Автоматизированная система определения сортности авиационных бензинов Российский патент 2022 года по МПК C10L10/10 G01N33/22 

Изобретение относится к системам определения детонационной стойкости авиационных бензинов и может быть использовано в лабораториях контроля качества авиационных бензинов различного состава, а также изготовителями авиационных двигателей и самолетов при определении технических характеристик, связанных с соответствием двигателя и используемого топлива.

Сортность на богатой смеси - это показатель детонационной стойкости авиационных бензинов и их компонентов при работе на богатой смеси, безразмерная величина. Характеризует способность бензина обеспечивать существенное повышение мощности двигателя на взлетном и других форсированных режимах работы авиационного двигателя без детонации. (1 - Гришин Н.Н. Середа В.В. Энциклопедия химмотологии. - М: Издательство «Перо», 2016. - С. 627-628).

Сортность является важнейшей характеристикой авиационных топлив, определяющей возможность их применения на поршневых авиационных двигателях. Применение в двигателе авиационного бензина низкого качества, сортность которого определена с низкой точностью и достоверностью, может спровоцировать детонацию в двигателе. Детонационное сгорание топлива в двигателе, в свою очередь, вызывает снижение мощности, увеличение механических ударных нагрузок на детали двигателя, перегрев деталей двигателя. Повышенные механические ударные нагрузки могут спровоцировать разрушение поршней, вкладышей шатунных подшипников, при этом интенсифицируется износ верхней части гильзы цилиндра, так как ударные волны при детонационном сгорании разрушают масляную пленку, покрывающую зеркало цилиндра. Кроме того, при детонационном сгорании также интенсифицируется коррозионный износ деталей двигателя в результате содержащихся в продуктах сгорания активных веществ.

В этой связи перед авторами стояла задача разработать автоматизированную систему, позволяющую определять сортность авиационных бензинов с повышенной точностью и достоверностью и за короткий промежуток времени.

Известна одноцилиндровая моторная установка УИТ-85М для определения октановых чисел топлив, содержащая одноцилиндровый карбюраторный двигатель внутреннего сгорания с искровым зажиганием, привод с асинхронным двухскоростным электромотором переменного тока, пульт управления с контрольно-измерительной аппаратурой и вспомогательное оборудование. Для приготовления топливо-воздушной смеси служит четырехбачковый карбюратор, который позволяет попеременно работать на четырех топливах из разных бачков. Воздух в двигатель поступает из атмосферы через радиаторы охлаждающей системы. Определение октанового числа заключается в сравнении стандартной интенсивности детонации образца испытуемого топлива с интенсивностью детонации первичных эталонных смесей. (2 - Установка одноцилиндровая универсальная для определения октановых чисел топлив УИТ-85М. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. 200000.00.000 ТО. - М.: АО «ВНИИавтогенмаш», 2020. - С. 31-101).

Однако данная установка имеет ограниченное применение, так как условия работы ее двигателя не соответствуют реальным условиям эксплуатации поршневых авиационных двигателей внутреннего сгорания. Данная установка не оборудована системой наддува и не может воссоздать взлетный и другие форсированные режимы работы поршневого авиационного двигателя, и, как следствие, не может применяться для определения сортности авиационных бензинов.

Наиболее близкой по технической сущности и взятой за прототип является одноцилиндровая моторная установка ИТ9-1, содержащая одноцилиндровый инжекторный двигатель внутреннего сгорания с наддувом, нагрузочную машину с измерителем крутящего момента, компрессор. Воздух из компрессора через ресиверы разного назначения по воздухопроводу подается в двигатель. Ресиверы служат для сглаживания пульсаций потока воздуха. Для управления подачей воздуха установлены регулятор подачи воздуха и расходомер воздуха. Для заправки топлива имеется специальная емкость для топлива, которая связана посредством топливопроводов с топливоподкачивающим насосом, топливным насосом высокого давления и форсункой двигателя. Для управления подачей топлива дополнительно установлены регулятор подачи топлива и расходомер топлива. Для удобства все рукоятки регуляторов вынесены на лицевую часть модуля управления (3 - Панков И.А., Щеголь В.В., Безносиков И.Я., Шапиро Б.И. Одноцилиндровые установки типа ИТ. - М.: Оборонгиз, 1962. - С. 87-132 - прототип).

