3.5.4. Разрешение физического противоречия

3.5.4.1. Непосредственное решение

Рассмотреть возможность решения задачи непосредственно из формулировки ИКР-2. Если решение очевидно, перейти к его проверке по 3.5.5.1.

3.5.4.2. Вепольный анализ

Составить вепольную формулу системы, рассмотреть ее простейшие преобразования. Если решение задачи очевидно, перейти к 3.5.5.1.

3.5.4.3. Метод моделирования маленькими человечками (ММЧ)

При этом используются следующие условия; маленькие человечки хорошо делают только простую работу (вращаются, сжимаются, растягиваются и т. д.). Они не могут делать одновременно несколько дел. Человечки имеют свои вкусы и слушаются своих начальников (электропроводные человечки слушаются начальника - электрическое поле, ферромагнитные человечки - магнитное поле и т.д.)

Используя ММЧ, построить схему физического противоречия.

Изменить схему так, чтобы маленькие человечки действовали, не вызывая конфликта. Если решение очевидно, перейти к 5.1.

3.5.4.4. Применение типовых преобразований

Рассмотреть возможность устранения ФП с помощью типовых преобразований.

3.5.4.5. Применение «указателя физических эффектов»

Рассмотрим возможность устранения ФП с помощью «Указателя при­менения физических эффектов» (см. публикации в журнале «Техника и наука». 1981. №1-9; 1982. № 3-8; 1984 № 1-6),

3.5.4.6. Анализ трудных задач

Если задача решена, перейти от физического решения к техничес­кому: сформулировать способ и дать принципиальную схему устройст­ва, осуществляющего этот способ. Если ответа нет, проверить, не является ли формулировка 3.5.2.1. сочетанием нескольких разных за­дач. В этом случае 2.1. следует изменить, выделив отдельные задачи для поочередного решения. Если после этого нет ответа, вернуться к 3.5.3.1., взять другой изменяемый элемент и повторить анализ. Если повторный анализ не дал ответа, вернуться к шагу 2.1. и зано­во сформулировать мини-задачу, отнеси ее к надсистеме, в которую входит рассматриваемая система. При необходимости такое возвраще­ние к мини-задаче совершают несколько раз - с переходом к подси­стеме и т. д.

3.5.4.7. Усиление ответа

Рассмотреть вводимые вещества и поля. Можно ли не вводить но­вые вещества и поля, использовав те вещества и поля, которые уже есть в системе или в окружающей среде? Можно ли использовать само-регулируемые вещества? Ввести соответствующие поправки в техниче­ский ответ.

Для н.р. ИКР-2: сокращенное количество топлива при сгорании в интенсивном вихре воздуха не вызывает перегрев двигателя и в то же время обеспечивает необходимую номинальную мощность.

На микроуровне ФП: частицы топлива при образовании продуктов сгорания выделяют тепловую энергию в количестве, которое можно пе­редать через стенки в систему охлаждения, не перегревая двигатель, и в то же время создают достаточное давление для обеспечения но­минальной мощности двигателя.

Анализ показал, что для разрешения ФП на этом режиме целесооб­разно подавать вместо топлива водно-топливную эмульсию (ВТЭ) об­ратного типа - вода в топливе. При этом происходит дополнительное смесеобразование за счет микровзрывов при разной температуре кипения воды и дизельного топлива, получения дополнительной энергии при превращении воды в пар. Кроме того, присутствие водяных паров в контакте с топливом при высоких температурах в зонах с не­достатком кислорода препятствует кренингу топлива с образованием сажи за счет эндотермических реакций, особенно в центре горящего вихря:

nH₂O + CnHm = nCO + (n + m)H₂

выгорания уже образовавшегося углерода: С + H₂O = CO + H₂ и последующего интенсивного сгорания CO + H_2.

При этом дополнительно поглощается тепловая энергия на преобразо­вание воды в пар в камере сгорания. В результате повышается КПД двигателя и одновременно считается теплонапряженность.

Веполный анализ (рис. 3.4.)

