Устройство для измерения дымности отработанных газов

 

Использование: для контроля дымности отработавших газов автомобилей на линии, при испытании дизелей на заводе-изготовителе или после ремонта, для исследования дизелей на дымность. Сущность изобретения: конструкция устройства создает воздушные защитные шторки для осветителя и фотоприемника. Эти шторки стабилизируют эффективную длину просвечиваемого газа. Продувочный воздух в измерительный качал не эффективной длине не попадает, он вытягивается в дополнительный канал. 3 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (1>) (51) 5 G 01 N 21/53

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ—

К АаТОРСКОМ / СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4823146/25 (22) 03.05,90 (46) 07.10,92, Бюл. N 37 (71) Красноярский политехнический институт (72) И.M.Áëÿíêèíøòåéí, Г,Г.Козлов и

А.И. Груше вский (56) Авторское свидетельство СССР

¹ 1203409, кл, G 01 N 21/53, 1984.

Авторское свидетельство СССР № 1711574, кл. G 01 N 21/53, 1988. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДЫМНОСТИ ОТРАБОТАННЫХ ГАЗОВ

Изобретение относится к анализаторам отработавших газов двигателей внутреннего сгорания и может быть использовано для контроля дымности отработавших газов автомобилей на линии, при испытании дизелей на заводе-изготовителе или после ремонта, для исследования дизелей на дымность, Известен дымомер (см. а,с. № 1203409, кл. G 01 и 21/53), содержащий пробоотборную трубку, монтируемую на выхлопной трубе двигателя, пробоотборную трубку-применик, связанную с измерительным каналом через наклонные патрубки, плавно сопряженные с измерительным каналом. На одном конце измерительного канала размещен источник света, на другом фотоприемник и регистрирующий прибор. Поступление отработавших газов в измерительный канал осуществляется за счет эжекционного эффекта. (57) Использование: для контроля дымности отработавших газов автомобилей на линии, при испытании дизелей на заводе-изготовителе или после ремонта, для исследования дизелей на дымность. Сущность изобретения: конструкция устройства создает воздушные защитные "шторки" для осветителя и фотоприемника. Эти "шторки" стабилизируют эффективную длину просвечиваемого газа. Продувочный воздух в измерительный канал на эффективной длине не попадает, он вытягивается в дополнительный какал. 3 ил.

Недостатком рассмотренного устройства является значительная инерционность измерения вследствие сложного пути попадания газа в измерительный канал. Кроме того, оптические элементы (осветитель и фотоприемник) лишены защиты от загрязнения, что существенно снижает точность измерения и надежность устройства.

Известно устройство для измерения оптической плотности отработавших газов двигателей внутреннего сгорания (см. а.с. по заявке ¹ 4359310/25, кл, G 01 N 21/53), содержащее измерительную камеру с раз-" мещенными по ее торцам источником света и фотоприемником, патрубок подвода и патрубок отвода исследуемого газа, связанный с побудителем расхода, измерительная камера снабжена установленными в ее торцах перед источником света и фотоприемником насадками в виде усеченных конусов, при этом насадки обращены меньшими основа1767394

15 ниями к центру камеры, патрубки поцвода исследуемого газа установлены по торцам измерительной камеры, а патрубок отвода установлен в средней части камеры.

Недостатком рассмотренного устройства является низкая точность измерения дымности, обусловленная несовершенной системой защиты осветителя и фотоприемника от загрязнения отработавшими газами, выполненная в виде конусных насадок, обращенных меньшими основаниями к центру камеры. А именно, на нестационарных режимах при избыточном давлении отработавших газов отдвигателя внутреннего сгорания возможно заполнение отработавшими газами пространства между насадками и осветителем (фотоприемником), увеличение эффективной длины просвечивания и, как следствие этого, завышение результатов измерения. Кроме того, в этом случае также возможно загрязнение осветителя и фотоприемника и искажение результатов измерения в сторону завышения, что вызывает необходимость корректировки результатов измерения и частой периодической очистки осветителя и фотоприемника. Другими словами, необходима надежная защита осветителя и фотоприемника от загрязнения отработавшими газами, стабильность эффективной длины просвечивания и эффективное удаление исследуемой пробы из измерительной камеры при избыточном давлении отработавших газов от двигателя внутреннего сгорания на нестационарных режимах, Целью изобретения является повышение точности измерения.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для измерения дымности отработавших газов, содержащем измерительный канал. в противоположных торцах которого размещен источник света и фотоприемник, параллельный измерительному каналу дополнительный канал, сообщенный двумя соединительными патрубками, расположенными на его концах с измерительным каналом, входной патрубок, связанный с пробоотборником, выходной патрубок, снабженный побудителем расхода, выходной патрубок Соединен со средней частью дополнительного канала, а входной патрубок со средней частью измерительного канала при этом в измерительном канале выполнены два щелевых отверстия, первое из которых расположено между одним соединительным патрубком и осветителем, второе между другим соединительным патрубком и фотоприемником, а пробоотборник выполнен с внутренним сечением, ограниченным из условия