Оценка сортности авиационного бензина на моторной установке ИТ9-1 осуществляется в соответствии с требованиями ГОСТ 3338 и заключается в сравнении среднего индикаторного давления, ограничиваемого начальной детонацией, при работе двигателя установки на эталонном и испытуемом топливах при соотношении топлива и воздуха в топливно-воздушной смеси, поступающей в двигатель, равном 0,112. Появление начальной детонации оператор определяет на слух по появившимся характерным прерывистым стукам в работе двигателя. При этом значение индикаторного давления при соотношении топлива и воздуха в топливно-воздушной смеси, равном 0,112, может быть определено только графически по детонационным характеристикам (зависимостям среднего индикаторного давления двигателя от соотношения топлива и воздуха в топливно-воздушной смеси при начальном уровне детонации) эталонного и испытуемого топлив. Для построения детонационной характеристики оператору необходимо определить не менее 6-7 значений среднего индикаторного давления при соотношении топлива и воздуха в топливно-воздушной смеси от 0,085 до 0,120, которое рассчитывается как отношение времени расхода 50 грамм воздуха к времени расхода 50 грамм топлива. После построения детонационной характеристики по оси абсцисс (соотношение топлива и воздуха в топливно-воздушной смеси) откладывают значение 0,112 и проводят через данную точку ординату до пересечения с кривыми детонационной характеристики испытуемого и эталонных топлив. В точках пересечения определяют по оси ординат (значения среднего индикаторного давления) искомые значения средних индикаторных давлений. Затем по специальной формуле рассчитывают приведенное среднее индикаторное давление и по таблице определяют значение сортности испытуемого топлива.

Недостатками данной установки являются значительная погрешность получаемых результатов, вызванная тем, что появление начальной детонации оператор определяет на слух по появлению характерных прерывистых стуков при работе двигателя, и большая продолжительность испытаний, вызванная необходимостью определения не менее 6-7 значений среднего индикаторного давления при соотношении топлива и воздуха в топливно-воздушной смеси от 0,085 до 0,120.

Технический результат - повышение точности и достоверности определения сортности авиационных бензинов с одновременным сокращением продолжительности испытаний.

Указанный технический результат достигается тем, что в автоматизированной системе определения сортности авиационных бензинов, содержащей одноцилиндровый инжекторный двигатель внутреннего сгорания с наддувом, нагрузочную машину с измерителем крутящего момента, компрессор, воздухопроводом подключенный к установленным последовательно по потоку ресиверам, выход последнего из которых соединен с одним из входных каналов впускного коллектора двигателя, в другом входном канале которого установлена форсунка, соединенная топливопроводом, в котором установлены расходомер топлива, топливоподкачивающий насос, топливный насос высокого давления с регулятором подачи топлива, с емкостью для топлива, расходомер воздуха, установленный между первым и вторым ресиверами, модуль управления, на котором размещены рукоятка управления регулятором подачи воздуха, установленным перед последним по ходу потока воздуха ресивером, и рукоятка управления регулятором подачи топлива, согласно изобретению в головке цилиндра двигателя выполнена сообщенная с камерой сгорания двигателя цилиндрическая проточка, в которой установлен с образованием со стороны камеры сгорания двигателя полости дополнительно введенный датчик давления цилиндровых газов, при этом объем этой полости составляет не более 0,02 объема камеры сгорания двигателя, модуль управления выполнен в виде автоматизированного рабочего места оператора, которое содержит дополнительно введенные регистратор изменения давления цилиндровых газов, связанный с датчиком давления цилиндровых газов, и программный блок обработки информации, к входам которого подключены расходомер топлива, расходомер воздуха и измеритель крутящего момента, а емкость для топлива выполнена в виде раздельных бачков, параллельно подключенных через индивидуальные запорные клапаны к топливопроводу подачи топлива в форсунку.

На фиг. 1 представлена функциональная схема автоматизированной системы определения сортности авиационных бензинов;

фиг. 2 - схема установки датчика давления цилиндровых газов (выноска А с фиг. 1);

фиг. 3 - индикаторная диаграмма (графическая зависимость изменения давления цилиндровых газов от угла поворота коленчатого вала) при работе двигателя без детонации;

фиг. 4 - индикаторная диаграмма при работе двигателя с детонацией.

