Устройство для испытания жидких топлив на воспламеняемость

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ ЖИДКИХ ТОПЛИВ НА ВОСПЛАМЕНЯЕМОСТЬ(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 испытания жидких топлив на воспламеняемость, содержащее герметичную камеру, внутри которой расположена пара электродов, подключенных к источнику электропитания, отличающееся тем, что по крайней мере один из электродов выполнен подвижным, электроды установлены друг над другом с возможностью соприкосновения,причем в нижнем электроде выполнено углубление, а верхний изготовлен в виде стержня,точка соприкосновения электродов соответствует дну углубления в нижнем электроде и торцу стержня верхнего электрода, при этом на стержне верхнего электрода прикреплен упор, выше которого с зазором установлен диэлектрический экран, перекрывающий выходное отверстие углубления в исходном положении.(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., Гусакова 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 испытания, 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 испытания 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 испытания 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 горючей 2 94732013.08.30 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 газаокислителя 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 повышение эффективности и упрощение конструкции устройства. Указанная задача решается следующим образом. Известное устройство содержит герметичную камеру, внутри которой расположена пара электродов, подключенных к источнику электропитания. Согласно предлагаемому техническому решению, по крайней мере один из электродов выполнен подвижным, электроды установлены друг над другом с возможностью соприкосновения, причем в нижнем электроде выполнено углубление, а верхний изготовлен в виде стержня, точка соприкосновения электродов соответствует дну углубления в нижнем электроде и торцу стержня верхнего электрода, при этом на стержне верхнего электрода прикреплен упор, выше которого с зазором установлен диэлектрический экран, перекрывающий выходное отверстие углубления в исходном положении. 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 повышает эффективность устройства ввиду возможности тестирования различных видов жидкого топлива, в том числе жидких топлив, содержащих включения в виде твердых наноразмерных частиц, а также значительно упрощает конструкцию устройства. Режимы испытаний жидких топлив могут варьироваться изменением геометрических размеров конструктивных элементов устройства, таких, например, как геометрическая форма углубления нижнего электрода, место расположения упора на стержневом электроде, программами подачи тока и перемещения электродов. На фиг. 1 представлен разрез общего вида предлагаемого устройства в положении соприкосновения электродов. На фиг. 2 показана схема устройства в том же положении (соприкосновения электродов). 3 94732013.08.30 На фиг. 3 в увеличенном масштабе представлена схема взаимного расположения электродов в процессе работы устройства. На фиг. 3 а - схема взаимного расположения электродов в момент их соприкосновения(исходное положение электродов). На фиг. 3 б - схема взаимного расположения электродов в момент начала перемещения подвижного электрода и образования зазора между электродами. На фиг. 3 в - схема взаимного расположения электродов в момент начала подъема диэлектрического экрана под действием упора. На фиг. 3 г - схема взаимного расположения электродов в конечном положении. На фиг. 4 показана осциллограмма давления в камере устройства при испытании определенного образца топлива. На фиг. 5 показана сравнительная диаграмма сигналов давления для нескольких испытываемых видов топлив. Устройство содержит герметичную камеру, внутри которой друг над другом установлены неподвижный нижний электрод 1 и подвижный верхний электрод 2. В рабочей части нижнего электрода 1 выполнено углубление. Углубление в электроде 1 может иметь технологически простую осесимметричную форму, например сферическую, цилиндрическую,коническую или другую. Верхний электрод 2 выполнен подвижным в виде стержня, поперечный размер которого меньше выходного отверстия углубления, выполненного в нижнем электроде 1. На стержне верхнего электрода 2 закреплен упор 3. Над упором 3 на стержне с зазором установлен диэлектрический экран 4. Зазор образуется за счет того, что отверстие в диэлектрическом экране выполнено большим, чем поперечный размер стержня. Размер диэлектрического экрана 4 больший, чем размер выходного отверстия углубления в электроде 1, и в исходном положении диэлектрический экран 4 плотно прилегает к поверхности электрода 1. Тем самым диэлектрический экран 4 в исходном положении перекрывает выходное отверстие углубления. Подвижный электрод 2 присоединен к закрепленному на корпусе камеры 5 управляемому приводу перемещения 6. Точки соприкосновения электродов 1 и 2 соответствуют дну углубления в электроде 1 и торцу стержневого подвижного электрода 2. В отверстии корпуса камеры 5 установлен датчик давления 7. Люк 8 предназначен для обслуживания электродов 1 и 2, которые подключены к источнику электропитания 9. В качестве подвижного электрода 2 может быть выбран и нижний электрод 1. В этом случае привод перемещения 6 присоединяют к нижнему электроду 1, что обеспечивает его перемещение вниз. Упор 3 может монтироваться на различных расстояниях от торца стержневого электрода 2. Диэлектрический экран 4 может иметь неплоскую, например выпуклую вверх или вниз, форму. Устройство допускает некоторый наклон оси подвижного электрода 2 по отношению к вертикали. Предлагаемое устройство работает следующим образом. В исходном положении(фиг. 3 а) электроды 1 и 2 находятся в соприкосновении, при этом торец верхнего стержневого электрода 2 касается нижнего электрода 1 на дне углубления. В