ДЕТЕКТОР ТУРБУЛЕНТНОСТИ

Техническое решение относится к области энергетического машиностроения, в частности к области диагностирования процесса сгорания углеводородного топлива в энергетических установках с искровым зажиганием.
Из существующего уровня техники известны следующие аналоги полезной модели.
1) Датчик контроля режима тепловой энергетической установки, содержащий СВЧ генератор с резонатором, и предназначенный для диагностики процесса горения в тепловых энергетических установках (см. патент РФ № RU 77419 U1, дата публикации заявки: 20.10.2008). Недостатком данного технического решения являются: значительные затраты на установку контрольной аппаратуры в камере сгорания; дороговизна датчика. Известный способ из-за малого количества определяемых характеристик позволяет только частично оценить техническое состояние камеры сгорания энергетической установки, а, следовательно, не может гарантировать надежную работу при возврате энергетической установки в эксплуатацию в течение назначенного или вновь установленного ресурса.
2) Устройство контроля пламени содержащее последовательно расположенные на оптической оси проекционный блок, блок выделения спектральных составляющих излучения пламени и фотоприемный блок, а также блок преобразования и связи с ЭВМ (см. патент РФ № RU 94029847 А1, дата публикации заявки: 10.07.1996). Недостатком данного технического решения являются: значительные затраты на установку контрольной аппаратуры в камере сгорания; дороговизна используемого оборудования.
3) Датчик погасания пламени, состоящий из приемника излучения, цепи интегрирования, цепи задержки и подсчета импульсов (см. патент РФ № RU 135083 U1, дата публикации заявки: 27.11.2013). Недостатком данного технического решения являются: значительные затраты на установку контрольной аппаратуры в камере сгорания; дороговизна используемого оборудования; невозможность получения информации о характеристиках процесса сгорания в энергетической установке.
4) Устройство контроля пламени горелки, содержащее два фотоэлектрических датчика, двухканальную электрическую схему обработки поступающих к датчикам оптических сигналов (см. патент РФ № RU 8087 U1, дата публикации заявки: 16.10.1998). Недостатком данного технического решения являются: затраты на установку контрольной аппаратуры в камере сгорания; дороговизна используемого оборудования; невозможность получения информации о скорости химических реакций во фронте пламени.
5) Устройство для селективного контроля пламени горелки, содержащее оптический датчик и электронный блок (см. патент РФ № RU 23953 U1 дата публикации заявки: 20.07.2002). Недостатком данного технического решения являются: затраты на установку контрольной аппаратуры в камере сгорания; дороговизна используемого оборудования; невозможность получения информации о скорости химических реакций во фронте пламени.
6) Ионизационный датчик содержащий два электрода, одним из которых является корпус датчика, соединенный с корпусом двигателя и имеющий полость, открытую в камеру сгорания двигателя, при этом второй электрод, изолированный от корпуса датчика и деталей двигателя, расположен внутри полости корпуса датчика (см. патент РФ № RU 2013146084 А, дата публикации заявки: 20.04.2015). Недостатком данного технического решения является необходимость в наличии на головке блока цилиндров двигателя дополнительного отверстия для ионизационного датчика, что усложняет и повышает стоимость внедрения данного технического решения производство.
7) Устройство для контроля и управления сжиганием топлива в поршневом двигателе имеет комплекс ионизационных датчиков, не менее восьми, изолированных от деталей корпуса двигателей электродов, расположенных по окружности на расстоянии, диаметрально противоположном друг другу в изделии, которое также служит прокладкой между головкой цилиндра и корпусом двигателя (см. патент РФ № RU 2438070 C1, дата публикации заявки: 27.12.2011). Недостатком данного технического решения являются большие вычислительные затраты на обработку сигналов от восьми датчиков и как следствие необходимость в использовании более мощных и дорогих процессоров в электронной системе управления двигателем; невозможность получения информации о процессе сгорания в отдаленной от стенки цилиндра зоне камеры сгорания.
8) Система обнаружения детонации в камере сгорания двигателя, использующая для этого электроды свечи зажигания (см. патент US 6725834 В2, дата публикации заявки: 27.04.2004). Недостатком данного технического решения являются: невозможность получения информации: о процессах, удаленных от свечи зажигания, о скорости химических реакций во фронте пламени, скорости распространения пламени, динамике образования токсичных компонентов (оксидов азота и несгоревших углеводородов) в продуктах сгорания.