Т – тепловое поле, образованное при сжатии воздуха в цилиндре:

С - смесь;

Т – тепловое поле, образованное при сгорании топлива;

М – механическое поле, образованное при сгорании топлива;

Д – цилиндропоршневая группа дизеля.

Т

Т С Д

В₁ В₂

М

Рис. 3.4. Исходный веполь:

В₁ – топливо; В₂ - воздух

При использовании водно-топливной эмульсии система будет иметь вид (рис. 3.5):

Т Т

В₃ С Д

В₁ В₂

М

Рис. 3.5. Веполь с применением водно-топливной эмульсии (В₁)

В₃ – вода, входящая в состав В₁

Кроме того, для устранения вредного воздействия Т на Д можно воздействовать и другими путями на все составляющие веполя: В₁, В₂ и Т. При этом целесообразно рассмотреть воздействие полей по МаТХЭМ₁ на В₁ как в отдельности, так в комбинации. В результате веполе имеет вид (рис. 3.6.):

Т

Т С Д

В₁ В₂ П₂

П₁ М

Рис. 3.6. Веполь с изменением полей

Причем на В₁ можно воздействовать всеми полями по МаТХЭМ и допол­нительно звуковым полем. На В₂ с практическим результатом можно воздействовать электрическим, магнитным, тепловым и звуковым по­лем. Если считать воздействие полей одного режима, то и здесь уже 24 варианта решения»

Предложенный автором вариант с комбинированным использованием полей защищен авторским свидетельством [24]; в вепольной форме он имеет вид (рис. 3.7):

Т

Т С Д

В₁ В₂ П₂

П₁ М

П₁ В₄ П₂

В₃ П₂

Рис. 3.7. Комбинированный веполь

Здесь В₃ – дополнительное топливо, подаваемое в воздуховпусковой тракт:

П₁ – тепловое поле выхлопных газов;

П₂ – комбинированное поле электрического разряда;

В₄ - вода, подаваемая в воздуховпусковой тракт.

В данном варианте учитывается воздействие полей в зависимости от режима работы двигателя (обработку полями дополнительного топлива, подаваемого в воздуховпускной тракт, прекращают на режимах максимальной мощности; на режимах запуска прекращают подачу воды, а на режимах холостого хода прекращают подачу воды и дополнитель­ного топлива).

Приведенные выше методы устранения вредного воздействия Т¹на Д выполняются за счет сведения дополнительных веществ и полей, но более сильным решением, согласно АРИЗ, является использование вещества и полей, которые уже есть в системе. Автором был предло­жен вариант получения воды и легких горючих компонентов из выхлоп­ных газов и рециркуляции их во всасывающую систему дизеля при га­зотурбинном наддуве.

В газовой турбине происходит воздействие центробежного силово­го поля на неоднородную систему; выхлопные газы, которые под дей­ствием этого поля разделяется на отдельные газы в зависимости от удельного веса. При этом самые легкие газы располагаются в центре вихря, а самые тяжелые- у стенок выхлопного тракта. Например, для дизельного двигателя выхлопные газы состоят в основном из компо­нентов Н₂О, N₂, O₂, CO₂, CH₄, а также тяжелых углеводородов и С в виде твердых частиц сажи. Согласно закону Авогадро удельные веса газов, взятых при одинаковых условиях, будут относиться как их молекулярные веса. При этом M_H2 = 2, M_CH4 = 16, M_H20 = 18, M_CO = 28, M_N2 = 28, M_HO = 30, M_O2 = 32, M_CO2 = 44, M_NO2 = 46.

Следовательно, в центральной части будут в основном легкие компоненты H₂, CH₄, H₂O в виде перегретого пара. Причем в выхлопных газах дизельных двигателей Н₂ и СН₄ находятся в незначительном количестве. Количество водяного пара, образованного при сгорании топлива, будет определяться термохимией процесса сгорания. Для ди­зельного топлива среднего состава: С = 86%, Н = 13%, О = 1%, при сгорании 1 кг топлива будет образовываться 1,17 кг водяного пара [25].

Частицы сажи как тверная фаза по удельному весу тяжелее самого тяжелого газа и при вращении будут располагаться у наружных сте­нок.

