Способ оценки кондиционности моторных топлив для двигателей внутреннего сгорания по развернутой индикаторной диаграмме Российский патент 2022 года по МПК G01N25/24 

Изобретение относится к исследованию и анализу влияния моторных топлив различного компонентного, углеводородного, фракционного состава на процесс сгорания в поршневом двигателе внутреннего сгорания (ДВС) по снятым развернутым индикаторным диаграммам и может быть использовано во всех лабораториях, имеющих моторные стенды и проводящие исследования различных видов топлива применительно к поршневым ДВС.

Испытания нового вида моторного топлива на этапе лабораторно-стендовых испытаний рекомендуется давать по результатам обработки развернутых индикаторных диаграмм рабочего процесса ДВС [1 - Энциклопедия химмотологии / Н.Н. Гришин, В.В. Середа. - М.: Издательство «Перо», 2016, С. 177-178]. Индикаторные диаграммы ДВС при его работе на испытуемом и контрольном топливах снимают в течение рабочего дня при идентичных условиях эксплуатации: атмосферном давлении, температуре окружающего воздуха, относительной влажности и постоянной температуре топлива на входе в топливный насос высокого давления [2 - Тормозная установка для оценки влияния моторных топлив на процесс сгорания в дизеле / Д.А. Уханов, А.И. Лубенцов, И.И. Крикун, Р.И. Алибеков // сборник статей V Международной НПК. - Пенза: РИО ПГАУ, 2021. - С. 98-102].

Индикаторная диаграмма - диаграмма в координатах «давление внутрицилиндровых газов - объем» (P-V) или «давление внутрицилиндровых газов - угол поворота коленчатого вала» (Р-ϕ). По диаграмме в координатах P-V удобно проводить термодинамический анализ (определять индикаторную работу, показатели политропы и температуру процессов сжатия и расширения, тепловыделения и др.). В координатах Р-ϕ удобно анализировать процесс сгорания с оценкой его динамичности, продолжительности и характера протекания процесса. Диаграмму, снятую в координатах Р-ϕ, называют развернутой, а построенную в координатах P-V - свернутой.

Процесс сгорания в ДВС анализируют по развернутой индикаторной диаграмме в координатах Р-ϕ, в которой выделяют четыре фазы: задержку воспламенения, быстрое горение, замедленное горение и догорание. Первая фаза начинается от момента начала впрыска топлива в камеру сгорания двигателя и заканчивается моментом начала воспламенения топлива (окончание периода задержки самовоспламенения). Оценочным показателем первой фазы является период задержки воспламенения. Вторая фаза включает время интенсивного турбулентного горения топливовоздушной смеси с резким увеличением давления от момента воспламенения топлива до момента достижения максимального давления цикла. Оценочными показателями второй фазы являются: максимальное давление цикла, максимальная и средняя скорости нарастания давления, степень повышения давления. Третья фаза включает время замедленного горения от момента достижения максимального давления до момента достижения максимальной температуры цикла. Оценочными показателями третьей фазы являются максимальная температура цикла и коэффициент активного тепловыделения. Четвертая фаза включает время догорания топлива от момента достижения максимальной температуры цикла до момента окончания тепловыделения. Оценочным показателем четвертой фазы является коэффициент активного тепловыделения.

Каждый из этих показателей характеризует процесс работы ДВС на конкретном топливе. Эффективность работы двигателя зависит от кондиционности топлива. Путем сравнения показателей процесса сгорания двигателя можно составить качественное заключение о целесообразности использования новых и модернизированных марок моторных топлив в ДВС. Определение оценочных показателей по каждой фазе процесса сгорания проводятся с большими трудозатратами.

Перед авторами поставлена задача - разработать способ, позволяющий оценить эффективность сгорания новых и модернизированных марок моторных топлив для ДВС с меньшей трудоемкостью по развернутой индикаторной диаграмме, который может быть реализован для техники двойного назначения (военной и гражданской техники) на доступном российском оборудовании.

