СПОСОБ КОЛИЧЕСТВЕННОЙ ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА РАСПЫЛИВАНИЯ ТОПЛИВА ФОРСУНКОЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1994 года по МПК F02M65/00 

Изобретение относится к области испытания топливовпрыскивающей аппаратуры двигателей внутреннего сгорания и может применяться для количественной оценки качества распыливания топлива форсунками при производстве и исследованиях топливовпрыскивающей аппаратуры.

Известен способ контроля качества распыливания топлива распылителями дизельных форсунок, заключающийся в том, что пучок лазерного излучения, пронизывающий факел топлива, впрыскиваемого дизельной форсункой через распылитель в открытый объем, рассеивается частицами распыленного топлива и попадает на фотокатод фотодетектора. Часть пучка, прошедшая без рассеяния, отсекается непрозрачной маской, и на фотокатод воздействует только рассеянная часть излучения. Поэтому величина электрического сигнала, появляющегося на выходе фотодетектора, пропорциональна интенсивности рассеянного излучения и адекватно характеризует качество распыливания топлива.

Известно также устройство, реализующее способ контроля качества распыливания топлива распылителем дизельной форсунки, содержащее лазер, установленный с направлением пучка излучения, перпендикулярным оси факела распыленного топлива, фотодетектор с фотокатодом и соединенный с ним индикатор сигнала, пороговое устройство в виде триггера, вход которого соединен с выходом фотодетектора, непрозрачную маску, расположенную соосно с пучком лазера непосредственно перед фотокатодом и точно повторяющую форму и размеры поперечного сечения пучка лазера, причем размеры маски не превышают соответствующих размеров фотокатода.

Недостатками известных способа и устройства являются низкая точность результатов испытаний из-за сложности выделения полезного сигнала при установке непрозрачной маски, недостаточная достоверность полученных результатов вследствие несоответствия условий испытаний реальным условиям в двигателе, ограниченность количества исследуемых параметров, характеризующих качество распыливания, невозможность получения геометрических, структурных и статистических характеристик факела топлива, отсутствие возможности сопоставления влияния давления, создаваемого топливным насосом, и гидравлических процессов в подводящем топливопроводе на качество распыливания, незащищенность испытателя и исследовательской аппаратуры от паров топлива.

Техническим результатом использования предлагаемого изобретения является значительное повышение точности результатов испытаний благодаря применению юстируемого пространственного фильтра, состоящего из объектива и юстируемой диафрагмы, повышение достоверности получаемых результатов путем приближения условий испытания форсунки к реальным условиям в двигателе, значительное расширение количества исследуемых параметров, характеризующих качество распыливания, получение геометрических, структурных и статистических характеристик факела топлива, возможность сопоставления влияния давления, создаваемого топливным насосом, и гидравлических процессов в подводящем топливопроводе на качество распыливания установкой в необходимых местах топливоподающей системы датчиков давления, обеспечение защиты испытателя и исследовательской аппаратуры от паров топлива благодаря применению замкнутого контура циркуляции топлива.

Кроме того, предлагаемое изобретение позволяет автоматизировать обработку результатов испытаний с использованием для этой цели ЭВМ.

Сущность изобретения заключается в том, что в способе количественной оценки качества распыливания топлива форсункой, согласно которому рассеивают лазерное излучение частицами впрыскиваемого форсункой топлива, измеряют величину фототока и судят по ней о качестве распыливания топлива форсункой, в качестве измерительного инструмента использован микроизмерительный объем в виде интерференционного поля, который формируют в оптически прозрачной емкости, предварительно создав в ней с помощью инертного газа противодавление впрыскиваемому исследуемой форсункой топливу, и которым сканируют факел распыливаемого топлива, измеряя переменную составляющую фототока, по которой судят о качестве распыливания топлива.

Отличительными признаками заявленного способа являются: использование интерференционного поля в качестве высокоточного измерительного инструмента, использование замкнутой емкости с созданием в ней условий, близких к условиям впрыскивания топлива в реальном двигателе, использование для анализа качества распыливания топлива переменной составляющей фототока, возможность анализа влияния на качество распыливания топлива гидравлических процессов, происходящих в топливоподающей системе.