55 где а — ширина поперечного сечения щелевого отверстия,мм;

Ь вЂ” длина поперечного сечения щелевого отверстия, мм; бк — диаметр измерительного канала, мм; дете — диаметр входного отверстия в измерительный канал со стороны защитного фильтра, мм;

da — искомый диаметр внутреннего сечения пробоотборника, мм;

Ч" — обобщенный фактор, характеризующий контролируемый двигатель и определяемый по зависимости: а вент г

) (Pormax Рвент ) ps где Pa — атмосферное давление, Па;

Рвент. — давление (разрежение) побудителя расхода газа, Па;

Pormax максимально-возможное давление отработавшего газа от двигателя автомобиля, Па;

por u ps — плотности отработавшего газа и воздуха, кг/м .

При доказательстве соответствия заявленного технического решения критерию

"существенные отличия" не обнаружено технических решений, в которых имеются признаки, сходные с признаками, отличающими заявленное техническое решение от прототипа. Необходимо отметить, что в имеющихся технических решениях — аналогах воздух для обдува оптических элементов подается под давлением навстречу потоку отработавших газов, что вызывает необходимость уравнивания встречных потоков, В предлагаемом же решении направление защитного потока воздуха совпадает с направлением потока отработавших газов, протягиваемого электровентилятором, что само по себе освобождает от необходимости уравнивания встречных потоков и обеспечивает эффективную продувку оптических элементов при различных режимах работы двигателя (при различной скорости потока отработавших газов из выходной трубы автомобиля), Поэтому предлагаемая совокупность признаков обеспечивает устройству новое свойство — эффективную защиту оптических элементов устройства от загрязнения отработавшими газами, стабильность эффективной длины просвечивания и эффективное удаление исследуемой пробы из измерительного канала при избыточном давлении отработавших газов от двигателя внутреннего сгорания на нестационарных режимах.

1767394

10

Таким образом, совокупность новых признаков, которыми характеризуется предлагаемое устройство, отвечает критерию "существенные отличия", т.е. они обеспечивают устройству повышение точности измерения.

На фиг. 1 представлена общая схема конструкции устройства; на фиг. 2 и редставлена конструкция, вид спереди; на фиг. 3 показан вид сверху фиг. 2; на фиг. 4 представлена векторная схема скоростей газов.

Устройство для измерения дымности отработавших газов включает в себя (см. фиг. 1) измерительный канал 1, на противоположных концах которого установлены источник света 2 и фотоприемник 3, входной 4 и выходной 5 патрубки, дополнительный канал 6, параллельный измерительному каналу 1, соединительные патрубки 7, линзы 8, 9 и 10, установленные на концах измерительного канала 1 между источником света 2 и фотоприемником 3, защитные стекла-фильтры 11 с щелевыми отверстиями 12, согласующий светофильтр 13, побудитель расхода (вытяжной злектровентилятор) 14, установленный на выходном патрубке 5, пробоотборник 15, присоединенный к входному патрубку 4 соединительным шлангом

16, регистрирующее устройство (микроамперметр) 17 (см, фиг. 2), корпус 18, при этом защитные фильтры 11 установлены в гнезда

19 на концах измерительного канала 1, электродвигатель 20 (привод вентилятора 14), сальник 21 соединения вентилятора 14 с патрубком 5. Измерительный 1 и дополнительный 6 каналы (см. фи г. 3) выполнены раздвижными телескопическими и состоят из неподвижной 22, 23 и подвижной 24, 25 частей, соединение неподвижной и подвижной частей выполнено в виде эластичной втулки 26 с гайкой 27.

Схема электрическая принципиальная устройства для измерения дымности отработавших газов выполнена на стандартных элементах традиционными способами и состоит из схемы измерения, схемы стабилизации питания и схемы подстройки.

Устройство работает следующим образом.

При проведении измерений пробоотборник15 присоединяется к выхлопнойтрубе автомобиля, проводится отстройка прибора на "0" и "100" дымности. Контролируемый двигатель запускается.

