СПОСОБ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА СГОРАНИЯ В ДВИГАТЕЛЕ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ И СИСТЕМА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF INVESTIGATING COMBUSTION PROCESS IN INTERNAL COMBUSTION ENGINE AND SYSTEM THEREFOR

Изобретение относится к системам исследования, контроля и управления процессами воспламенения и сгорания топлива, конкретно к системам исследования процессов воспламенения и сгорания топлива в камерах сгорания двигателей внутреннего сгорания.
Для исследования процессов 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 (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. Способ контроля и управления сжиганием топлива и ионизационный датчик для его осуществления. Патент на изобретение РФ №2096690, Бюл. №32). Появление ионного тока в пламени регистрируется практически мгновенно, а изменение его величины отражает изменение параметров горения - давления, температуры, турбулентности, состава смеси, степени его завершенности. Эти системы состоят из: камеры сгорания, ионизационного датчика и электронной системы управления подачей топлива. Недостатком таких систем является их неспособность определять изменение характеристик сгорания, изменяющихся в течение нескольких миллисекунд при работе поршневых двигателей и тепловых установок внутреннего сгорания.
Для устранения указанного недостатка было предложено в поршневых двигателях для определения состава смеси, измерения давления и концентрации токсичных выделений (R. Reinmann, A. Saitzkoff, F. Mauss, "Local Air-Fuel 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 lonization Current for Engine Diagnostic and Control", SAE Paper No 2003-03-1119) использовать в качестве одного из электродов ионизационного датчика свечу зажигания, а в качестве другого - корпус двигателя. Недостатки, присущие предложенной системе, обусловлены тем, что определялись характеристики сгорания в период воспламенения и выгорания топливно-воздушной смеси в ограниченном объеме вблизи свечи зажигания.
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).
В известном способе исследования процесса сгорания в двигателе внутреннего сгорания при использовании системы с ионизационными датчиками (Прототип. 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. // Пат. №2309334, приор. от 10.01.2006, Бюл. №1, 2007), 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, время появления и исчезновения и амплитуду 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.
Ионизационный датчик содержит отрицательный электрод - камеру сгорания и положительный электрод - металлический стержень, изолированный от камеры сгорания и установленный в зоне, где производится исследование характеристик сгорания топлива. Амплитуду ионного тока, характеризующую интенсивность выгорания ТВС, обычно сравнивают с амплитудой ионного тока при коэффициенте избытка воздуха, равном единице (α=1). Измерение ионного тока пламени и сравнение замеряемой амплитуды тока с амплитудой ионного тока при α=1 производится непрерывно во все время работы двигателя и в любой момент времени имеется информация о динамике выгорания топливно-воздушной смеси в зоне установки изолированного электрода. Вследствие того, что скорость передачи информации о динамике выгорания определяется скоростью перемещения электронов в пламени, то результаты измерения и сравнения величин тока отражают динамику выгорания практически мгновенно, что дает возможность эффективно контролировать рабочий процесс с целью обеспечения высокой эффективности сгорания топливно-воздушной смеси (ТВС) и минимальной токсичности выхлопа двигателя (R. Reinmann, A. Saitzkoff, F. Mauss, "Local Air-Fuel 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 lonization Current for Engine Diagnostic and Control", SAE Paper No 2003-03-1119. Образование и разложение загрязняющих веществ в пламени: Пер. с англ./Ред. Н.А. Чигир. - М.: Машиностроение, 1981. - 497 с., ил, с. 277-285).
Измерение и сравнение между собой величин ионного тока может производиться в зоне завершения сгорания топлива (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. // Пат. №2309334, приор. от 10.01.2006, Бюл. №1, 2007). Например, поддерживая соотношение амплитуды измеренного ионного тока к амплитуде ионного тока при коэффициенте избытка воздуха α, равном единице, в диапазоне 0,6-0,75, обеспечивается минимальная для данной конструкции концентрация несгоревших углеводородов (СН) в отработавших газах (ОГ) (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. // Пат. №2309334, приор. от 10.01.2006, Бюл. №1, 2007).
