СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЫБРОСА НЕСГОРЕВШЕГО ТОПЛИВА ИЗ ЦИЛИНДРА ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2016 года по МПК G01M15/00 

Изобретение относится к области испытаний двигателей внутреннего сгорания (ДВС) и может быть использовано для диагностирования ДВС при их эксплуатации, а также при предремонтной и послеремонтной проверке.

Аналогами изобретения являются способы определения дымности отработавших газов (ОГ) ДВС, так как «дымность - видимая дисперсия жидких и твердых частиц в ОГ, образовавшаяся в результате неполного сгорания топлива и испарившегося масла в цилиндрах двигателя (ГОСТ Ρ 51250-99 «ДВС поршневые. Дымность отработавших газов. Нормы и методы определения»).

Известен способ определения дымности, основанный на измерении непрозрачности ОГ, выраженной через коэффициент ослабления светового потока. Способ реализуют в приборах, называемых дымомерами оптического типа.

Известен способ, основанный на измерении степени потемнения фильтра после пропускания через него определенной порции ОГ. Способ реализуют в приборах, называемых дымомерами фильтрационного типа.

Оба способа используют при проведении стендовых испытаний новых и капитально отремонтированных судовых, тепловозных и промышленных дизелей (ГОСТ Ρ 51250-99). Известен способ, основанный на взвешивании осадка, оставшегося на фильтре после пропускания через него определенной порции ОГ. Способ реализуют в приборах, измеряющих содержание в ОГ твердых частиц, состоящих в основном из сажи (В.В. Горбунов, Н.Н. Патрахальцев. Токсичность двигателей внутреннего сгорания. М.: Изд-во Российского университета дружбы народов. 2008. 214 с., стр. 133).

Известен способ, заключающийся в получении отпечатка дымности на листе белой бумаги, установленного на некотором расстоянии от среза выхлопной трубы, и сравнении полученного отпечатка с эталонными отпечатками (Хабардин В.Н. Описание изобретения к патенту RU 2492442 C1).

Перечисленные способы определяют параметры дымности общего потока ОГ, складывающегося из частных потоков, идущих от цилиндров. Полученные результаты характеризуют среднюю дымность всех цилиндров. В эксплуатации дымность цилиндров, как правило, разная. Недостаток всех рассмотренных выше способов состоит в том, что они не позволяют выявить цилиндры с повышенной дымностью. Проблема выявления особенно актуальна для мощных машин, имеющих в своем составе цилиндры мощностью в сотни и тысячи киловатт. Мощный цилиндр с повышенной дымностью оказывает существенную экологическую нагрузку на окружающую среду, но если другие цилиндры работают бездымно, выявить его по средней дымности всех цилиндров невозможно.

Задачей изобретения является создание способа определения выброса несгоревшего топлива из цилиндра, позволяющего контролировать дымность двигателя с выявлением цилиндров, отличающихся повышенной дымностью.

Предлагаемое решение задачи не имеет прототипа. Оно принципиально отличается от всех рассмотренных выше аналогов. Отличие состоит в том, что в аналогах контроль дымности осуществляют по параметрам потока ОГ на выходе из выхлопной трубы, а в предлагаемом способе - по параметрам процесса сгорания в цилиндре двигателя.

Предлагаемое решение состоит в том, что на работающем двигателе записывают в надпоршневом объеме цилиндра диаграмму давления, вычисляют по диаграмме траекторию сгорания топлива, представляющую собой зависимость нарастающего количества сгоревшего топлива от угла поворота коленчатого вала (угла ПКВ), измеряют скорость сгорания на участке, предшествующем открытию выпускного органа, при нулевой скорости делают вывод о полном сгорании поданного в цилиндр топлива и об отсутствии выброса несгоревшего топлива из цилиндра, при положительном значении скорости делают вывод о неполном сгорании поданного в цилиндр топлива и вычисляют количество топлива, несгоревшего в цилиндре за цикл, для чего рассчитывают условное продолжение траектории сгорания от открытия выпускного органа до полного завершения сгорания, используя для расчета значения скорости и ускорения сгорания, измеренные на участке, предшествующем открытию выпускного органа, вычисляют количество топлива, условно сгоревшего на продолженной траектории, и приравнивают к нему искомое количество топлива, несгоревшего в цилиндре за цикл.

