Устройство для тестирования скорости воспламенения жидких топлив

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТЕСТИРОВАНИЯ СКОРОСТИ ВОСПЛАМЕНЕНИЯ ЖИДКИХ ТОПЛИВ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт тепло- и массообмена имени А.В.Лыкова Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Пенязьков Олег Глебович Силенков Михаил Анатольевич Шушков Сергей Васильевич(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт теплои массообмена имени А.В.Лыкова Национальной академии наук Беларуси(57) 1. Устройство для тестирования скорости воспламенения жидких топлив, включающее герметичную камеру, внутри которой расположена пара электродов, подключенных к источнику электропитания, отличающееся тем, что электроды установлены друг против друга с возможностью взаимного перемещения из положения соприкосновения, для чего,по крайней мере, один из электродов присоединен к управляемому приводу перемещения,причем форма электродов в зоне контакта выбрана такой, что в положении их соприкосновения контакт между поверхностями электродов происходит в геометрически точечной зоне, а в качестве источника электропитания использован высоковольтный источник постоянного тока. 92912013.06.30 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что электроды в зоне контакта выполнены сферическими. 3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что электроды в зоне контакта выполнены цилиндрическими и установлены перекрестно под углом друг к другу. 4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в качестве источника электропитания использован высоковольтный источник переменного тока, а привод перемещения установлен в режиме движения со скоростью, не превышающей величину 2,где- высота микронеровностей поверхности электродов, - частота сети переменного тока.(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., Присмотрев 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. 4.6991365, 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 испытания 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. 2 92912013.06.30 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 предназначена 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 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 скорости воспламенения 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 расположена пара электродов, подключенных к источнику электропитания. Согласно предполагаемой полезной модели, электроды установлены друг против друга с возможностью взаимного перемещения из положения соприкосновения, для чего, по крайней мере, один из электродов присоединен к управляемому приводу перемещения,причем форма электродов в зоне контакта выполнена такой, что в положении их соприкосновения контакт между поверхностями электродов происходит в геометрически точечной зоне, а в качестве источника электропитания использован высоковольтный источник постоянного тока. В предлагаемом устройстве электроды могут быть выполнены со сферической формой поверхности в зоне контакта. 3 92912013.06.30 В предлагаемом устройстве электроды могут быть выполнены с цилиндрической формой поверхности в зоне контакта и установлены перекрестно под углом друг к другу. В предлагаемом устройстве в качестве источника электропитания может быть использован высоковольтный источник переменного тока, а привод перемещения установлен в режиме движения со скоростью, не превышающей величину 2, где- высота микронеровностей поверхности электродов,- частота сети переменного тока. Таким образом, предлагаемое устройство 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. Это происходит за счет того, что 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. На фиг. 1 представлена схема предлагаемого устройства в положении соприкосновения электродов, когда электроды в зоне контакта выполнены сферическими. На фиг. 2 представлена схема предлагаемого устройства при перемещении подвижного электрода, связанного с управляемым приводом перемещения. На фиг. 3 представлена схема предлагаемого устройства в положении соприкосновения электродов, когда электроды в зоне контакта выполнены цилиндрическими и установленными перекрестно под углом друг к другу. На фиг. 4 показано перекрестное расположение цилиндрических электродов устройства. На фиг. 5 а показаны осциллограммы давления в камере при тестировании различных образцов топлив на основе гептана 716. На фиг. 5 б показаны дифференциальные зависимости сигнала давления от времени для различных образцов топлив на основе гептана 716. На фиг. 5 в показана гистограмма максимальной крутизны фронта давления для различных образцов топлив на основе гептана 716. На фиг. 6 а показаны осциллограммы давления в камере при тестировании различных образцов топлив на основе этанола 25. На фиг. 6 б показаны дифференциальные зависимости сигнала давления от времени для различных образцов топлив на основе этанола 25. На фиг. 6 в показана гистограмма максимальной крутизны фронта давления для различных образцов топлив на основе этанола 25. Таким образом, на фигурах 5 и 6 представлены измеренные и расчетные зависимости параметров при работе устройства, демонстрирующие его работоспособность. Устройство содержит герметичную камеру 1, в которой установлен неподвижный электрод 2 и подвижный электрод 3. Форма электродов 2 и 3 выбрана такой, что в положении их соприкосновения контакт между поверхностями электродов происходит в геометрически точечной зоне. Наиболее просто это реализуется при сферической форме конструкции электродов или при цилиндрической форме электродов, установленных перекрестно под углом друг к другу. Подвижный электрод 3 соединен с управляемым приводом перемещения 4. Электроды 2 и 3 подключены к источнику электропитания 5,который является высоковольтным источником стабилизированного постоянного тока, но может быть использован также источник импульсного тока. В зоне соприкосновения электродов в стенке камеры 1 выполнен люк 8 для обслуживания электродов и контроля их состояния. В камере 1 установлен датчик давления 6 и выполнено окно 7 для регистрации излучения при сгорании тестируемого топлива