Mathematical modeling of the functioning process of a single-cylinder air-cooled diesel engine taking into account the consumption of crankcase gases

Abstract

At present, the most effective method for studying internal combustion engines (ICE) is mathematical modeling and computational experiment. The use of a computational experiment can significantly reduce material and time costs in the research, design and refinement of the internal combustion engine. At the same time, despite the high level of the applied mathematical models, there are practically no studies aimed at establishing the regularities of the influence of the state of the cylinder-piston group (CPG) on the crankcase gas consumption and other indicators of engine operation at steady-state and transient modes. This article is devoted to solving an urgent problem associated with the development of a theoretical base that provides a comprehensive simulation of steady-state and transient modes of diesel engine operation, taking into account the consumption of crankcase gases. The article presents a mathematical model of a diesel engine based on thermal mechanics, which reflects the main features of the engine as a system that converts energy in time. The system of equations of the mathematical model is based on the laws of conservation of energy, mass, equations of motion of solid links and includes differential equations for the rates of change in the temperature and density of the working fluid in the cylinder and in the crankcase of the internal combustion engine, the ideal gas equation of state, as well as differential equations for the change in the angular speed and angle of motor shaft rotation. The mathematical model is tested on the example of a small-sized single-cylinder diesel engine 1Ch9.5 / 8.0 with air cooling. This type of engine is widely used for small-scale mechanization in agriculture, generator sets, etc. The article presents the results of calculations of a number of engine operating modes in comparison with the results of field tests carried out at the test bench.

Keywords

diesel / crankcase gas consumption / mathematical modeling

References

[1] Грехов Л.В., Иващенко Н.А., Марков В.А. Двигатели внутреннего сгорания / Энциклопедия. Т. IV-14; Под общ. ред. А.А. Александрова и Н.А. Иващенко. М.: Машиностроение. 2013. 784 с.

[2] Орлин A.C. Двигатели внутреннего сгорания / под общ. ред. д-ра техн. наук A.C. Орлина. М.: Машгиз, 1955. 266 с.

[3] Афинеевский С.А., Ермолаев П.С., Метелкин В.А. Зеркало цилиндра, утечка газов и угар масла // Автомобильная промышленность. 1989. № 3. С. 26.

[4] Говрущенко Н.Я. Диагностика технического состояния автомобилей. М.: Транспорт, 1970. 251 с.

[5] Ряков В.Г. Исследование и разработка метода дифференциальной диагностики цилиндропоршневой группы двигателя внутреннего сгорания по параметрам герметичности: автореф., дис. на соискание учёной степени канд, техн. наук. Новосибирск, 1981. 19 с.

[6] Воронин Д.М., Гуськов Ю.А., Вертей М.Л., Сафонов А.В. Влияние конструктивных параметров двигателя на величину пульсаций потока картерного газа // Вестник КрасГАУ. Красноярск, 2016. № 12. С. 112-117.

[7] Колунин А.В., Шудыкин А.С., Белокопытов С.В. Определение состояния цилиндропоршневой группы двигателей военной техники по расходу картерных газов // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. Тула, 2015. С. 583-588.

[8] Николаев Е.В. Совершенствование технологии диагностирования цилиндропоршневой группы дизельного двигателя по параметрам картерных газов: автореф. дис. на соискание учёной степени канд, техн. наук. М., 2013. 17 с.

[9] Гаврилов А.А., Морозов В.В., Сысоев С.Н. О расходе картерных газов быстроходных дизелей // Современные проблемы науки и образования. 2012. № 4. URL: http://www.science-education.ru/ru/article/view?id=6486 (дата обращения: 27.04.2020).

[10] Колчин, A.B. Бобков Ю.К. Новые средства и методы диагностирования автотракторных двигателей. М.: Колос, 1982. 108 с.

[11] Никитин Е.А., Станиславский Л.B. и т.д. Диагностирование дизелей. М.: Машиностроение, 1987. 224 с.

[12] Андриянов С.М., Башегуров С.В. Анализ и формирование требований к системам вентиляции картера дизелей // Вестник Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии. 2014. С. 7-14.

[13] Волков М.Ю. Совершенствование системы вентиляции картера двухцилиндрового дизеля: автореф. дис. на соискание учёной степени канд, техн. наук. Владимир: ВлГУ, 2008. 19 с.

[14] Рытвинскийp Т.Н. Исследование влияния вентиляции картеров автомобильных двигателей внутреннего сгорания: дис. на соискание учёной степени канд, техн. наук. Москва, 1968. 200 с.

[15] Платонов К.Ю., Хмелев Р.Н. Моделирование и анализ деформаций цилиндра дизельного одноцилиндрового двигателя на стадии сборки // Конструирование, использование и надежность машин сельскохозяйственного назначения. 2017. № 1(16). С. 274-278.

[16] Малиованов М.В., Хмелев Р.Н. Разработка методики проектировочных расчетов поршневых двигателей внутреннего сгорания // Модернизация и научные исследования в транспортном комплексе. 2012. Т. 1. С. 290-293.

[17] Мамонтов М.А. Основы термодинамики тела переменной массы. Тула: Приокское книжное изд., 1970. 87 с.

[18] Хмелев Р.Н. Математическое и программное обеспечение системного подхода к исследованию и расчету поршневых двигателей внутреннего сгорания: монография. Тула: Изд-во ТулГУ, 2011. 229 с.

[19] Агуреев И.Е., Груничев А.В., Платонов К.Ю., Плешанов А.А., Рыбаков Г.П., Хмелев Р.Н. Экспериментальные исследования влияния монтажных деформаций цилиндра дизеля на его эксплуатационные показатели// Известия МГТУ «МАМИ». 2020. № 1(43). С. 2-8.

[20] I.E. Agureev, K.Yu. Platonov and R.N. Khmelev Computational and Experimental Studies of Deformations of Air-Cooled Diesel Cylinders at Its Assembling // Lecture Notes in Mechanical Engineering. Proceedings of the 5th International Conference on Industrial Engineering (ICIE 2019), Volume II. 2019. P. 261-271.

RIGHTS & PERMISSIONS

Pavlov D.V., Platonov K.Y., Khmelev R.N.