Морфологический анализ

Классифицирование позволяет быстрее и точнее ориентироваться в многообразии понятий и фактов. Оно является одним из важнейших элементов творческой деятельности. Не случайно поэтому морфологи­ческий анализ, один из наиболее распространенных методов техниче­ского поиска, основан на классификации.

Термин «морфология» (учение о форме от греческих: morphe - форма и logos - учение) ввел в 1796 г. Гете - основоположник морфологии организмов, учения о форме и строении растений и живот­ных. В дальнейшем появились: морфология человека, почв и т.д. Метод морфологического анализа впервые разработан и применен швейцарским астрономом Ф. Цвикки, который открыл нейтронные звезды. Морфологический анализ был использован для решения технических задач в 1942 г., когда Ф. Цвикки начал разрабатывать ракетные двигатели в фирме «Аэроджмент инжиниринг корпорейшин". Пользуясь этим методом, он раскрыл секрет структуры ракеты ФАУ-2.

При использовании данного метода технический объект необходимо разбить на функциональные части (функционально-морфологические признаки), такие части, без которых объект не будет выполнять свои функции.

Затем следует выписать отдельно морфологические признаки и за­писать информацию признаков (варианты осуществления) без связи с объектом (изделием), т.е. применить морфологический признаки к другим аналогичным изделиям.

Анализ полученных вариантов выявляет такие комбинации, которые при обычном переборе могут быть упущены.

Рассмотрим морфологический анализ тепловозного дизеля с целью повышения эффективности его работы (табл. 3.1 и 3.2).

Процессы сгорания топлива в дизеле очень сложны, поэтому, не­смотря на большое количество работ, пока нет стройной теории этих процессов. Сложность заключается в том, что процессы распыливания, испарения, воспламенения и распространения пламени не следуют один за другим, а накладываются один на другой и влияют друг на друга. Некоторые отдельные процессы хорошо изучены в чистом виде, но применительно к условиям дизеля они но поддаются точному расче­ту, хотя с качественной стороны вполне объяснимы.

Процесс горения топлива в дизеле можно разделить на две фазы: самовоспламенение и распространение пламени.

Самовоспламенение происходит в паровой фазе вокруг ядра жидкой капли в зоне оптимальной концентрации паров топлива и воздуха, в ус­ловиях дизеля этот процесс осуществляется многостадийным путем за счет цепочно-теплового взрыва экзотермической реакций окисления углеводородов.

При многостадийном самовоспламенении дизельного топлива после­довательно образуется холодное голубое и горячее пламя.

В начальный момент за счет взаимодействия радикалов и углеводородных молекул происходит накопление перекисей и их взрывной рас­пар с образованием холодного пламени, в котором выделяется 10 - 15 % полной теплоты сгорания топлива. При интенсивное развитии реакцион­ных цепей повышения температуры за счет холодного пламени образуется голубое пламя, в котором углеводородные, молекулы в значительном количестве окисляются до С0. Дальнейшее развитие окислительных процессов и повышение температуры смеси приводит к образованию цепочно-теплового взрыва с полным выделением энергии и конечных продуктов сгорания CО₂ и Н₂О. Причем процесс образования холодно­го пламени легче протекает в обогащенных зонах с а = 0,1, а для дальнейшего глубокого окисления углеводородных молекул требуется постепенный подвод кислорода до стехиометрического состава.

С образованием очага горячего пламени при его распространении за счет высокой температуры и значительного количества активных продуктов реакции (радикалов) химический процесс окисления углево­дородов значительно опережает физические процессы подготовки топ­лива испарение и смесеобразование. Следовательно, для возникнове­ния очага пламени требуется неоднородный распыл топлива, чтобы имелись зоны оптимального состава для развития холодно пламенных процессов, а для распространения пламени требуется однородная смесь с равномерным распределением кислорода. Поэтому необходимо создавать компромиссные условий для нормального процесса сжигания топлива в обеих фазах.

Экономичность работы дизеля зависит от эффективности тепловыделения и от химического и физического недожога топлива.

Химический недожог топлива в дизеле определяется в основном об­разованием сажи. Кроме потери топлива, нагар сокращает проходные
сечения в выхлопных окнах и коллекторах и создает противодавление
на выхлопе, что ухудшает процесс работы дизеля. Процесс образова­ния сажи может происходить при высоких, температурах и давлениях
в области пламени, особенно в зонах с недостатком кислорода за
счет крекинга топлива. Это обусловлено в значительной степени не­
достаточным смесеобразованием и неравномерным распределением кислорода в камере сгорания.

Физический недожог топлива обусловлен попаданием несгоревшего топлива в картер дизеля. Кроме потери топлива, при этом наносится большой вред за счет разжижения дизельного масла. Эффективность тепловыделения и наличие недожога топлива во многом определяются динамикой процессов впрыска топлива в камеру сгорания. Эксперимен­тальные исследования распыления топлива дизельными форсунками показали, что процесс впрыска топлива можно разделить на три характерных периода [10,11]. Начальный период характеризуется малыми ско­ростями истечения. При этом распыл очень грубый и неоднородный. Так как температура в этот период сравнительно низкая в цилиндре, то часть капель, имеющих большой размер и малую скорость истечения, но испаряясь, может попадать через зазор между поршнем и втулкой в картер двигателя. Это явление в основном наблюдается при малых подачах топлива, когда начальная скорость истечения падает до ну­ля я вместо струи происходит срыв крупных капель с конца распыли­теля. Попадание топлива в масло таким образом особенно наблюдает­ся в дизелях типа Д100, где факел распыливащего топлива направ­лен перпендикулярно движению поршня. У этих дизелей за счет силь­ного вихря воздуха, образованного в цилиндре, капли топлива, имею­щие большой размер и малую скорость, отбрасываются на холодные стенки гильзы цилиндра, в результате они не успевают сгореть и вместе с маслом попадают в картер дизеля.

В период основной подачи скорость истечения достигает макси­мальной величины, при этом распыл получается однородный и мелко­дисперсный.

В последний период скорость истечения падает, при этом за счет резко убывающей скорости истечения происходит разрыв струи на ча­сти. В этот период образуются капли, имеющие большой размер и ма­лую скорость. Наиболее вероятно, что именно в этот период проис­ходит интенсивно процесс образования сажи, так как капли, имеющие большой размер и малую скорость, попадают в пламя при высоком давлении.

При сопоставлении условий, необходимых для самовоспламенения и сгорания топлива, и динамики процесса распыления его форсункой можно видеть, что только в средней части распыла этот процесс в определенной степени удовлетворяет требованиям оптимального сгорания топлива. В первый период, хотя неоднородность распиливания и способствует развитию холодно пламенных процессов, наличие большо­го количества очень крупных капель за счет испарения способствует понижению температуры и увеличивает период задержки самовоспламе­нения. Наличие крупных капель в конце впрыска затягивает процесс сгорания и способствует образования нагара.

Несовершенство процесса сгорания в дизеле заставляет искать новые пути для улучшения его работы.

Для оценки эффекта выбранных вариантов матрицы проводился патентный анализ [12, 13], который показал возможность достижения эф­фекта и в то же время отсутствие конкретных данных и противоречи­вость результатов. Поэтому было решено провести специальные исследования.

Таблица 3.1