СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДЫМНОСТИ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ ДИЗЕЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2001 года по МПК G01M15/00 

Изобретение относится к способам измерения параметров технических систем и может быть использовано для определения дымности отработавших газов дизельных двигателей, например дизелей самоходных сельскохозяйственных машин и различных тракторов, в том числе сельскохозяйственных, промышленных, лесопромышленных и лесохозяйственных, а также дизелей различных грузовых и легковых автомобилей.

В настоящее время считается общепризнанным то, что показатель дымности отработавших газов дизельных двигателей является важным параметром для оценки технического состояния дизеля и исправности его работы. Кроме того, работа дизеля при повышенной дымности резко ухудшает экологическое состояние окружающей среды. В связи с этим важно иметь возможность простого и достаточно точного периодического измерения дымности отработавших газов дизелей.

Известен способ определения дымности отработавших газов дизельного двигателя на установившемся режиме его работы при номинальной частоте вращения коленчатого вала двигателя путем фиксирования показаний включенного в работу дымомера (см. Межгосударственный стандарт: Охрана природы. Атмосфера. Нормы и методы определения дымности отработавших газов дизелей, тракторов и самоходных сельскохозяйственных машин. ГОСТ 17.2.2.02-98, Минск, 1998, с. 6-7).

В качестве показателя дымности используют как величину N (размерность%) - коэффициент ослабления светового потока по вспомогательной шкале дымомера с эффективной базой, равной 0,43 м, так и величину К (размерность м^-1) - натуральный показатель ослабления светового потока по основной шкале дымомера (см. тот же ГОСТ, с.2).

Преимущества и целесообразность измерения дымности N (К) именно при номинальной частоте n_ном вращения коленвала объясняются следующим. Во-первых, как показали многочисленные исследования, в этом случае при прочих равных условиях происходит наиболее полное сгорание топлива в цилиндрах двигателя, и величина дымности устанавливается на устойчивом минимальном уровне, поэтому повышается точность измерений. Кроме того, основное время эксплуатации дизелей происходит именно при номинальном режиме их работы, т. е. при номинальной частоте n_ном вращения коленвала, максимальной эффективной мощности P, максимальном часовом расходе G топлива, минимальном удельном расходе g топлива (расходе топлива на единицу мощности двигателя), номинальной цикловой подаче Q топлива, и, как уже отмечено выше, при минимальной дымности N (К), поэтому величина дымности, измеренная при n_ном, будет наиболее достоверно отражать техническое состояние дизеля. При других режимах работы двигателя показания дымности будут носить искаженный характер, и оценка технического состояния двигателя по параметру дымности будет неверна.

Так, например, максимальные концентрации дымности в отработавших газах дизелей характерны для режимов малых нагрузок и холостого хода, а также при максимальных нагрузках и на режимах повышенной частоты вращения коленвала.

При малых нагрузках в связи с ухудшением распыливания топлива в камере сгорания имеют место зоны бедных смесей; при этом низкая температура отрицательно сказывается на завершении реакции сгорания.

При максимальных нагрузках также снижается скорость протекания реакции окисления топлива из-за появления зон чрезмерно богатых смесей. В режимах высокой частоты вращения коленвала дизеля недостаточно времени для завершения реакции сгорания, что обуславливает повышение содержания дымности в отработавших газах дизеля (см. фиг. 1).

Однако проблема, связанная с применением вышеуказанного способа определения дымности, заключается в том, что номинальную частоту вращения коленвала дизеля на безрегуляторном режиме его работы можно достичь на время, достаточно длительное для осуществления измерений дымности, только при нагружении дизеля тормозным устройством. Это выполнимо в определенных стационарных условиях, например, при установке дизеля или машины с используемым на ней дизелем на соответствующем стенде. Для оперативных измерений дымности в эксплуатационных условиях этот способ неприменим.

Известен также способ определения дымности отработавших газов дизельного двигателя на режиме свободного ускорения, заключающийся в том, что при работе двигателя на минимальной устойчивой частоте вращения холостого хода резко перемещают орган управления регулятором частоты вращения коленчатого вала двигателя в положение, соответствующее максимальной подаче топлива, после чего по шкале включенного в работу дымомера фиксируют максимальное значение дымности (см. тот же ГОСТ, с. 7).