Для оценки состава выхлопных газов тепловозных дизелей с турбо-наддувом и расслоения компонентов в газовой турбине автором были проведены испытания дизеля 11Д45А № 349 на станции испытания дизе­лей Полтавского ТРЗ,

Для отбора выхлопных газов в выпускную полость газовой турбины были установлены две трубки первая из них на расстоянии 250 мм от поверхности кожуха вала, расположенного в центре по оси турбины, а вторая на расстоянии 570 мм от первой к стороне внешнего корпуса турбины.

При испытаниях проводился анализ выхлопных газов на СО₂ и О₂ с помощью газоанализатора ОРСа и фиксирование паров воды с по­мощью пропуска выхлопных газов через двойной слой соляного водно­го раствора и трансформаторного масла.

Проведенные испытания показали» что газ, отбираемый через верхнюю трубку,в среднем содержал Ф% на 18,3 % больше чем через нижнюю, при этом содержание 0^ отличалось незначительно. Увеличе­ние количества воды солевого раствора за счет конденсации водяно­го пара из выхлопных газов, отобранных через нижнюю трубку, было в два раза больше, чем при отборе чер0з верхнюю. Кроме того, при отборе газа через верхнюю трубку на границе раздела солевого ра­створа и трансформаторного масла появился слой сажи и масло потем нело, в то время как при отборе газа через ниднюю трубку на грани це раздела солевого раствора и трансформаторного масла сажа оказа лась в незначительном количестве и масло оставалось светлы?-?.

Проведенные испытания показали, Что на всех режимах наблюдает­ся большой избыток воздуха, а расслоение по тяжести газовых компо нентов происходит в виде размытых зон с концентрацией твердых ча­стиц иа наружной поверхности, а водяных паров в центральной части. Это указывает на то, что даже в существующих конструкциях газовых турбин при отборе выхлопных газов из центральной части газовой турбины будет отбираться большая часть водяного пара и легких ком понентов. При специальной конс/шучттвной модернизации этот эффект будет значительно выше* На\уст гоиство для осуществления данного процесса получен/^ авторскпг» сштдотуутки'ца [С1]. 1ЛА*1Г&*1Ъ$~1л2^

Для х.х.: согласно ИКР~2 необходимо подавать малое количество топлива, в то тсе время это малое количество должно создавать до­статочную дальнебойность, чт'обы основная часть топлива в распьпеи ном виде поступала в центральную часть вращающегося вихря.

Анализ показал, что для разрешения ФП необходимо изменгть пара метры отверстия для впгыска» а такде увеличить активную зону горе ния. Предложенный автором способ увеличения активной зоны горения описан в морфологическом анализе. Для определения изменения пага-метроп системы впрыска топлива были проведены специальные исследо вания.

Особенность длзелей типа Д100 - конструкция форсунки с разными угла/к наклона осей Сопловых отверстий.

Так как дальнобойность факела - один из основных показателей работы форсунки, но типовых стендов для испытаний нет, была изготовлена опытная установка на основе типового стенда. Для этого форсунка была развернута в сторону экрана, который был выполнен из плотной бумаги перпендикулярно оси форсунки. Дальнобойность факела фиксировалась по возникновению отпечатков на экране от ди­зельного топлива, впрыскиваемого через форсунку. Величина отпе­чатка на определенном расстоянии определяла относительную скорость струи от каждого отверстия сопла. Схема струй топлива показана на рис. 3.8, а форма отпечатков на экране на рис. 3.9. Пятна, полу­чение на экране, имеют овальную форму и различную площадь для разных отверстий одной форсунки. Площадь пятна приняли за площадь эллипса и вычислили по формуле

S = Пав

где а и в - стороны прямоугольника, внутри которого лежит пятно, а S_I, S_II, S_III соответственно площади пятен, полученных от факелов из центрального - I, боковых -II и III отверстий. Результаты измерений для 8 форсунок при расстоянии до экрана 1000 мм сведены в табл. 3.6.