Сущность изобретения заключается также в том, что устройство для количественной оценки качества распыливания топлива форсункой, содержащее последовательно оптически связанные лазер и фотодетектор с фотокатодом, соединенный электрически с индикатором сигнала, дополнительно содержит последовательно установленные между лазером и фотодетектором дифференциальную оптическую систему, оптически прозрачную емкость с газожидкостным редуктором и управляемыми нагнетательным, перепускным и предохранительным клапанами и блок приемной оптики, причем дифференциальная оптическая система состоит из светоделительного и поворотного элементов и длиннофокусной линзы, блок приемной оптики - из объектива и юстируемой диафрагмы, фотодетектор снабжен делителем высоковольтного напряжения, к выходу фотодетектора подключен высокочастотный широкополосный усилитель, с которым одним входом соединен электронный процессор, а другим - с высокочастотным генератором сигналов, имеющим также выход и на электронносчетный частотомер, кроме того, дополнительно содержит датчики давления, установленные в топливоподающей системе, выходы которых подключены к входам многоканального усилителя, генератор высокостабилизированных тактовых импульсов и многоканальный магнитограф, причем к входам многоканального магнитографа подключены анализатор спектра, многоканальный усилитель и генератор высокостабилизированных тактовых импульсов, а его выходы через блоки прямой записи соединены с многоканальным магнитоэлектрическим осциллографом, а через блоки аналого-цифровых преобразователей - с ЭВМ.

Отличительными признаками заявленного устройства являются: применение в качестве устройства, создающего измерительное интерференционное поле, лазерного доплеровского анемометра (ЛДА), применение оптически прозрачной емкости, заданная величина противодавления выпрыскиванию топлива в которой автоматически поддерживается газожидкостным редуктором, наличие сменных головок для крепления форсунок с различными типами распылителей и различным способом крепления, наличие координатного устройства с четырьмя степенями свободы, позволяющего сканировать исследуемый факел по всему объему в различных плоскостях, применение прибора, анализирующего доплеровскую составляющую сигнала, наличие резисторного делителя высоковольтного напряжения, организующего подачу идентичного напряжения на диоды фотоэлектронного умножителя, использование датчиков давления, устанавливаемых в топливоподающей системе, применение прибора, задающего единый масштаб времени для гидравлических - в топливоподающей - и механических - в факеле распыливаемого топлива - процессов, использование для обработки результатов измерений ЭВМ.

Наличие существенных признаков, отличающих заявленные способ и устройство от прототипа, свидетельствует о их соответствии критерию изобретения "новизна".

В результате проведенного патентного поиска заявителями не обнаружены технические решения, содержащие существенные отличительные признаки заявленного технического решения, которые использовались бы для реализации поставленной заявителями задачи с получением такого же результата. Следовательно, заявленное техническое решение соответствует критерию изобретения "изобретательский уровень".

Изобретение является промышленно применимым, так как не содержит существенных признаков, техническая реализация которых невозможна, и может быть воспроизведено.

На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства; на фиг.2 - график поля скоростей одного из сечений топливного факела.

Устройство содержит лазер 1, оптически связанный посредством дифференциальной оптической системы I, включающей светоделительный элемент 2 в виде светоделительного кубика и поворотный элемент 3 в виде призмы полного внутреннего отражения и длиннофокусную линзу 4, с блоком II приемной оптики, включающим объектив 5 и юстируемую диафрагму 6, и фотоприемным блоком III, состоящим из фотодетектора 7 (например, фотоэлектронного умножителя) и делителя 8 высоковольтного напряжения, в качестве которого использован резисторный, экранированных для обеспечения их электрической и магнитной защиты от наводок.