Преимущества второго известного способа заключаются в отсутствии необходимости использования дополнительных нагрузочных тормозных устройств, так как дизель при свободном ускорении (разгоне) на безрегуляторном режиме работы нагружается силами инерции собственных цилиндров. Однако это преимущество в значительной степени перечеркивается тем, что фиксируют именно максимальное значение дымности. Неоднократные исследования на ряде дизельных двигателей, таких как Д-50, Д-65, Д-37М, Д-37Е, Д-48, Д-240 и др., подтвердили тот факт, что максимальные значения дымности на режиме свободного ускорения наблюдаются на начальном этапе разгона дизеля, при отсутствии нормального протекания рабочих процессов в камере сгорания. В это время резко возрастает цикловая подача Q топлива, крутящий момент М двигателя достигает максимального значения, в цилиндрах двигателя не успевает стабилизироваться нормальный процесс смесеобразования топлива с воздухом, и происходит резкое увеличение содержания дыма в отработавших газах (см. фиг. 1). Таким образом, измеренный по второму известному способу параметр дымности не может служить для достоверной оценки действительного технического состояния дизеля.

Задача настоящего изобретения заключается в получении такого способа определения дымности отработавших газов дизеля, который обеспечил бы довольно точное и оперативное определение, в том числе в условиях эксплуатации, величины дымности отработавших газов дизельного двигателя, по которой можно было бы достоверно оценить его техническое состояние.

Указанная задача достигается тем, что в способе определения дымности отработавших газов дизельного двигателя на режиме свободного ускорения, заключающемся в том, что при работе двигателя на минимальной устойчивой частоте вращения холостого хода резко перемещают орган управления (ОУ) регулятором частоты вращения (РЧВ) коленчатого вала двигателя в положение, соответствующее максимальной подаче топлива, после чего фиксируют показание включенного в работу дымомера, это показание фиксируют при частоте вращения коленчатого вала двигателя, отличающейся не более чем на ± 1% от ее номинального значения.

С развитием процесса свободного ускорения (разгона) дизельного двигателя при достижении n_ном срабатывает всережимный РЧВ коленчатого вала двигателя, который начинает отключать подачу топлива, при этом величина дымности стабилизируется на минимальном уровне. На основе экспериментальных измерений было установлено, что при частоте вращения коленчатого вала двигателя, отличающейся не более чем на 1% от ее номинального значения, т. е. в диапазоне (0,99 - 1,01)n_ном, величина дымности гарантированно стабилизируется, и предложенное измерение дымности в указанном диапазоне позволяет повысить точность измерений на 30% по сравнению со вторым известным способом. При этом проведение измерений при n > 1,01 n_ном нецелесообразно и дает искаженный результат по определению дымности в дизельном двигателе, так как наступает режим высокой частоты вращения, при которой недостает времени для завершения реакции сгорания, что обуславливает повышенное содержание дымности в отработавших газах [см. фиг. 1, график N(K)].

Исследования, проведенные на вышеуказанных типах дизельных двигателей (а также на двигателях Д-240Л, Д-240Г и Д- 240ЛГ), в которых могут быть использованы топливные насосы высокого давления (ТНВД) серии УТН-5, показали, что для того, чтобы гарантированно исключить из области измерений дымности начальный этап свободного ускорения, достаточно включить в работу дымомер после истечения 0,8 секунд после достижения ОУ положения, соответствующего максимальной подаче топлива. Поэтому применительно к существующим типам дизельных двигателей, эксплуатирующихся с существующими типами ТНВД, в заявленном способе дымомер включают через 0,8 секунд после достижения ОУ положения, соответствующего максимальной подаче топлива, и выключают в момент достижения указанной номинальной частоты вращения, причем фиксируют минимальное показание дымомера.

В частном случае дымомер можно выключать в момент срабатывания указанного РЧВ на уменьшение подачи топлива, так как именно в данный момент достигается n_ном. Для этого, используя конструкцию существующих ТНВД, дымомер можно выключать в момент прерывания контакта основного рычага указанного РЧВ с головкой болта установки указанной номинальной частоты вращения.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг. 1 схематически показано изменение основных параметров дизельного двигателя (крутящего момента М, мощности P, дымности N (К), часового расхода G топлива, цикловой подачи Q топлива и удельного расхода g топлива) на режиме свободного ускорения от минимальной n_xmin до максимальной n_xmax частоты вращения коленчатого вала на холостом ходу;
на фиг. 2 - схема подключения дымомера для реализации заявленного способа.

Типичная конструкция ТНВД дизельного двигателя с РЧВ содержит корпус 1 насоса с ввернутым в него металлическим болтом 2 установки номинальных оборотов n_ном, плунжерную пару 3, рейку 4, связанную через тягу 5 с промежуточным рычагом 6 РЧВ, который неподвижно соединен с основным рычагом 7 РЧВ, а также указанный ОУ в виде рычага 8, связанного через пружину 9 с верхним концом основного рычага 7. В нижней части ТНВД расположен вал 10 РЧВ со смонтированным на нем кронштейном 11, на котором шарнирно закреплены грузы 12. На валу 10 смонтирована также втулка 13 с возможностью ее осевого перемещения вдоль этого вала и воздействия на нижнюю часть промежуточного рычага 6. В рычаге 7 выполнено отверстие, через которое проходит стержень болта 2. Головка этого болта находится в постоянном контакте с рычагом 7 в процессе свободного ускорения (разгона) двигателя.