Количество топлива, условно сгоревшего на продолженной траектории, вычисляют по формуле, которая имеет вид

G_{out_c}=-0,5·v²/w,

где G_out__c - количество топлива в мг, несгоревшего в цилиндре за цикл;

v и w - скорость (мг/°ПКВ) и ускорение (мг/°ПКВ/°ПКВ) сгорания топлива на участке, предшествующем открытию выпускного органа.

Дополнительно измеряют частоту вращения двигателя и вычисляют количество топлива, несгоревшего в цилиндре в единицу времени. Например, при измерении частоты вращения (n) в об/мин вычисляют количество несгоревшего топлива в час по формуле

G_{out_h}=G_{out_c}·60n/m,

где m - коэффициент тактности.

Дополнительно вычисляют концентрацию несгоревшего топлива в отработавших газах цилиндра по формуле

e=G_{out_h}/V_{gas_h},

где V_{gas_h} - расход отработавших газов цилиндра в м³/час.

Кроме того, после определения концентрации несгоревшего топлива в отработавших газах каждого цилиндра вычисляют концентрацию несгоревшего топлива в кубическом метре отработавших газов двигателя в целом как среднее арифметическое значение всех величин, характеризующих концентрацию несгоревшего топлива в отработавших газах каждого цилиндра.

Дополнительно измеряют индикаторную мощность цилиндра (P_{i_cyl}) и вычисляют удельный выброс несгоревшего топлива, приходящийся на единицу индикаторной работы цилиндра. Например, удельный выброс, приходящийся на индикаторный кВт·час, вычисляют по формуле

q_{out_kW·h_cyl}=G_{out_h}/P_{i_cyl}.

Кроме того, после определения удельных выбросов несгоревшего топлива из каждого цилиндра вычисляют удельный выброс несгоревшего топлива из двигателя по формуле

q_{out_kW·h_en}=Σ(G_{out_h})_j/Σ(P_{i_cyl})_j,

где (G_{out_h})_j - количество топлива, несгоревшего в час в j-м цилиндре; Σ(G_{out_h})_j - количество топлива, несгоревшего в час во всех цилиндрах двигателя; (P_{i_cyl})_j - индикаторная мощность j-го цилиндра; Σ(P_{i_cyl})_j - индикаторная мощность двигателя.

Все действия способа, от определения параметров выгорания топлива до определения удельных выбросов, выполнимы при обработке индикаторной диаграммы с помощью вычислительной техники без участия человека.

Технический результат реализации заявленного способа - контроль дымности ОГ ДВС, дополненный возможностью выявления цилиндров с неисправностями, вызывающими повышенную дымность.

Чертежи

Фигура 1 - траектории сгорания поданного в цилиндр топлива при полном и неполном его сгорании.

Фигура 2 - продолжение траектории неполного сгорания от открытия выпускного органа до полного завершения сгорания.

Фигуры 3 и 4 - примеры реализации заявленного способа и выявления цилиндров с повышенной дымностью.

Фигура 1 поясняет, как, используя индикаторную диаграмму и результаты ее обработки, оценивают завершенность процесса сгорания топлива в цилиндре и устанавливают факт наличия выброса несгоревшего топлива из цилиндра. Под траекторией сгорания понимают зависимость количества сгоревшего топлива от угла поворота коленчатого вала относительно верхней мертвой точки (ВМТ). На фигуре показаны рассчитанные по индикаторным диаграммам траектории сгорания топлива в двух цилиндрах судового двигателя K8Z70/120E (8ДКРН70/120). Для расчета использована известная методика (3.3. Мац. Методика обработки индикаторных диаграмм. Труды ЦНИДИ, выпуск 32. Л.: Машгиз. 1958).

Штриховая линия иллюстрирует процесс полного сгорания топлива, поданного в цилиндр, и называется далее траекторией полного сгорания. Графический признак полного сгорания - горизонтальность конечного фрагмента траектории, которая говорит о том, что количество сгоревшего топлива не прибавляется. Математический признак полного сгорания - нулевое значение скорости сгорания на конечном фрагменте траектории. В нашем случае увеличение количества сгоревшего топлива происходит примерно до поворота коленчатого вала (ПКВ) на семьдесят градусов после ВМТ. Далее до момента начала выпуска (115-й градус) количество сгоревшего топлива остается постоянным (штриховая линия горизонтальна). Характер траектории говорит о том, что поданное в цилиндр топливо полностью сгорает к семидесятому градусу ПКВ.

