Результат интеллектуальной деятельности: Способ определения периода задержки воспламенения жидких и газообразных топлив

Изобретение относится к исследованию физико-химических свойств топлив различного компонентного, углеводородного, фракционного состава и может быть использовано для определения периода задержки воспламенения жидких и газообразных топлив применительно к поршневым двигателям внутреннего сгорания (ДВС).

Период задержки воспламенения - время (τ_i) или угол поворота коленчатого вала двигателя (ϕ_i) от начала впрыска топлива в камеру сгорания двигателя до момента резкого подъема давления цилиндровых газов или температуры, или начала свечения.

Период задержки воспламенения оказывает большое влияние на процесс сгорания в поршневом ДВС и должен быть наиболее оптимальным для каждого двигателя. При чрезмерно длительном периоде задержки воспламенения большая часть топлива успевает испариться и смешаться с воздухом; в результате объемного воспламенения образовавшегося заряда резко возрастают давление, динамические нагрузки на детали двигателя и шум. При малом периоде задержки воспламенения топливо сгорает около распылителя форсунки и новые порции топлива поступают не в зону горячего воздуха, а в смесь воздуха с продуктами сгорания. Это приводит к неполному сгоранию топлива и, как следствие, к дымлению, потере мощности и снижению экономичности двигателя. Продолжительность периода задержки воспламенения зависит от интенсивности предпламенной физико-химической подготовки топлива, которая определяется прочностью молекул топлива, давлением, температурой и газодинамическим состоянием воздушного заряда, его микро- и макроструктурой.

Перед авторами поставлена задача - разработать способ, позволяющий определить период задержки воспламенения жидких и газообразных топлив с высокой точностью и меньшей трудоемкостью для оценки процесса сгорания в поршневом ДВС, который может быть реализован для техники двойного назначения (военной и гражданской техники) на доступном российском оборудовании.

Известен способ определения периода задержки жидких и газообразных топлив путем нагрева потока смеси топлива и окислителя до температуры самовоспламенения в зоне циркуляции и регистрации момента вспышки по появлению фронта пламени за механическим стабилизатором (в описании не раскрыто конструктивное выполнение) [1 - SU 659943, G01N 25/52, 1979 г.], или на пути потока до нагрева создают струйный экран из топливовоздушной смеси, а момент вспышки определяют по появлению фронта пламени за струйным экраном [2 - SU 979976, G01N 25/52,1982 г.].

Общим недостатком указанных способов являются низкая точность получаемых данных по причине отсутствия регистрации момента впрыска топлива в камеру сгорания и большая трудоемкость проведения исследований, т.к. требуется измерить десять параметров (давление перед шайбой манометра и за ней, температуру потока перед шайбой, статическое давление потока в камере воспламенения, температуру воспламенения, давление воздуха в трубопроводе, давление горючего газа и жидкого топлива, давление и температура топливовоздушной смеси) и по измеренным параметрам определить период задержки воспламенения.

Известен способ определения периода задержки воспламенения топлив, заключающийся в том, что период задержки воспламенения определяют на установке ИТД-69 с одноцилиндровым дизельным отсеком по измерению отрезка времени между началом впрыскивания (подъем иглы распылителя) и началом воспламенения струи топлива (появление светового сигнала от фотодатчика). Сигнал от датчика хода иглы распылителя форсунки поступает на первый вход осциллографа. Момент начала воспламенения топлива регистрируется фотодиодом, размещенным в оптической схеме световода, передающего световой сигнал. Излучение через кварцевое стекло оптического датчика поступает на фотодиод фотодатчика. Полученный в датчике электрический сигнал после усиления в усилителе подается на второй вход осциллографа. Период задержки воспламенения регистрируют непосредственно на экране осциллографа по смещению сигналов от датчиков хода иглы распылителя форсунки и фотодиода (момент начала воспламенения) [3 - Исследование периода задержки воспламенения биотоплив / П.Р. Вальехо Мальдонадо, С.В. Гусаков, С.Н. Девянин, В.А. Марков, Е.Г. Пономарев // Альтернативные топлива. - 2013. - №1 (31). - С. 55-61].