Питание к фотодетектору 7 подается от высоковольтного стабилизированного источника 9 постоянного тока по экранированному кабелю. Фотодетектор 7 одним выходом связан с индикатором 10 сигнала (например, микроамперметром), а другим - с входом высокочастотного широкополосного усилителя 11. Выход высокочастотного широкополосного усилителя 11 подключен к одному из входов электронного процессора (например, панорамного анализатора 12 спектра), второй вход которого соединен с высокочастотным генератором 13 сигналов, имеющим также выход и на электронно-счетный частотомер 14.

Выходные каналы электронного процессора, генератора 15 высокочастотных стабилизированных тактовых импульсов и многоканального усилителя 16 связаны с входами универсального многоканального магнитографа 17, который имеет выход или через блоки аналого-цифровых преобразователей на ЭВМ 18, или через блоки прямой записи на многоканальный магнитоэлектрический осциллограф 19.

Многоканальный усилитель 16 связан с датчиком 20 давления (в частности, пьезоэлектрическим), установленным на входе форсунки 21. Датчики давления могут быть установлены также на выходе топливного насоса (не показан) или в других, необходимых для исследований, местах топливоподающей системы.

Исследуемая форсунка 21 закреплена в оптически прозрачной емкости 22 с регулируемым противодавлением впрыскиванию топлива с помощью сменной головки 23, что позволяет исследовать форсунки не только с различным способом крепления, но и с разными типами распылителей.

Оптически прозрачная емкость 22 с регулируемым противодавлением впрыскиванию топлива (в дальнейшем - емкость) смонтирована на кронштейне прецизионного координатного устройства (не показано), имеющего четыре степени свободы, что дает возможность исследовать факел распыливаемого топлива в любой пространственной точке и позволяет измерять поля скоростей в объеме факела.

В боковых стенках емкости 22 герметично установлены кварцевые стекла 24, через которые осуществляется оптическая связь лазера 1 с блоком II приемной оптики. Внутри емкости 22 имеются поглотитель 25 отраженных от стенок частиц топлива и отсекатель 26.

Емкость 22 соединена с источником избыточного давления инертного газа (например, газовым баллоном) (не показан) через газожидкостный редуктор 27 с автоматическим поддержанием заданного уровня давления, контроль которого осуществляется по манометру 28. Редуктор 27 соединяет также полость емкости 22 с топливным баком универсального топливного стенда (не показаны) для слива скопившегося топлива. Таким образом, циркуляция топлива происходит по замкнутому контуру, что исключает попадание паров топлива в атмосферу и влияние их на испытателя и работу исследовательской аппаратуры.

Устройство, реализующее заявленный способ, работает следующим образом.

Формируемый лазером 1, отъюстированным на основную моду, остронаправленный гауссов пучок монохроматического, когерентного, линейно-поляризованного светового излучения (в дальнейшем-пучок), проходя через светоделительный элемент 2, делится по амплитуде на два пучка приблизительно одинаковой мощности, один из которых не меняет направления, а второй становится перпендикулярным исходному пучку. Затем второй пучок, пройдя через поворотный элемент 3, становится параллельным первому, после чего оба пучка фокусируются длиннофокусной линзой 4 в полости емкости 22 в объем порядка 10^-3 мм³ (микроизмерительный объем), где при суперпозиции пучков происходит перераспределение в пространстве плотности мощности суммарного поля с возникновением интерференции.

Для приближения процесса впрыскивания к реально происходящему в двигателе в емкость 22 от газового баллона поступает инертный газ (например, азот), чем создается противодавление впрыскиванию, величина которого автоматически поддерживается, с контролем по манометру 28, газожидкостным редуктором 27, имеющим предохранительный и настраиваемые на необходимое давление нагнетательный и перепускной клапаны. Предохранительный клапан настроен на давление, максимально допустимое по условиям прочности элементов емкости 22.

Скапливающееся при работе форсунки 21 топливо повышает давление в емкости 22. При этом автоматически открывается перепускной клапан и давление снижается до заданного уровня. Топливо по сливному трубопроводу вытесняется в топливный бак универсального топливного стенда.