Концентрация несгоревших углеводородов определяется главным образом степенью завершенности химических реакций сгорания вблизи стенок камеры сгорания, что определяется шириной зоны химических реакций сгорания, а скорость распространения переднего и заднего фронта пламени позволяет оценить полноту сгорания, которая непосредственно влияет на концентрацию несгоревших углеводородов и эффективность сгорания ТВС, то есть характеристику тепловыделения (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. // Пат. №2309334, приор. от 10.01.2006, Бюл. №1, 2007).
Концентрация несгоревших углеводородов определяется главным образом степенью завершенности химических реакций сгорания вблизи стенок камеры сгорания, что определяется шириной зоны химических реакций сгорания, а скорость распространения переднего и заднего фронта пламени позволяет оценить полноту сгорания, которая непосредственно влияет на концентрацию несгоревших углеводородов и эффективность сгорания ТВС, то есть характеристику тепловыделения (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. // Пат. №2309334, приор. от 10.01.2006, Бюл. №1, 2007).
Основные недостатки указанных выше способов и устройств заключаются в невозможности адекватного измерения основных характеристик сгорания ТВС, таких как скорость распространения переднего и заднего фронта пламени в основной и заключительной фазах сгорания, и ширины зоны химических реакций, определяющих как эффективность работы ДВС, так и токсичность ОГ. В настоящее время общепринято разделение процесса сгорания в поршневых ДВС на три фазы: 1-я фаза от начала подачи электрического напряжения на свечу зажигания до формирования устойчивого фронта пламени, экспериментально конец 1-й фазы определяется точкой отрыва индикаторной диаграммы давления в цилиндре от диаграммы сжатия без горения; 2-я фаза заканчивается на достижении максимального давления или температуры в цилиндре двигателя; 3-я фаза (заключительная) фаза, в которой догорает оставшиеся 10-15% топлива. В качестве основной фазы считают продолжительность 1-й и 2-й фаз.
Задачей изобретения является определение основных характеристик горения: скорости распространения переднего и заднего фронта пламени, ширины зоны химических реакций сгорания, интенсивности протекания химических реакций горения во фронте пламени, а также направления осредненного движения фронта пламени в цилиндре для обеспечения высокой эффективности сгорания ТВС и минимальной концентрации несгоревших углеводородов в отработавших газах поршневых двигателей внутреннего сгорания.
Указанная задача достигается тем, что при установке ионизационного датчика в удаленную от свечи зажигания зону камеры сгорания вдоль определенного направления движения пламени регистрируют подачу электрического питания на свечу зажигания, время появления и исчезновения и величину ионного тока по каждому электроду ионизационного датчика, проводят сравнение времени появления и исчезновения ионного тока на каждом электроде, показывающее направление осредненного движения фронта пламени, вдоль определенного направления движения пламени вычисляется скорость распространения переднего и заднего фронта пламени в основной и заключительной фазах сгорания путем деления расстояния от свечи зажигания до соответствующего электрода на промежуток времени от подачи тока на свечу зажигания до возникновения или исчезновения ионного тока на соответствующем изолированном электроде, основная фаза, или путем деления расстояния между изолированными электродами на промежуток времени между появлениями и исчезновениями ионного тока на соответствующих изолированных электродах, заключительная фаза, соответственно, ширина зоны горения определяется с помощью известных расстояний между изолированными электродами и промежутков времени между появлением и исчезновением ионного тока на этих электродах, интенсивность протекания скоростей химических реакций горения определяется амплитудой ионного тока и временем его существования в сравнении с его амплитудой и временем существования ионного тока в цепи соответствующих электродов датчика при сжигании топливно-воздушной смеси стехиометрического состава (α=1).