Недостатком данного способа являются неточность получаемых данных и большая трудоемкость проведения исследований, т.к. момент начала впрыска топлива в камеру сгорания двигателя не совпадает с моментом начала подъема иглы форсунки, а также возникает необходимость синхронизации сигналов от датчиков хода иглы распылителя форсунки и датчика фотодиода, фиксирующего момент воспламенения.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному изобретению и взятый за прототип является способ определения периода задержки воспламенения топлив, заключающийся в том, что период задержки воспламенения определяют на развернутой индикаторной диаграмме осциллографа как время от начала впрыска топлива до начала резкого подъема давления, т.е. фактически это точка отрыва кривой давления при сгорании от кривой давления при сжатии без впрыска топлива. За начало впрыска топлива принимают установочный угол опережения впрыска топлива ϕ_вп (задает завод-изготовитель двигателя) [4 - Химмотология горюче-смазочных материалов / А.С. Сафонов, А.И. Ушаков, В.В. Гришин. - СПб.: Изд-во НПИКЦ, 2007, С. 96-99, рис. 3.30 - точки 1 и 2 - прототип].

Недостатком данного способа являются значительная погрешность получаемых данных, т.к. момент начала впрыска топлива в камеру сгорания двигателя не соответствует установочному углу опережения впрыска топлива. Кроме того, вызывает затруднения создание идентичных условий снятия развернутых индикаторных диаграмм (с впрыском топлива и без впрыска топлива), что приводит к значительной трудоемкости исследований.

Технический результат изобретения - повышение точности с одновременным снижением трудоемкости определения периода задержки воспламенения топлив.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе определения периода задержки воспламенения жидких и газообразных топлив, включающем фиксацию текущего значения давления цилиндровых газов в камере сгорания двигателя и угла поворота коленчатого вала, построение развернутой индикаторной диаграммы в координатах «давление цилиндровых газов - угол поворота коленчатого вала», согласно изобретению, фиксацию давления цилиндровых газов в камере сгорания двигателя осуществляют с дискретностью 40 мкс, а за период задержки воспламенения принимают отрезок времени от момента изменения давления цилиндровых газов на величину менее 4% до момента изменения значения давления цилиндровых газов более, чем на 4%.

На фиг. 1 представлена развернутая индикаторная диаграмма с дискретностью 20 мкс изменения давления цилиндровых газов (по прототипу);

фиг. 2 развернутая индикаторная диаграмма с дискретностью 60 мкс изменения давления цилиндровых газов (по прототипу);

фиг. 3 развернутая индикаторная диаграмма с дискретностью 40 мкс изменения давления цилиндровых газов (заявленный способ);

фиг. 4 зависимость изменения периода задержки воспламенения от частоты вращения коленчатого вала двигателя при работе на летнем и зимнем дизельных топливах (ДТ) в условиях внешней скоростной характеристики (заявленный способ);

фиг. 5 зависимость изменения периода задержки воспламенения от частоты вращения коленчатого вала двигателя при работе на летнем и зимнем ДТ в условиях внешней скоростной характеристики (по прототипу);

Для обоснования дискретности фиксации текущих значений показаний давления цилиндровых газов, по которой осуществляется построение развернутой индикаторной диаграммы для определения периода задержки воспламенения, были проведены исследования с использованием установленной системы измерения на моторном стенде с четырехцилиндровым дизелем Д-245.12С. Дискретность задавалась от 20 до 60 мкс при построении развернутых индикаторных диаграмм.

Для определения давления цилиндровых газов использовался пьезокварцевый датчик, который устанавливается через специальную вставку таким образом, что осевой канал вставки соединяет внутреннюю полость камеры сгорания четвертого цилиндра (как наиболее теплонапряженного) с осевым каналом датчика. Сигналы с пьезокварцевого датчика давления цилиндровых газов поступают по соответствующему каналу через усилитель заряда и аналогово-цифровой преобразователь сигнала на плату компьютера и преобразуются в развернутые индикаторные диаграммы рабочего процесса двигателя. Для регистрации угла поворота коленчатого вала устанавливают на специальном кронштейне напротив зубьев маховика двигателя датчики отметки зубьев маховика и верхней мертвой точки. Сигнал от датчика отметки зубьев маховика позволяет определить угловое положение коленчатого вала относительно верхней мертвой точки с точностью до 2,5°. Сигнал от датчика верхней мертвой точки синхронизирован с прохождением поршнем четвертого цилиндра верхней мертвой точки. Полученные сигналы (электромагнитный импульс) от датчиков поступают по соответствующим каналам на плату компьютера. Визуальный контроль за наличием сигналов исследуемых процессов и их формой осуществляют по изображению на дисплее компьютера. Запись и архивация всех регистрируемых параметров и отметок зубьев маховика (времени по углу поворота коленчатого вала) синхронизированы между собой.

Способ задержки воспламенения реализуется следующим образом.

