Как сделать диагностику плазменного двигателя
Обновлено: 07.07.2024
Оглавление диссертации кандидат технических наук Сысоев, Денис Вячеславович
Глава 1. Современное состояние исследований МПД.
1.1 Физические модели рабочих процессов.
1.2 Методы расчета параметров МПД.
1.3 Параметры современных МПД.
Глава 2. Анализ тенденций развития конструктивного облика МПД.
2.1 Выбор рабочего тела.
2.2 Кризисные явления в МПД и диапазон использования внешнего магнитного поля.
2.3 Электродная система МПД.
Глава 3. Исследование работы МПД с подачей присадки бария в катод.
3.1 Определение необходимого расхода присадки бария.
3.2 Экспериментальные результаты исследования влияния присадки бария на работу МПД.
3.3 Оценка погрешностей и достоверность экспериментальных результатов.
Глава 4. Исследование влияния подачи дополнительного расхода в прианодную зону на кризисные режимы работы двигателя.
4.1 Экспериментальное исследование влияния подачи дополнительного расхода в прианодную зону на кризисные режимы работы двигателя.
4.2 Анализ явлений, происходящих в модели двухступенчатого / стационарного МПД.
Приэлектродные процессы в электродуговых двигателях и плазменных устройствах 2000 год, доктор технических наук Назаренко, Игорь Петрович
Улучшение рабочего процесса дизеля присадкой воды к топливу 2005 год, кандидат технических наук Тактак Абдулрахман Абдулразак
Исследование характеристик струй стационарных плазменных двигателей (СПД) при повышенных разрядных напряжениях 2010 год, кандидат технических наук Архипов, Алексей Сергеевич
Повышение показателей рабочего процесса дизеля улучшением смесеобразования и сгорания 2007 год, доктор технических наук Свистула, Андрей Евгениевич
Исследование и разработка системы измерения расхода газообразного рабочего тела для испытательного стенда электроракетного двигателя 2009 год, кандидат технических наук Гуськов, Константин Викторович
Современный этап развития науки и техники характерен созданием космических аппаратов нового поколения различного назначения. Происходит увеличение энерговооруженности КА и, как следствие, появляется возможность широкого использования в космической технике электрических ракетных двигателей (ЭРД), способствующих значительному увеличению времени активного существования КА, решению новых задач в околоземном и дальнем космосе. Одним из типов ЭРД является магнитол л азменный двигатель (МПД).
Отличительной особенностью магнитоплазменного двигателя, по сравнению с двигателями других типов, таких, как стационарные плазменные двигатели (СПД), двигатели с анодным слоем (ДАС), плазменно-ионные двигатели (ПИД), являются высокая плотность тяги, улучшающая массогабаритные характеристики, относительно низкое напряжение разряда, позволяющее работать без преобразователя напряжения непосредственно от бортовой энергоустановки, а также конструктивная простота. Однако для МПД характерными являются токи в сотни ампер (для МПД с собственным магнитным полем - тысячи ампер) и соответствующие электрические I мощности в десятки и сотни киловатт. Именно при таких значениях токов и мощностей проявляются преимущества данного типа двигателей. Достигнутый уровень КПД магнитоплазменных двигателей на сегодняшний день ниже, чем у перечисленных выше типов двигателей (СПД, ДАС, ПИД), однако для МПД характерна тенденция его увеличения с ростом мощности, что позволяет рассчитывать на повышение КПД в последующих исследованиях до уровня, сопоставимого с КПД наиболее освоенного двигателя типа СПД.
Имевший место в 60-х - 70-х годах прошлого века большой интерес к исследованиям магнитоплазменных двигателей в дальнейшем несколько снизился, В значительной мере это объясняется отсутствием мощных космических энергетических установок, и практическим прекращением разработки проектов, в рамках которых предусматривалось применение таких двигателей.