Система для исследования процесса сгорания топливовоздушной смеси в двигателях внутреннего сгорания содержит 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, причем ионизационный датчик содержит по крайней мере пять изолированных от деталей корпуса (цилиндра и головки цилиндра) электродов, три из которых расположены в одной плоскости со свечой зажигания, а остальные - по обе стороны от этой плоскости. Расположение электродов, не расположенных в одной плоскости со свечой зажигания, определяется размерами участка камеры сгорания, в которую устанавливаются изолированные электроды. В приведенном примере диаметр окружности составляет 13 мм. Расположение этих электродов на этой окружности определяется из конструктивных требований и не оказывает влияния на конечный результат исследования.
Так как измерение ионного тока пламени производится непрерывно, а скорость передачи информации о динамике выгорания определяется скоростью перемещения электронов в пламени, то результаты измерения и сравнения амплитуд ионного тока отражают динамику выгорания практически мгновенно и дают возможность определять основные характеристики сгорания ТВС в зоне каждого электрода ионизационного датчика в любой момент времени в соответствии с изменением режимных параметров работы двигателя.
Следовательно, способ исследования процесса сгорания в двигателе внутреннего сгорания и система для его осуществления соответствуют критерию изобретения «новизна».
Сравнение решения не только с прототипом, но и с другими техническими решениями в данной области техники позволило выявить в них признаки, отличающие заявляемое решение от прототипа, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию «изобретательский уровень».
Фиг. 1 - схема системы исследования характеристик сгорания.
Фиг. 2 - вид снизу на головку цилиндра с электродами ионизационного датчика.
Фиг. 3 - сечение ионизационного датчика плоскостью, проходящей через электроды ионизационного датчика.
Фиг. 4 - примеры осциллограмм записи ионного тока по центральному электроду датчика при работе двигателя на разных составах ТВС.
Фиг. 5 - пример определения ширины зоны горения одновременной регистрации при появления ионного тока, передний фронт пламени (5,52 мсек от момента подачи электрического напряжения на свечу зажигания) на удаленном электроде и его исчезновения, задний фронт пламени на ближнем электроде.
Фиг. 6 - пример определения ширины зоны горения при исчезновении ионного тока с ближнего электрода (5,5 мсек) и позже его появления на удаленном электроде (5,34 мсек).
На фиг. 1, 2 и 3 показана система исследования характеристик сгорания, на фиг. 4 представлены осциллограммы записи ионного тока при работе двигателя на различных составах ТВС, на фиг. 5 и 6 показаны примеры определения ширины зоны химических реакций горения и направления распространения пламени по регистрации времени прихода и ухода переднего и заднего фронта пламени по 5-и положительным электродам датчика, задний фронт пламени (ЗФП) показан пунктирной линией, передний фронт пламени (ПФП) показан сплошной линией.
Система исследования характеристик сгорания, фиг. 1, 2 и 3, содержит цилиндр двигателя 1, поршень с кольцами 2, головку цилиндра 3 с впускным клапаном 4 и выпускным 6, свечой зажигания 5, ионизационным датчиком 7. Ионизационный датчик содержит не менее 5 изолированных от корпуса двигателя электродов (на фиг. 2 и 3 представлен датчик с пятью электродами) - 9, 10, 11, 12 и 13. Общим, отрицательным, электродом для изолированных от двигателя положительных электродов является часть корпуса двигателя, головка цилиндров или цилиндр двигателя при установке датчиков в цилиндр. Необходимым условием для определения ширины зоны химических реакций, направления и скорости распространения переднего и заднего фронта пламени является установка ионизационного датчика относительно свечи зажигания, таким образом, чтобы по крайней мере 3 из изолированных электродов (на фиг. 2 и 3 электроды 9, 10 и 11) расположены в одной плоскости со свечой зажигания.
На фиг. 5 и 6 ближний, средний и удаленный электроды находятся в одной плоскости со свечой зажигания.