Работа устройства для измерения дымности отработавших газов дизелей основана на принципе просвечивания пробы отработавших газов, поступающих в измерительный канал. Свет от источника 2 (см. фиг, 1) линзами 8, 9 формируется в парал15

55 лельный поток, который пройдя отработавшие газы в измерительном канале 1 фокуси руется линзой 10 и попадает на фотодиод 3, "который преобразует оптический сигнал в электрический. Пропорциональный изменению светового потока электрический сигнал, снимаемый с фотодиода 3, усиливается и регистрируется на микроамперметре 17 от

"0" до "100" мкА (пропорционально измеряемой величине дымности).

Отработавшие газы от двигателя поступают в измерительный канал 1 под действием разреже ния:,создаваемого электровентилятором 14. Электровентилятор 14 служит, кроме того, и для защиты оптической системы от загрязнения и нагрева — в щелевые каналы 12 под действием разрежения поступает воздух, который обдувает защитные стекла-фильтры 11 и препятствует их загрязнению и нагреву.

Вентилятор 14 приводится в действие электродвигателем 20. Количество отработавших газов, поступающих к входному патрубку 4 измерительного канала 1,ограничивается проходным сечением пробоотборного зонда 15, исходя из условия, выраженного уравнением (1).

Доказательство обоснованности выбора внутреннего сечения пробоотборника, а следовательно, и эффективной работы устройства, можно провести аналитически. Для обоснования выбора внутреннего сечения зонда рассмотрим режимы функционирования дымомера. В установившемся режиме расхода отработавших газов от двигателя автомобиля количество газов, прошедших через вытяжной вентилятор дымомера, определяется выражением

Овент = Qor+ Ов, (1) где Qor — количество отработавших газов, поступивших через пробоотборник, м /с;

Ов — количество воздуха, поступившего через щелевые каналы под действием разрежения вентилятора (побудителя расхода), з/c. О

Qor = Овент Ов. (2)

B общем случае, на переходном режиме, когда Qor изменяется в широком диапазоне, защита оптических элементов за счет воздушных шторок из щелевых отверстий будет осуществляться до тех пор, пока не наступит условие

Qor > Овент Ов„ (3) т.е, до тех пор, пока вентилятор будет успевать откачивать газы. Следовательно, предельный случай функционирования продувки можно записать в виде

Оог Овент Qa. (4)

Переходя к параметрам конструкции дымомера, нужно учесть также, что для того, 1767394

2f f»

t тотв (15) max (8) или (10).

Чвщ =

° (16) или

1щ/ отв, (13) Чво = чтобы отработавшие газы не попали íà оптические элементы, необходимо, чтобы скорость потока продувочного воздуха (Vso) во входном отверстии измерительного канала была бы не меньше скорости отработавших газов(V„») в измерительном канале(см. векторную схему скоростей на фиг, 4):

Чогк Чво. (5)

Скорость отработавшего газа в сечении пробоотборника Vora определяется разностью давления отработавшего газа двигателя автомобиля и давления (разрежения), создаваемого вентилятором, Vora = (Por Рвент ) 2фог (6) где Рог — давление отработавших газов от двигателя автомобиля, Па;

Рвент — давление (разрежение), создаваемое вентилятором, Па; р — плотность газа, кг/м . з

Количество отработавшего газа, проходящего в пробоотборнике и измерительном канале, связано соотношением

Qor = Чогз fç = Чогк 2fê (7) где Vprs u Vor — скорости rasa cooTaeTcTeeHно в пробоотборнике и измерительном канале, м/с;

fs и f» — плошади сечения пробоотборника и канала,м, Следовательно, Vor» = Чогз fa/2f», (@or Рвент ) 2фог fç/2fê Чво„(9) Скорость продувного воздуха в щелевом отверстии Чвщ, будет определяться разностью атмосферного давления и давления (разрежения) вентилятора где Pa — атмосферное давление, Па; рв— плотность воздуха, кг/м .

Количество продувочного воздуха, проходящего в щелевом отверстии и во входном отверстии в измерительном канале, будет связано соотношением

Qs = Чвщ 2 щ = Vso 2 отв, (11) где Чвщ и Чво — скорости воздуха соответственно в щели и в отверстии, м/с;

1щ и fora — площади сечений щели и отверстия.

Отсюда

Чво = Чвщ тщ/тотв (12) Подставляя (13) в (9), получим (Por Рвент ) 2фог fý/21» (Ра Рвент) 2/рв f /foze» (14) Таким образом, искомая площадь сечения пробоотборника (зонда), выраженная через параметры конструкции дымомера, будет определяться выражением:

15 где Pa — атмосферное давление, Па;

Рвент — давление (разрежение) вентилятора, Па;

Pormax — максимально-возможное давление отработавшего газа от двигателя автомобиля, Па; тщ — площадь сечения щелевого канала в защитном фильтре, м;

f» — площадь сечения измерительного

25 канала дымомера, м;

2, fpzs — плОЩаДь СЕчЕниЯ вхО2ДнОго отвЕРстия в измерительный канал, м; рг и рв — плотности газа и воздуха, кг/м .

