Автоматизированная система очистки отработавших газов моторного испытательного стенда Российский патент 2024 года по МПК G01M15/10 F02B79/00 F01N9/00 F01N3/04 F01N3/37 B01D50/40 

Изобретение относится к способам испытаний топлив и масел на моторных стендах с использованием системы очистки отработавших газов двигателей внутреннего сгорания (ДВС) для снижения выбросов сажи и вредных веществ в окружающую среду.

Для оценки наиболее важных эксплуатационных свойств дизельных топлив (испаряемости, воспламеняемости, горючести, склонности к образованию высокотемпературных отложений, экологических свойств) и моторных масел (смазочная способность, склонность к отложениям) используют моторные стенды, оснащенные соответствующими датчиками и измерительной аппаратурой. При этом испытания проводят либо при фиксированных параметрах работы установки (частота вращения коленчатого вала, степень сжатия, температуры охлаждающей жидкости на выходе из двигателя, воздуха на впуске, моторного масла в картере двигателя и др.), либо при различных параметрах (частота вращения коленчатого вала, нагрузка на тормозе, установочный угол опережения впрыска топлива и др.), изменяемых в соответствии с программой испытаний. В зависимости от конструктивных особенностей двигателя и режимов его эксплуатации факторы, определяющие скорость протекания процессов превращения топлива в двигателе (температуры рабочего заряда и деталей камеры сгорания, коэффициент избытка воздуха и др.), могут изменяться в широких пределах, что приводит к повышению содержания сажи и вредных веществ в отработавших газах ДВС (1 - Н.Н. Гришин, В.В. Середа. Энциклопедия химмотологии. – М.: Издательство «Перо», 2016, С. 60-61, 107-108, 182-184, 565-568, 582-583).

Перед авторами стояла задача разработать автоматизированную систему очистки отработавших газов моторного стенда для испытания топлив и масел, обеспечивающую возможность проведения испытаний в широком диапазоне режимов работы техники и условий ее эксплуатации, а именно, на температурных режимах при различных нагрузках и оборотах двигателя, которые позволили бы оценить такие качества, как склонность дизельных топлив к закоксовыванию распылителей форсунок, влияние состава дизельных топлив на их воспламеняемость и сгораемость, а также противоизносные свойства моторных масел и оценки склонности моторных масел к образованию отложений на деталях двигателя.

При просмотре источников патентной и научно-технической информации были выявлены технические решения, позволяющие оценить возможность использования их в разрабатываемой системе.

Так известна система выпуска отработавших газов одноцилиндровой моторной установки ИТ9-1, содержащая трубопровод для отвода отработавших газов из двигателя, связанный гибким трубопроводом с ресивером, на входе в который установлено промежуточное кольцо, имеющее в корпусе относительно центра скошенные отверстия, направленные внутрь ресивера и связанные с источником оросительной воды, трубопровод отвода очищенных отработавших газов из ресивера, трубопровод слива воды из ресивера и датчик частоты вращения коленчатого вала двигателя (2 - Панков И.А., Щеголь В.В., Безносиков И.Я., Шапиро Б.И. Одноцилиндровые установки типа ИТ. - М.: Оборонгиз, 1962. - С. 119-121).

Данная система имеет ограниченное применение, т.к. не имеет возможности регулирования количества и тонкости распыла воды в ресивере в зависимости от изменения нагрузочно-скоростного режима работы двигателя, что не позволяет уменьшать количество сажевых частиц и вредных веществ в отработавших газах.

Наиболее близкой по технической сущности и взятой за прототип является автоматизированная система очистки отработавших газов моторного испытательного стенда, содержащая динамометрическую машину, связанная через соединительную муфту с двигателем внутреннего сгорания, ресивер с патрубком для слива воды и с каналом выпуска очищенных отработавших газов, сажеотделитель с установленными в боковых стенках распылителями, которые подключены к источнику оросительной воды через запорный клапан, исполнительный механизм которого связан с входом блока управления, к другим входам которого подключены тензодатчик крутящего момента коленчатого вала двигателя и дымомер (3 - РФ Патент 2806705, F02B 79/00, F01N 3/04, F01N 9/00 - прототип).