Пример работы: при приближении поршня 2 к верхней мертвой точке на свечу зажигания 5 подается электрическое питание высокого напряжения и между электродами свечи проскакивает электрическая искра, воспламеняющая топливно-воздушную смесь в объеме вокруг электродов свечи. От воспламенившегося объема пламя распространяется по свежей ТВС в камере сгорания. В процессе сгорания фронт пламени, достигнув ионизационного датчика, содержащего по крайней мере пять положительных электродов, замыкает электрическую цепь между электродами ионизационного датчика (9, 10, 11, 12, 13) и отрицательным электродом - камерой сгорания 1. В цепи датчиков ионизационного датчика возникает ионный ток, который после прохождения зоны горения исчезает.
На фиг. 4, в качестве примера, показана осциллограмма записи ионного тока при изменении коэффициента избытка воздуха в широком диапазоне для центрального электрода датчика. По этой осциллограмме появление ионного тока показывает время прихода переднего фронта пламени к данному электроду, исчезновение ионного тока - уход заднего фронта пламени с электрода. Амплитуда тока оценивает интенсивность протекания реакций горения в данном месте камеры сгорания.
По этим результатам можно сделать следующие выводы:
- наиболее интенсивно сгорание происходит при коэффициенте избытка воздуха, α, равном 0,87, наименее интенсивно при α=1,32;
- протяженность основной фазы сгорания наименьшая 4,6 миллисекунд (мсек), также при α=0,87; наибольшая при α=1,32-9 мсек;
- при α=0,87 и 0,8 интенсивность горения выше чем при α=0,98 (почти стехиометрический состав горения).
зхр
зхр
Ширина зоны горения определяется в соответствии с примерами, представленными на фиг. 5 и 6. На фиг. 3 представлено одновременное появление ионного тока, передний фронт пламени (5,52 мсек от момента подачи электрического напряжения на свечу зажигания) на удаленном электроде и его исчезновение; задний фронт пламени, на ближнем электроде. В этом случае ширина зоны горения, δ равняется расстоянию между ближним и удаленным электродом δ=13 мм.
На фиг. 6 показан пример определения ширины зоны горения при исчезновении ионного тока с ближнего электрода (5,5 мсек) и позднее его появления на удаленном электроде (5,34 мсек). Для этого случая определяют ширину зоны горения для момента времени 5,34 мсек по формуле:
зхр
зхр
δ=13+ΔL,
зхр
зфп
зфпб лижний
зфп дальний
где ΔL=U(τ-τ) или для данной схемы
зхр
зфп
ΔL=U(5,5 мсек-5,34 мсек),
зфп
зфп средний
зфп ближний
-3
-3
U=6,5/(τ-τ)=(6,5*10 м)/(0,12*10 сек)=54,2 м/с,
зхр
3
-3
тогда δ=13 мм+54,2*10 мм/сек*0,16*10 сек=13 мм+8,67 мм=21,67 мм.
зхр
При исчезновении ионного тока с ближнего электрода разные появление ионного тока на удаленном электроде ΔL необходимо отнять от расстояния между этими электродами.
Направление распространения фронта пламени определяется по промежуткам времени от подачи электрического напряжения на свечу зажигания до появления ионного тока (переднего фронта пламени) в цепи электродов ионизационного датчика.
В соответствии с примером фиг. 5 и 6 передний фронт пламени сначала приходит к верхнему на схеме электроду, затем к удаленному и в последнюю очередь к нижнему.
Следовательно, пламя распространяется с незначительной закруткой по часовой стрелке. Угол между плоскостью, проходящей через свечу зажигания и три электрода (на фиг. 5 и 6 близкий, средний и дальний), определяется из простых геометрических соотношений, предварительно определив скорость перемещения переднего фронта пламени и положения для одного промежутка времени, например, времени достижения передним фронтом пламени удаленного электрода.
Проведенные экспериментальные исследования на одноцилиндровой установке ДВС и двигателе ВА3-1111 подтвердили, что применение предлагаемого способа исследования процесса сгорания в двигателе внутреннего сгорания и система для его осуществления позволяют обеспечить определение скорости распространения переднего и заднего фронта пламени, ширины зоны сгорания, интенсивности протекания химических реакций горения во фронте пламени, а также направления осредненного движения фронта пламени в цилиндре.