Устройство для тестирования воспламеняемости жидких топлив

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТЕСТИРОВАНИЯ ВОСПЛАМЕНЯЕМОСТИ ЖИДКИХ ТОПЛИВ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт тепло- и массообмена имени А.В.Лыкова Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Пенязьков Олег Глебович Шушков Сергей Васильевич(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт теплои массообмена имени А.В.Лыкова Национальной академии наук Беларуси(57) Устройство для тестирования воспламеняемости жидких топлив, содержащее герметичную камеру, внутри которой расположены по крайней мере два электрода, подключенные к источнику электропитания, отличающееся тем, что один из электродов снабжен выемкой с выходным отверстием, а другой выполнен подвижным в виде стержня, поперечный размер которого меньше размера выходного отверстия выемки, причем неподвижный электрод с выемкой и подвижный электрод установлены с возможностью вертикального перемещения последнего из положения соприкосновения, при этом подвижный электрод связан с управляемым приводом перемещения, его стержень снабжен диэлектрическим экраном, перекрывающим в положении соприкосновения электродов выходное отверстие выемки, а точка соприкосновения электродов соответствует дну выемки и вершине стержневого электрода.(56) 1. Селиванов С.Е., Кулик М.И. Методы экспериментального определения показателей воспламеняемости жидких топлив / Вестник Харьковского национального автомобильнодорожного университета. - 2005. - Вып. 30. - С. 105-109. 2. Шушков С.В., Генарова Т.Н., Лещевич В.В., Пенязьков О.Г., Русакова С.В., Егоров А.С., Говоров М.И., Присмотров Ю.А. Повышение скорости горения топлива при добавлении углеродных наноразмерных частиц // ИФЖ. - 2012, Т. 85. -4. - С. 797-803. 3. Методы экспериментального определения нормальной скорости распространения пламени в газо- и паровоздушных смесях. Приложение 7. ГОСТ 12.1.044-89. 4. Патент США 6991365, МПК 01 25/00, 2006. 5. Розловский А.И. Основы техники взрывобезопасности при работе с горючими газами и парами. - М, 1980. - С. 56-57. Предлагаемое техническое решение относится к технике для испытания горючих свойств жидких топлив и может быть использовано для тестирования, в том числе топлив,содержащих включения в виде твердых наноразмерных частиц. Известен метод определения горючих свойств топлива по сжиганию капли топлива,нанесенной на серебряный шарик, в потоке горячего воздуха 1. Проведение исследований сводится к определению фотографическим методом скорости испарения капель при температурах, близких к температурам их воспламенения. Однако для жидких топлив, содержащих включения в виде наноразмерных твердых частиц, этот метод имеет ограниченное применение в силу невозможности испарения частиц. Известен метод тестирования скорости воспламенения жидких топлив на установке адиабатического сжатия 2. Быстро перемещающийся поршень сжимает воздух в камере,в которой помещена капля исследуемого топлива, что приводит к нагреву воздуха и воспламенению капли. Свойства топлива оцениваются по осциллограмме с датчика давления и сигналу системы регистрации оптического излучения. Однако испытание топлива с включениями твердых наноразмерных частиц требует распыления топливной капли, поскольку горение с поверхности большой капли только частично соответствует реальному процессу сжигания топлива в двигателе. Для распыления необходимо встраивание в камеру форсунки высокого давления и точное согласование момента ее срабатывания с движением поршня, что усложняет конструкцию установки и процесс испытаний. Известен стандартный метод определения скорости распространения пламени в газои паровоздушных смесях 3, при котором камеру фиксированного объема заполняют горючей смесью, поджигают электрической искрой между парой электродов и регистрируют сигнал датчиков давления и оптического излучения. Однако для испытания топлива с включениями твердых наноразмерных частиц необходимо встраивание устройства распыления, что усложняет конструкцию и процесс испытаний. Известен аппарат для тестирования воспламеняемости 4, содержащий герметичную камеру, в которой установлены многосопловая форсунка и устройство поджигания. Однако устройство поджигания установлено на значительном расстоянии от форсуночных отверстий, и при впрыске топлива, содержащего включения в виде твердых наноразмерных частиц, будет происходить частичное осаждение частиц на стенку камеры, что не позволяет воспламенить всю порцию тестируемого топлива. Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является бомба постоянного объема для сжигания 5. Бомба может быть использована для тестирования характеристик горения газовых топливных смесей. Бомба представляет собой герметичную камеру, в которой установлена поджигающая свеча в виде пары электродов,смонтированных в диэлектрическом держателе. Для напуска в бомбу компонентов горю 2 94702013.08.30 чей смеси и регулировки их расхода предназначен входной вентиль, смонтированный в отверстии в стенке корпуса бомбы. В корпусе бомбы также выполнено выходное отверстие, в котором установлен другой вентиль, предназначенный для герметизации камеры или для подключения внешних устройств, в том числе датчика давления. В корпус бомбы также вмонтировано окно для проведения спектрально-оптических измерений при помощи различных внешних систем регистрации. Процесс горения изучается по регистрируемым сигналам с датчиков давления и (или) приемника оптического излучения. Таким образом, в бомбе можно приготовить и исследовать горение различных горючих смесей из газа-окислителя и газа горючего (например, смесь воздух - метан 4). Также возможно тестирование смесей, состоящих из газа-окислителя и паров жидкого топлива (например,воздух - пары этанола). Таким образом, бомбу можно использовать как устройство для тестирования воспламеняемости жидких топлив. Однако при испарении топлива, содержащего включения в виде твердых наноразмерных частиц, твердые частицы будут оставаться в жидкой фазе испаряемой капли. Поэтому приготовление внутри устройства горючей смеси из топлива с твердыми частицами требует применения средств для распыления жидкого топлива, например, через входной вентиль под действием газа-толкателя при высоком давлении от дополнительного баллона со сжатым газом или компрессора. Однако распыление через вентиль может сопровождаться появлением в том числе и грубых капель большого размера. Для тонкого распыления возможно использование специальной форсунки, что приводит к усложнению конструкции,необходимости согласования момента ее открытия с моментом инициирования поджигающего электрического импульса в промежутке между электродами. В случае приготовления смеси вне устройства и подачи ее по трубопроводу некоторая доля частиц неконтролируемо оседает на стенках, увеличивая погрешность измерений. Задачей предлагаемого технического решения является расширение диапазона тестирования скорости воспламенения жидких топлив, в том числе жидких топлив, содержащих включения в виде твердых наноразмерных частиц, и упрощение конструкции устройства. Указанная задача решается следующим образом. Известное устройство содержит герметичную камеру, внутри которой расположены по крайней мере два электрода, подключенные к источнику электропитания. Согласно предлагаемому техническому решению, один из электродов снабжен выемкой с выходным отверстием, а другой выполнен подвижным в виде стержня, поперечный размер которого меньше размера выходного отверстия выемки неподвижного электрода. Причем неподвижный электрод с выемкой и подвижный электрод в виде стержня установлены с возможностью вертикального перемещения последнего из положения соприкосновения. Для этого подвижный электрод присоединен к управляемому приводу перемещения. На стержне подвижного электрода закреплен диэлектрический экран, который в положении соприкосновения электродов перекрывает выходное отверстие выемки, при этом точка соприкосновения электродов соответствует дну выемки и вершине стержневого электрода. Таким образом, в предлагаемой конструкции распыление пробы тестируемого топлива осуществляют парами части самого топлива при электрическом разряде внутри топливной капли, что позволяет отказаться от распыляющей форсунки и от устройства для согласования момента ее срабатывания с моментом инициирования поджигающего электрического импульса в промежутке между электродами. Это значительно расширяет возможности тестирования различных видов жидкого топлива, в том числе жидких топлив, содержащих включения в виде твердых наноразмерных частиц, а также значительно упрощает конструкцию устройства. На фиг. 1 представлен общий вид с разрезом предлагаемого устройства в положении соприкосновения электродов. На фиг. 2 показана схема предлагаемого устройства в положении соприкосновения электродов. 3 94702013.08.30 На фиг. 3 в увеличенном масштабе представлена схема взаимного расположения электродов в момент их соприкосновения. На фиг. 4 в увеличенном масштабе представлена схема взаимного расположения электродов в момент начала перемещения подвижного электрода и образования зазора между электродами. На фиг. 5 в увеличенном масштабе представлена схема взаимного расположения электродов в конечном положении подвижного электрода. На фиг. 6 показана типичная осциллограмма давления в камере при тестировании образца топлива. На фиг. 7 показана обобщенная диаграмма сигналов давления для нескольких испытываемых видов топлив, протестированных на описываемом устройстве, демонстрирующая его работоспособность. Устройство содержит герметичную камеру, в которой установлен неподвижный электрод 1 и подвижный электрод 2 (фиг. 1). В верхней рабочей части электрода 1 выполнена выемка. Подвижный электрод 2 выполнен в виде стержня, поперечный размер этого стержня меньше выходного отверстия, выполненного в выемке неподвижного электрода 1. Неподвижный электрод 1 с выемкой и подвижный электрод 2 в виде стержня установлены с возможностью вертикального перемещения электрода 2. На подвижном электроде 