углубление электрода 1 через люк 8 помещают дозированную каплю испытываемого топлива, которая растекается вокруг точки соприкосновения электродов. Диэлектрический экран 4 перекрывает выходное отверстие углубления в электроде 1. Камеру 5 заполняют воздухом или другой кислородсодержащей смесью заданного давления. Включают источник электропитания 9. Электрод 2 начинает подниматься управляемым приводом перемещения 6. В момент разрыва цепи (фиг. 3 б) происходит электрический пробой в жидком топливе, который вызывает образование ионизованных топливных паров. Поскольку точка соприкосновения электродов соответствует дну углубления в нижнем электроде 1 и торцу подвижного стержневого электрода 2, то электрической пробой гарантированно происходит внутри капли топлива. Возможны и другие варианты режимов испытания в данном устройстве,обеспечивающие пробой внутри капли топлива, например, сначала перемещение электро 4 94732013.08.30 да 2 на малое расстояние, не извлекая торца электрода из капли, и лишь затем подача импульса тока, и другие комбинации. За счет зазора между стержнем электрода 2 и диэлектрическим экраном 4 электрод 2 свободно поднимается, а диэлектрический экран 4 остается лежать на электроде 1. Образование ионизованных паров при электрическом пробое вызывает резкое увеличение давления внутри капли, и она начинает расширяться в виде газовых пузырей, заполняя объем чашки до диэлектрического экрана 4. Поскольку диэлектрический экран 4 перекрывает выходное отверстие углубления, это препятствует истечению паров топлива в объем камеры 5, что исключает возможность преждевременного воспламенения. Режим вспенивания капли топлива продолжается в течение программируемого 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 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 поднимает электрод 2 выше(фиг. 3 в). Упор 3 приходит в контакт с диэлектрическим экраном 4 и начинает перемещать его вверх. При дальнейшем движении электрода 2 поднимается вверх экран 4, и открывается выходное отверстие углубления в электроде 1 (фиг. 3 г). При этом происходит смешение ионизованных паров топлива, находящихся в углублении электрода 1, с кислородом, поступающим из объема камеры 5, происходит воспламенение образовавшейся газотопливной смеси. Давление внутри камеры 5 повышается, что регистрируется датчиком давления 7. Прикрепление упора 3 на различных расстояниях от торца стержневого электрода 2 позволяет задавать различные режимы испытаний, чем повышается эффективность устройства. Исполнение диэлектрического экрана 4 выпуклой вверх или вниз формой позволяет соответственно увеличить или уменьшить объем полости для вспенивания топлива, чем расширяется диапазон испытательных режимов и повышается эффективность устройства. Наклон оси перемещаемого электрода по отношению к вертикали позволяет уменьшить габариты устройства без снижения эффективности его работы. 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. Устройство позволяет эффективно подобрать оптимальные режимы сравнительных испытаний для различных видов жидкого топлива, отличающихся, например, по плотности, вязкости, температуре вспышки, концентрации наночастиц и другим параметрам. Изменение испытательных режимов осуществляется путем изменения места установки упора 3 относительно торца электрода 2,изменения формы диэлектрического экрана 4 (выпуклая форма обеспечивает больший объем полости для накопления паров топлива, что позволяет увеличить амплитуду сигнала давления),варьирования программами движения электродов (перемещение равномерное, с кратковременными остановками, с ускорением и другие) сменой режимов протекания тока (постоянный, переменный, с наложением импульсов тока и другие). Приведенный ниже пример работы устройства осуществлялся на стенде с объемом герметичной камеры 100 см 3. Углубление на неподвижном электроде имело полусферическую форму радиусом 5 мм. Стержневой электрод имел диаметр 1 мм. Диэлектрический экран имел плоскую форму. В качестве окислительной среды использовался воздух при 5 94732013.08.30 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. Запуск развертки осциллографа при проведении тестирования для отдельного топлива был синхронизирован с моментом начала перемещения подвижного электрода. При разрыве контакта между электродами в начальный момент времени происходит электрический пробой в капле топлива. Далее в течение 1,5 с был задан режим медленного поднимания подвижного электрода до соприкосновения упора с диэлектрическим экраном. Этот режим,соответствующий вспениванию топливной капли частичными электрическими пробоями,сопровождается акустическим шумом, как видно на осциллограмме (фиг. 4). Далее в момент времени 1,70 с был задан режим ускоренного поднятия электрода, который обеспечил подъем диэлектрического экрана. При этом пары вспененного топлива смешались с кислородом камеры, произошло воспламенение газотопливной смеси, которое сопровождалось резким повышением давления в камере, что зарегистрировано соответствующим пиком сигнала давления на осциллограмме в момент времени 1,75 с (фиг. 4). Сравнительная диаграмма сигналов давления (фиг. 5) представляет собой наложение сигналов, полученных при испытаниях нескольких топлив при одинаковых режимах чистый этанол и различные модификации этанола, содержащие твердые наноразмерные углеродные частицы - этанол Б, этанол В, этанол Г. Начало шкалы времени приведено к моменту появления соответствующих пиков давления. Как видно, пиковая амплитуда сигналов давления для этанола Б, этанола В, этанола Г выше, чем у исходного этанола (фиг. 5). Тем самым испытание указанных топлив на воспламеняемость показало, что модифицированные топлива имеют лучшую воспламеняемость, чем подтверждается положительное влияние на процесс горения наноразмерных углеродных частиц. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 7