СИСТЕМА КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА И ТОПЛИВОПОДГОТОВКИ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Полезная модель относится к системам контроля качества и топливоподготовки двигателей внутреннего сгорания (ДВС), а именно для обработки углеводородных топлив электрическими полями с целью улучшения комплекса эксплуатационных и физико-химических свойств углеводородных топлив, например, октановое число автомобильных бензинов, цетановое число дизельных топлив, кинематическая вязкость, фракционный и углеводородный состав, а также улучшения экологических свойств за счет повышения полноты сгорания углеводородных топлив в ДВС. Она может быть использована в нефтехимии, двигателестроении и других отраслях промышленности.
Известен способ обработки топлива заключающийся в обработке топлива микролептонным полем [1]. Устройство для реализации способа содержит корпус, выполненный из диэлектрического материала, внутри которого помещен композитный наполнитель, а также последовательно соединенные источник постоянного тока и преобразователь напряжения, выходы которого подключены к соответствующим металлическим электродам, размещенным в торцевых стенках корпуса так, что их внутренние поверхности имеют контакт с композитным наполнителем.
Недостатками данного способа является дороговизна, использование наполнителя, необходимость установки в непосредственной близости (10-20 см) от камеры сгорания и воздействие только на теплоту сгорания топлива.
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели является способ и система контроля качества топлива [2], состоящая из источника питания, представляющего аккумулятор или иной источник электроэнергии автотранспортного средства (АТС), блока управления системой, повышающего трансформатора, датчика-фильтра тонкой очистки и
устройства индикации, отображающего информацию о качестве горючего. Вышеуказанная система контроля качества топлива [2] выбрана в качестве прототипа.
Недостатком данной системы является отсутствие возможности изменения характеристик поля в зависимости от показателей качества используемого топлива, а также низкая эффективность топливоподготовки, не позволяющая существенно повысить качество комплекса эксплуатационных, физико-химических и экологических свойств углеводородных топлив.
Предлагаемая система контроля качества и топливоподготовки ДВС решает задачу улучшения комплекса эксплуатационных и физико-химических свойств углеводородных топлив, например, октановое число автомобильных бензинов, цетановое число дизельных топлив, кинематическая вязкость, фракционный и углеводородный состав, а также улучшения экологических свойств за счет повышения полноты сгорания углеводородных топлив в ДВС.
Эта задача решается за счет того, что система контроля качества и топливоподготовки ДВС, содержащая источник питания, блок управления системой, подключенной к повышающему трансформатору, выходы которого соединены с устройством обработки топлива и общей шиной соответственно и устройство индикации, дополнительно содержит модуль датчиков двигателя внутреннего сгорания, датчик вязкости топлива, высоковольтный делитель напряжения, устройство обработки информации и управления, при этом повышающий трансформатор представляет собой высоковольтный импульсный повышающий трансформатор, датчик вязкости топлива установлен на выходе устройства обработки топлива, индикатор выполнен в виде модуля управления и индикации, вход высоковольтного делителя напряжения подключен к выходу высоковольтного импульсного повышающего трансформатора, блок управления системой выполнен на управляемом формирователе прямоугольных импульсов с регулируемым периодом и длительностью импульсов а так же устройстве обработки
информации и управления, причем к входам устройства обработки информации и управления подключены выходы высоковольтного делителя напряжения, датчиков мощности, температуры и вязкости, его первая информационная шина подключена к управляемому формирователю прямоугольных импульсов, а вторая информационная шина - к модулю управления и индикации.
На фиг.1 представлено схематическое изображение системы контроля качества и топливоподготовки ДВС.
Система контроля качества и топливоподготовки ДВС состоит из блока управления системой (БУС) 1, управляемого формирователя прямоугольных импульсов (УФПИ) 2, устройства обработки информации и управления (УОИиУ) 3, высоковольтного импульсного повышающего трансформатора (ВИПТ) 4, высоковольтного делителя напряжения (ВДН) 5, с малым временем установления, устройства обработки топлива (УОТ) 6, датчика параметров топлива (ДВ) 7, двигателя внутреннего сгорания (ДВС) 8, с модулем датчиков (МД) 9, модуля управления и индикации (МУиИ) 10, источника питания (ИП) 11, первой 12 и второй 13 информационных шин.
На фиг.2 представлено схематическое изображение управляемого формирователя прямоугольных импульсов 2 (Фиг.1).
Управляемый формирователь прямоугольных импульсов 2 состоит из генератора прямоугольных импульсов 14, счетчика числа импульсов периода 15, устройства совпадения кодов периода импульсов 16, триггера периода 17, регистра периода 18, триггера длительности 19, ждущего генератора прямоугольных импульсов 20, счетчика числа импульсов длительности импульса 21, устройства совпадения кодов длительности импульсов 22, регистра длительности импульсов 23, устройства оптронной развязки 24, усилителя импульсов 25 и устройства управления усилителем импульсов 26.
