CC BY
7Поляков Ю. А., Сазонов Ю. И.
СКОРОСТНАЯ ИНДИКАЦИЯ ДЕТОНАЦИОННЫХ ЯВЛЕНИЙ В ДВИГАТЕЛЯХ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
В статье представлены результаты экспериментального исследования возникновения детонационных явлений в камере сгорания дизеля методом плёночной термометрии. С помощью тонкоплёночного термосенсора зафиксирован момент появления вибрационного горения. Показана возможность оперативного предотвращения аварийной ситуации с помощью термосенсора с поглощающим тонким покрытием.
Ключевые слова: пожаровзрывобезопас-ность двигателей, тонкоплёночные термосенсоры.
Polyakov Yu., Sazonov Yu.
HIGH-SPEED OF DEFINITION OF DETONATION IN INTERNAL COMBUSTION ENGINE
The results of the experimental investigation of origin of detonation in combustion chamber diesel by film thermometer method are observed. A moment of appearance of vibrating burning by thin-film termodetectors is determined. It is shown the possibility of operational prevention of crash situation by means termodetectors with thin absorption coating.
Keywords: fire and explosion safety of engines, thin-film termodetectors.
В
ысокий уровень температур и неоднородность их полей в конструкции камер сгорания двигателя способствуют возникновению нестационарных во времени и неоднородных по объёму конструкции температурных напряжений, локальное превышение которых выше предельных значений ведёт к потере работоспособности агрегата.
Быстропеременные термические напряжения вызываются колебаниями температуры огневой поверхности и приводят к разрушениям усталостного типа
и (или) ускоряют коррозию поверхности. Величина повреждений, вызываемых переменными температурными пульсациями на внутренней поверхности элементов цилиндровой группы, зависит от теплофизических свойств газа и материала конструкции, частоты и амплитуды пульсаций температуры поверхности и ресурса работы двигателя.
Температурные колебания наружных слоёв металла невелики (особенно для быстроходных двигателей) и быстро затухают с увеличением расстояния от огневой поверхности (рис. 1). Однако они могут принести существенные неприятности.
0
Рисунок 1. Эпюра температурного поля в крышке двигателя:
1 - средняя по времени температура поверхности; 2 - температура охлаждаемой поверхности; 3, 4 - амплитудный размах температурных пульсаций; Д - глубина проникновения пульсаций
x
Герметичные плёночные термосенсоры оказались наиболее эффективными регистраторами высокочастотных колебаний температурных пульсаций на границе газ-стенка. Применение их в двигателях внутреннего сгорания различного типа (МАДИ и НИИ двигателей) и дизелей МГТУ им. Н. Э. Баумана позволило не только провести обстоятельный комплекс экспериментальных исследований, но и выработать стратегию и мероприятия по повышению моторесурса энергообъектов транспортного назначения [1-3].
Кроме того, благодаря высоким динамическим характеристикам, эти сенсоры способны оперативно обнаружить детонационные явления, возникающие при нарушении штатного режима агрегата.
Установленный в головке цилиндра герметичный термосенсор (см. рис. 2) выдерживал значительные температуры
Рисунок 2. Плёночный термосенсор и его установка в головке цилиндра:
1 - защитная плёнка; 2 - чувствительный элемент (платиновая плёнка); 3-12 - гарнитура сборки конструкции в корпусе цилиндра двигателя 148,5/11
Погрешности индикации мгновенных температур и переменного теплового потока связаны с градуировкой термосенсора, регистрацией сигналов в процессе опыта, неточностями в определении теплофизических свойств материала подложки и обработкой температурной кривой при гармоническом анализе. При нормальной работе всего измерительного комплекса суммарная погрешность оценивается примерно в 5-7 %.
Экспериментальная зависимость изменения температуры от угла поворота вала в одной из точек огневой поверхности днища головки представлена на рисунке 3.
Рисунок 3. Осциллограмма колебания температуры поверхности головки (перемычка выпускного клапана и вихревой камеры) двигателя 1Ч 8,5/11 (ре = 4,8 кгс/см2; п = 1 500 об/мин.):
Тпул - кривая пульсационной температуры; ВМТ - верхняя мёртвая точка.
Стрелка показывает направление движения фотоплёнки
и высокие давления, при этом была получена уникальная информация о пульсациях температуры поверхности при различных нагрузках.
На двигателе Ярославского моторного завода периодическая кривая температуры имела следующий вид (см. рис. 4).
Рисунок 4. Осциллограмма пульсаций температуры поверхности головки цилиндра в двигателе ЯМЗ (п = 1 300 об/мин; Ие = 10 л.с.).
1 ОКВ - один оборот коленчатого вала.
