СТЕНД ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ ТЕПЛОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
TEST BENCH FOR THERMAL ENGINES

Изобретение относится к области испытаний машин и двигателей, в частности к стендам для испытаний тепловых, преимущественно поршневых, двигателей.
Известен стенд для испытаний двигателя внутреннего сгорания, содержащий амортизирующую знакопеременную передачу, соединяющую выходной вал испытываемого двигателя с нагрузочным устройством, излучатель света и фотоприемник (RU 2518755, 2012 г.).
Также известен стенд для испытаний топливной арматуры, включающий взаимосвязанные между собой и смонтированные на станине функциональные элементы - выходной вал, муфту, мерный блок, топливный бак, бак для масла, пневмошкаф, бак с испарителем и змеевиком, частотный преобразователь, электрический шкаф, холодильный агрегат, трубопроводы системы подачи топлива, трубопроводы системы подачи масла, измерительный элемент, пульт управления манометрами и термометром, и компьютерно-измерительный комплекс, электрически соединенный с мерным блоком (RU 2268390, 2004 г.).
Недостатком известных стендов является отсутствие возможности оценки эффективности сгорания топлива в цилиндрах и камерах сгорания тепловых двигателей.
Задачей настоящего изобретения является создание стенда для испытания тепловых двигателей, обеспечивающего возможность оценки и поиска методов повышения эффективности сгорания топлива в цилиндрах и камерах сгорания тепловых двигателей.
Поставленная задача достигается тем, что стенд для испытания тепловых двигателей содержит контур питания испытуемого двигателя штатным топливом, включающий бак со штатным топливом, подсоединенный трубопроводами подачи и возврата штатного топлива через регулируемые краны к испытуемому двигателю, оснащенному блоком контроля параметров работы двигателя, контур подготовки исследуемого топлива, включающий бак с исследуемым топливом, подсоединенный к насосу, подключенному к ультразвуковому проточному реактору, состоящему из ультразвукового генератора с блоком питания, подключенного к излучателю, который подсоединен к проточному реактору-диспергатору, СВЧ-генератор с блоком питания, подсоединенный к волноводной нагрузке, состоящей из волновода прямоугольного сечения и расположенных в его полости параллельно друг другу под углом 30° к оси волновода топливной трубки и трубки с охлаждающей жидкостью, изготовленных из материала, прозрачного для волн СВЧ, и контур охлаждения излучателя ультразвукового проточного реактора, состоящий из последовательно соединенных бака с охлаждающей жидкостью, теплообменника и насоса, при этом выход реактора-диспергатора подсоединен к топливной трубке волноводной нагрузки, выход которой через кран циркуляции подключен к баку с исследуемым топливом и через регулируемый кран к трубопроводу подачи исследуемого топлива к испытуемому двигателю, трубка с охлаждающей жидкостью подсоединена к баку с охлаждающей жидкостью контура охлаждения, а трубопровод возврата штатного топлива от двигателя через регулируемый кран подсоединен к бакам со штатным и исследуемым топливом.
Достигаемый технический результат заключается в оптимизации условий, обеспечивающих повышение эффективности сгорания топлива в цилиндрах и камерах сгорания тепловых двигателей, посредством верификации физических методов обработки топлива.
Работа предлагаемого стенда основана на экспериментальном изучении особенностей физико-химических процессов, возникающих при сгорании топлива, обработанного электромагнитным полем и/или ультразвуком.
Сущность предлагаемого устройства поясняется чертежом, на котором приведена принципиальная схема предлагаемого стенда.
Стенд содержит контуры питания двигателя штатным топливом и исследуемым топливом.
Контур двигателя 1 штатным топливом включает бак 2 со штатным топливом, подсоединенный трубопроводами подачи 3 и возврата 4 штатного топлива через регулируемые краны 5 и 6 к испытуемому двигателю 1, оснащенному блоком 7 контроля параметров работы двигателя. Подача топлива осуществляется самотеком.