Таблица 3.6

Результаты измерений

Форсунки	SI (мм2)	SII (мм2)	SIII(мм2)
1	907,1	1099,6	1790,7
2	697,4	1407,4	1484,4
3	779,1	740,6	1278,6
4	6597,3	3895,6	691,2
5	4806,6	3254,7	2990,8
6	13783,7	2459,9	2595,0
7	9082,3	2629,5	5811,9
8	656,6	1187,5	1256,6
Среднее значение площади пятна	4663,8	2084,4	2237,4

Полученные данные указывают на прямую зависимость дальнобойно­сти и скорости струй топливного факела от угла наклона сопловых отверстий, но при этом наблюдается очень большой разброс данных отдельных форсунок.

Подробный анализ показал, что каждое сопловое отверстие значительно отличается по диаметру и углу наклона от чертежного размера Все замеры были проведены для максимальной подачи топлива. При ма­лых подачах распыл осуществляется через одно или два отверстия, а через другие выливалось нераспыленное топливо, что указывает на неприспособленность данной конструкции работать на холостых обо­ротах и переходных режимах. Основной причиной неудовлетворитель­ной работы и разжижения масла на этих режимах является разный угол наклона сопловых отверстий. Поэтому для повышения эффективности работы дизеля при работе на холостых оборотах, частичных нагрузках, переходных режимах и в процессе пуска автором был пред­ложен способ работы двигателя, защищенный авторским свидетельством [27], при котором подача топлива с правой стороны дизеля форсункой работающей на холостых оборотах и в период пуска, производилась в виде одной концентрированной струи, направленной в сторону про­дувочных окон. С левой стороны дизеля топливо подается стандарт­ной форсункой. В этом случае угол опережения подачи топлива в ви­де концентрированной струи устанавливается таким, чтобы очаг само­воспламенения возникал до начала момента равномерного распиливания топлива стандартной форсункой. Для оценки эффективности данного процесса были изготовлены опытные сопловые наконечники форсунок и проведены сравнительные экспериментальные исследования на станции испытания дизелей Полтавского ТРЗ.

В результате испытаний было установлено, что при использовании опытных форсунок эффективность работы двигателя повышалась на ре­жимах холостого хода, малых нагрузок и в период пуска. При номинальной нагрузке расход топлива незначительно возрастал [28]. Причем у разных двигателей после заводского ремонта суммарный эффект был различный. Для получения объективных данных 3 опытные форсун­ки были переданы на Харьковский завод им. Малышева, где были испы­таны на одноцилиндровом отсеке. Ввиду загрузки отсека плановыми работами испытания провели только при стандартном угле опережения подачи топлива 17° [29].

Рис. 3.8. Направлений струй топлива из форсунки: а – вид сбоку форсунки, в – вид сверху форсунки

Рис. 3.9. Форма отпечатков на экране: I, II, III – центры отпечатков,

Ц – центр сопла форсунки

Результаты испытаний опытных форсунок на режиме холостого хода приведены в табл. 3.7.

Таблица 3.7

Данные испытаний

Параметры	Форсунки
	серийные	опытные	опытные	опытные
Сопловой наконечник	3х0,56	1х0,8	1х0,9	1х1,0
Часовой расход топлива, кг/ч	4,19	4,05	4,07	5,15
Максимальное давление сгорания, Р, кгс/см2	44	44	40	37
Температура в цилиндре, tц, 0С	170	160	170	180
Температура в выхлопном коллекторе, Т2, оС	115	115	115	120

Из табл. З.6 видно, что расход топлива на режиме холостого хо­да при работе дизеля с опытными сопловыми наконечниками (1х0,8 и 1х0,9) меньше, чем при работе с серийными соответственно на 3,2 и 2,9 %. С уменьшением проходного сечения сопла часовой расход топлива снижается.

Результаты испытаний опытных форсунок по тепловозным характе­ристикам показали, что удельный расход топлива при частотах вра­щения коленчатого вала до 580 об/мин не менялся, а в диапазоне частот от 580 до 850 об/мин (при работе левой форсунки серийной, а правой опытной с отверстием 0,9 мм) увеличивался на 3…9 г/л.с.ч по сравнений с работой дизеля с серийными форсунками.

