Устройство измерения, контроля и диагностики процесса сгорания в камере двигателя внутреннего сгорания
DEVICE FOR MEASUREMENT, CONTROL AND DIAGNOSTICS OF COMBUSTION PROCESS IN COMBUSTION ENGINE CHAMBER

Изобретение относится к системам исследования, контроля и диагностики процессами воспламенения и сгорания топлива, конкретно к системам исследования процесса сгорания топлива в камерах сгорания поршневых двигателей внутреннего сгорания.
Для исследования процесса воспламенения и сгорания, контроля воспламенения и сгорания топлива в топках металлургических печей, котельных установок, в форсажных камерах сгорания турбореактивных двигателей широко применяются системы, работа которых основана на измерении ионного тока пламени и сравнении замеренной амплитуды ионного тока с эталонным значением тока (см. Степанов Е.М., Дьячков Б.Г. Ионизация в пламени и электрическое поле. М.: Металлургия, 1968. Лаутон Д.Ж. Электрические аспекты горения. М.: Энергия, 1976. Шайкин А.П., Русаков М.М., Егоров А.Г. и др.; Патент на изобретение РФ №2096690 «Способ контроля и управления сжиганием топлива и ионизационный датчик для его осуществления», Бюл. №32). Появление ионного тока в пламени регистрируется практически мгновенно, а изменение его величины отражает изменение параметров горения - давления, температуры, турбулентности, состава смеси. Эти системы состоят из: камеры сгорания, ионизационного датчика и электронной системы управления подачей топлива.
Однако эти системы не применимы в поршневых двигателях внутреннего сгорания, в связи со значительными размерами датчиков ионизации состоящих из электрода и электроизолирующего материала, которые достаточно сложно установить в камеру сгорания не нарушив герметичность и прочность головки цилиндра.
Известны способы определения состава смеси, измерения давления и концентрации токсичных выделений в поршневых двигателях по электропроводности в зоне свечи зажигания (R. Reinmann, A. Saitzkoff, F. Mauss, "Local Air-Fuet Ratio Measurements Using the Spark Plug as an lonisation Sensor", SAE Paper No 970856, 1997. A. Saitzkoff, R. Reinmann, F. Mauss, M. Glavmo, "In-Cylinder Pressure Measurements Using the Spark Plug as an lonisation Sensor", SAE Paper No 970857, 1997. Gerard W. Malaczynski and Michael E. Baker, "Real-Time Digital Signal Processing of ionization Current for Engine Diagnostic and Control", SAE Paper No 2003-03-1119. Семенов Е.С., Карпов В.П. Заявка на изобретение РФ №94038776 «Способ контроля детонации в двигателях внутреннего сгорания»), где используется система измерения электропроводности пламени, в которой в качестве одного из электродов ионизационного датчика применяется свеча зажигания, а в качестве другого - корпус двигателя.
Недостатки, присущие предложенной системе, обусловлены тем, что характеристики сгорания в период воспламенения и выгорания топливно-воздушной смеси определялись в ограниченном объеме вблизи свечи зажигания, а также значительный шум сигнала вследствие низкой помехоустойчивости получаемого сигнала после искрового разряда.
Между тем известно, что достижение максимального давления сгорания, а также токсичность отработавших газов определяются в стадии завершения процесса сгорания (Образование и разложение загрязняющих веществ в пламени: Пер. с англ. / Ред. Н.А. Чигир. - М.: Машиностроение, 1981. - 497 с., ил, с. 277-285). Также известно, что эффективностью тепловыделения в бензиновых двигателях определяется характеристиками изменения ширины зоны горения и скорости распространения пламени в начальной и конечной фазах сгорания (Шайкин А.П., Ивашин П.В., Смоленский В.В., Бобровский И.Н. Заявка на изобретение РФ №2013128191 «Способ исследования процесса сгорания в двигателе внутреннего сгорания и система для его осуществления», Дата публикации заявки: 27.12.2014, Бюл. №36). И, следовательно, для полноценного исследования, контроля и диагностики процессами воспламенения и сгорания топлива необходимо размещать датчики ионизации в различных зонах камеры сгорания.
Известны конструкции датчиков ионизации которые применяются для исследования процесса сгорания в двигателе внутреннего сгорания (Шайкин А.П., Ивашин П.В., Дерячев А.Д. Заявка на изобретение РФ №2013146084/06 «Ионизационный датчик». Дата публикации заявки: 20.04.2015, Бюл. №11.) Ионизационный датчик, содержащий два электрода, одним из которых является корпус датчика, соединенный с остовом (корпусом) двигателя и имеющий полость, открытую в камеру сгорания двигателя, отличающийся тем, что второй электрод, изолированный от корпуса датчика и деталей двигателя, расположен внутри полости корпуса датчика.
Недостатком такого подхода является сложность уплотнения при установке в камеру сгорания поршневого ДВС, так как из-за своих габаритов такие датчики ставятся через рубашку охлаждения.