В настоящее время возрождается интерес к ряду перспективных задач, для решения которых применение магнитоплазменных двигателей при использовании энергоустановок большой мощности может оказаться наиболее эффективным. Это, например, пилотируемый полет к Марсу, полет автоматического зонда с ядерной энергетической установкой на борту в системы планет-гигантов, и другие. Соответственно, наблюдается рост интереса к данному типу электроракетных двигателей, проводятся экспериментальные и теоретические исследования их рабочих процессов, а разработка мощных энергоустановок, необходимых для электропитания МПД, в том числе ядерных (ЯЭУ) предусмотрена Федеральной космической программой России. Исследования МПД ведутся также за рубежом: в США, Германии, Японии, Италии.
Целью данной работы является разработка методов повышения времени безотказной работы катода МПД за счет снижения его рабочей температуры при использования присадки бария, и расширения диапазона докризисных режимов работы двигателя, ограниченного прианодными кризисными процессами.
В ходе исследования решались следующие задачи:
- оценка диапазона мощностей двигателя, в котором целесообразно для повышения КПД использовать внешнее магнитное поле; i
- теоретический анализ влияния подачи присадки бария на степень покрытия барием поверхности катода и его температуру;
- экспериментальное изучение влияния подачи присадки бария в катод на его температурный режим и характеристики МПД;
- экспериментальное исследование возможности расширения диапазона докризисной работы двигателя за счет подачи в при анодную зону части расхода рабочего тела в предварительно ионизованном состоянии.
Научная новизна работы заключается в следующем:
- разработана методика оценки диапазона мощностей МПД, в котором для повышения КПД целесообразно применение внешнего магнитного поля;
- разработана методика оценки влияния подачи расхода присадки бария на степень покрытия поверхности и температуру мультиполого катода;
- получены экспериментальные данные о влиянии присадки бария на температурный режим работы катода и характеристики стационарного литиевого МПД при различных способах подачи присадки;
- предложена и реализована модель стационарного двухступенчатого МПД с возможностью подачи части расхода рабочего тела в предварительно ионизованном состоянии в прианодную зону, получены рабочие характеристики модели;
- экспериментально установлена возможность расширения диапазона докризисной работы МПД при подаче части расхода рабочего тела в предварительно ионизованном состоянии в прианодную зону, получены экспериментальные данные о параметрах процессов, происходящих в рабочем объеме модели стационарного двухступенчатого МПД при совместной работе обеих ступеней, проведен анализ данных процессов.
Практическая значимость работы состоит в следующем:
- проведенная оценка диапазона мощностей, в котором целесообразно для повышения КПД' использовать внешнее магнитное поле, позволяет на ранних этапах разработки двигателя решить вопрос о необходимости применения соленоида;
- показано, что подача присадки бария в рабочую зону катода приводит к снижению температуры рабочей зоны на 400' градусов при сохранении неизменными интегральных характеристик двигателя. Такое снижение температуры способствует увеличению времени безотказной работы катода и двигателя в целом;
- показано, что использование эффекта влияния подачи части расхода рабочего тела в предварительно ионизованном состоянии в прианодную зону позволяет расширить диапазон докризисной работы- МПД. Установлены и проанализированы проблемы, возникающие при* реализации подобной схемы, предложены варианты их решения и направления, дальнейших исследований подобных моделей.
На защиту выносятся:
1. Методика оценки влияния подачи бария на степень покрытия барием катода и температуру поверхности катода, и результаты исследований влияния подачи присадки бария в катод на температурный режим катода и характеристики двигателя.
2. Результаты исследований МПД с подачей в прианодную зону части расхода рабочего тела в ионизованном состоянии.
3. Методика расчета диапазона мощности МПД, в котором для повышения КПД целесообразно применение внешнего магнитного поля.
Достоверность и обоснованность научных результатов работы подтверждается хорошей корреляцией расчетных и экспериментальных данных, полученных при выполнении диссертации.
7. Семенихин С.А., Сысоев Д.В., Тихонов В.Б. Экспериментальное исследование влияния присадки бария на работу магнитоплазменного двигателя// Вестник МАИ. 2007. т. 14. №1. с. 20-29.