внешней оптической системой, например, фотокамерой (на фигуре не показана). Предлагаемое устройство работает следующим образом (фиг. 1). В исходном положении неподвижный электрод 2 и подвижный электрод 3 находятся в соприкосновении. В 4 92912013.06.30 зону соприкосновения через люк 8 наносят дозированную каплю испытываемого топлива,при этом за счет смачиваемости поверхности электродов 2 и 3 капля топлива растекается вокруг зоны соприкосновения. Камеру заполняют воздухом или другой кислородсодержащей смесью заданного давления. От источника питания 5 через электроды пропускают стабилизированный по величине ток. Включают привод 4, и подвижный электрод 3 начинает перемещаться. В момент разрыва цепи (фиг. 2) происходит электрический пробой в жидком топливе, так как высоковольтный источник 5 поддерживает стабилизированное протекание тока. Электрический пробой в жидком топливе вызывает образование ионизованных паров части топлива. Поскольку форма поверхности электродов 2 и 3 в зоне контакта обеспечивает геометрически точечный контакт (сферическая поверхность электродов, цилиндрические поверхности, перекрестные под углом друг к другу, могут применяться и другие по кривизне формы электродов), то электрической пробой гарантировано происходит внутри капли топлива. Образование ионизованных паров при этом вызывает резкое увеличение давления внутри капли, и она начинает расширяться в виде газового пузыря между электродами. 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 скорости воспламенения. В момент разрыва пузыря плазма ионизованных паров топлива приходит в контакт с кислородсодержащей атмосферой в камере 1 и происходит воспламенение разлетающихся частей капли. При этом повышается давление внутри камеры 1, что регистрируется датчиком давления 6. Одновременно происходит свечение сгорающего топлива, что может быть зафиксировано через окно 7 оптической регистрирующей системой, например, фотокамерой (на фигуре не показана). Анализ крутизны фронта давления изучается с помощью осциллографа и позволяет судить о скорости воспламенения испытываемого топлива. Распыление капли топлива внутренним давлением ионизованных паров позволяет эффективно тестировать в том числе жидкие топлива, содержащие включения в виде твердых наноразмерных частиц. Сферическая форма поверхности электродов 2 и 3 в зоне контакта обеспечивает однородный разлет капли по пространству. В случае если электроды 2 и 3 выполнены цилиндрическими в зоне контакта и установлены перекрестно под углом друг к другу (фиг. 3, 4), требования к центровке электродов снижаются, что упрощает конструкцию привода перемещения. В качестве источника электрического питания может быть использован высоковольтный источник переменного тока. При раздвигании электродов в этом случае дуга электрического пробоя периодически зажигается и гаснет с удвоенной частотой сети. Чтобы первичный пробой гарантировано произошел в точке контакта внутри капли, необходима относительно медленная скорость перемещения, чтобы в момент разрыва контакта поверхностей электродов, который происходит на характерной длине, равной высоте микронеровностей поверхностей, обязательно наблюдался хотя бы один пробой в межэлектродном зазоре, что эквивалентно условию 2, где- высота микронеровностей поверхности электродов,- частота сети переменного тока. Например, для полированных поверхностей электродов с характерной высотой микронеровностей 1 мкм и сети электропитания 50 Гц максимальная скорость раздвигания электродов составит 0,1 мм/с. В качестве источника электрического питания может быть использован высоковольтный источник постоянного тока в режиме повторяющихся импульсов. В этом случае частота зажигания дуги совпадает с частотой следования импульсов тока, и максимальная скорость перемещения электрода пропорциональна частоте следования импульсов. 5 92912013.06.30 Приведенные ниже примеры работы устройства по тестированию различных видов топлива осуществлялись на устройстве, в котором объем герметичной камеры 1 составлял 100 см 3, применялись цилиндрические перекрестные электроды из нержавеющей стали диаметром 2 мм. В качестве окислительной среды использовался воздух при атмосферном давлении. Дозировочный объем капель составлял 5 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. При испытаниях необходимо было принимать во внимание вязкость топлива, которая влияет на характер расширения топливного пузыря (вязкость гептана 716 - 0,32 мПас вязкость этанола 25 - 1,2 мПас). Однако для сравнительных испытаний сходных по природе топлив это влияние незначительно. Пример 1. Проводили сравнительное тестирование 5 образцов различных топлив на основе гептана 716 чистый гептан 318 и различные модификации топлива, содержащие твердые наноразмерные углеродные частицы. Типичные сигналы с датчика давления приведены на фиг. 5 а, а их дифференциальные кривые, отражающие скорость переходных процессов, на фиг. 5 б. Значения максимальных величин крутизны фронта давления, соответствующих скорости сгорания топлива, приведены на гистограмме фиг. 5 в. Можно сделать вывод, что модифицированные топлива гептан 201 321, гептан 202 323 и гептан 204 327 имеют улучшенные на 11 характеристики по сравнению с чистым гептаном, в то время как для топлива гептан 203 344 наблюдается снижение скорости воспламенения. Пример 2. Проводили сравнительное тестирование 4 образцов различных топлив на основе этанола 25 чистый этанол 301 и различные модификации топлива, содержащие твердые наноразмерные углеродные частицы. Типичные сигналы с датчика давления приведены на фиг. 6 а, а их дифференциальные кривые, отражающие скорость переходных процессов, - на фиг. 6 б. Значения максимальных величин крутизны фронта давления,соответствующих скорости сгорания топлива, приведены на гистограмме фиг. 6 в. Можно сделать вывод, что модифицированные топлива этанол 18 311 и этанол 199 309 имеют улучшенные на 45 и 35 соответственно характеристики по сравнению с чистым этанолом, в то время как для топлива этанол 22 317 наблюдалось снижение скорости воспламенения. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 9