Известен способ оценки моторных топлив, который заключается в снятии развернутых индикаторных диаграмм с впрыском топлива и без впрыска топлива в координатах «давление цилиндровых газов - угол поворота коленчатого вала». С помощью снятых развернутых индикаторных диаграммам оценивают первую фазу процесса сгорания по периоду задержки воспламенения. Вторую фазу быстрого горения оценивают по максимальному давлению цикла, средней и максимальной скорости нарастания давления, степени повышения давления. Для оценки третьей и четвертой фаз замедленного горения и догорания, по результатам обработки развернутой индикаторной диаграммы с впрыском топлива, строят характеристику тепловыделения, которая характеризуется коэффициентом активного тепловыделения [3 - Энергетические машины и установки. Двигатели внутреннего сгорания: Учеб. пособие / А.В. Николаенко, B.C. Шкрабак. - СПб.: Изд-во СПбГАУ, 2004, С. 58-62, рис. 13].

Недостатком данного способа является оценка моторных топлив по фазам процесса сгорания в отдельности и для оценки фаз замедленного горения и догорания необходимо построение характеристики тепловыделения, что сказывается на трудоемкости оценки эффективности сгорания моторных топлив в ДВС.

Наиболее близким по технической сущности и взятым за прототип является способ определения периода задержки воспламенения жидких и газообразных топлив, который заключается в фиксации текущего значения давления цилиндровых газов в камере сгорания двигателя с дискретностью 40 мкс и угла поворота коленчатого вала, построение развернутой индикаторной диаграммы в координатах «давление цилиндровых газов - угол поворота коленчатого вала» и определение периода задержки воспламенения по отрезку времени постоянства давления цилиндровых газов в камере сгорания ДВС [4 - Патент РФ №2761299, G01N 25/52, G01N 33/22 - прототип].

Недостатком данного способа является оценка моторных топлив только по первой фазе - периоду задержки воспламенения. Это недостаточно для полной оценки эффективности сгорания новых и модернизированных марок моторных топлив для ДВС, что в дальнейшем потребует определение оценочных показателей по остальным трем фазам процесса сгорания: быстрого горения, замедленного горения и догорания. Это приводит к значительной трудоемкости исследований

Технический результат изобретения - снижение трудоемкости оценки эффективности сгорания моторных топлив в ДВС по снятым развернутым индикаторным диаграмм.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе оценки кондиционности моторных топлив для двигателей внутреннего сгорания по развернутой индикаторной диаграмме, состоящей из фаз задержки воспламенения, быстрого горения, замедленного горения и догорания, для чего фиксируют текущие значения давления цилиндровых газов в камере сгорания двигателя с дискретностью 40 мкс и угла поворота коленчатого вала, строят развернутую индикаторную диаграмму в координатах «давление цилиндровых газов - угол поворота коленчатого вала» и по постоянству давления в течение определенного отрезка времени с отклонением ±4% принимают этот отрезок времени за период задержки воспламенения, согласно изобретению, дополнительно осуществляют работу двигателя в идентичных условиях без впрыска топлива в камеру сгорания с построением развернутой индикаторной диаграммы, которую совмещают с развернутой индикаторной диаграммой работы двигателя с впрыском топлива, фиксируют точку расхождения диаграмм давления цилиндровых газов после окончания периода задержки воспламенения и точку совмещения диаграмм, которую принимают за момент окончания тепловыделения, после чего замеряют площадь, ограниченную индикаторными диаграммами между точками расхождения и совмещения индикаторных диаграмм с впрыском топлива и без впрыска топлива, которую сравнивают с площадью индикаторной диаграммы, снятой на контрольном образце топлива в идентичных условиях работы двигателя и по разности этих площадей равной ΔS_i≤0,0045 у.е. считают топливо кондиционным.