Недостатком данной системы является повышенный расход оросительной воды, поступающий через скошенные отверстия промежуточного кольца ресивера, который не регулируется от изменения нагрузочно-скоростного режима работы двигателя, а также не в полной мере происходит отделение сажевых частиц в отработавших газах за счет диспергирования водой.

Технический результат изобретения - повышение эффективности автоматизированной системы очистки отработавших газов моторного испытательного стенда за счет создания условий уменьшения выбросов сажи и вредных веществ в окружающею среду на различных нагрузочно-скоростных режимах работы двигателя с малыми материальными затратами.

Указанный технический результат достигается за счет того, что автоматизированная система очистки отработавших газов моторного испытательного стенда, содержащая динамометрическую машину с тензодатчиком крутящего момента коленчатого вала двигателя внутреннего сгорания, связанного через соединительную муфту с динамометрической машиной, ресивер, в нижней части которого установлен патрубок для слива воды, а в верхней - канал выпуска очищенных отработавших газов, сажеотделитель, установленный перед ресивером и выполненный в виде герметичной трубопроводной вставки со смещенными центральными осями патрубков входа и выхода выхлопного газа по высоте на расстояние не менее диаметра выхлопного трубопровода двигателя, в диаметрально противоположных боковых стенках сажеотделителя установлены направленные встречно друг относительно друга перпендикулярно центральной оси выхлопного трубопровода распылители, подключенные к источнику оросительной воды через запорный клапан, исполнительный механизм которого связан с соответствующим входом блока управления, к другим соответствующим входам которого подключены тензодатчик крутящего момента коленчатого вала двигателя и дымомер, оптический датчик которого установлен на входе сажеотделителя, согласно изобретению, дополнительно содержит установленную перед сажеотделителем герметичную емкость с конусообразной нижней частью, связанной с каналом сброса сажевых частиц, в образующей вертикальной стенке, верхней ее части, выполнены расположенные диаметрально противоположно входы, размещенные на одном уровне в виде четырехканальных гребенок, к выходам каждого из которых подсоединен боковым патрубком индивидуальный циклон с заглушенным верхним торцом и закрепленными в дополнительно введенной мелкоячеистой сетке внутри герметичной емкости конусообразными выходными нижними каналами, при этом в конусообразной части герметичной емкости установлен подключенный к соответствующему входу блока управления датчик уровня сажевых частиц, а в канале сброса сажевых частиц отработавших газов установлена управляемая заслонка, исполнительный механизм которой связан с соответствующим выходом блока управления.

На фиг.1 представлена блок-схема автоматизированной системы очистки отработавших газов моторного испытательного стенда.

Автоматизированная система очистки отработавших газов содержит динамометрическую машину 1 «VSETIN» DS 736-4V с тензодатчиком 2 крутящего момента коленчатого вала трехцилиндрового двигателя внутреннего сгорания 3, связанного через соединительную муфту 4 с динамометрической машиной 1. Датчик 5 частоты вращения коленчатого вала установлен на маховике 6 двигателя 1. Ресивер 7 связан с выхлопным трубопроводом 8 через входной патрубок. В нижней части ресивера 7 установлен патрубок для слива воды, а в верхней - канал выпуска очищенных отработавших газов.

Сажеотделитель 9 установлен перед ресивером 7 и выполнен в виде герметичной трубопроводной вставки со смещенными центральными осями патрубков входа и выхода выхлопного газа по высоте на расстояние не менее диаметра выхлопного трубопровода 8 двигателя 3. В диаметрально противоположных боковых стенках сажеотделителя 9 установлены направленные встречно друг относительно друга перпендикулярно центральной оси выхлопного трубопровода 8 распылители 10. Распылители 10 подключены к источнику оросительной воды через запорный клапан 11, исполнительный механизм которого связан с соответствующим входом блока управления 12. К другим соответствующим входам блока управления 12 подключены тензодатчик 2 крутящего момента коленчатого вала двигателя 3 и дымомер 13. Оптический датчик 14 дымомера 13 установлен на входе сажеотделителя 9.