Автоматизированная система определения сортности авиационных бензинов (как в прототипе) содержит инжекторный двигатель 1 внутреннего сгорания с наддувом (фиг. 1), нагрузочную машину 2. На корпусе нагрузочной машины 2 установлен измеритель 3 крутящего момента (как вариант, использован тензометрический датчик растяжения-сжатия S-образного типа). Для обеспечения наддува автоматизированная система определения сортности авиационных бензинов оснащена компрессором 4 производительностью не менее 100 кг/ч. Сжатый воздух по воздухопроводу 5 через установленные последовательно по потоку ресиверы 6, 7 и 8 поступает в двигатель 1. Ресиверы 6 и 7 предназначены для устранения пульсации воздуха, поступающего по воздухопроводу 5 от компрессора 4. Кроме того, в ресивере 6 за счет установленного подогревателя (на схеме не показан) происходит предварительный подогрев воздуха до температуры 52±2°С. Ресивер 8 предназначен для окончательного устранения пульсаций воздуха перед подачей в двигатель 1 и окончательного подогрева воздуха до температуры 107±3°С за счет подогревателя, установленного на входе в ресивер 8 (на схеме не показан). Выход ресивера 8 соединен с одним из входных каналов впускного коллектора 9, по которому подготовленный воздух поступает в двигатель 1. Между первым 6 и вторым 7 ресиверами в воздухопровод 5 встроен расходомер 10 воздуха (как вариант, использован универсальный вычислитель расхода ЭЛЕМЕР-ВКМ-360А), предназначенный для измерения расхода воздуха, поступающего во время испытаний в двигатель 1. Управление подачей воздуха (давлением наддува) в двигатель 1 осуществляется с помощью регулятора 11 (как вариант, использован редуктор мембранного типа) подачи воздуха, который встроен в воздухопровод 5 перед входом в последний по ходу потока воздуха ресивер 8. Управление регулятором 11 осуществляется с модуля управления 12 с помощью рукоятки 13, которая соединена с исполнительным механизмом регулятора 11 посредством системы тяг.

Топливо для испытаний заливается в специальную емкость 14, из которой по топливопроводу 15 за счет разрежения, создаваемого топливоподкачивающим насосом 16, поступает в топливный насос высокого давления 17, оснащенный регулятором 18 подачи топлива. Регулятор 18 механического типа и представляет собой систему тяг, соединенных с рейкой топливного насоса высокого давления 17. Управление регулятором 18 осуществляется вручную с помощью рукоятки 19, установленной на модуле управления 12 и соединенной с регулятором 18 посредством системы тяг. Топливо из топливного насоса высокого давления 17 впрыскивается во впускной коллектор 9 через форсунку 20, установленную в дополнительном входном канале коллектора 9. Для измерения расхода топлива, подаваемого в двигатель 1, в топливопровод встроен расходомер 21 топлива (как вариант, использован электронный кориолисовый расходомер жидкости Rheonik RHM015).

Емкость 14 для топлива изготовлена в виде раздельных бачков, как вариант, выполнена трехбачковой: в бачок 22 заливают прогревочное топливо, в бачок 23 - эталонное топливо, в бачок 24 - испытуемое. Бачки 22, 23, 24 параллельно подключены к топливопроводу 15 подачи топлива к форсунке 20 через индивидуальные запорные клапаны 25, 26, 27 (как вариант, использованы электромагнитные клапаны), подключенные к модулю управления 12. Управление запорными клапанами 25, 26, 27 осуществляется дистанционно с модуля управления 12.

Модуль управления 12 выполнен в виде автоматизированного рабочего места оператора, на которое выведены показания всех контрольно-измерительных приборов автоматизированной системы определения сортности авиационных бензинов, предназначенные для измерений и контроля различных температур, давлений, частоты вращения коленчатого вала двигателя и т.п. Кроме того, в модуле управления 12 установлены регистратор 28 изменения давления цилиндровых газов, в качестве которого, как вариант, использован цифровой осциллограф марки Aktakom ADS-2061M, и программный блок 29 обработки информации, в качестве которого, как вариант, использован панельный компьютер марки ADVANTIX РРС-Е21.

Программный блок 29 обработки информации электрически соединен с расходомером 10 воздуха и расходомером 21 топлива, а также с измерителем крутящего момента 3. Программный блок 29 оснащен специальным программным обеспечением, позволяющим в автоматическом режиме рассчитывать и выводить на экране в режиме реального времени соотношение топлива и воздуха в топливно-воздушной смеси, а также усредненное значение среднего индикаторного давления.

Для контроля протекания рабочего процесса во время проведения испытаний по оценке сортности в головку 30 цилиндра двигателя 1 (фиг. 1) устанавливается датчик 31 давления цилиндровых газов (как вариант, использован датчик давления газа пьезоэлектрического типа). Для этого в головке 30 цилиндра двигателя 1 (фиг. 2) изготовлена специальная цилиндрическая проточка 32, сообщенная с камерой сгорания 33 объемом V₁ двигателя 1. Цилиндрическая проточка 32 изготовлена строго перпендикулярно основанию головки 30 цилиндра двигателя 1.