Данные испытания убедили заводских конструкторов в эффективно­сти распыла через одно отверстие на режиме холостого хода и побудили их заняться решением обратной задачи - разработкой конструкции форсунки, обеспечивающей хороший распыл на номинальном режиме, при одно-дырчатом распиле на режиме холостого хода.

3.5.4.8. Записать формулировку физического противоречия (ФП) на макроуровне.

Учитывая вышеприведенные экспериментальные данные по эффективности распыла через одно отверстие на х.х. и через несколько отверстий на н.р., ФП можно сформулировать: часть элемента в оперативной зоне в течение оперативного времени (0В) должна указать фи­зическое макросостояние: распыл топлива из форсунки должен быть в виде концентрированной струи, чтобы обеспечивать концентрацию и дальнобойность топливного факела при малом количестве топлива на х.х. и быть в виде нескольких струй с мелкодисперсным распилом по объему камеру сгорания для обеспечения эффективности сгорания на н.р.

Для дизелей типа Д100 на Харьковском заводе им. Малышева была разработана конструкция двухрежимной форсунки, в которой на режиме х.х. распыл производился через одно отверстие, а при нагрузке за счет клапана открывались еще два отверстия и распыл происходил че­рез три отверстия. При испытании на стенде данной конструкции по­лучены хорошие теплотехнические данные и двухрежимная форсунка принята и серийное производство. В эксплуатации данные форсунки работали хорошо в начальный период, по затем увеличивались отказы из-за сложности конструкции.

3.5.4.9. Записать формулировку ФП на микроуровне: в оперативной зоне должны быть частицы вещества (указать их физическое состояние или действие), чтобы обеспечить (указать требуемое по 3.6. макросотояние), и не должно быть таких частиц (или должны быть с проти­воположным состоянием или действием), чтобы обеспечить (указать требуемое по 3.6 другое макросостояие). Для нашей задачи части­цы топлива, должны быть сконцентрированы в малом объеме и иметь высокую скорость для обеспечения концентрации топлива и дально­бойности факела на х.х., в то же время быть мелкодисперсными, что­бы их за счет вихря воздуха можно было распылить по объему камеры сгорания для организации эффективного сгорания на н.р.

На основании данного противоречия и учитывая сложность эксплуатации двухрежимных форсунок автором было предложено осуществлять за счет изменения конструкции сопловых отверстий и колодца впрыск топлива в виде нескольких параллельных струй, направленных парал­лельно оси колодца.

Впрыск в виде параллельных струй обеспечивает высокую концент­рацию топлива при мелкодисперсном распыле и большую дальнобойность топливного факела благодаря сокращений потерь напора во время исте­чения топлива из колодца в сопловые отверстия, так как ось колодца совпадает с осями сопловых отверстий, а также благодаря созданию вакуума на внутренней поверхности нескольких параллельных струй, движущихся с близко расположенными осями. В то же время впрыск топлива в виде нескольких параллельных струй способствует мелко­дисперсному его распылу, который при мощном вихре обеспечит эффек­тивный процесс сгорания на номинальном режиме.

Для проверки данной идеи была изготовлена партия опытных сопло­вых наконечников и проведены сравнительные испытания на станции испытания дизелей Изюмского тепловозоремонтного завода. Испытания проводились на дизеле 10Д100 с тремя вариантами сопловых наконеч­ников: стандартными; опытными одно-дырчатыми с диаметром 0,8 им и направлением оси соплового отверстия параллельно оси колодца под углом 80° к оси цилиндра и опытными трех дырчатыми с диаметром 0,5 мм с осями сопловых отверстий, расположенных параллельно оси колодца и между собой под углом 80° к оси цилиндра. При этом стан­дартные и опытные форсунки менялись на всех цилиндрах правой сторо­ны дизеля, а на левой стороне стояли стандартные форсунки (на холо­стом ходу работает один правый ряд форсунок, а под нагрузкой оба ряда). Предварительно все форсунки были проверены и отрегулированы на одно давление 210 атм. Испытания проводились при стандартном угле опережения подачи топлива 10° до верхней мертвой точки нижне­го поршня. [30]