Как было приведено выше (с. 4), с дискретностью 40 мкс осуществлялась запись давления цилиндровых газов и регистрация угла поворота коленчатого вала двигателя, в результате чего получена развернутая индикаторная диаграмма (фиг. 3). На развернутой индикаторной диаграмме виден момент начала впрыска топлива в камеру сгорания двигателя (точка 1) и момент резкого подъема давления цилиндровых газов (точка 2). Давление цилиндровых газов после точки 1 изменяется на величину менее 4% до момента резкого подъема давления цилиндровых газов (точка 2) более, чем на 4%. Отрезок между точкой 1 и точкой 2 - период задержки воспламенения.

Пример. Необходимо сравнивать период задержки воспламенения двух опытных образцов товарного нефтяного ДТ: товарного летнего ДТ экологического класса К5 (ДТ-Л-К5) и товарного зимнего ДТ экологического класса К5 (ДТ-З-К5) по снятым развернутым индикаторным диаграммам рабочего процесса дизеля Д-245.12С. Два образца товарного нефтяного ДТ соответствуют ГОСТ 32511 (таблица 1).

Оценка периода задержки воспламенения исследуемых ДТ осуществлялась на экспериментальной установке, в состав которой входили автомобильный дизель Д-245.12С с системой подачи топлива, динамометрическая машина VSETIN IDS 932N с пультом управления и контрольно-измерительные приборы (измерители нагрузки на тормозе стенда, частоты вращения коленчатого вала дизеля, расхода топлива, температуры и давления масла в двигателе и т.п.).

Исследования дизеля при работе на исследуемых топливах проводили в условиях внешней скоростной характеристики, снимаемой в диапазоне частот вращения коленчатого вала от минимальной (1000 мин^-1) до номинальной частоты (2400 мин^-1) через каждые 200 мин^-1.

Дизель Д-245.12С запускают и нагружают динамометрической машиной через карданный вал. Испытуемые образцы топлив поступают из двух топливных баков поочередно по топливопроводам через топливный фильтр и расходомер топлива к топливному насосу высокого давления. Изменение подачи топлив осуществляют регулировочной рейкой топливного насоса высокого давления приводимой электроприводом дистанционно с пульта управления. Для подержания рабочего температурного режима двигателя (температура охлаждающей жидкости t_Ж=85-90°С, моторного масла t_M=90-95°С) дополнительно установлен теплообменник, находящийся в смесительном баке охлаждения двигателя. Снятие параметров двигателя с регистрирующей аппаратуры моторного стенда осуществляют с помощью приборов выведенных на панель приборов управления и персональный компьютер. Запись развернутых индикаторных диаграмм рабочего процесса двигателя осуществляют на персональный компьютер через аналогово-цифровой преобразователь.

Для определения периода задержки воспламенения при работе дизеля на различных видах топлива в соответствии с ГОСТ 14846-81 и ГОСТ 18509-88 на установившихся нагрузочно-скоростных и тепловых режимах с дискретностью 40 мкс снимаются развернутые индикаторные диаграммы. Результаты в каждом эксперименте заносят в протокол испытаний после работы двигателя на установившемся режиме не менее 5 минут. Сигналы с датчиков давления цилиндровых газов, отметки зубьев маховика и верхней мертвой точки на исследуемых режимах работы дизеля воспроизводятся на экране компьютера в виде развернутых индикаторных диаграмм рабочего процесса дизеля и далее записываются на жесткий диск. Запись всех показателей дизеля и сигналов с датчиков производится в трехкратной повторности в следующей последовательности.

Результаты определения периода задержки воспламенения заявленным способом и по прототипу показали, что значения периода задержки воспламенения предложенным способом, меньше чем у известного. Так, при работе двигателя на летнем ДТ при частоте вращения коленчатого вала 2400 мин^-1 период задержки воспламенения предложенным способом равен 0,656 мс, а у известного способа - 1,015 мс, то повышение точности определения показателей, зависимых от периода задержки воспламенения, очевидно.

Таким образом, применение изобретения позволит определять период задержки воспламенения с высокой точностью за счет того, что используемый существенный отличительный признак - измерения изменения текущих значений показаний давления цилиндровых газов с дискретностью 40 мкс от угла поворота коленчатого вала, позволило зафиксировать начало впрыска топлива в камеру сгорания двигателя (точка 1) и изменение давления менее чем на 4% в течение отрезка времени до момента резкого подъема давления цилиндровых газов (точка 2) более чем на 4%, на развернутой индикаторной диаграмме. Кроме того, уменьшаются трудозатраты, т.к. исключается наложение двух индикаторных диаграмм, снятых с подачей топлива и без топлива для фиксации отрыва линии сжатия от линии сгорания (точка 2).