Датчик 31 давления установлен в изготовленную проточку 32 таким образом, что на входе в камеру сгорания 33 со стороны измерительной части датчика образуется полость объемом, равным V₂. После установки датчика 31 в проточку 32 головки 30 двигателя 1 объем V₁ камеры сгорания 33 увеличивается на величину, равную объему V₂. В свою очередь, увеличение объема камеры сгорания при неизменном рабочем объеме двигателя способствует уменьшению степени сжатия и ухудшению рабочего процесса в целом, что в результате может привести к неточному определению сортности авиационного бензина. Поэтому объем V₂, как показали результаты проведенных экспериментальных исследований, не должен превышать более 0,02 объема V₁ камеры сгорания 33. При объеме камеры сгорания 33 равном V₁=93 см³ объем полости должен быть не более V₂≤1,86 см³.

Для обеспечения условия V₂≤1,86 см³ датчик 31 давления цилиндровых газов диаметром 22 мм необходимо вворачивать в проточку 32 таким образом, чтобы расстояние между измерительной частью датчика и нижним основанием головки 30 двигателя 1 было не более 4,9 мм. Если данное расстояние оказывается больше, то необходимо подобрать датчик с увеличенной длиной. Если после установки датчика 31 в проточку 32 его измерительная часть находится непосредственно в камере сгорания 33, необходимо разместить между датчиком 31 и головкой 30 регулировочные шайбы 34 (фиг. 2). Количество и толщину регулировочных шайб нужно подбирать таким образом, чтобы выполнялось условие V₂≤1,86 см³.

Датчик 31 давления цилиндровых газов электрически соединен с регистратором 28. Сигнал с датчика 31 преобразуется и отображается на экране регистратора 28 в виде индикаторной диаграммы - графической зависимости изменения давления цилиндровых газов от угла поворота коленчатого вала двигателя (фиг. 3 и 4).

При работе двигателя 1 автоматизированной системы определения сортности авиационных бензинов без детонации индикаторные диаграммы, отображаемые на экране регистратора 28, имеют плавно-переменный характер изменения линии давления цилиндровых газов с максимальным значением давления сгорания в точке О (фиг. 3).

При работе двигателя 1 с детонацией на индикаторной диаграмме в зоне максимального давления сгорания (точка О) отчетливо наблюдаются резкие скачкообразные колебания (всплески) в виде острых пиков увеличенной амплитуды (фиг. 4).

Автоматизированная система определения сортности авиационных бензинов работает следующим образом.

После прогрева моторного масла в картере двигателя с помощью электроподогревателя (на схеме не показан) до температуры 70-75°С запускают двигатель 1 (фиг. 1). Прогревают двигатель 1 при работе на прогревочном топливе до достижения температуры охлаждающей жидкости 190±3°С и приступают к проведению испытаний. В качестве прогревочного топлива можно использовать автомобильный бензин с октановым числом по исследовательскому методу 95.

Оценку сортности испытуемого топлива начинают с определения сортности эталонного топлива. Для этого с помощью клапана 25 перекрывают подачу прогревочного топлива из бачка 22 в двигатель 1 с одновременным открытием клапана 26 подачи эталонного топлива из бачка 23.

По истечении 10-15 мин (после полной выработки из узлов системы топливоподачи прогревочного топлива) с помощью рукоятки 13 регулятора 11 подачи воздуха и рукоятки 19 регулятора 18 подачи топлива регулируют соотношение топлива и воздуха в топливно-воздушной смеси на значение 0,112 при работе двигателя 1 на начальной детонации. Соотношение топлива и воздуха автоматически рассчитывается в блоке обработки информации 29 и в режиме реального времени отображается на его экране. Это позволяет оператору оперативно принимать решение по регулированию подачи топлива и воздуха с целью получения требуемого значения, равного 0,112. При этом одновременно со значением соотношения топлива и воздуха в топливно-воздушной смеси на экране блока 29 отображается значение среднего индикаторного давления.

Момент появления начальной детонации определяют на экране регистратора 28 по появившимся в зоне максимальных давлений резких скачкообразных колебаний (всплесков) в виде острых пиков увеличенной амплитуды, абсолютное значение которых значительно превышают максимальное давление сгорания (фиг. 4). Далее фиксируют значение среднего индикаторного давления при работе на данном режиме.

