increase sharply, because the energy received by the piston 2 from gases during the combustion of fuel will be very large. This process of moving the piston 2 down will occur until the energy of the piston received by it from the working gases in the chamber 5 is equalized with the energy of the compressed air in the chamber 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. After that, the compressed air in the chamber 6 will begin at an increasing speed to return the piston 2 to its highest position. The piston 2, having passed the exhaust windows 7, will begin to compress the residual air mixture over the piston space.

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. This process will continue until the energy of the compressed air in the chamber 6 is not equal to the energy of the compressed air in the chamber 5, the latter will lead to a soft and complete stop of the piston in the upper position.

Открыв вентиль 20, производят продувку рабочей камеры 5 от остатков отработанных газов и воздушной смеси. Opening the valve 20, purge the working chamber 5 from the residual exhaust gases and air mixture.

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.The temperature sensor controls not only the preset compression temperature P _s in chamber 5, but the temperature of the combustible fuel at P _z . The pressure sensor has movable sighting devices, the latter remain at the maximum position reached by the needle of the pressure gauge, thus fixing in each case the maximum pressure at 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. After removing and fixing all the parameters of the device for a given experiment, the latter is repeated five to six times under the same conditions, then the device is switched to the new specified parameters and the operation cycles are repeated, as described above, the required number of times.

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. Then, if this is required by the experiment, the piston 2 can be lowered to its lowest position and a carbon sample can be taken from the piston head through the exhaust windows 7 to determine the tarring and purity of the combustible fuel.

По термометру 15 определяют температуру вспышки топлива при вспрыске, а также по нему контролируют, если это необходимо, температуру подаваемого воздуха в камеру 5. The thermometer 15 determines the flash point of the fuel during the injection, and also, if necessary, control the temperature of the supplied air into the chamber 5 using it.

При необходимости эксперимент можно повторить по методу, описанному выше, или перевести на новые параметры сжатия, объема и давления впрыска. If necessary, the experiment can be repeated according to the method described above, or transferred to new parameters of compression, volume and pressure of injection.

Настоящее устройство способно также решить вопросы воспламенения различных смесеобразований и определения их детонаций, определения критической точки взрыва сжимаемой газовой смеси. This device is also able to solve the problems of ignition of various mixtures and determine their detonations, determine the critical point of the explosion of a compressible gas mixture.

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.The use of the proposed device will allow, in comparison with the prototype device, to obtain the following technical result:
- to improve the accuracy of calculating the volume of the compression chamber (combustion) for a given volume of injection of the fuel mixture;
- choose the optimal injection pressure of the fuel mixture at the time of fuel injection and the amount of this mixture;
- check the optimal values of the ratio of the piston stroke to the diameter of the cylinder;
- the ability to analyze the maximum pressure P _z in the cylinder, which depends on the type of cycle carried out, on the degree of compression, the method of mixture formation and other factors;
-check the completeness of fuel combustion and the absence of tarring in a pair: piston-cylinder.

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. In addition, based on the studies, it is possible to compile tables in which, for a given pressure P and for a certain volume, it is possible to determine the necessary injection pressure with the amount of fuel injected. The data obtained can also be used to determine an explosive explosive mixture of gases when they are compressed to a certain pressure.

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.Sources of information used in compiling the description
1. A. Orgin and others. "Internal combustion engines, their design and strength analysis of piston and combined engines." M .: Mechanical Engineering, 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). 2. A. Algibri. "A method for calculating and studying the volumetric processes of mixture formation and fuel burnup in diesel engines" (abstract of thesis, Candidate of Technical Sciences - L .: LPI, 1986, p. 16).

3. Дизель-компрессор ДК2-3Р. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. Альбом рисунков. ДК-2-3Р-00.000 Т01. Приложение. 1985. Лист 12. 3. Diesel compressor DK2-3R. Technical description and instruction manual. Album of drawings. DK-2-3R-00.000 T01. Application. 1985. Sheet 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). 4. N. Dyachenko et al. "Determination of the main parameters of the characteristics of heat during combustion in a diesel engine." (Tr. LPN; L .: Engineering, 1970, N 316, p. 25-30).

5. И. Астахов и др. "Подача и распыливание топлива в дизелях". (М.: Машиностроение, 1971, с. 359). 5. I. Astakhov et al. "Supply and atomization of fuel in diesel engines." (M .: Mechanical Engineering, 1971, p. 359).

6. В. Пугачев и др. "Остаточное давление и его влияние на процессы топливоподачи". Двигателестроение, - 1970. N 3, с. 20-25). 6. V. Pugachev et al. "Residual pressure and its effect on fuel supply processes." Engine-building - 1970. N 3, p. 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. 7. Yu. Sviridov et al. "Mathematical model and method for calculating diesel fuel plume." Work processes in internal combustion engines. M .: MADI, 1978, p. 84-86.

8. А.К. Костин и др. "Работа дизелей в условиях эксплуатации". Л.: Машиностроение, 1989, с. 178-185. 8. A.K. Kostin et al. "Operation of diesel engines in operating conditions." L .: Engineering, 1989, p. 178-185.

Claims (2)

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. 1. A device for simulating the processes of fuel combustion in diesel plants, comprising a cylinder body, a piston, a device for supplying compressed air and fuel, characterized in that the cylinder body in its lower part is sealed with a sealing device through which the piston rod passes, dividing the cylinder body into the working and damper chambers, equipped with fittings for supplying compressed air to them, sensors of energy parameters and drainage valves, while the piston is made by means of high pressure air to control cameras. 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. 2. The device according to claim 1, characterized in that the piston rod is equipped with divisions with a fixed slider that allows you to read these divisions to determine the volume of the working chamber and the stroke of the piston.