Известен способ и устройство исследования процесса сгорания в двигателе внутреннего сгорания при использовании системы с ионизационными датчиками, установленными в камеру сгорания, полость изменяющегося объема из цилиндра, поршня и головки цилиндров с установленными в ней свечой зажигания и ионизационным датчиком, одним из электродов которого является корпус двигателя и несколько изолированных от деталей корпуса электродов, выполняются следующие операции: регистрируют подачу электрического питания на свечу зажигания, амплитуду и время появления и исчезновения ионного тока по каждому электроду ионизационного датчика, проводят сравнение времени появления и исчезновения ионного тока на каждом электроде, определяют направление осредненного движения фронта пламени, ширину зоны химических реакций и их интенсивность (прототип - патент РФ №2309334 «Способ контроля и управления сгорания топлива в ДВС и ионизационный датчик для его осуществления», Ахремочкин О.А., Баринов В.В., Ивашин П.В., Коломиец П.В., Шайкин А.П., приор, от 10.01.2006, Бюл. №1, 2007).
Недостатки, присущие в предложенном способе и устройстве, заключаются в следующем, электроды изолируются при помощи керамических трубок, что значительно увеличивает диаметр установочного отверстия и ухудшает прочностные характеристики головки цилиндра, предложенное решение является не технологичным и не надежным, так как из-за своих значительных размеров датчики предложено устанавливать через рубашку охлаждения, что при нагреве двигателя и разными коэффициентами линейного расширения материалов приводит к течи охлаждающей жидкости.
Исходя из представленных материалов можно сделать вывод, что способы и методы исследования, контроля и диагностики процессами воспламенения и сгорания топлива, основанные на электропроводности пламени, имеют большой потенциал применения, и одним из сдерживающих их применение факторов является сложность надежной установки датчиков ионизации в камере сгорания поршневых двигателей которые имеют значительные ограничения по габаритам посадочных мест для датчиков.
Основные недостатки указанных выше способов и устройств заключаются в следующем: использование свечи зажигания в качестве электрода значительно снижает информативность получаемых данных о характере протекания сгорания, рассмотренные способы размещения электродов в камере сгорания поршневого двигателя имеют общие недостатки, а именно нетехнологичность и ненадежность конструкции, вследствие больших габаритов посадочного места в связи с необходимостью осуществлять электроизоляцию электрода и наличием определенного зазора между нулевым электродом - корпусом и положительным электродом, между которыми, при наличии плазмы, возникает электрический ток. Также при работе на нагрузочных режимах, за счет разного коэффициента линейного расширения, высоких давлений в камере сгорания, площади электрода и его электроизоляции, возникает эффект выдавливания электродов из камеры сгорания, что существенно снижает работоспособность рассмотренных способов установки датчиков ионизации.
Задачей изобретения является обеспечение возможности установки датчиков ионизации в камеру сгорания поршневых двигателей с сохранением работоспособности двигателя и повышение надежности и долговечности работы системы измерения ионных токов в камере сгорания.
Указанная задача достигается тем, что в устройстве измерения, контроля и диагностики процесса сгорания в камере двигателя внутреннего сгорания, содержащем прибор фиксации показаний датчика и ионизационный датчик, включающий изолированные друг от друга электроды, один из которых, отрицательный, - корпус головки цилиндра, второй, положительный, - изолированный от головки цилиндров металлический стержень, установленный в отверстии, выполненном в головке цилиндров, в соответствии с изобретением металлический стержень покрыт электроизоляционным слоем лака, имеет сферическое утолщение на конце, причем отверстие в корпусе головки цилиндра снабжено фаской и имеет диаметр, равный диаметру стержня.
Металлический стержень изготавливают из материала схожего по характеристикам линейного расширения с материалом головки цилиндра.
С внешней стороны металлического стержня выполнена резьба для установки фиксатора.
Технический результат от использования всех существенных признаков изобретения заключается в повышении надежности и долговечности работы системы измерения ионных токов в камере сгорания. Кроме того, обеспечивается возможность установки датчиков ионизации в головку блока цилиндров поршневых двигателей с сохранением работоспособности двигателя, без нарушения целостности рубашки охлаждения.
Выполнение устройства, в котором второй, положительный электрод, выполнен в виде изолированного от камеры сгорания металлического стержня, покрытого электроизоляционным слоем лака, имеющего сферическое утолщение на конце, и установленного в отверстии в корпусе головки цилиндра, снабженном фаской и имеющим диаметр, равный диаметру стержня, позволяет повысить надежность и долговечность работы системы измерения ионных токов в камере сгорания.
За счет применения электроизоляционного лака достигается уменьшение габаритов установочного отверстия в зоне установки датчика, что позволяет устанавливать второй электрод ионизационного датчика в головку цилиндра без нарушения целостности рубашки охлаждения головки цилиндра и уменьшать возможность выдавливания стержня электрода, как следствие - ведет к повышению надежности и долговечности работы системы измерения ионных токов в камере сгорания.
Сферическое утолщение на конце стержня второго электрода, установленного в отверстие, снабженное фаской для посадки сферического утолщения, а также наличие слоя клея и возможность фиксации стержня второго электрода датчика позволяют повысить герметичность установки, что также ведет к повышению надежности и долговечности работы системы измерения ионных токов в камере сгорания.