Частицы топлива в процессе впрыскивания его форсункой 21 в среду с противодавлением пересекают микроизмерительный объем, вызывая рассеяние интерференционного поля. Рассеянное частицами излучение собирается объективом 5 и направляется на чувствительный элемент фотодетектора 7, перед которым установлена юстируемая диафрагма 6.

Объектив 5, расположенный на двойном фокусном расстоянии от исследуемой точки топливного факела, формирует в рассеянном свете изображение области пересечения пучков в плоскости диафрагмы 6 в масштабе 1:1. Размер диафрагмы 6 согласован с размером изображения области измерения. Поэтому объектив 5 и диафрагма 6 образуют пространственный фильтр, в результате действия которого поверхности фотокатода достигает лишь излучение, рассеянное непосредственно из области пересечения зондирующих пучков.

Так как суммарный фототок от частиц топлива, движущихся через микроизмерительный объем, равен сумме значений фототоков от каждой частицы, а количество частиц является одной из характеристик качества распыливания, то постоянная составляющая фототока - аналог мощности рассеянного излучения - может косвенно характеризовать качество распыливания топлива форсункой. Постоянная составляющая фототока измеряется микроамперметром 10, по ее величине настраивается оптическая система.

Воспринимая пульсации оптического излучения, вызванные пересечением частицами топлива микроизмерительного объема, фотодетектор 7, работая в режиме прямого фотодетектирования, преобразует их в электрический сигнал, который усиливается посредством вторичной электронной эмиссии на его динодах. Электрический сигнал представляет собой последовательность импульсов электрического тока высокочастотной модуляцией. В соответствии с эффектом Доплера частота модуляции отдельных импульсов несет информацию о скорости объектов, являющихся причиной этих импульсов.

Так как фотодетектор 7 является квадратичным, то его выходной ток содержит переменную составляющую, которая выделяется нагрузочным сопротивлением в диапазоне 0...5˙10⁶ Гц, что согласуется с входом анализатора 12 спектра. Перед поступлением на анализатор 12 спектра переменная составляющая фототока предварительно усиливается в высокочастотном широкополосном усилителе 11.

Спектральный анализ доплеровской составляющей сигнала осуществляется электронным процессором, в качестве которого применен панорамный анализатор 12 спектра. Для определения величины доплеровской составляющей сигнала (частоты) на анализатор 12 спектра подается частотная метка с высокочастотного генератора 13 сигналов, частота которой с высокой точностью измеряется электронно-счетным частотомером 14.

Сопоставление процесса изменения давления в топливоподающей системе c сигналом от лазерного доплеровского анемометра осуществляется в реальном времени. При этом в качестве временного масштабного фактора используется высокочастотная стабилизированная последовательность тактовых импульсов, вырабатываемых специальным генератором 15 - электронными часами.

Пульсации давления в топливоподающей системе воспринимаются датчиками 20 давления, усиливаются в многоканальном усилителе 16 и синхронно с соответствующими им доплеровскими сигналами и сигналами от электронных часов записываются на магнитную ленту универсального многоканального магнитографа 17, которая является носителем информации для последующей обработки сигналов на ЭВМ 18 или для их визуализации.

Универсальный многоканальный магнитограф 17 имеет как блок для прямой записи, так и блок аналого-цифровых преобразователей сигналов. Поэтому обработка доплеровского сигнала в цифровой форме на ЭВМ 18 может производиться напрямую, без предварительной записи на носителе информации. Визуализация сигналов осуществляется в форме записи на фотобумаге многоканального магнитоэлектрического осциллографа 19, подключаемого к блоку прямой записи.

В предложенном устройстве используется доплеровский метод измерения скорости потока применительно к скорости частиц распыливаемого топлива. При этом реализуется обратная задача: скорость частицы определяется по измеренной частоте доплеровского сигнала и углу между зондирующими лазерными пучками
u = где f_s - частота доплеровского сигнала;
Л = = - период интерференционного поля в области пересечения пучков, где λ - длина волны излучения лазера;
α - угол между зондирующими пучками;
μ - показатель преломления среды.