Перейдем к линейным размерам конструкции, исходя из того, что

РГ da 2

2, мм, 1щ=а Ь, мм, г

35 d„ —, мм Г dozs 2

2 тотв =, Мм .

А также, учтем в виде обобщенного параметра V, влияние параметров процесса

Ра Рвент Pormax

V=

45 (Pormax Рвент

Окончательно получим дз V a b як/ dozs (17)

50 где da — диаметр внутреннего сечения пробоотборника, мм; а — ширина;

Ь вЂ” длина поперечного сечения щелевого отверстия в защитном фильтре, мм;

55 doze диаметр входного отверстия в измерительный канал со стороны защитного фильтра, мм;

d» — диаметр измерительного канала, мм;

1767394

V — обобщенный фактор, характеризующий контролируемый двигатель и определяемый по (16);

Pa — атмосферное давление, Па;

Регент — давление (разрежение) вентилятора (побудителя расхода), Па;

Рогвах — максимально-возможное давление отработавшего газа от двигателя автомобиля, Па; рог ир — плотности отработавшего газа и воздуха, кг/мз.

Эффективная работа системы защиты оптических элементов от загрязнения и запотевания, а следовательно, и точная работа при измерении дымности отработавших газов, возможны лишь при выборе пропускного сечения по зависимости (17).

Технико-экономические преимущества предлагаемого технического решения состоят в повышении точности измерения дымности на нестационарных режимах работы дизеля. А именно, вследствие появления воздушных шторок, образованных за счет разности давления, создаваемого побудителем расхода (вытяжным электровентилятором) и давления атмосферного воздуха, происходит надежная защита осветителя и фотоприемника от загрязнения отработавшими газами, нагрева и т.д. Кроме того, воздушные шторки "подрезают" слой отработавших газов и тем самым стабилизируют эффективную длину просвечивания газа. Сам продувочный воздух при такой организации газо-воздушного потока в измерительный канал на эффективной длине не попадает, т.к. он вытягивается через со-. единительные патрубки в дополнительный канал. Также за счет эффективной продувки атмосферным воздухом расширяется температурный диапазон применения устройства и появляется возможность измерения дымности при отрицательных температурах.

Подтверждением преимуществ предлагаемого решения (а именно, высокой точности измерения), основанного на выбранной схеме организации газовоздушного потока, являются результаты сравнительных испытаний предлагаемого решения с измерителем дымности МК-3 фирмы Hartridge (cM.

Акт испытаний), расхождение данных измерений составило менее 1% при корреляции да н н ых измерений 0,98.

При одном уровне точности предлагаемое устройство измерения в 5 раз легче, имеет в два раза меньше габариты и обладает дополнительной функцией — автоном5 ный электровентилятор может сам удалять отработавшие газы из помещения, в котором производятся измерения.

Формула изобретения

Устройство для измерения дымности отработанных газов, содержащее измерительный канал, в противоположных торцах которого размещены источник света и фото- .

15 приемник, параллельный измерительному каналудополнительный канал, сообщенный двумя соединительными патрубками, расположенными на его концах, с измерительным каналом, входной патрубок, связанный

20 с пробоотборником, выходной патрубок, снабженный побудителем расхода, о тл ич а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерений, выходной патрубок соединен со средней частью дополнительного

25 канала, а входной патрубок — со средней частью измерительного канала, при этом в измерительном канале выполнены два щелевых отверстия, первое из которых расположено между одним соединительным

30 патрубком и осветителем, второе — между другим соединительным патрубком и фотоприемником, а пробоотборник выполнен с внутренним сечением da, ограниченным условием

35 оз Р а Ь d< л оотв

2 .. 2 где а и Ь вЂ” соответственно ширина и длина поперечного сечения щелевых отверстий;

40 d» — диаметр измерительного канала;

dora — диаметр входного отверстия s измерительный канал;

qy а вент г (Pormax Рвент ) P8 где Р— атмосферное давление;

Рвент — давление, создаваемое побудителем расхода газов;

Pormax максимально возможное давление отработанного газа; рог ир — — плотности отработанного газа и воздуха соответственно.

1767394

1767394 "

1 ага

Составитель И. Блянкинштейн

Техред М,Моргентал Корректор В.Петраш

Редактор

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 3544 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5