8. Семенихин С.А., Сысоев Д.В., Тихонов В.Б. Диапазон использования внешнего магнитного поля в магнитоплазменном двигателе// Вестник МАИ. 2007. т. 14. №2. с. 3-8.
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованных источников. Объем работы: 141 страница, 128 наименований использованной литературы.
В Харькове создают лабораторию, для испытания отдельных элементов космических аппаратов, в которой будут созданы реальные условия космоса.
Космические аппараты, на которые ставится двигатель, – техника, конечно, очень дорогая, поэтому мотор должен иметь наивысший уровень надежности. А для этого он должен пройти тщательную проверку. Испытания, собственно, стоят дороже, чем сам двигатель.
Требования к двигателю для космических аппаратов очень высоки и производитель должен гарантировать 15 лет их безотказной работы в космосе. Испытывать украинские ионно-плазменные двигатели будут дома - в харьковской лаборатории.
Основой для подобных экспериментов является специальная вакуумная камера, в которой создаются условия открытого космоса. Подобные испытания невозможны в маленькой камере, которая есть в ХАИ, именно с ее помощью проводились предварительные испытания.
В вакуумной камере с опытным образцом делают все то, что с ним может произойти от момента установки на космический аппарат и до того времени, когда истечет срок эксплуатации двигателя.
Это и ударные нагрузки при перевозке, и ударные нагрузки во время запуска, влияние околоземной плазмы, влияние вакуумного пространства, влияние ионного пучка во время самой работы. Проходит полный цикл тепловых, термовакуумных испытаний - абсолютно весь комплекс.
Теперь нужно установить дополнительную контрольно-измерительную аппаратуру, это следующий этап в создании лаборатории, который сейчас сообща решают ХАИ и ФЭД.
Китайцы разработали плазменный реактивный двигатель. Звучит как начало фантастического фильма категории B, но вроде бы написали об этом в серьёзном, научном, рецензируемом журнале. Как такое могло произойти, правда ли это и когда земляне вообще перешли на плазменные двигатели?
Китайский прорыв
И вновь в топы научных новостей ворвался китайский Ухань. Но на этот раз китайцы переплюнули сами себя. Из обычной микроволновки и электронасоса дальневосточные умельцы смонстрячили плазменный двигатель. И он даже заработал.
На самом деле всё очень серьёзно. Исследователи из Уханьского университета под руководством инженера Даня Е опубликовали 5 мая 2020 года статью, в которой описали работающий прототип плазменного двигателя. Обошлось без зубодробительной физики, сложных формул и сомнительных гравитационных эффектов.
Эксперимент оказался суперуспешным. Созданной тягой китайцы заставили подпрыгивать килограммовый стальной шар, который укрепили на конце импровизированного сопла.
Ну конечно же, можно сказать, что вот ради последнего-то всё и затевалось — заговор китайских экологов-атлантистов, не иначе. Но на самом деле всё гораздо печальнее.
Дьявол в деталях
Для начала — нельзя вот так взять и экстраполировать данные эксперимента на промышленный двигатель большей мощности. Во-первых, потому что реактивная тяга будет в тысячи раз выше, чем в установке. Во-вторых, удельная мощность, которая понадобится для ионизации, на порядки превзойдёт использованную при эксперименте — сотни кВт или даже МВт.
Откуда её возьмут? Из батареек для автомобиля Tesla Model S (310кВт), как предлагают авторы статьи? А охлаждающий контур? Это же кубометры воды или хладагента! У нас двигатель тогда будет напоминать летающий бассейн с малю-ю-юсеньким соплом. И по удельной мощности он явно проиграет своим углеводородным конкурентам.
Не выходит авиадвигатель из такого прототипа.
На самом деле, есть место для неумеренного оптимизма: проблема-то инженерная. Ведь в конце концов — плазменный, или ионный двигатель уже почти несколько десятилетий используется в космосе. Мощность у него небольшая — тяги только и хватает, что ориентировать спутник на орбите. Но здесь важен опыт разработок, который есть у США, России, Японии, Китая.