Сплошная линия иллюстрирует процесс неполного сгорания топлива, поданного в цилиндр, и называется далее траекторией неполного сгорания. Графический признак неполного сгорания - восходящий характер траектории на всем ее протяжении. Математический признак неполного сгорания - ненулевое положительное значение скорости сгорания на конечном фрагменте траектории. В нашем случае такой признак присутствует: увеличение количества сгоревшего топлива продолжается вплоть до момента начала выпуска. Наличие данного признака говорит о том, что поданное в цилиндр топливо к моменту начала выпуска сгорает не полностью, и, следовательно, имеет место выброс несгоревшего топлива из цилиндра.

Фигура 2 поясняет, как по параметрам траектории неполного сгорания рассчитывают количество несгоревшего топлива, выбрасываемого из цилиндра с ОГ. На фигуре сплошной линией представлен конечный фрагмент траектории неполного сгорания. Штриховой линией показано прогнозируемое продолжение этой траектории, на котором условно происходит сгорание топлива до полного выгорания. Совместно сплошная и штриховая линии образуют траекторию полного сгорания в виде, который она бы имела, если бы не прерывалась началом выпуска. Условное продолжение траектории сгорания строят, используя для постройки значения угловой скорости сгорания (v) и углового ускорения сгорания (w), измеренные на конечном фрагменте траектории неполного сгорания. Угловую протяженность продолженного участка φ определяют, исходя из условия, что сгорание продолжается до момента, когда текущая скорость сгорания упадет до нулевого значения. В этот момент v+w·φ=0, откуда φ=-v/w.

Топливо, которое условно сгорает на продолженном участке, на самом деле выбрасывается из цилиндра с ОГ. Для определения количества выбрасываемого топлива используют известные кинематические закономерности равноускоренного процесса, действующие на продолженной траектории. Согласно этим закономерностям, искомое количество выбрасываемого топлива можно определить по выражению G_{out_c}=v·φ+0,5·w·φ². Подставляя в это выражение значение угла φ=-v/w, получают для практического использования формулу G_{out_c}=-0,5·v²/w.

Фигуры 3 и 4 представляют результаты выполненных заявленным способом измерений выброса несгоревшего топлива. Они показывают величину выброса из каждого цилиндра двигателя и среднюю величину выброса по цилиндрам, характеризующую дымность общего потока отработавших газов двигателя. Результаты выражены в миллиграммах несгоревшего топлива, приходящихся на кубометр отработавших газов. Градиентная окраска фона, на котором представлены результаты, приближенно связывает количественные показатели с визуальным восприятием дымности. Для связи использованы данные шкалы Рингельмана (В.В. Горбунов, H.Н. Патрахальцев. Токсичность двигателей внутреннего сгорания. М.: Изд-во Российского университета дружбы народов. 2008. 214 с., стр. 68). На фигуре 3 представлены данные, полученные на судовом двигателе 8ЧН25/34 при работе его на двух режимах нагрузочной характеристики. На фигуре 4 - данные, полученные на судовом двигателе 6425/34 при работе его на двух режимах винтовой характеристики, снятой на швартовах. Обе фигуры показывают, что дымность общего потока, характеризуемая средней величиной выброса по цилиндрам, невелика и мало заметна. Однако в обоих случаях в двигателе обнаруживаются цилиндры с повышенной дымностью. На фигуре 3 это цилиндр 1, на фигуре 4 это цилиндр 2.

Приведенные примеры подтверждают способность заявленного изобретения осуществлять контроль дымности ОГ с выявлением цилиндров, отличающихся повышенной дымностью.

Полезность заявляемого способа состоит в следующем. Судовые, тепловозные и промышленные ДВС, как правило, обслуживаются стационарными или мобильными устройствами, предназначенными для записи и обработки индикаторных диаграмм. Применение заявляемого способа при обработке индикаторных диаграмм позволяет без каких-либо трудозатрат, дополнительно к обычной информации, извлекаемой из диаграмм, получать сведения о дымности ОГ цилиндров и осуществлять на их основе своевременное устранение причин дымления.