Далее с помощью клапана 26 перекрывают подачу эталонного топлива из бачка 23 с одновременным открытием клапана 27 подачи испытуемого топлива из бачка 24. Аналогично испытаниям эталонного топлива по истечении 10-15 мин (после полной выработки из узлов системы топливоподачи эталонного топлива) с помощью рукоятки 13 регулятора 11 подачи воздуха и рукоятки 19 регулятора 18 подачи топлива регулируют соотношение топлива и воздуха в топливно-воздушной смеси на значение 0,112 при работе двигателя 1 на начальной детонации.

Далее по показаниям на экране блока 29 обработки информации фиксируют значение среднего индикаторного давления при работе двигателя на испытуемом топливе при начальной детонации.

По полученным значениям среднего индикаторного давления для эталонного и испытуемого топлив рассчитывают приведенное среднее индикаторное давление и устанавливают сортность испытуемого топлива в соответствии с таблицей А.1 ГОСТ 3338-2015.

Применение изобретения обеспечивает создание условий для достоверного определения сортности авиационных бензинов с малыми затратами времени.

В таблице приведены результаты определения сортности товарных авиационных бензинов марок Б-91/115 и Avgas 100LL на существующей и заявленной системах.

Как видно из данных таблицы, применение заявленной системы обеспечивает достоверное определение сортности авиационных бензинов при существенном сокращении продолжительности испытаний.

Таким образом, представленная в формуле изобретения совокупность существенных признаков (регистратор изменения давления цилиндровых газов, программный блок обработки информации и датчик давления цилиндровых газов) достаточна для достижения заявленного технического результата. Авторы не обнаружили источников информации, в которых бы эта совокупность признаков была описана с достижением указанного технического результата.

Изобретение относится к области определения детонационной стойкости авиационных бензинов. Предложена автоматизированная система определения сортности авиационных бензинов, содержащая одноцилиндровый инжекторный двигатель с наддувом, нагрузочную машину с измерителем крутящего момента, компрессор, воздухопровод, ресиверы, форсунку, топливопровод, где установлен расходомер топлива, расходомер воздуха, характеризующаяся тем, что в головке цилиндра двигателя выполнена сообщенная с камерой сгорания двигателя цилиндрическая проточка, в которой установлен датчик давления цилиндровых газов с образованием со стороны камеры сгорания двигателя полости, при этом объем этой полости составляет не более 0,02 объема камеры сгорания двигателя, автоматизированный модуль управления содержит регистратор изменения давления цилиндровых газов, связанный с датчиком давления цилиндровых газов, и программный блок обработки информации, к входам которого подключены расходомер топлива, расходомер воздуха и измеритель крутящего момента, а емкость для топлива выполнена в виде раздельных бачков, параллельно подключенных через индивидуальные запорные клапаны к топливопроводу подачи топлива в форсунку. Технический результат: повышение точности и достоверности определения сортности авиационных бензинов с одновременным сокращением продолжительности испытаний. 1 табл., 4 ил.

Автоматизированная система определения сортности авиационных бензинов, содержащая одноцилиндровый инжекторный двигатель внутреннего сгорания с наддувом, нагрузочную машину с измерителем крутящего момента, компрессор, воздухопроводом подключенный к установленным последовательно по потоку ресиверам, выход последнего из которых соединен с одним из входных каналов впускного коллектора двигателя, в другом входном канале которого установлена форсунка, соединенная топливопроводом, в котором установлены расходомер топлива, топливоподкачивающий насос, топливный насос высокого давления с регулятором подачи топлива, с емкостью для топлива, расходомер воздуха, установленный между первым и вторым ресиверами, модуль управления, на котором размещены рукоятка управления регулятором подачи воздуха, установленным перед последним по ходу потока воздуха ресивером, и рукоятка управления регулятором подачи топлива, отличающаяся тем, что в головке цилиндра двигателя выполнена сообщенная с камерой сгорания двигателя цилиндрическая проточка, в которой установлен с образованием со стороны камеры сгорания двигателя полости дополнительно введенный датчик давления цилиндровых газов, при этом объем этой полости составляет не более 0,02 объема камеры сгорания двигателя, модуль управления выполнен в виде автоматизированного рабочего места оператора, которое содержит дополнительно введенные регистратор изменения давления цилиндровых газов, связанный с датчиком давления цилиндровых газов, и программный блок обработки информации, к входам которого подключены расходомер топлива, расходомер воздуха и измеритель крутящего момента, а емкость для топлива выполнена в виде раздельных бачков, параллельно подключенных через индивидуальные запорные клапаны к топливопроводу подачи топлива в форсунку.