На фиг.1 представлены развернутые индикаторные диаграммы с впрыском топлива и без впрыска топлива: А - развернутая индикаторная диаграмма с впрыском топлива; Б - развернутая индикаторная диаграмма без впрыска топлива; S_i - площадь, ограниченная индикаторными диаграммами А и Б между точками расхождения 2 и совмещения 5 индикаторных диаграмм с впрыском топлива и без впрыска топлива (площадь индикаторной диаграммы в фазах быстрого горения, замедленного горения и догорания); т.1 - момент начала впрыскивания топлива в камеру сгорания двигателя; т.2 - момент начала воспламенения топлива (окончание периода задержки самовоспламенения); т.3 - момент достижения максимального давления цикла; т.4 - момент достижения максимальной температуры цикла; т.5 -момент окончания тепловыделения; I - фаза задержки воспламенения (между т.1 - т.2); II - фаза быстрого горения (между т.2 - т.3); III - фаза замедленного горения (между т.3 - т.4); IV - фаза догорания (между т.4 - т.5).

фиг. 2 графическая зависимость площади индикаторной диаграммы в фазах быстрого горения, замедленного горения и догорания при работе двигателя на летнем дизельном топливе (ДТ) и контрольном топливе от частоты вращения коленчатого вала в условиях внешней скоростной характеристики.

Внешняя скоростная характеристика двигателя - это графическая зависимость показателей двигателя от частоты вращения коленчатого вала при неизменном положении органа, регулирующего подачу топлива.

Способ оценки кондиционности моторных топлив для двигателей внутреннего сгорания по развернутой индикаторной диаграмме реализуется следующим образом.

Осуществляется запись давления цилиндровых газов и регистрация угла поворота коленчатого вала двигателя, в результате чего получены развернутые индикаторные диаграммы с впрыском топлива А и без впрыска топлива Б (фиг.1). На развернутых индикаторных диаграммах фиксируется момент начала впрыска топлива в камеру сгорания двигателя (точка 1) и момент воспламенения, т.е. отрыв кривой давления при сгорании с впрыском топлива А от кривой давления при сжатии без впрыска топлива Б (точка 2), момент совпадения минимальных значений давлений цилиндровых газов, т.е. точка совмещения диаграмм с впрыском топлива А и без впрыска топлива Б, которую принимают за момент окончания тепловыделения (точка 5). Замеряют площадь в у.е., ограниченную индикаторными диаграммами с впрыском топлива А и без впрыска топлива Б и точками 2 и 5. У.е. - условная единица измерения площади развернутой индикаторной диаграммы в координатах давление цилиндровых газов - угол поворота коленчатого вал, т.е. в координатах «Р (МПа) - ϕ (град, п.к.в.)». Затем сравнивают площадь испытуемого образца с площадью контрольного образца топлива в идентичных условиях работы двигателя.

Определяют разность этих площадей ΔS_i, принятой за показатель оценки моторных топлив по развернутым индикаторным диаграммам.

где - площадь, ограниченная индикаторными диаграммами между точками момента совпадения индикаторных диаграмм с впрыском топлива и без впрыска топлива, при работе двигателя на испытуемом топливе в у.е.; - площадь, ограниченная индикаторными диаграммами между точками момента совпадения индикаторных диаграмм с впрыском топлива и без впрыска топлива, при работе двигателя на контрольном топливе в у.е.

При изменении площади ΔS_i≤0,004 у.е. считают топливо кондиционным к использованию по функциональному назначению в двигателе.

Пример. Необходимо сравнить испытуемое топливо (товарное летнее дизельное топливо) и контрольное топливо (смесь 40% цетана + 60% декалина) по снятым развернутым индикаторным диаграммам дизеля Д-245.12С.Сравниваемые образцы соответствуют ГОСТ 32511 (таблица 1).

Оценка исследуемых топлив осуществлялась на экспериментальной установке, в состав которой входили автомобильный дизель Д-245.12С, 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 моторных топлив проводили в условиях внешней скоростной характеристики дизеля, 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. Изменение подачи топлив осуществляют регулировочной рейкой топливного насоса высокого давления приводимой электроприводом дистанционно с пульта управления. Снятие параметров двигателя с регистрирующей аппаратуры моторного стенда осуществляют с помощью приборов выведенных на панель приборов управления и персональный компьютер. Запись развернутых индикаторных диаграмм ДВС с впрыском топлива и без впрыска топлива осуществляют на персональный компьютер через аналогово-цифровой преобразователь. На развернутых индикаторных диаграммах фиксируют момент начала воспламенения топлива т.2 и момент окончания тепловыделения т.5. Замеряют площадь испытуемого образца и площадь контрольного образца топлива в у.е., ограниченную индикаторными диаграммами с впрыском топлива А и без впрыска топлива Б и точками 2 и 5.