Контур подготовки исследуемого топлива включает бак 8 с исследуемым топливом, подсоединенный трубопроводом 9 к насосу 10, подсоединенному к ультразвуковому проточному реактору. Ультразвуковой проточный реактор состоит из блока питания 11, ультразвукового генератора 12, электрически соединенного с излучателем 13, который подсоединен к проточному реактору-диспергатору 14. В контур подготовки исследуемого топлива входит СВЧ-генератор 15 с блоком питания 16, подсоединенный к волноводной нагрузке, состоящей из волновода 17 прямоугольного сечения и расположенных в его полости параллельно друг другу под углом 30° к оси волновода 17 топливной трубки 18 и трубки 19 с охлаждающей жидкостью. Трубки 18 и 19 изготовлены из материала, прозрачного для волн СВЧ, например из кварца.
При этом волновод выполнен из материала, непрозрачного для электромагнитных волн, с длиной, кратной длине волны излучения СВЧ-генератора.
В схеме стенда предусмотрен контур охлаждения излучателя 13 ультразвукового проточного реактора, состоящий из соединенных последовательно бака 20 с охлаждающей жидкостью, теплообменника 21 и насоса 22.
Для защиты СВЧ-генератора 15 от предельных нагрузок параллельно с топливной трубкой 18 происходит обработка проходящей через волновод 17 по трубке 19 охлаждающей жидкости.
Выход реактора-диспергатора 14 подсоединен к топливной трубке 18 волноводной нагрузки, выход которой через кран циркуляции 23 подключен к баку 8 с исследуемым топливом и через регулируемый кран 5 к трубопроводу 3 подачи исследуемого топлива к испытуемому двигателю 1. Трубка 19 с охлаждающей жидкостью подсоединена к баку 20 с охлаждающей жидкостью контура охлаждения, а трубопровод 4 возврата штатного топлива от двигателя 1 через регулируемый кран 6 подсоединен к бакам 2 и 8 со штатным и исследуемым топливом.
СВЧ-генератор 15 выполнен в виде магнетрона и соединен по фланцу с волноводом 17 прямоугольного сечения 90 мм × 45 мм, заглушенного со стороны, противоположенному фланцу. Используют СВЧ генератор с частотой излучения 2450 МГц и мощностью 0,8-1,0 кВт.
По трубке 19, расположенной ближе к заглушенному концу волновода 17, подается охлаждающая жидкость, по другой - топливной трубке 18, исследуемое топливо. Расстояние кварцевых трубок от фланца и заглушенного торца волновода и угол установки трубок, выбираются с учетом обеспечения максимальной интенсивности воздействия СВЧ поля на исследуемое топливо.
8
Излучатель 13 ультразвукового проточного реактора выполнен в виде магнитострикционного преобразователя, согласованного по частоте с волноводом гантельного типа, который соединен с реактором-диспергатором 14. Преобразователь магнитострикционный предназначен для преобразования высокочастотного электрического напряжения в механические колебания ультразвуковой частоты волновода в диапазоне 16 кГц - 10 Гц. Мощность ультразвукового излучения обеспечивается в диапазоне 0.1-1 кВт с возможностью плавного регулирования амплитуды колебания от 10 мкм до 100 мкм.
Бак 8, насос 10, кран 23 предназначены для хранения и подачи исследуемого топлива в зоны обработки полем СВЧ и ультразвуком. Краны 5 и 6 обеспечивают дальнейшую его подачу к испытуемому двигателю 1. Обеспечивается переменная производительность насоса в диапазоне от 0 до 10 л/мин.
Позицией 24 обозначен трубопровод между краном 23 и баком 8, позицией 25 обозначен трубопровод, соединяющий кран 23 с краном 5, позицией 26 обозначен трубопровод, соединяющий кран 6 и бак 8.
Контур охлаждения излучателя ультразвукового проточного реактора выполнен циркуляционного типа и одновременно выполняет роль дополнительной нагрузки для микроволнового реактора. Система обеспечивает расход охлаждающей жидкости от 3 до 5 л/мин.
Работа стенда для испытаний тепловых двигателей осуществляется следующим образом.