На фиг.3 представлено схематическое изображение устройства обработки информации и управления 3 (Фиг.1).
Устройство обработки информации и управления 3 состоит из амплитудного детектора выходного напряжения 27, высоковольтного
делителя 5 с входом, выхода высоковольтного делителя напряжения 28, коммутатора сигналов датчиков с нормированием по напряжению 29 с входами от датчиков 30, аналого-цифрового преобразователя 31, устройства управления 32, устройства измерения длительности и периода импульса 33 делителя 5 и устройства сравнения и управления 34.
На фиг.4 приведена функциональная схема высоковольтного делителя напряжения 5 (Фиг 1).
Высоковольтный делитель напряжения 5 содержит, резистор верхнего плеча высоковольтного делителя напряжения 35, вспомогательный высоковольтный делитель напряжения 36, ограничитель напряжения 37, измерительный усилитель 38, резистор нижнего плеча высоковольтного делителя напряжения 39, конденсатор 40, эквипотенциальный экран 41, сегменты которого соединены с выводами делителя напряжения 36.
Система контроля качества и топливоподготовки двигателя внутреннего сгорания (фиг.1) работает следующим образом.
Блок управления системой 1 включающий управляемый формирователь 2 прямоугольных импульсов и устройство обработки информации и управления формирует прямоугольные импульсы с регулируемым периодом и длительностью, подаваемые на первичную обмотку высоковольтного импульсного повышающего трансформатора 4. Со вторичной обмотки сигнал по проводам высокого напряжения поступает в рабочую зону устройства для обработки топлива 6. Датчики параметров топлива 7, например вязкости топлива [3] на выходе устройства обработки топлива 6 обеспечивают контроль параметров топлива. Выходные сигналы датчиков подаются на входы устройства обработки информации и управления 3. Контроль характеристик высоковольтного импульсного напряжения производится при помощи высоковольтного делителя напряжения 5, с малым временем установления, выход которого подключен к входу устройство обработки информации и управления 3. Обработанное топливо подается в двигатель внутреннего сгорания 8 с подключенным модулем датчиков 9, обеспечивающих контроль параметров двигателя 8. Выходные сигналы с
датчиков 9 подаются на входы устройства обработки информации и управления 3, которое управляя по первой информационной шине 12 управляемым формирователем 2 прямоугольных импульсов обеспечивает заданный период, амплитуду и длительность выходных импульсов высоковольтного импульсного повышающего трансформатора 4. Устройство обработки информации и управления 3 обеспечивает измерение выходных сигналов с датчиков 7, 9, передачу измеренных данных и прием данных для управления параметрами импульсов в модуль управления и индикации 10 по второй информационной шине 13.
Формирователь прямоугольных импульсов 2 вариант выполнения которого приведен на фиг.2 работает следующим образом.
Генератор прямоугольных импульсов 14 формирует прямоугольные импульсы с постоянным периодом подаваемые на счетчик числа импульсов периода 15, например двоично-десятичный счетчик, выходы счетчика подключены к устройство совпадения кодов периода импульсов 15, при совпадении выходного кода счетчика с заданным в регистре 18, формируется импульс, подаваемый на вход триггера 17 включенного в счетном режиме, на выходе которого формируются импульсы с длительностью заданного периода импульсов. Эти импульсы подаются на счетный вход триггера 19, изменяя состояние его выходов, один из которых подключен к входу разрешения ждущего генератора импульсов 20, который при подаче соответствующего логического уровня формирует на своем выходе последовательность импульсов, подаваемых на вход счетчика числа импульсов длительности импульса 21, выходы которых подключены к устройству совпадения кодов длительности импульсов 22. При совпадении выходного кода устройства с заданным в регистре 23 формируется импульс переводящий в первоначальное состояние триггер 19, на выходе которого формируется импульс с заданной длительностью и периодом, определяемых кодом в регистрах 18, 23. Данный импульс подается на устройство оптронной развязки 24, обеспечивающей защиту устройства от высоковольтных импульсных помех. С выхода устройства 24 импульсное
напряжение подается на вход усилителя импульсов 25, коэффициент усиления которого управляется устройством управления усилителем импульсов 26, что обеспечивает регулировку амплитуды выходного импульса.
Период генератора прямоугольных импульсов 14 и ждущего генератора прямоугольных импульсов 20 определяют минимальную дискретность регулировки длительности и периода импульсов соответственно.
Устройство обработки информации и управления 3, вариант выполнения которого приведен на фиг.3 работает следующим образом.