Результаты определения площади S_i при работе двигателя на летнем ДТ и контрольном топливе показаны на фиг.2. Например, при работе двигателя на летнем ДТ при частоте вращения коленчатого вала 2400 мин^-1 площадь у.е., а на контрольном топливе у.е., т.е. ΔS_i=0,0014 у.е. Следовательно исследуемый образец является кондиционным.

По разности площадей ΔS_i, принятой за показатель оценки моторных топлив по развернутым индикаторным диаграммам, можно сделать качественное заключение о кондиционности топлива для применения в ДВС.

Таким образом, применение изобретения позволит оценивать эффективность сгорания исследуемых моторных топлив в ДВС по изменению площади ΔS_i с меньшими трудозатратами, т.к. исключается определение оценочных показателей процесса сгорания по трем фазам в отдельности: быстрого горения, замедленного горения и догорания.

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. Предлагается способ оценки кондиционности моторных топлив для двигателей внутреннего сгорания по развернутой индикаторной диаграмме, состоящей из фаз задержки воспламенения, быстрого горения, замедленного горения и догорания, для чего фиксируют текущие значения давления цилиндровых газов в камере сгорания двигателя с дискретностью 40 мкс и угла поворота коленчатого вала, строят развернутую индикаторную диаграмму в координатах «давление цилиндровых газов - угол поворота коленчатого вала» и по постоянству давления в течение определенного отрезка времени с отклонением ±4% принимают этот отрезок времени за период задержки воспламенения. Дополнительно осуществляют работу двигателя в идентичных условиях без впрыска топлива в камеру сгорания с построением развернутой индикаторной диаграммы, которую совмещают с развернутой индикаторной диаграммой работы двигателя с впрыском топлива, фиксируют точку расхождения диаграмм давления цилиндровых газов после окончания периода задержки воспламенения и точку совмещения диаграмм, которую принимают за момент окончания тепловыделения, после чего замеряют площадь, ограниченную индикаторными диаграммами между точками расхождения и совмещения индикаторных диаграмм с впрыском топлива и без впрыска топлива, которую сравнивают с площадью индикаторной диаграммы, снятой на контрольном образце топлива в идентичных условиях работы двигателя, и по разности этих площадей равной ΔS_i≤0,0045 у.е. считают топливо кондиционным. Техническим результатом является снижение трудоемкости оценки эффективности сгорания моторных топлив в двигателе внутреннего сгорания. 2 ил., 1 табл.

Способ оценки кондиционности моторных топлив для двигателей внутреннего сгорания по развернутой индикаторной диаграмме, состоящей из фаз задержки воспламенения, быстрого горения, замедленного горения и догорания, для чего фиксируют текущие значения давления цилиндровых газов в камере сгорания двигателя с дискретностью 40 мкс и угла поворота коленчатого вала, строят развернутую индикаторную диаграмму в координатах «давление цилиндровых газов - угол поворота коленчатого вала» и по постоянству давления в течение определенного отрезка времени с отклонением ±4% принимают этот отрезок времени за период задержки воспламенения, отличающийся тем, что дополнительно осуществляют работу двигателя в идентичных условиях без впрыска топлива в камеру сгорания с построением развернутой индикаторной диаграммы, которую совмещают с развернутой индикаторной диаграммой работы двигателя с впрыском топлива, фиксируют точку расхождения диаграмм давления цилиндровых газов после окончания периода задержки воспламенения и точку совмещения диаграмм, которую принимают за момент окончания тепловыделения, после чего замеряют площадь, ограниченную индикаторными диаграммами между точками расхождения и совмещения индикаторных диаграмм с впрыском топлива и без впрыска топлива, которую сравнивают с площадью индикаторной диаграммы, снятой на контрольном образце топлива в идентичных условиях работы двигателя, и по разности этих площадей равной ΔS_i≤0,0045 у.е. считают топливо кондиционным.