Так может быть, какая-то космическая держава создаст работающий промышленный вариант?
Изображения микроволновой воздушно-плазменной струи при разных настройках мощности
Мирная космическая плазма
Плазменные двигатели для обывателя проходят в настоящее время примерно по той же категории, что и плазменные пушки и плазмоганы, — удивительные фантастические изобретения, предназначенные для защиты рубежей нашей галактики от зелёных человечков и рептилоидов.
Когда люди узнают, что плазменные двигатели в космосе используются с начала семидесятых годов, обычно их удивлению практически нет предела. Наверное, многие просто забыли школьный курс физики и уже не помнят, что плазма — это ионизированный газ, и самый простой способ увидеть её — плазменная лампа, изобретённая ещё Николой Теслой.
В настоящее время одни из самых популярных плазменных ракетных двигателей — это электроракетные двигатели на эффекте Холла. Работает такой двигатель от электрического тока, однако ему требуется и рабочее тело для движения (вещество, которое ионизируется и отбрасывается через сопло, за счёт чего движется космический аппарат. — Прим.ред.). Например, криптон или ксенон.
Сам двигатель состоит из кольцевой камеры между анодом и катодом, вокруг которой расположены магниты. В камеру с одной стороны подаётся рабочее тело, и за счёт разности потенциалов и эффекта Холла, создаваемого магнитной силой, ионы рабочего тела начинают двигаться к другому концу камеры, откуда и происходит истечение плазмы.
Двигатели на эффекте Холла 12,5кВт и 13кВт
N.B. На самом деле с определениями конструкторы пока не договорились. Все виды таких двигателей называются ионными, а плазменный двигатель на эффекте Холла — это лишь один из вариантов конструкции электроракетного двигателя, использующего ионизированный газ. С другой стороны, иногда все такие двигатели называют плазменными. В общем, не бойтесь перепутать, вас поймут.
Работать такой двигатель может как в космосе, так и в атмосфере. Почему на Земле все до сих пор не летают на скейтах с плазмой? Причина проста: у плазменных двигателей просто ничтожная тяга по сравнению с химическими. На Земле тягу от такого двигателя почти не заметить, а вот в космосе, за счёт отсутствия атмосферы, плазменные двигатели можно использовать. В космосе становятся важны длительность работы такого двигателя и очень невысокий расход рабочего тела.
Некоторые современные образцы ионных двигателей могут работать от десяти до 100 тысяч часов, а у химических двигателей время работы исчисляется десятками минут. При этом ионному двигателю на несколько десятков тысяч часов работы требуется всего несколько центнеров рабочего тела, ну и постоянно получаемое электричество, конечно же. В космосе его вырабатывают или солнечные батареи, или РИТЭГи (радиоизотопный термоэлектрический генератор).
На плазменных крыльях
Буксир будет требовать лишь заправки рабочим телом и за счёт длительной работы ионных двигателей сможет сократить время полёта до Марса и обратно в несколько раз. По некоторым подсчётам, такое путешествие будет занимать всего полтора-два месяца.
Необходимость диагностики двигателя, которую владелец выполняет самостоятельно, может возникнуть по разным причинам. В одних случаях процедура выполняется регулярно в профилактических целях, в других поверки мотора своими руками позволяют экономить денежные средства и обходиться без посещения автосервиса и т.д.
В любом случае, определить поломку и проверить общее состояние ДВС и его систем на современном автомобиле стало проще. Дело в том, что внедрение электронных систем управления с режимами самодиагностики позволяет ЭБУ двигателем фиксировать возможные ошибки, которые после расшифровки указывают на причину сбоя или поломки.
Также не стоит забывать и о проверенных методах диагностики, которые основаны на анализе шумов, цвета выхлопа и других признаках, косвенно или прямо указывающих на ту или иную проблему.
В этой статье мы поговорим о том, как делают диагностику двигателя, какое оборудование и инструменты будут необходимы, а также какие поломки помогает обнаружить самостоятельная диагностика двигателя автомобиля.