Выходное напряжение высоковольтного делителя напряжения 5 подается на амплитудный детектор 27 с входом 28, где преобразуется в постоянное напряжение пропорциональное амплитуде высоковольтных импульсов, подаваемое на коммутатор 29, на вход 30 которого подаются выходные сигналы с датчиков. Коммутатор 29 обеспечивает нормирование входных напряжений коммутатора и коммутацию нормированных напряжений датчиков и выходного напряжения амплитудного детектора 27. Выходное напряжение коммутатора подается на аналого-цифровой преобразователь 31, обеспечивающий преобразование аналогового напряжения в цифровой код. Устройство измерения длительности и периода импульсов 33 обеспечивает измерение параметров импульсов с выхода высоковольтного делителя 5. Устройство сравнения и управления 34 обеспечивает сравнение параметров импульса с выхода делителя 5 с заданным и корректирует цифровой код по шине 12, устанавливая заданные параметры импульса. Устройство управления 32 обеспечивает управление процессом измерения - коммутатором 29, аналого-цифровым преобразователем 31 и устройством сравнения и управления 34. Управление и задание параметров устройства и параметров импульсов обеспечивается по шине 13.
Устройство обеспечивает изменение в широких пределах амплитуды, периода и длительности импульсов с выхода высоковольтного импульсною повышающего трансформатора 4, и измерение параметров топлива и
двигателя 6 что обеспечивает исследование влияния импульсного электрического поля с заданными характеристиками на физико-химические свойства нефтепродуктов.
Высоковольтный делитель напряжения 5, вариант выполнения которого приведен на фиг.5 работает следующим образом.
Импульсное высоковольтное напряжение до (30 кВ) подается на вход резистора верхнего плеча высоковольтного делителя напряжения 35 и вход вспомогательного высоковольтного делителя напряжения 36, отводы от которого соединены с эквипотенциальными экранами 41, экранирующими резистор верхнего плеча высоковольтного делителя напряжения 35 и уменьшающими влияние паразитных емкостей. Выходное напряжение снимается с резистора 39 и конденсатора 40 и усиливается усилителем 38.
Предлагаемая система контроля качества и топливоподготовки ДВС была испытана в лабораторных условиях.
Результаты экспериментальных исследований по улучшению комплекса эксплуатационных и физико-химических свойств углеводородных топлив таких как, кинематическая вязкость, октановое и цетановые числа, фракционный и углеводородный состав, а также улучшению экологических свойств, за счет повышения полноты сгорания углеводородных топлив в ДВС представлены в таблицах 1-6.
Результаты исследований воздействия электрического поля на кинематическую вязкость топлива (на примере дизельного топлива марки Л-0.2-40 ГОСТ 305) приведены в таблице 1.
Таблица 1.Влияние электрического поля на кинематическую вязкость дизельного топлива
№ опыта
напряжение на входе, В
ток, А
частота, кГц
напряжение на выходе, кВ
напряженность, кВ/мм
Кинематическая вязкость, мм<sup>2</sup>/с
Вязкость топлива до топливоподготовки
2,294
1
20
1,72
8,00
2,69
2,42
2,089
2
1,8
7,50
2,82
2,54
2,106
3
1,74
7,50
2,73
2,45
2,068
4
10
2,44
1,60
4,43
3,98
1,956
5
2,45
1,60
4,45
4
1,918
6
2,45
1,60
4,45
4
1,886
7
15
1,7
5,60
2,7
2,43
1,846
8
1,69
5,60
2,68
2,42
1,874
9
1,75
5,60
2,78
2,5
1,858
10
15
3,2
2,10
5,57
4,99
1,813
11
3,26
2,20
5,62
5,06
1,804
12
3,35
2,20
5,78
5,2
1,814
13
10
2,86
0,47
8,22
7,39
1,821
14
2,92
0,47
8,38
7,54
1,852
15
2,92
0,48
8,31
7,47
1,831
16
20
2,16
4,25
3,49
3,14
1,784
17
1,94
4,25
3,13
2,82
1,896
18
1,96
4,57
3,15
2,84
1,879
19
20
1,82
7,83
2,85
2,56
1,845
20
1,83
7,47
2,87
2,58
1,829
21
1,92
7,20
3,01
2,71
1,826
22
15
1,81
7,54
2,84
2,55
1,826
23
1,8
7,53
2,82
2,54
1,811
24
1,8
7,25
2,83
2,54
1,815
25
15
1,48
4,94
2,37
2,13
1,912
26
1,51
4,98
2,41
2,17
1,829
27
1,51
4,87
2,42
2,18
1,805
28
20
1,56
5,46
2,48
2,23
1,823
29
1,56
5,46
2,48
2,23
1,823
30
1,48
5,40
2,36
2,12
1,800
Результаты исследований воздействия электрического поля на углеводородный состав автомобильных бензинов (на примере автомобильного бензина марки Регуляр-92 по ГОСТ Р 51105) приведены в таблице 2.