Перед сажеотделителем 9 установлена герметичная емкость 15 с конусообразной нижней частью, связанной с каналом 16 сброса сажевых частиц. В образующей вертикальной стенке, верхней ее части, выполнены расположенные диаметрально противоположно входы 17, размещенные на одном уровне в виде четырехканальных гребенок 18.

К выходам каждого из каналов гребенок 18 подсоединен боковым патрубком индивидуальный циклон 19 с заглушенным верхним торцом 20 и закрепленными в дополнительно введенной мелкоячеистой сетке 21 внутри герметичной емкости конусообразными выходными нижними каналами 22. В конусообразной емкости 15 установлен подключенный к соответствующему входу блока управления 12 датчик 23 уровня сажевых частиц. В канале 16 сброса сажевых частиц отработавших газов установлена управляемая заслонка 24, исполнительный механизм которой связан с соответствующим выходом блока управления 12.

Автоматизированная система очистки отработавших газов моторного испытательного стенда эксплуатируется следующим образом.

При проведении испытаний топлив и масел отработавшие газы из двигателя 3 поступают через выхлопной трубопровод 8 в два входных 17 патрубка герметичной емкости 15, и далее через четырехканальную гребенку 18 отработавшие газы подводятся по касательной (тангенциально) к вертикально расположенным циклонам 19. Отработавшие газы совершают вращательное движение, что заставляет дым с содержащимися твердыми частицами закручиваться внутри герметичной емкости 15. За счет центробежной силы твердые частицы, по принципу центрифуги, отбрасываются на внутренние стенки нижней части герметичной емкости 15. Механические частички ударяются о внутренние стенки герметичной емкости 15 и, теряя кинетическую энергию, опадают вниз, в канал 16 сброса сажевых частиц.

Далее очищенные отработавшие газы через мелкоячеистую сетку 21 поступают в верхний выходной канал герметичной емкости 15. Мелкоячеистая сетка 21 не позволяет твердым частицам сажи поступать в верхний канал герметичной емкости 15. По мере заполнения нижней части герметичной емкости 15 твердыми частицами отработавших газов, срабатывает датчик 23 уровня сажевых частиц, сигнал от которого передается на блок управления 12, с которого осуществляется управление заслонкой 24 сброса твердых сажевых частиц в емкость для последующей утилизации.

Так как во время проведения ускоренных испытаний по разработке метода оценки склонности дизельных топлив на закоксовывание распылителей форсунок на моторном стенде при работе двигателя на режиме максимального крутящего момента с максимальной нагрузкой на тормозе при изменении состава топливовоздушной смеси в сторону обогащения ухудшаются условия сгорания топливовоздушной смеси в двигателе, что приводит к значительному увеличению содержания в отработавших газах несгоревших углеводородов в виде сажи и появлению черного оттенка выхлопных газов.

Поэтому в зависимости от изменения нагрузочно-скоростного режима работы двигателя 3, определяемый датчиком 5 частоты вращения коленчатого вала и тензодатчиком 2 величины крутящего момента двигателя 3, изменяется величина дымности, определяемым дымомером 13, с помощью оптического датчика 14 в очищенных отработавших газах от твердых частиц сажи на выходе из герметичной емкости 15. Сигнал от датчиков 2, 5 частоты вращения коленчатого вала и крутящего момента двигателя передается на блок управления 12, с которого осуществляется управление запорным клапаном 11.

Отработавшие газы из двигателя 3 поступают через герметичную емкость 15, где произошло отделение твердых частиц сажи, в сажеотделитель 9, где скорость истечения их задерживается, т.к. выход выхлопных газов смещен относительно входа на расстояние не менее диаметра выхлопного трубопровода 8 двигателя 3. Это позволяет качественно проводить диспергирование мелких частиц сажи, находящихся в выхлопных газах, за счет распыливания распылителями 10 воды в виде тумана. Если концентрация дыма превышает допустимые величины, приводящие к образованию сажевых частиц, то необходимо увеличить количество подаваемой воды, поступаемой от центральной сети водоснабжения, к распылителям 10. Вода с частицами сажи после сажеотделителя 9 поступает в ресивер 7 на слив.