Для измерений дымности используют дымомер 14, работающий по методу просвечивания столба отработавших газов заданной длины.

Предложенный способ может быть реализован следующим образом.

Предварительно перед началом измерений в ТНВД монтируют винтовой контакт 15, подключаемый с помощью электропровода 16 к схеме задержки включения дымомера 14, которой снабжают последний. Указанная схема задержки должна обеспечивать включение в работу дымомера через 0,8 с после достижения указанным ОУ (рычагом 8) положения, соответствующего максимальной подаче топлива. Конкретное выполнение этой схемы понятно любому специалисту-электронщику. Контакт 15 устанавливают так, чтобы он находился в соприкосновении с рычагом 8 при нахождении последнего в положении максимальной подачи топлива. Кроме того, тело болта 2 соединяют с электропроводом 17, который подсоединяют к схеме выключения дымомера 14.

Для проведения измерений датчик 18 дымомера 14 устанавливают в выхлопной трубе 19 двигателя. Запускают двигатель и прогревают его. Устанавливают устойчивые минимальные обороты n_xmin холостого хода. Резко перемещают рычаг 8 в положение, соответствующее максимальной подаче топлива. При этом данный рычаг входит в соприкосновение с контактом 15, в результате чего запускается указанная схема задержки, которая включает дымомер через 0,8 с от момента достижения рычагом 8 положения максимальной подачи топлива, т. е. практически от момента начала свободного разгона двигателя.

В процессе свободного ускорения (разгона) двигателя увеличивается скорость вращения вала 10, и грузы 12 в результате возрастания центробежных сил, поворачиваясь вокруг осей своих шарнирных креплений, воздействуют на втулку 13, которая, перемещаясь вдоль вала 10, действует на промежуточный рычаг 6. Последний через тягу 5 отводит рейку 4, поворачивающую плунжер плунжерной пары 3 на уменьшение цикловой подачи топлива. Вместе с промежуточным рычагом 6 отводится в правую сторону и основной рычаг 7, при этом контакт головки болта 2 с рычагом 7 прерывается, и дымомер 14 выключается. Конструкция РЧВ, в том числе осевое расположение болта 2, отрегулированы таким образом, что прерывание контакта рычага 7 с головкой болта 2 происходит по достижении номинальной частоты n_ном вращения коленвала двигателя. В качестве определяемой величины дымности N (К) фиксируют минимальное показание, которое давал дымомер 14 во включенном в работу состоянии, т.е. в указанном диапазоне времени от момента, соответствующего истечению 0,8 с после достижения рычагом 8 положения максимальной подачи топлива, до момента достижения номинальной частоты n_ном.

Изобретение относится к испытательно-измерительной технике и используется для определения дымности отработавших газов дизельных двигателей на режиме свободного ускорения. При работе двигателя на минимальной устойчивой частоте вращения холостого хода резко перемещают орган управления регулятором частоты вращения коленчатого вала двигателя в положение, соответствующее максимальной подаче топлива, после чего при частоте вращения коленчатого вала двигателя, отличающейся не более чем на 1% от ее номинального значения, фиксируют показание включенного в работу дымометра. При этом дымометр включают через 0,8 с после достижения указанным органом управления положения, соответствующего максимальной подаче топлива, и выключают в момент достижения указанной номинальной частоты вращения, причем фиксируют минимальное показание дымометра. Технический результат заключается в точном и оперативном определении величины дымности отработавших газов, по которым можно достоверно оценить техническое состояние двигателя. 3 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Способ определения дымности отработавших газов дизельного двигателя на режиме свободного ускорения, заключающийся в том, что при работе двигателя на минимальной устойчивой частоте вращения холостого хода резко перемещают орган управления регулятором частоты вращения коленчатого вала двигателя в положение, соответствующее максимальной подаче топлива, после чего фиксируют показание включенного в работу дымомера, отличающийся тем, что показание дымомера фиксируют при частоте вращения коленчатого вала двигателя, отличающейся не более чем на ±1% от ее номинального значения. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что дымомер включают через 0,8 с после достижения указанным органом управления положения, соответствующего максимальной подаче топлива, и выключают в момент достижения указанной номинальной частоты вращения, причем фиксируют минимальное показание дымомера. 3. Способ по п.2, отличающийся тем, что дымомер выключают в момент срабатывания указанного регулятора на уменьшение подачи топлива
4. Способ по п.3, отличающийся тем, что дымомер выключают в момент прерывания контакта основного рычага указанного регулятора с головкой болта установки указанной номинальной частоты вращения.