Конструкция заявляемого технического решения показана на чертежах.
Фиг. 1 - Схема установки электрода в головку цилиндра поршневого двигателя, вид снизу.
Фиг. 2 - Электрическая схема регистрации ионных токов в камере сгорания двигателя внутреннего сгорания.
Устройство измерения, контроля и диагностики процесса сгорания в камере двигателя внутреннего сгорания, содержит ионизационный датчик, включающий изолированные друг от друга электроды 1, 2. Один из электродов 1, отрицательный, - корпус головки цилиндра. Второй 2, положительный, - изолированный от головки цилиндров металлический стержень. Второй электрод 2 установлен в отверстии 3, выполненном в головке цилиндров 4.
Металлический стержень 2 положительного электрода покрыт электроизоляционным слоем лака 5 и имеет сферическое утолщение 6 на одном конце, расположенном в камере сгорания. Сферическое утолщение 6 на металлическом стержне 2 выполняется методом наплавки материала или расплавления того же материала, что и стержень, и придания ему нужной формы. Сферическое утолщение 6 является неразрывным элементом электрода 2 датчика.
Отверстие 3 в корпусе головки цилиндра 4 снабжено фаской 7 и имеет диаметр D, равный диаметру стержня 2 положительного электрода. Устройство содержит прибор 8 фиксации показаний датчика.
С внешней стороны металлического стержня 2 выполнена резьба для установки фиксатора 9, выполненного, например, в виде резиновой шайбы 10 и гайки 11.
Положительный электрод 2 установлен в отверстие 3 на термостойкий клей 12, так чтобы сферическое утолщение 6 располагалось в фаске 7, прилегающей к камере сгорания.
Металлический стержень 2 положительного электрода изготавливают из материала схожего по характеристикам линейного расширения с материалом головки цилиндра 4.
Прибор 8 фиксации показаний датчика представляет собой, например, осциллограф, включенный в электрическую сеть, состоящую из источника питания постоянного тока 13, к которому подключен ионизационный датчик 14 и датчик напряжения 15 и снабженную выходом 16 на цифровой осциллограф (см. фиг. 2).
Широко известны покрывные лаки, предназначенные преимущественно для создания защитного электроизоляционного покрытия на пропитанных обмотках, а также для покрытия металлов, различных электроизоляционных деталей из гетинакса, текстолита и других материалов. Они образуют механически прочную, гладкую, блестящую, влагостойкую пленку на поверхности твердой изоляции. Такая пленка повышает напряжение поверхностного разряда и поверхностное сопротивление изоляции, создает защиту лакируемого изделия от действия влаги, растворителей и химически активных веществ. Некоторые покрывные лаки (так называемые эмаль-лаки) наносят не на твердую изоляцию, а непосредственно на металл, образуя на его поверхности электроизоляционный слой (например, изоляция эмалированных проводов, изоляция листов электротехнической стали в расслоенных магнитопроводах электрических машин и аппаратов). Покрывные лаки имеют хорошие электрические характеристики, влагостойкость и нагревостойкость, оптимально быстро высыхают, проявлять хорошую адгезию к покрываемой поверхности и способность образовывать твердую и механически прочную пленку. В зависимости от условий эксплуатации и назначения электротехнического оборудования к покрывным лакам могут быть предъявлены и дополнительные требования, как, например, повышенная влаго- и термостойкость, стойкость к воздействию нефтяных масел и химически активных сред.
Устройство работает следующим образом.
При приближении днища поршня к верхней мертвой точке на свечу зажигания подается электрическое питание высокого напряжения и между электродами свечи проскакивает электрическая искра, воспламеняющая топливно-воздушную смесь в камере сгорания в объеме вокруг электродов свечи. От воспламенившегося объема пламя распространяется по свежей ТВС по камере сгорания. В процессе завершения сгорания фронт пламени, достигнув положительного электрода - металлического стержня 2, замыкает электрическую цепь между электродами ионизационного датчика, головкой блока 1 и металлическим стержнем 2, в которой появляется ионный ток. Величина ионного тока, характеризующая интенсивность выгорания ТВС, сравнивается в электронной системе управления двигателем (ЭСУД) с величиной ионного тока при  и, если отношение величин тока выходит за пределы 0,6-0,75, ЭСУД выдает команду на изменение расхода топлива через форсунку двигателя.
Проведенные экспериментальные исследования предложенного решения на двигателе ВА3-2111 (Смоленская, Н.М. Улучшение экономичности двигателей с искровым зажиганием за счет применения газовых композитных топлив: дис. канд. тех. наук: 05.04.02 - М., 2015. - 165 с., Смоленская, Н.М. Скорость распространения пламени в двигателе ВА3-2111 при добавке водорода в бензовоздушную смесь / Н.М. Смоленская, В.В. Смоленский // ж-л. Естественные и технические науки №4, 2013. М.: Спутник плюс. - С. 25-31.) подтвердили, что оно позволяет обеспечить повышение надежности и работоспособности системы измерения, контроля и диагностики процесса сгорания, при этом полученные сигналы имеют хорошо обрабатываемый и информативный вид.