Таким образом, за счет дополнительно введенных (герметичной емкости 15, четырехканальных гребенок 18, циклонов 19, мелкоячеистой сетки 21, датчика 23 уровня сажевых частиц и управляемой заслонки 24) был получен указанный технических результат - уменьшен расход воды и снижена дымность отработавших газов на 68% при работе двигателя на режиме максимального крутящего момента с максимальной нагрузкой на тормозе при изменении состава топливовоздушной смеси в сторону обогащения, который позволил проводить ускоренные испытания топлив и масел в стендовых условиях при разработке новых методов оценки их эксплуатационных свойств.

Изобретение относится к системам очистки отработавших газов двигателей внутреннего сгорания стендов для испытаний топлив и масел. Предложена автоматизированная система очистки отработавших газов двигателя 3 содержащего выхлопной трубопровод 8, в котором размещены герметичная емкость 15 с конусообразной нижней частью, сажеотделитель 9 и ресивер 7. В нижней части ресивера 7 установлен патрубок для слива воды, а в верхней - канал выпуска очищенных отработавших газов. В боковых стенках герметичного сажеотделителя 9 установлены распылители 10 оросительной воды с запорным клапаном 11. В верхней части емкости 15 выполнены расположенные диаметрально противоположно входы 17, размещенные на одном уровне в виде четырехканальных гребенок 18, к выходам каждого из которых подсоединен индивидуальный циклон 19 с заглушенным верхним торцом 20. Внутри емкости 15 размещена мелкоячеистая сетка 21. В конусообразной части емкости 15 установлен подключенный к входу блока управления 12 датчик 23 уровня сажевых частиц, а в канале 16 сброса сажевых частиц установлена заслонка 24, управляемая блоком управления 12. Технический результат: уменьшение выбросов сажи и вредных веществ в окружающую среду на различных нагрузочно-скоростных режимах работы моторного испытательного стенда. 1 ил.

Автоматизированная система очистки отработавших газов моторного испытательного стенда, содержащая динамометрическую машину с тензодатчиком крутящего момента коленчатого вала двигателя внутреннего сгорания, связанного через соединительную муфту с динамометрической машиной, ресивер, в нижней части которого установлен патрубок для слива воды, а в верхней - канал выпуска очищенных отработавших газов, сажеотделитель, установленный перед ресивером и выполненный в виде герметичной трубопроводной вставки со смещенными центральными осями патрубков входа и выхода выхлопного газа по высоте на расстояние не менее диаметра выхлопного трубопровода двигателя, в диаметрально противоположных боковых стенках сажеотделителя установлены направленные встречно относительно друг друга перпендикулярно центральной оси выхлопного трубопровода распылители, подключенные к источнику оросительной воды через запорный клапан, исполнительный механизм которого связан с соответствующим входом блока управления, к другим соответствующим входам которого подключены тензодатчик крутящего момента коленчатого вала двигателя и дымомер, оптический датчик которого установлен на входе сажеотделителя, отличающаяся тем, что дополнительно содержит установленную перед сажеотделителем герметичную емкость с конусообразной нижней частью, связанной с каналом сброса сажевых частиц, в образующей вертикальной стенке, верхней ее части, выполнены расположенные диаметрально противоположно входы, размещенные на одном уровне в виде четырехканальных гребенок, к выходам каждого из которых подсоединен боковым патрубком индивидуальный циклон с заглушенным верхним торцом и закрепленными в дополнительно введенной мелкоячеистой сетке внутри герметичной емкости конусообразными выходными нижними каналами, при этом в конусообразной части герметичной емкости установлен подключенный к соответствующему входу блока управления датчик уровня сажевых частиц, а в канале сброса сажевых частиц отработавших газов установлена управляемая заслонка, исполнительный механизм которой связан с соответствующим выходом блока управления.