Способ определения выброса несгоревшего топлива из цилиндра двигателя внутреннего сгорания позволяет осуществлять контроль дымности отработавших газов (ОГ) двигателя и дополняет его возможностью выявления цилиндров с неисправностями, вызывающими повышенную дымность. Контроль дымности осуществляют по параметрам процесса сгорания топлива в цилиндре двигателя, получаемым при обработке индикаторной диаграммы. Результаты контроля представляют в миллиграммах несгоревшего топлива, приходящихся на кубометр ОГ (мг/м³) и на единицу выработанной энергии (мг/кВт·ч). При автоматизированных процессах обработки индикаторных диаграмм способ вырабатывает сведения о дымности ОГ цилиндров без каких-либо дополнительных трудозатрат. 6 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ определения выброса несгоревшего топлива из цилиндра двигателя внутреннего сгорания, состоящий в том, что на работающем двигателе записывают в надпоршневом объеме цилиндра диаграмму давления, вычисляют по диаграмме траекторию сгорания топлива, представляющую собой зависимость нарастающего количества сгоревшего топлива от угла поворота коленчатого вала (угла ПКВ), измеряют скорость сгорания на участке, предшествующем открытию выпускного органа, при нулевой скорости делают вывод о полном сгорании поданного в цилиндр топлива и об отсутствии выброса несгоревшего топлива из цилиндра, при положительном значении скорости делают вывод о неполном сгорании поданного в цилиндр топлива и вычисляют количество топлива, несгоревшего в цилиндре за цикл, для чего рассчитывают условное продолжение траектории сгорания от открытия выпускного органа до полного завершения сгорания, используя для расчета значения скорости и ускорения сгорания, измеренные на участке, предшествующем открытию выпускного органа, вычисляют количество топлива, условно сгоревшего на продолженной траектории, и приравнивают к нему искомое количество топлива, несгоревшего в цилиндре за цикл.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что количество топлива, условно сгоревшего на продолженной траектории с измеренной скоростью сгорания, замедляющейся с измеренным отрицательным ускорением, и приравненного к нему количества топлива, несгоревшего в цилиндре за цикл, вычисляют по формуле G_{out_c}=-0,5·v²/w, где G_{out_c} - количество топлива в мг, несгоревшего в цилиндре за цикл, v и w - скорость (мг/°ПКВ) и ускорение (мг/°ПКВ/°ПКВ) сгорания топлива на участке, предшествующем открытию выпускного органа.

3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что дополнительно измеряют частоту вращения двигателя и вычисляют количество топлива, несгоревшего в цилиндре в единицу времени, например, при измерении частоты вращения (n) в об/мин вычисляют количество несгоревшего топлива в час по формуле G_{out_h}=G_{out_c}·60 n/m, где m - коэффициент тактности.

4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что дополнительно вычисляют концентрацию несгоревшего топлива в отработавших газах цилиндра по формуле е=G_{out_h}/V_{gas_h}, где V_{gas_h} - расход отработавших газов цилиндра газа в м³/час.

5. Способ по п. 4, отличающийся тем, что после определения концентрации несгоревшего топлива в отработавших газах каждого цилиндра вычисляют концентрацию несгоревшего топлива в кубическом метре отработавших газов двигателя в целом как среднее арифметическое значение всех величин, характеризующих концентрацию несгоревшего топлива в отработавших газах каждого цилиндра.

6. Способ по п. 3, отличающийся тем, что дополнительно измеряют индикаторную мощность цилиндра (P_{i_cyl}) и вычисляют удельный выброс несгоревшего топлива, приходящийся на единицу индикаторной работы цилиндра, например удельный выброс на индикаторный кВт·час вычисляют по формуле g_{out_kW·h_cyl}=G_{out_h}/P_{i_cyl}.

7. Способ по п. 6, отличающийся тем, что после определения удельных выбросов несгоревшего топлива из каждого цилиндра вычисляют удельный выброс несгоревшего топлива из двигателя по формуле q_{out_kW·h_en}=Σ(G_{out_h})_j/ Σ(P_{i_cyl})_j, где (G_{out_h})_j - количество топлива, несгоревшего в час в j-м цилиндре; Σ(G_{out_h})_j - количество топлива, несгоревшего в час во всех цилиндрах двигателя; (P_{i_cyl})_j - индикаторная мощность j-го цилиндра; Σ(P_{i_cyl})_j - индикаторная мощность двигателя.