Стрелка показывает направление движения фотоплёнки
При использовании некачественного топлива или недостаточного смесеобразования в цилиндре камеры сгорания двигателя имеется вероятность возникновения детонационных явлений или вибрационного горения. Контроль номинального режима процесса можно осуществлять с помощью малоинерционного термосенсора, смонтированного
Рисунок 5. Расположение плёночных термосенсоров на огневой поверхности крышки цилиндра двигателя 1Ч 8,5/11:
1-3 - плёночные термосенсоры; 4-9 - контрольные термопары (хромель-капель)
на огневой поверхности крышки цилиндра двигателя (см. рис. 5).
Эксперименты проводились на стендах МГТУ им. Н. Э. Баумана и НИИ двигателей. Тензометрическая аппаратура обеспечивала запись стационарно-периодического процесса на шлейфовом осциллографе; одновременно регистрация пульсаций осуществлялась на С1-17.
Были изучены колебания температур по нагрузочной и скоростной характеристикам. В контрольных опытах изменялся состав топлива, а также угол опережения подачи топлива.
При всех этих условиях термосенсоры регистрировали ход реакции. Шёл поиск режимов, приводящих к детонации («стуку») в цилиндре двигателя. При появлении таких детонационных явлений кардинально менялся характер термограммы процесса [3].
Плёночные индикаторы практически мгновенно фиксировали автоколебательный процесс режима горения в камере сгорания.
В период вибрационного горения были предприняты меры по блокированию носителей цепных реакций, кото-
рые приводят к детонации («стуку») в цилиндре двигателя. В частности, определённое антидетонирующее действие различных добавок в топливную смесь способствовало ликвидации этого нежелательного аномального явления.
Рисунок 6. Термограмма вибрационного режима горения.
Стрелка показывает направление развёртки
Рисунок 7. Конструкция термосенсора-индикатора импульсного излучения:
1 - фильтр из лейкосапфира; 2 - термодатчик с поглощающим покрытием; 3 - корпус датчика; 4 - выводы; 5 - штуцеры для охлаждающей жидкости
В результате были найдены пути уменьшения возможности возникновения детонационных явлений в двигателях; при этом отработка оптимального режима проводилась под контролем герметичного плёночного термосенсора, выполняющего в этом случае роль теплопеленгатора.
Следует отметить ещё одну «управляющую» функцию плёночных термосенсоров: с их помощью можно определить и отладить время задержки воспламенения, а также угол опережения подачи топлива. Выступая как «контролёр» этих важных параметров работы двигателя, они весьма продуктивны на стадии доводки двигателей до нужной кондиции.
Малоинерционные плёночные сенсоры могут быть использованы для контроля штатного режима двигателя
внутреннего сгорания, в том числе дизелей, по тепловому лучистому потоку при стационарно-периодическом процессе работы агрегата. С этой целью была разработана конструкция, представленная на рисунке 7.
Тепловой термосенсор располагался в отверстии крышки цилиндра двигателя и «следил» за колебаниями лучистого теплового потока.
При этом он выполнял функцию теплового индикатора числа оборотов двигателя. Для получения пульсирующего лучистого потока энергии было синтезировано аналоговое вычислительное устройство на НС-элементах, реализующее передаточную функцию для краевой задачи теплопроводности полупространства.
При вспышке порции топлива сигнал преобразуется в значение теплового потока, по характеру которого можно осуществлять тепловой мониторинг номинального режима энергообъекта.
дЛ0 2, Вт/м2
30
20
10
0 360 400 440 480 ф°
Рисунок 8. Лучистый поток от датчика в крышке двигателя ЯМЗ-256 в точке измерения 5 (см. рис. 5):
ф° - угол поворота коленчатого вала (п = 2 100 об/мин; рк = 2,15 кг/см2); 1 - а (коэффициент избытка воздуха) = 1,55; 2 - а = 1,78; 3 - а = 2,08; 4 - а = 2,73
При превышении номинального значения лучистого потока термосенсор подаёт командный импульс на систему отключения подачи топлива.
ЛИТЕРАТУРА
1. Орлин А. С., Поляков Ю. А., Сазонов Ю. И. Экспериментальное исследование теплообмена между газом и цилиндром вихрекамерного дизеля плёночными термометрами сопротивления // Энергомашиностроение. - 1975. - № 6. - С. 20-29.
2. Поляков Ю. А, Дегтярёв С. А. Исследование возможности предотвращения пожаровзрыво-опасности дизель-генераторов транспортного назначения // Пожары и ЧС. - 2009. - № 2. - С. 44-52.
3. Баутин А. В., Поляков Ю. А. Система безопасности двигателей внутреннего сгорания на основе быстродействующего термопреобразователя // Труды 13 науч.-техн. конф. «Датчики и преобразователи информации...». - М.: МГИЭМ, 2001. - С. 148-149.