Полученная скорость частиц является проекцией скорости на вектор чувствительности ЛДА, представляющий собой геометрическую разность волновых векторов зондирующих пучков и имеющий направление, совпадающее с направлением оси распространения массы впрыскиваемого топлива.

По рассчитанным скоростям частиц строятся поля скоростей в объеме топливного факела, форма и размеры факела, а также определяются его структурные и статистические параметры.

Использование: испытания топливовпрыскивающей аппаратуры двигателей внутреннего сгорания. Сущность изобретения: форсунка 21 впрыскивает топливо в оптически прозрачную емкость 22, в которой автоматически поддерживается заданное противодавление впрыскиванию. При пересечении частицами топлива микроизмерительного объема лазерного доплеровского анемометра происходит рассеяние интерференционного поля. Юстируемый пространственный фильтр выделяет из общего потока рассеянного частицами излучения лишь его часть, идущую непосредственно из микроизмерительного объема. Пульсации оптического излучения преобразуются фотодетектором 7 в импульсы электрического тока и усиливаются им. Переменная составляющая фототока, выделяемая нагрузочным сопротивлением, усиливается высокочастотным широкополосным усилителем 11 и поступает в анализатор 12 спектра. Определение величины доплеровской составляющей сигнала производится по частотной метке, задаваемой высокочастотным генератором 13 сигналов. По известной формуле рассчитываются скорости частиц и строятся поля их скоростей. Последующими расчетами определяются геометрические, структурные и статические параметры частиц топлива, присутствующих в факеле. 2 с. и 1 з.п.ф-лы, 2 ил.

1.Способ количественной оценки качества распыливания топлива форсункой, заключающийся в рассеивании лазерного излучения частицами впрыскивания форсункой топлива, формировании потоком рассеянного лазерного излучения фототока и определении качества распыливания по характеру фототока, отличающийся тем, что формируют микроизмерительный объем в виде интерференционного поля в оптически прозрачной емкости, топливо впрыскивают в последнюю, предварительно создав в емкости противодавление впрыскиваемому топливу с помощью инертного газа, сканируют микроизмерительным объемом факел распыливаемого топлива, измеряют переменную составляющую фототока и судят по ней о качестве распыливания топлива. 2. Устройство для количественной оценки качества распыливания топлива форсункой, содержащее последовательно установленные и оптически связанные лазер, диафрагму, фотодетектор с фотокатодом, индикатор сигнала, электрически соединенный с фотодетектором, систему топливоподачи, сообщенную с форсункой, причем форсунка установлена между лазером и фотодетектором, отличающееся тем, что оно снабжено последовательно установленными между лазером и фотодетектором дифференциальной оптической системой, имеющей четыре степени свободы, оптически прозрачной емкостью с газожидкостным редуктором и управляемыми нагнетательным, перепускным и предохранительным клапанами и блоком приемной оптики и также высокочастотным широкополосным усилителем, электронным процессором, высокочастотным генератором сигналов и электронно-счетным частотомером, причем дифференциальная оптическая система выполнена в виде светоделительного и поворотного элементов и длиннофокусной линзы, блок приемной оптики выполнен в виде объектива и юстируемой диафрагмы, фотодетектор выполнен с делителем высоковольтного напряжения, выход фотодетектора соединен с входом высокочастотного широкополосного усилителя, выход которого соединен с первым входом электронного процессора, а второй вход последнего соединен с высокочастотным генератором сигналов, связанным с электронно-счетным частотомером. 3.Устройство по п.2, отличающееся тем, что снабжено датчиками давления, установленными в системе топливоподачи, многоканальным усилителем, входы которого связаны с выходами датчиков давления, генератором высокостабилизированных тактовых импульсов, многоканальным магнитографом с блоками прямой записи и блоками аналого-цифровых преобразователей, многоканальным магнитоэлектрическим осциллографом, связанным с выходами магнитографа через блоки прямой записи, электронной вычислительной машиной, связанной с выходами магнитографа через блоки аналого-цифровых преобразователей, причем входы магнитографа связаны с многоканальным усилителем, с электронным процессором и с генератором высокостабилизированных тактовых импульсов.