В соответствии с программой испытаний в контуре подготовки исследуемого топлива производится обработка топлива ультразвуком и полем СВЧ. Возможны следующие варианты обработки топлива: только ультразвуком, только полем СВЧ, обработка топлива одновременно ультразвуком и полем СВЧ. Время и характеристики обработки могут изменяться, также можно менять последовательность обработки.
Это достигается тем, что СВЧ-генератор 15 и ультразвуковой проточный реактор имеют раздельные системы пуска и регулировки. Эти варианты могут использоваться и при обработке топливо-водяной смеси.
Одновременная обработка полем СВЧ и ультразвуком дополняют друг друга, обеспечивая к эффектам диэлектрического нагрева и ионной проводимости топлива под действием поля СВЧ и возникновение эффекта кавитации от воздействия ультразвуком.
Исследуемое топливо из бака 8 по трубопроводу 9 насосом 10 подается в реактор-диспергатор 14, в котором происходит обработка топлива ультразвуком. Затем топливо поступает в топливную трубку 18, расположенную в полости волновода 17 под углом и на определенном расстоянии от источника излучения и торцевой стенки волновода 17 в зоне максимальной интенсивности поля СВЧ, создаваемое электромагнитным излучением СВЧ генератором 15. Обработанное топливо поступает через кран 23 по трубопроводу 24 в бак 8. Длительность и параметры обработки топлива ультразвуком и полем СВЧ регулируются блоком питания 11 ультразвукового генератора 12 и блоком питания 16 СВЧ генератора 15. Скорость протекания исследуемого топлива через реактор-диспергатор 14 и топливную трубку 18 регулируется насосом 10.
Затем производится пуск двигателя 1 на штатном топливе и обеспечивается его прогрев до температуры, оговоренной в его технических характеристиках. Производится замер характеристик работы двигателя.
Далее кранами 23, 5 и 6 производят переключение питания работающего двигателя 1 со штатного топлива на исследуемое топливо. После переключения крана 23 исследуемое топливо после трубки 18 по трубопроводу 25 подается на кран 5. Одновременное переключение кранов 5 и 6 обеспечивает подачу исследуемого топлива к двигателю 1 и его возврат по трубопроводу 26 в бак 8.
Производится повторный замер характеристик работы двигателя.
Сравнение результатов замеров характеристик позволяет делать заключение об эффективности процессов горения исследуемого топлива и его влиянии на снижение расхода топлива и экологические характеристики двигателя.
Испытания, производимые на стенде, предусматривают контроль и сравнение, как минимум, следующих характеристик двигателя при работе на штатном топливе и при работе на исследуемом топливе: величины расхода топлива, числа оборотов выходного вала двигателя, момента на валу двигателя, температуры газов в камере сгорания двигателя, температуры исследуемого топлива, состав выхлопных газов.
В соответствии с программой исследований производится обработка топлива или топливо-водяной смеси в контуре подготовки исследуемого топлива полем СВЧ, полем СВЧ и ультразвуком, только ультразвуком. Фиксируется время и интенсивность обработки, состав и характеристики исследуемого топлива после обработки.
x
y
x
После пуска и прогрева двигателя при работе на штатном топливе, замеряются и фиксируются значения расхода топлива, частота вращения коленчатого вала двигателя, давление в цилиндре двигателя, содержание в выхлопных газах токсичных соединений, в том числе оксида углерода СО, углеводородов CH, оксидов азота NO на различных режимах работы двигателя и при заданных значениях момента на валу двигателя.
x
y
x
Производится переключение работы двигателя со штатного топлива на исследуемое топливо. Определяются и фиксируются частота вращения коленчатого вала двигателя, давление в цилиндре, содержание в выхлопных газах токсичных соединений в том числе, оксида углерода СО, углеводородов CH, оксидов азота NO, расход исследуемого топлива при тех же заданных значениях момента на валу двигателя.
Производится сравнение замеренных параметров и делается заключение о влиянии проведенной обработки исследуемого топлива полем СВЧ и ультразвуком на эффективность сгорания топлива в цилиндре двигателя и изменение эффективности работы двигателя.
Конструкция предлагаемого стенда позволяет переключать работу двигателя со штатного топлива на исследуемое топливо без выключения двигателя.