Наиболее близким к заявленному техническому решению является устройство для исследования процесса сгорания в двигателе внутреннего сгорания, представляющее собой ионизационный датчик содержащий три изолированных от деталей корпуса электродов (см. патент РФ № RU 167337 U1, дата публикации заявки: 10.01.2017). Недостатком данного технического решения являются: невозможность получения информации: о ширине зоны турбулентного горения, пульсационной скорости пламени и масштабов турбулентности.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение является определение характеристик турбулентности пламени в двигателе внутреннего сгорания.
Данная задача решается за счет того, что заявленный детектор турбулентности, содержащий цилиндрический корпус, на торце которого установлены четыре электрода, отличается тем, что центральный электрод имеет три чувствительные зоны, разделенные слоем диэлектрика.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является определение турбулентной скорости распространения, ширины зоны турбулентного горения, пульсационной скорости пламени и масштаба турбулентности.
Сущность изобретения поясняется чертежом, на которых изображен датчик пламени:
1 - корпус детектора турбулентности;
2 - электроды свечи зажигания;
3 - центральный электрод свечи зажигания;
4 - слой диэлектрика;
5 - первая чувствительная зона;
6 - вторая чувствительная зона;
7 - третья чувствительная зона.
Работает устройство следующим образом.
После возникновения искрового разряда между центральным электродом (3) и окружающими его электродами свечи зажигания (2) возникший фронт пламени начинает распространяться вглубь камеры сгорания.
В момент времени, когда фронт пламени будет находиться между первой (5) и второй (6) чувствительной зоной, искровой разряд свечи зажигания прекратит свое существование и не будет влиять на показания датчика пламени. В это время электроны, находящиеся в продуктах сгорания, омывают первую чувствительную зону (5) центрального электрода и корпус камеры сгорания, замыкают электрическую цепь, в которой возникает импульс электронного тока. Поскольку образование электронов в продуктах сгорания обусловлено термической ионизацией, то сигнал с первой чувствительной зоны (5) дает информацию о температуре, давлении и детонации в камере сгорания. При этом в данный момент времени вторая чувствительная зона будет находиться в низкотемпературной зоне несгоревшей топливовоздушной смеси, обладающей на порядок меньшим содержанием заряженный частиц, чем в продуктах сгорания. Значит, сигнал со второй чувствительной зоны не повлияет на точность сигнала с первой зоны.
В момент времени, когда фронт пламени, омывает вторую чувствительную зону (6) и корпус камеры сгорания, то замыкается электрическую цепь, в которой возникает импульс ионного тока, обусловленный электропроводностью углеводородного пламени. Продолжительность сигнала устанавливается временем замыкания цепи, т.е. временем соприкосновения фронта пламени со второй чувствительной зоной. Поскольку образование заряженных частиц во фронте углеводородного пламени обусловлено химической ионизацией, то сигнал со второй чувствительной зоны (6) дает информацию о скорости распространения пламени, скорости химических реакций во фронте пламени, скорости сгорания топлива и динамике образования токсичных компонентов (оксидов азота и несгоревших углеводородов) в продуктах сгорания. Поскольку концентрация заряженных частиц, образованных в результате химической ионизации, на порядок превышает концентрацию заряженных частиц, образованных в результате термической ионизации, то ток, получаемый с первой чувствительной зоны, будет на порядок меньше тока, получаемого со второй чувствительной зоны, и, таким образом, не повлияет на точность сигнала получаемого со второй чувствительной зоны.
В момент времени, когда фронт пламени, омывает третью чувствительную зону (7) и корпус камеры сгорания, то замыкается электрическую цепь, в которой возникает импульс ионного тока, обусловленный электропроводностью углеводородного пламени. Продолжительность сигнала устанавливается временем замыкания цепи, т.е. временем соприкосновения фронта пламени с третьей чувствительной зоной.
В блоке преобразования и связи с ЭВМ выходной сигнал с детектора турбулентности подвергается преобразованию из аналоговой формы в цифровую и передается в ЭВМ. В результате анализа сигнала, по специальному алгоритму, рассчитываются характеристики турбулентного пламени (т.е. турбулентная скорость распространения пламени, ширина зоны турбулентного горения, пульсационная скорость пламени, масштабы турбулентности).