2 закреплен диэлектрический экран 3, а сам электрод 2 установлен с возможностью перемещения из положения соприкосновения электродов 1 и 2. Для этого подвижный электрод 2 присоединен к закрепленному на корпусе камеры 4 управляемому приводу перемещения 5. Точка соприкосновения электродов 1 и 2 соответствует дну выемки электрода 1 и вершине стержневого электрода 2. Диэлектрический экран 3 в положении соприкосновения электродов перекрывает выходное отверстие выемки электрода 1. В отверстии корпуса камеры 4 установлен датчик давления 6. Люк 7 предназначен для обслуживания электродов 1 и 2, которые подключены к источнику электропитания 8. Выемка в электроде 1 может иметь технологически простую, преимущественно осесимметричную форму, например сферическую, цилиндрическую, коническую или другую. В качестве подвижного может быть выбран и нижний электрод 1. В этом случае привод перемещения 5 присоединяется к нижнему электроду 1 и обеспечивает его перемещение вниз. Предлагаемое устройство работает следующим образом (фиг. 2-5). В исходном положении (фиг. 2, 3) неподвижный электрод 1 с выемкой и подвижный электрод 2 в виде стержня находятся в соприкосновении. Диэлектрический экран 3 перекрывает выходное отверстие выемки электрода 1. В зону соприкосновения через люк 7 помещают дозированную каплю испытываемого топлива. Камеру 4 заполняют воздухом или другой кислородсодержащей смесью заданного давления. От источника питания 8 через электроды пропускают ток. Включают управляемый привод перемещения 5, и электрод 2 начинает медленно перемещаться. Скорость перемещения электрода 2 задается управляемым приводом перемещения 5. В момент разрыва цепи (фиг. 4) происходит электрический пробой в жидком топливе,который вызывает образование ионизованных паров части топлива. Поскольку неподвижный электрод 2 с выемкой и подвижный электрод 1 установлены с возможностью вертикального перемещения, а точка соприкосновения электродов соответствует дну выемки и вершине подвижного электрода, то электрической пробой гарантированно происходит внутри капли топлива. Образование ионизованных паров при этом вызывает резкое увеличение давления внутри капли, и она начинает расширяться в виде газовых пузырей, заполняя объем чашки до диэлектрического экрана 3. Режим вспенивания капли топлива продолжается в течение заданного промежутка времени. При переходе из жидкого состояния вещества в газообразное занимаемый объем увеличивается в 1000 раз, ионизация и диссоциация молекул могут добавить рост объема еще в 10 раз. Для распыления жидкой капли будет достаточным образования внутри нее 4 94702013.08.30 газового пузыря объемом на порядок больше самой капли. Поэтому надежный разлет произойдет при испарении и ионизации незначительной доли топлива 0,1-1 от массы капли, что несущественно для точности испытаний воспламеняемости. После фазы вспенивания топлива управляемый привод 5 резко поднимает электрод 2 с экраном 3 (фиг. 5). За счет перемещения экрана 3 открывается выходное отверстие электрода 1, образуя пространство для смешения ионизованных паров топлива, находящихся в выемке электрода 1, с кислородом объема камеры 4, и происходит вспышка образовавшейся газотопливной смеси. При этом повышается давление внутри камеры 4, что регистрируется датчиком давления 6. Таким образом, распыление капли топлива давлением ионизованных паров самого топлива позволяет эффективно тестировать в том числе жидкие топлива, содержащие включения в виде твердых наноразмерных частиц. Режим работы управляемого привода может задаваться различным, в зависимости от типа тестируемого топлива, например равномерное перемещение, движение с ускорением,перемещение с кратковременными остановками и другой. Выполнение выемки осесимметричной формы позволяет получить более однородное распыление и воспламенения капли топлива. Вариант конструкции устройства с приводом, присоединенным к нижнему электроду,удобен, например, в случае тяжелого привода. Приведенный ниже пример работы устройства по тестированию топлива осуществлялся на устройстве, в котором объем герметичной камеры 1 составлял 100 см 3. Выемка на неподвижном электроде имела полусферическую форму радиусом 5 мм. Стержневой электрод имел диаметр 1 мм. В качестве окислительной среды использовался воздух при атмосферном давлении. Дозировочный объем капель составлял 10 мкл. Применяли источник электропитания напряжением 10 кВ, со стабилизированной величиной по току 20 мА. Сигнал давления регистрировали с датчика МРХ 5700 АР (время отклика 1 мс) на осциллограф В-421. Было проведено сравнительное тестирование образцов различных топлив чистый этанол(топливо 1) и различные модификации этанола, содержащие твердые наноразмерные углеродные частицы (топлива 2-6). Типичная осциллограмма давления в камере при проведении тестирования для отдельного топлива приведена на фиг. 6. Сравнительная диаграмма (фиг. 7) показывает, что модифицированные топлива имеют лучшую воспламеняемость. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 6