Диагностика двигателя своими руками: для чего нужна и как делается
Прежде всего, своевременная диагностика позволяет оперативно выявить возможные неисправности на начальном этапе. Другими словами, удается быстро определить поломки еще до того, как они перерастут в серьезные неисправности.
Опытные владельцы хорошо знают, что игнорирование мелких проблем в результате может привести к более крупным неприятностям, к капитальному ремонту двигателя или даже к необходимости замены агрегата на контрактный мотор.
С учетом вышесказанного необходимо регулярно проводить профилактические осмотры, а также выполнять диагностику при малейших отклонениях от нормальной работы силовой установки. Что касается профилактики, желательно не реже одного раза в 7 дней проверять уровень моторного масла, рабочей жидкости в системе охлаждения, осматривать патрубки и шланги на предмет растрескивания и повреждений.
Если же было замечено, что двигатель начал работать со сбоями, потерял мощность, увеличился расход топлива, тогда нужно сделать комплексную диагностику мотора. На современных авто эта процедура выполняется при помощи специального диагностического оборудования в совокупности с визуальной оценкой, анализом шумов и т.д. Давайте рассмотрим процесс более подробно.
Начнем с того, что наличие контроллеров и развитая система электронного управления ЭСУД позволяет быстро оценить состояние различных систем двигателя. При этом важно понимать, что во многих случаях одной такой проверки будет мало. Для получения объективных результатов необходимо проводить целый ряд диагностических процедур.
В списке основных действий стоит выделить:
- визуальный осмотр агрегата и подкапотного пространства;
- проверка воздушного и топливного фильтров;
- проверка свечей зажигания и бронепроводов;
- проверка цепи/ремня ГРМ и правильности их установки;
- замер компрессии в цилиндрах двигателя;
- сканирование ошибок при помощи диагностического оборудования;
Что касается необходимых инструментов и оборудования, в рамках минимального комплекта понадобится иметь набор ключей и отверток, компрессометр, а также сканер в диагностический разъем OBD 2 (On-board diagnostics) или ноутбук/ПК со специальным софтом и переходниками для подключения.
Поверхностный осмотр ДВС, замер компрессии и давления топлива
Итак, перед началом работ следует внимательно осмотреть двигатель и подкапотное пространство. Отдельного внимания заслуживают элементы проводки, топливные шланги, патрубки и т.д.
Затем нужно проверить состояние воздушного фильтра, а также фильтра топлива. Если фильтры забиты, тогда это может оказаться причиной сбоев в работе агрегата. Параллельно проверяется уровень технических жидкостей (моторное масло, тосол, антифриз, тормозная жидкость и т.д.).
Далее нужно прогреть мотор до рабочих температур. Затем следует погазовать. Если из выхлопной трубы виден серый, сизый, синий или белый дым, тогда это может указывать на разные проблемы (нарушенное смесеобразование, проблемы со сгоранием топливного заряда, попадание ОЖ или моторного масла в камеру сгорания и т.д.).
Еще опытные специалисты всегда проверяют систему вентиляции картера. Для быстрой проверки прямо на месте достаточно отсоединить патрубок системы вентиляции картерных газов, после чего в патрубок нужно вставить немного чистой ткани. Затем мотор заводят и газуют.
В том случае, когда из патрубка летит масло или явно идет дым, тогда это может указывать на проблемы поршневых колец или неполадки самой системы вентиляции. Также в рамках диагностических процедур нужно измерить компрессию и давление топлива.
Чтобы сделать замер компрессии, потребуется выкрутить свечи зажигания на бензиновых моторах или свечи накала на дизельных. При этом также производится визуальный осмотр самих свечей. Если компрессия окажется ниже допустимой нормы, тогда высока вероятность износа ЦПГ, прогара клапана, залегания колец и т.п.
Что касается системы питания, тогда на многих бензиновых агрегатах можно замерить давление топлива в топливной рейке. Такой замер позволяет определить неисправности бензонасоса, загрязнение фильтров топлива, поломки регулятора давления.