Таблица 2.Влияние электрического поля на углеводородный состав автомобильного бензина.
Группа углеводородов
Частота импульса, Гц
0
460
670
1000
Ароматические углеводороды, в %.
30,3
33,2
37,6
33,4
Непредельные углеводороды, в %.
11,0
11,2
9,4
10,7
Предельные углеводороды, в %.
58,7
55,6
53,0
55,9
Результаты исследований воздействия электрического поля па фракционный состав автомобильного бензина (на примере автомобильного бензина марки А-76 (летний) ГОСТ 2084-77) представлены в таблице 3.
Таблица 3.Влияние электрического поля на фракционный состав автомобильного бензина.
Марки
Фракционный состав
Результаты определения
до топливоподготовки
после топливоподготовки
А-76 (летний) ГОСТ 2084-77
температура начала перегонки, °С
45
50
температура выкипания 10%, °С
62
55
температура выкипания 50%, °С
106
97
температура выкипания 90%, °С
164
152
температура конца кипения °С
188
173
остаток в колбе, %
1,2
1,1
остаток и потери, %
3,3
3,1
некондиционное топливо А-76 (летний) ГОСТ 2084-77
температура начала перегонки, °С
31
36
температура выкипания 10%, °С
76
69
температура выкипания 50%, °С
124
115
температура выкипания 90%, °С
190
178
температура конца кипения °С
208
193
остаток в колбе, %
1.5
1,4
остаток и потери, %
3,9
3,7
Результаты исследований воздействия электрического поля на фракционный состав дизельных топлив представлены в таблице 4.
Таблица 4.Влияние электрического поля на фракционный состав дизельных топлив.
Марки
Фракционный состав
Результаты определения
до топливоподготовки
после топливоподготовки
Л-0,2-40 ГОСТ 305-82
температура выкипания 50%, °С
264
256
температура выкипания 96%. °С
348
334
З-0,2-минус 35 ГОСТ 305-82
температура выкипания 50%, °С
203
195
температура выкипания 96%, °С
334
320
Некондиционное топливо Л-0,2-40 ГОСТ 305-82
температура выкипания 50%, °С
292
284
температура выкипания 96%, °С
381
367
Результаты исследований воздействия электрического поля на октановое число автомобильных бензинов представлены в таблице 5.
Таблица 5.Влияние электрического поля на октановое число автомобильных бензинов.
Марка
№ испытания
Октановое число испытуемых образцов топлива
до топливоподготовки
после топливоподготовки
Регуляр-92
1
92
93
2
92
93
3
92
94
4
92
92
Нормаль-80
1
80
80
2
80
80
3
80
80
4
80
80
Результаты исследований воздействия электрического поля на цетановое число дизельных топлив представлены в таблице 6.
Таблица 6.Влияние электрического поля на цетановое число дизельных топлив.
№ эксперимента
до топливоподготовки
после топливоподготовки
Л-0,2-40 ГОСТ 305-82
1
46
46
2
46
45
3
46
44
4
46
46
З-0,2-минус 35 ГОСТ 305-82
5
47
46
6
47
46
7
47
47
8
47
45
Кроме того, проведены испытания двигателя УМЗ-4178 на стенде КИ-5543 ГОСНИТИ, результаты которых представлены в таблице 7.
Таблица 7Результаты испытаний.
№ испытание
n<sub>ДВ.</sub>, мин<sup>-1</sup>
Эффективная мощность N<sub>e</sub>, кВт
Удельный эффективный расход топлива g<sub>е</sub>, г/кВт·ч
До топливоподготовки
после топливоподготовки
До топливоподготовки
после топливоподготовки
1
1700
24,854
28,356
340,370
318,362
2
1900
35,026
38,925
335,465
304,386
3
2100
35,215
39,654
321,257
295,967
4
2700
45,963
59,208
300,452
289,981
Примечание:
После обработки испытываемый двигатель показал следующие результаты:
1. Эффективная мощность возрастает на 4...14 кВт.
2. Удельный эффективный расход топлива снизился на 11...31 г/кВт·ч.
Из вышеизложенного материала видно, что предлагаемая система контроля качества и топливоподготовки ДВС обеспечивает улучшение комплекса эксплуатационных и физико-химических свойств углеводородных топлив, например, октановое число автомобильных бензинов, цетановое число дизельных топлив, кинематическая вязкость, фракционный и углеводородный состав, а также улучшает экологические свойства за счет повышения полноты сгорания углеводородных топлив в ДВС.
Литература
1. Патент RU №2131054, F02M 27/04, 1999.
2. Патент RU №2005106489, G01N 27/74, 2006. - прототип.
3. Вибрационный метод измерения вязкости жидкостей А.Н.Соловьев, А.Б.Каплун, М.: «Наука», 1970, стр.78
4. Патент RU №2270355, F02M 27/04, 2006.