Установка для исследования рабочих процессов в камере сгорания двигателя

 

Сущность изобретения: повышается эффективность исследования рабочих процессов двигателя за счет выполнения прозрачным всего цилиндра и установки регистрирующей аппаратуры на штативе с возможностью поворота и перемещения относительно исследуемого цилиндра. Возможность работы двигателя на любых режимах, в том числе и на номинальном, обеспечивает выполнение цилиндра из монокристалла лейкосапфира, выдерживающего значительные температурные и силовые нагрузки, а также не закоксовывающегося при работе двигателя. 1 ил.

Изобретение относится к двигателестроению, а именно к установкам для исследования рабочих процессов в камере сгорания двигателей.

Известна установка для исследования рабочих процессов в камере сгорания двигателя [1] , цилиндр которого выполнен прозрачным. Однако материал цилиндра не позволяет исследовать рабочие процессы на номинальном режиме работы двигателя из-за малой его прочности и быстрого закоксовывания внутренней поверхности цилиндра. Кроме того, отсутствие специальной аппаратуры в установке снижает эффективность исследования.

Известна также установка для исследования процессов в камере сгорания двигателя [2] , в цилиндре которого выполнено прозрачно окно, напротив которого установлена аппаратура для регистрации и обработки данных. Однако наличие небольшого окошка не позволяет регистрировать процесс горения заряда во всем объеме цилиндра. Выполнение же цилиндра целиком из кварца (материал окошка) приведет к невозможности проведения в установке исследования рабочих процессов из-за низкой прочности материала. Кроме того, окна из кварца быстро покрываются копотью (закоксовываются).

В последнее время появилась информация [3] о создании модельного ДВС с прозрачным сапфировым цилиндром и прозрачным днищем поршня с методами лазерной визуализации и киносъемки рабочего процесса. Известно два конструкционных прозрачных материала, называемых сапфиром. Один - поликристаллический Al₂O₃ - представляет обычную керамику, второй - монокристалл α - Al₂O₃ - с различной кристаллической структурой, называемый лейкосапфиром, имеет значительно более высокие прочностные характеристики, минимальное трение после полировки и высокую прозрачность в оптическом и инфракрасном диапазоне спектра. Приведенные в [3] технические характеристики: степень сжатия ε = 9,0 и число оборотов до 4,000 об/мин говорят об использовании поликристаллического сапфира, более удобного с технологической точки зрения. Указанные размеры цилиндра - диаметр 92 мм и ход поршня 92 мм очень трудны для выращивания монокристалла и его обработки и в настоящее время освоены только несколькими отечественными предприятиями. Метод выращивания цилиндра точных размеров запатентован в ИКАН СССР Богдасаровым Х. С. и не передавался за границу.

В предлагаемой установке, с целью повышения эффективности исследования рабочих процессов в ДВС, цилиндр и поршень выполнены полностью из монокристаллического лейкосапфира с α -кристаллической структурой - α -Аl₂O₃, позволяющей исследовать высоконапряженные дизельные режимы работы ДВС с ε = 20-25 и турбонаддувом с давлением воздуха 0,2-0,35 МПа при числе оборотов 3000-6000 об/мин. Регистрирующая аппаратура основана на свойстве монокристаллического лейкосапфира пропускать инфракрасный диапазон волн в широком спектре, что позволяет по интенсивности излучения в различных спектральных окнах приемников измерять температуру рабочего тела по всему объему цилиндра синхронно с движением поршня.

На чертеже представлена схема установки.

Установка содержит испытательный стенд 1, установленный на нем блок прозрачных цилиндров 2, в котором размещены прозрачные поршни 3, связанные с валом (не показан) при помощи механизма преобразования движения, регистрирующую аппаратуру 4, установленную напротив исследуемого цилиндра 2, и аппаратуру 5 для обработки полученных данных, причем цилиндр 2 и поршень 3 выполнены из монокристалла лейкосапфира, а регистрирующая аппаратура 4 установлена с возможностью поворота и перемещения относительно исследуемого цилиндра 2.

Регистрирующая аппаратура, содержащая многоспектральный тепловизионный пеленгатор, может быть установлена на штативе 6, который, в свою очередь, может быть установлен на направляющей 7 с возможностью перемещения относительно стенда 1.

Механизм преобразования движения может быть выполнен в виде связанного с поршнем 3 штока 8, контактирующего с кулачком 9, установленным на валу (не показан). Регистрирующая аппаратура 4 при этом может быть жестко связана со штоком 8 поршня 3.

Установка работает следующим образом. При работе ДВС, установленного на стенде 1, за счет сгорания и расширения газов в прозрачных цилиндрах 2, регистрирующая аппаратура 4, установленная напротив цилиндра 2, снимает данные о характере перемещения заряда, его сгорании, расширении и температуре в любой точке цилиндра 2 из-за выполнения его прозрачным по всей длине. Прочностные характеристики монокристалла лейкосапфира, из которого выполнен цилиндр 2, позволяют проводить исследования на штатных и максимальных режимах работы ДВС, в том числе дизельного при высоких значениях температуры и давления. Низкий коэффициент трения материала позволяет отказаться от смазки цилиндро-поршневой группы, что уменьшает возможности нагара на стенках цилиндра. Кроме того, сам материал обладает высокой стойкостью к закоксовыванию. Выполнение всего цилиндра 2 прозрачным позволяет не только перемещать или поворачивать регистрирующую аппаратуру 4, но и устанавливать различное количество датчиков в различных точках или плоскостях для съема наибольшего объема информации.

Выполнение регистрирующей аппаратуры 4 в виде многоспектрального тепловизора позволяет неконтактным методом измерять температуру в любом сечении цилиндра как в процессе горения, так и в процессе теплового расширения газов.

Таким образом, описываемая установка, являясь полным аналогом ДВС, позволяет без каких-либо ограничений снимать информацию о рабочих процессах в цилиндрах в большом объеме при длительной работе двигателя. (56) 1. Патент Франции N 2107197, кл. F 02 B 75/00, опубл. 1972.

2. "Экономика и техника" N 1, 1989. Путь к экономичному двигателю. Прямая передача информации из камеры сгорания.

3. "SAE Technical Paper Series", 1988, N 880520.

Формула изобретения

УСТАНОВКА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ РАБОЧИХ ПРОЦЕССОВ В КАМЕРЕ СГОРАНИЯ ДВИГАТЕЛЯ, содержащая установленный на испытательном стенде по меньшей мере один прозрачный сапфировый цилиндр, размещенный в нем прозрачный поршень, связанный с выходным валом при помощи механизма преобразования движения, установленную напротив исследуемого цилиндра регистрирующую аппаратуру и аппаратуру для обработки данных, выполненную в виде цифрового анализатора с приемником, отличающаяся тем, что цилиндр и поршень выполнены из монокристалла лейкосапфира, регистрирующая аппаратура установлена на штативе с возможностью поворота и перемещения относительно цилиндра, штатив установлен на направляющей стенда с возможностью перемещения относительно последнего, механизм преобразования движения выполнен в виде связанного с поршнем штока, контактирующего с кулачком, установленным на выходном валу, штатив регистрирующей аппаратуры жестко связан со штоком поршня, причем регистрирующая аппаратура выполнена в виде тепловизора.

РИСУНКИ

Рисунок 1