Диагностика шумов, свистов и стуков двигателя
Также в процессе анализа следует внимательно изучить тональность стука (звонкий или глухой), а еще происходит ли изменение частоты и интенсивности с набором оборотов. Параллельно нужно учитывать, что посторонние звуки могут исходить не от самого ДВС, а от навесного оборудования или КПП, приводов и т.д.
Проведение компьютерной диагностики силового агрегата
Для реализации задачи нужно обнаружить универсальный диагностический разъем. Затем через адаптер, который вставляется в указанный разъем, подключается ноутбук, ПК, планшет или смартфон. Отметим, что для самостоятельной диагностики оптимально использовать сканер-адаптер OBDII, который позволяет подключить мобильное устройство без использования проводов.
Рекомендуем также прочитать статью о том, что показывает компьютерная диагностика двигателя. Из этой статьи вы узнаете о том, какие параметры работы ДВС можно проверить в режиме реального времени, а также какие ошибки в работе мотора фиксирует система электронного управления.
Например, для проведения компьютерной диагностики двигателя при помощи смартфона нужен адаптер в диагностический разъем, а необходимый софт скачивается и устанавливается на устройство. После этого смартфон и адаптер синхронизируются, а полученные данные отображаются на дисплее. Единственное, нужно учитывать, что программы и оборудование могут быть как универсальными, так и предназначаться только для конкретной марки авто.
После подключения двигатель следует завести, затем нужно запустить программу диагностики. В зависимости от того, какой софт и тип сканера используется, на дисплее будут отображаться графики и другая информация. Самое главное, это считать код неисправности двигателя, после чего код ошибки может понадобиться дополнительно расшифровать.
Как правило, таким способом выявляются неполадки электронных датчиков, сбои в работе систем и т.п. После того, как проблемный элемент был обнаружен, его также можно проверить тестером-мультиметром. Если после замены или ремонта ошибка исчезла, тогда процедуру можно считать успешной.
Однако в тех случаях, когда проблему не удается решить самостоятельно, для проведения углубленной диагностики потребуется дорогостоящее специализированное оборудование, а также необходимо иметь профессиональные навыки и профильные знания. Вполне очевидно, что в подобной ситуации лучше доставить автомобиль на СТО.
Что в итоге
С учетом приведенной выше информации становится понятно, как проводят диагностику двигателя и его систем своими руками. Главными плюсами такого подхода можно считать возможность контролировать состояние агрегата, а также выявить явные или скрытые неисправности до того момента, пока они не станут причиной более сложного и дорого ремонта.
Рекомендуем также прочитать статью о том, как проводится диагностика двигателя по свечам зажигания. Из этой статьи вы узнаете о том, на какие сбои, отклонения или поломки указывает нагар на свечах зажигания и его цвет.
Напоследок отметим, что даже если владелец не сможет самостоятельно устранить найденную поломку, самостоятельное проведение диагностических процедур во многих случаях позволяет найти причину неисправностей, что ускоряет и удешевляет общий процесс ремонта двигателя, его узлов и систем.
Компьютерная диагностика автомобильного двигателя и других агрегатов: для чего необходима и какие неисправности определяет. Как самому проверить автомобиль.
Признаки неисправности и проверка инжекторных форсунок без демонтажа. Диагностика электропитания форсунок, анализ производительности. Советы и рекомендации.
Способы проверки двигателя при выборе автомобиля б/у: диагностика по внешнему виду, звуку работы, состоянию свечей зажигания, цвету выхлопных газов и т.д.
Распространенные неисправности дизельного двигателя и диагностика агрегатов данного типа. Проверка топливной системы дизельного мотора, полезные советы.
Что делать, если пропала искра зажигания. Диагностика отдельных элементов: свечи, катушка, модуль зажигания. Как проверить искру на инжекторном моторе.
Неисправности форсунок дизеля, проверка и самостоятельное выявление проблем. Очистка сопла форсунок дизельного двигателя, регулирование давления впрыска.
Читайте также: