Устройство для измерения дымности отработанных газов Советский патент 1992 года по МПК G01N21/53 

сл

с

Использование: для контроля дымности отработавших газов автомобилей на линии, при испытании дизелей на заводе-изготовителе или после ремонта, для исследования дизелей на дымность. Сущность изобретения: конструкция устройства создает воздушные защитные шторки для осветителя и фотоприемника. Эти шторки стабилизируют эффективную длину просвечиваемого газа. Продувочный воздух в измерительный качал не эффективной длине не попадает, он вытягивается в дополнительный канал. 3 ил.

Изобретение относится к анализаторам отработавших газов двигателей внутреннего сгорания и может быть использовано для контроля дымности отработавших газов автомобилей на линии, при испытании дизелей на заводе-изготовителе или после ремонта, для исследования дизелей на дымность,

Известен дымомер см. а.с. № 1203409, кл. G 01 N 21/53, содержащий пробоотбор- ную трубку, монтируемую на выхлопной трубе двигателя, пробоотборную трубку-применик, связанную с измерительным каналом через наклонные патрубки, плавно сопряженные с измерительным каналом. На одном конце измерительного канала размещен источник света, на другом фотоприемник и регистрирующий прибор. Поступление отработавших газов в измерительный канал осуществляется за счет эжекционного эффекта.

Недостатком рассмотренного устройства является значительная инерционность измерения вследствие сложного пути попадания газа в измерительный канал. Кроме того, оптические элементы (осветитель и фотоприемник) лишены защиты от загрязнения, что существенно снижает точность измерения и надежность устройства.

Известно устройство для измерения оптической плотности отработавших газов двигателей внутреннего сгорания см. а.с. по заявке № 4359310/25, кл. G 01 N 21/53, содер жащеё измерительную камеру с размещенными по ее торцам источником света и фотоприемником, патрубок подвода и патрубок отвода исследуемого газа, связанный с побудителем расхода, измерительная камера снабжена установленными в ее торцах перед источником света и фотоприемником насадками в виде усеченных конусов, при этом насадки обращены меньшими основаХ|

О X

СО О

4

ниями к центру камеры, патрубки подвода исследуемого газа установлены по торцам измерительной камеры, а патрубок отвода установлен в средней части камеры.

Недостатком рассмотренного устройст- ва является низкая точность измерения дымности, обусловленная несовершенной системой защиты осветителя и фотоприемника от загрязнения отработавшими газами, выполненная в виде конусных насадок, обращенных меньшими основаниями к центру камеры. А именно, на нестационарных режимах при избыточном давлении отработавших газов от двигателя внутреннего сгорания возможно заполнение отработавшими газами пространства между насадками и осветителем (фотоприемником), увеличение эффективной длины просвечивания и, как следствие этого, завышение результатов измерения. Кроме того, в этом случае также возможно загрязнение осветителя и фотоприемника и искажение результатов измерения в сторону завышения, что вызывает необходимость корректировки результатов измерения и частой периодической очистки осветителя и фотоприемника. Другими сло- вами,необходима надежная защита осветителя и фотоприемника от загрязнения отработавшими газами, стабильность эффективной длины просвечивания и эффек- тивное удаление исследуемой пробы из измерительной камеры при избыточном давлении отработавших газов от двигателя внутреннего сгорания на нестационарных режимах.

Целью изобретения является повышение точности измерения.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для измерения дымности отработавших газов, содержащем измеритель- ный канал, в противоположных торцах которого размещен источник света и фотоприемник, параллельный измерительному каналу дополнительный канал, сообщенный двумя соединительными патрубками, рас- положенными на его концах с измерительным каналом, входной патрубок, связанный с пробоотборником, выходной патрубок, снабженный побудителем расхода, выходной патрубок соединен со средней частью дополнительного канала, а входной патрубок со средней частью измерительного канала,, при этом в измерительном канале выполнены два щелевых отверстия, первое из которых расположено между одним сое- динительным патрубком и осветителем,второе между другим соединительным патрубком и фотоприемником, а пробоотборник выполнен с внутренним сечением, ограниченным из условия

-b -dl/л

о

dote

где а - ширина поперечного сечения щелевого отверстия, мм;

Ь -длина поперечного сечения щелевого отверстия, мм;

dK - диаметр измерительного канала, мм;

dors - диаметр входного отверстия в измерительный канал со стороны защитного фильтра, мм;

d3-искомый диаметр внутреннего сечения пробоотборника, мм;

Ґ - обобщенный фактор, характеризующий контролируемый двигатель и определяемый по зависимости:

у

V ( Ра Рвент ) РОГ

( Рогтах Рвент ) /Эв

где Ра - атмосферное давление, Па;

Рвент. - давление (разрежение) побудителя расхода газа, Па;

Ростах максимально-возможное давление отработавшего газа от двигателя автомобиля, Па;

РОГ и /Эв - плотности отработавшего газа и воздуха, кг/м3.

При доказательстве соответствия заявленного технического решения критерию существенные отличия не обнаружено технических решений, в которых имеются признаки, сходные с признаками, отличающими заявленное техническое решение от прототипа. Необходимо отметить, что в имеющихся технических решениях - аналогах воздух для обдува оптических элементов подается под давлением навстречу потоку отработавших газов, что вызывает необходимость уравнивания встречных потоков. В предлагаемом же решении направление защитного потока воздуха совпадает с направлением потока отработавших газов, протягиваемого электровентилятором, что само по себе освобождает от необходимости уравнивания встречных потоков и обеспечивает эффективную продувку оптических элементов при различных режимах работы двигателя (при различной скорости потока отработавших газов из выходной трубы автомобиля).

Поэтому предлагаемая совокупность признаков обеспечивает устройству новое свойство - эффективную защиту оптических элементов устройства от загрязнения отработавшими газами, стабильность эффективной длины просвечивания и эффективное удаление исследуемой пробы из измерительного канала при избыточном давлении отработавших газов от двигателя внутреннего сгорания на нестационарных режимах.

Таким образом, совокупность новых признаков, которыми характеризуется предлагаемое устройство, отвечает критерию существенные отличия, т.е. они обеспечивают устройству повышение точности измерения.

На фиг. 1 представлена общая схема конструкции устройства; на фиг. 2 представлена конструкция, вид спереди; на фиг. 3 показан вид сверху фиг. 2; на фиг. 4 пред- ставлена векторная схема скоростей газов.

Устройство для измерения дымности отработавших газов включает в себя (см. фиг. 1) измерительный канал 1, на противоположных концах которого установлены ис- точник света 2 и фотоприемник 3, входной 4 и выходной 5 патрубки, дополнительный канал 6, параллельный измерительному каналу 1, соединительные патрубки 7, линзы 8, 9 и 10, установленные на концах измеритель- ного канала 1 между источником света 2 и фотоприемником 3, защитные стекла-фильтры 11 с щелевыми отверстиями 12, согласующий светофильтр 13, побудитель расхода (вытяжной злектровентилятор) 14, установленный на выходном патрубке 5, пробоотборник 15, присоединенный к входному патрубку 4 соединительным шлангом 16, регистрирующее устройство (микроамперметр) 17 (см. фиг. 2), корпус 18, при этом защитные фильтры 11 установлены в гнезда 19 на концах измерительного канала 1, электродвигатель 20 (привод вентилятора 14), сальник 21 соединения вентилятора 14 с патрубком 5. Измерительный 1 и дополни- тельный 6 каналы (см, фи г. 3) выполнены раздвижными телескопическими и состоят из неподвижной 22, 23 и подвижной 24, 25 частей, соединение неподвижной и подвижной частей выполнено в виде эластичной втулки 26 с гайкой 27.

Схема электрическая принципиальная устройства для измерения дымности отработавших газов выполнена на стандартных элементах традиционными способами и со- стоит из схемы измерения, схемы стабилизации питания и схемы подстройки.

Устройство работает следующим образом.

При проведении измерений пробоот- борник 15 присоединяется к выхлопной трубе автомобиля, проводится отстройка прибора на О и дымности. Контролируемый двигатель запускается.

Работа устройства для измерения дым- ности отработавших газов дизелей основана на принципе просвечивания пробы отработавших газов, поступающих в измерительный канал. Свет от источника 2 (см. фиг, 1) линзами 8, 9 формируется в паралельный поток, который пройдя отработавшие газы в измерительном канале 1 фокуси- руется линзой 10 и попадает на фотодиод 3, который преобразует оптический сигнал в лектрический. Пропорциональный изменению светового потока электрический сигнал, снимаемый с фотодиода 3, усиливается регистрируется на микроамперметре 17 от О до 100 мкА (пропорционально измеряемой величине дымности).

Отработавшие газы от двигателя посту- пают в измерительный канал 1 под действием разрежения, создаваемо го электровентилятором 14. Электровентиляор 14 служит, кроме того, и для защиты птической системы от загрязнения и нагрева - в щелевые каналы 12 под действием разрежения поступает воздух, который обувает защитные стекла-фильтры 11 и препятствует их загрязнению и нагреву. Вентилятор 14 приводится в действие элекродвигателем 20. Количество отработавших газов, поступающих к входному патрубку4 измерительного канала ограничивается проходным сечением пробоотбор- ного зонда 15, исходя из условия, выраженного уравнением (1).

Доказательство обоснованности выбора внутреннего сечения пробоотборника, а следовательно, и эффективной работы устройства, можно провести аналитически. Для обоснования выбора внутреннего сечения зонда рассмотрим режимы функционирования дымомера. В установившемся режиме расхода отработавших газов от двигателя автомобиля количество газов, прошедших через вытяжной вентилятор дымомера, определяется выражением

Овент Qor + QB,(1)

где Qor - количество отработавших газов, поступивших через пробоотборник, м /с;

QB - количество воздуха, поступившего через щелевые каналы под действием разрежения вентилятора (побудителя расхода), м3/с. Отсюда

Qor Овент -Ов.(2)

В общем случае, на переходном режиме, когда Qor изменяется в широком диапазоне, защита оптических элементов за счет воздушных шторок из щелевых отверстий будет осуществляться до тех пор, пока не наступит условие

Qor Овент-Ов,(3)

т.е. до тех пор, пока вентилятор будет успевать откачивать газы. Следовательно, предельный случай функционирования продувки можно записать в виде

Qor QBeHT-QB.(4)

Переходя к параметрам конструкции дымомера, нужно учесть также, что для того,

чтобы отработавшие газы не попали на оптические элементы, необходимо, чтобы скорость потока продувочного воздуха (VBo) во входном отверстии измерительного канала была бы не меньше скорости отработавших газов (VOFK) в измерительном канале (см. векторную схему скоростей на фиг. 4):

VOPK VBO,(5)

Скорость отработавшего газа в сечении пробоотборника Vora определяется разностью давления отработавшего газа двигателя автомобиля и давления (разрежения), создаваемого вентилятором,

V

( РОГ - Рвент ) 2 /Рог

(6)

где Рог - давление отработавших газов от двигателя автомобиля, Па;

Рвент - давление (разрежение), создаваемое вентилятором, Па;

рог - плотность газа, кг/м3.

Количество отработавшего газа, проходящего в пробоотборнике и измерительном канале, связано соотношением

Qor V0r3 -f3 V0rK -2тк,(7)

где Vora и VorK - скорости газа соответственно в пробоотборнике и измерительном канале, м/с;

f3 и f к - площади сечения пробоотборника и канала,м . Следовательно,

VorK V0r3 -тз/2тк,(8)

или

ЧРог - Рвент ) 2/рог Гз/2тк VBO, @)

Скорость продувного воздуха в щелевом отверстии УВщ, будет определяться разностью атмосферного давления и давления (разрежения) вентилятора

V

( Ра - Рвент ) 2/рв

(10)

где Ра - атмосферное давление, Па; рв - плотность воздуха, кг/м3.

Количество продувочного воздуха, проходящего в щелевом отверстии и во входном отверстии в измерительном канале, будет связано соотношением

QB Увщ 2тщ VBO 2foTB,(11)

где УВЩ и VBO - скорости воздуха соответственно в щели и в отверстии, м/с;

fin и fore площади сечений щели и отверстия. Отсюда

V8o VBm тщ/тотв(12)

или

VBO V( Pa -Рвент) 2/p, f4/fOTB, (13)

Подставляя (13) в (9), получим

9

V( Рог- Рвент )-2//Obr -fa/2fK V( Ра-Рвент) 2/рв VW (14)

Таким образом, искомая площадь сечения пробоотборника (зонда), выраженная через параметры конструкции дымомера, будет определяться выражением:

5

0

5

0

5

f.-/:

(Ра Рвент ) РОГ . 2 fщ f к

(Р.

ormax

-Р

вент

) Л

ft

отв

(15) где Ра - атмосферное давление, Па;

Рвент - давление (разрежение) вентилятора, Па;

Ростах максимально-возможное давление отработавшего газа от двигателя автомобиля, Па;

тщ - площадь сечения щелевого канала в защитном фильтре, м2;

TK - площадь сечения измерительного канала дымомера, м ;

fore - площадь сечения входного отверстия в измерительный канал, м ;

Рог и РВ - плотности газа и воздуха, кг/м .

Перейдем к линейным размерам конструкции, исходя из того, что

2

Тз - т мм

Ц а Ь, мм2,

JT dS ММ2

Тк-.- , мм

Тотв

П doiB

, ММ

40

А также, учтем в виде обобщенного параметра W влияние параметров процесса

Ра, Рвент, Рогтах

V f( Ра Рвент ) РОГ ( Рогтах Рвент ) РВ

Окончательно получим

(16)

d3 VV- a b dS/TT di

отв

)

(17)

где da диаметр внутреннего сечения пробоотборника, мм;

а - ширина;

b - длина поперечного сечения щелевого отверстия в защитном фильтре, мм;

dote - диаметр входного отверстия в измерительный канал со стороны защитного фильтра, мм;

die диаметр измерительного канала, мм;

обобщенный фактор, характеризующий контролируемый двигатель и определяемый по (16);

Ра - атмосферное давление, Па;

Рвент - давление (разрежение) вентилятора (побудителя расхода), Па;

Рогтах - максимально-возможное давление отработавшего газа от двигателя автомобиля, Па;

РОГ и/Эв плотности отработавшего газа и воздуха, кг/м3.

Эффективная работа системы защиты оптических элементов от загрязнения и запотевания, а следовательно, и точная работа при измерении дымности отработавших газов, возможны лишь при выборе пропускного сечения по зависимости (17).

Технико-экономические преимущества предлагаемого технического решения состоят в повышении точности измерения дымности на нестационарных режимах работы дизеля. А именно, вследствие появления воздушных шторок, образованных за счет разности давления, создаваемого побудителем расхода (вытяжным электровентилятором) и давления атмосферного воздуха, происходит надежная защита осве- титепя и фотоприемника от загрязнения отработавшими газами, нагрева и т.д. Кроме того, воздушные шторки подрезают слой отработавших газов и тем самым стабилизируют эффективную длину просвечивания газа. Сам продувочный воздух при такой организации газо-воздушного потока в измерительный канал на эффективной длине не попадает, т.к. он вытягивается через соединительные патрубки в дополнительный канал. Также за счет эффективной продувки атмосферным воздухом расширяется температурный диапазон применения устройства и появляется возможность измерения дымности при отрицательных температурах.

Подтверждением преимуществ предлагаемого решения (а именно, высокой точности измерения), основанного на выбранной схеме организации газовоздушного потока, являются результаты сравнительных испытаний предлагаемого решения с измерителем дымности МК-3 фирмы Hartridge (см. Акт испытаний), расхождение данных измерений составило менее 1% при корреляции данных измерений 0,98.

При одном уровне точности предлагаемое устройство измерения в 5 раз легче, имеет в два раза меньше габариты и обладает дополнительной функцией - автоном- ный электровентилятор может сам удалять отработавшие газы из помещения, в котором производятся измерения.

10

Формула изобретения

Устройство для измерения дымности отработанных газов, содержащее измерительный канал, в противоположных торцах которого размещены источник света и фотоприемник, параллельный измерительному каналу дополнительный канал, сообщенный двумя соединительными патрубками, расположенными на его концах, с измерительным каналом, входной патрубок, связанный

с пробоотборником, выходной патрубок, снабженный побудителем расхода, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерений, выходной патрубок соединен со средней частью дополнительного

канала, а входной патрубок - со средней частью измерительного канала, при этом в измерительном канале выполнены два щелевых отверстия, первое из которых расположено между одним соединительным

патрубком и осветителем, второе - между другим соединительным патрубком и фотоприемником, а пробоотборник выполнен с внутренним сечением da, ограниченным условием

d3 b di/я dl

отв

где а и b -соответственно ширина и длина поперечного сечения щелевых отверстий; cfK - диаметр измерительного канала;

doiB диаметр входного отверстия в измерительный канал;

ijfL V ( На - Рвент ) рог ( Рогтах Рвент ) РВ

где Ра - атмосферное давление;

Рвент - давление, создаваемое побудителем расхода газов;

Рогтах - максимально возможное давление отработанного газа;

РОГ и/Эв - - плотности отработанного газа и воздуха соответственно.

If

/- V М б f 3

fr6CA91l