CC BY
13
УДК 621.4.001.4:573.6.086.853:661.72
ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНИЙ ДАТЧИК СКЛАДУ БЕНЗОЕТАНОЛУ ДЛЯ ПАЛИВНО1 СИСТЕМИ ДВЗ
В.М. Бганцев, ст. наук. сшвр., к.т.н., Н.Ю. Гладкова, iнж., 1ПМаш iM. А.Н. Пiдгорного НАН УкраТни, м. Харкчв
Анотаця. Визначено необх1дтстъ контролювання складу бензоетанолу в паливтй системi ДВЗ транспортного засобу, який використовуе цей вид бiопалива. Запропоновано конструкцт експерименталъного датчика складу бензоетанолу.
Ключов1 слова: бензоетанол, датчик складу бензоетанолу, паливна система.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ ДАТЧИК СОСТАВА БЕНЗОЭТАНОЛА ДЛЯ ТОПЛИВНОЙ СИСТЕМЫ ДВС
В.Н. Бганцев, ст. науч. сотр., к.т.н., Н.Ю. Гладкова, инж., ИПМаш им. А.Н. Подгорного НАН Украины, г. Харьков
Аннотация. Определена необходимость контролирования состава бензоэтанола в топливной системе ДВС транспортного средства, использующего этот вид биотоплива. Предложена конструкция эксперименталъного датчика состава бензоэтанола.
Ключевые слова: бензоэтанол, датчик состава бензоэтанола, топливная система.
EXPERIMENTAL SENSOR OF THE BENZOETHANOL COMPOSITION
FOR ENGINE FUEL SYSTEM
V. Bgantsev, PhD., Senior Researcher, N. Hladkova, Engineer, A. Podgorny, Institute for Mechanical Engineering Problems, NAS of Ukraine, Kharkiv
Abstract. An important aspect of the economy of internal combustion engine on benzoethanol is the accuracy of regulation of the fuel-air mixture composition. This task is complicated by fluctuations in the composition of benzoethanol, depending on the refueling of the vehicle at various filling stations. In this connection, there is a need to control the composition of benzoethanol in the fuel system of the engine and adjust the fuel supply system. With this purpose, fuel systems are equipped with special sensors that generate a signal, depending on the alcohol content of the mixed fuel. In the article one of the design solutions of the experimental sensor of the benzoethanol composition and the results of its testing with fuels of various composition are given.
Key words: benzoethanol, biofuel sensor, fuel system.
Вступ
Для вимiрювання складу бензоетанолу на автомобш автовиробники використовують датчики вимiрювання поточного складу бензоетанолу. Таю датчики бувають рiзних ти-тв за способом вимiрювання параметрiв та вщокремлення бензину вщ бензоетанолу i визначення складу останнього. За принципом роботи основш типи - це оптичш та емнюш
датчики. За використання оптичних датчиюв бензоетанол розглядасться як колощний роз-чин, а бензин - як ютинний розчин. При цьому крiзь вимiрювальну камеру, що мю-тить паливо, пропускасться промшь шфраче-рвоного лазера з одного боку, а з шшого встановлено оптичний перетворювач, що ге-неруе напругу залежно вщ штенсивносп ви-промшювання.
У коло!дному розчиш штенсивнють випро-мiнювання знижуеться за рахунок розсда-вання. Це супроводжуеться рiзким падшням рiвня сигналу, який генеруе оптичний перет-ворювач, та, вiдповiдно, дозволяе електрон-ному блоку керування двигуном (ЕБК) вщрь знити бензин вщ бензоетанолу (у бензинi iнтенсивнiсть випромшювання майже не знижуеться).
Gмнiсний датчик у загальному виглядi являе собою цилшдричний конденсатор. Проточну порожнину утворюють двi концентрично встановленi трубки, що виконують функцп обкладинок конденсатора. До обкладинок приеднуються електроди, якi з'еднано з блоком вимiрювання емносп, який перетворюе сигнал датчика в електричний сигнал, що передаеться на ЕБК. Залежно вщ рiвня сигналу (бензин, бензоетанол iз вмiстом етанолу - вщ 5 до 85 %) ЕБК формуе iмпульси на па-ливнi форсунки та свiчки запалювання для забезпечення ефективно! роботи двигуна на рiзних видах палива.
Аналiз публiкацiй
Загальний вигляд датчика складу бензоета-нолу, який використовуеться автовиробни-ками у складi паливно! системи автомобiля для корегування параметрiв системи керування двигуном залежнос вщ виду та складу палива, наведено на рис. 1 [1].
Рис. 1. Загальний вигляд датчика складу бен-зоетанолу
Зазвичай таю датчики встановлюються у штатну паливну систему автомобшя за допо-могою спецiальних адаптерiв та додатково! обвщно! (байпасно!) паливно! магiстралi тс-ля паливного фiльтра. Спосiб встановлення датчика поточного визначення складу бензо-етанолу наведено на рис. 2 [1].
Кшьцевий зазор мiж обкладинками датчика мае бути якнайменшим - для забезпечення належного рiвня сигналу та суттево не впли-вати на рiвень гiдравлiчного опору в палив-нiй системi. При цьому у випадку його за-бруднення повинна здшснюватися безперер-
вна циркуляцiя палива у паливнш магiстралi автомобiля. Тому таю датчики обов'язково встановлюються в обвщнш мапстрал^
Рис. 2. Спошб встановлення датчика поточного визначення складу бензоетанолу у штатну паливну систему автомобшя
Особливосп конструкци типового датчика поточного визначення складу бензоетанолу наведено на рис. 3 [1].
Рис. 3. Особливосп конструкци датчика складу бензоетанолу
Для розрахунку емносп датчика використо-вуеться наведена нижче формула
С =2-Л-Е,
I
1п( Я1/ R1)
де С - емнють датчика; е, - дiелектрична проникнiсть (для бензину е, = 2, а для етанолу е, = 25); I - довжина активних елеменнв датчика; Rl - радiус зовшшнього елемента; R2 - радiус внутршнього елемента.
Оскiльки дiелектрична проникнiсть бензину та етанолу залежить вщ температури, то у складi датчика мiж активними елементами, що утворюють проточну порожнину, встано-влено термiстор з негативним температурним коефiцiентом для вимiрювання поточно! температури палива та корекци емностi, що вимiрюеться датчиком.
Мета i постановка завдання
За кордоном датчики такого призначення мають високу варпсть й iнтегруються в сис-
теми електронного керування ДВЗ, яю орiен-товаш на роботу на бензоетанол^ Вггчизняна промисловiсть датчикiв складу паливних су-мiшей для транспортних засобiв не випускае.
У зв'язку з цим для проведення експеримен-тальних дослщжень роботи ДВЗ на бензоета-нолi виникла необхiднiсть у розробщ експе-риментального зразка датчика складу бензо-етанолу i потреба в його штегруванш в систему електронного керування вггчизняного двигуна.
Розробка конструкцн датчика та
алгоритму взаемодн iз системою електронного керування ДВЗ
У вщдш поршневих енергоустановок 1П-Маш НАН Укра!ни розроблено оригшальну конструкцiю малогабаритного датчика поточного визначення складу палива, зокрема бензоетанолу (експериментальний датчик) (рис. 4). За типом вш належить до датчиюв емностi й виконаний у виглядi плоского конденсатора. Gмнiсть плоского двообкладково-го конденсатора визначаеться за формулою [2, 3]
С = 0,0884-е-5 / d,
де е - дiелектрична проникшсть; 5 - площа поверхш обкладки конденсатора, см2; й - вь дстань мiж обкладинками, см.
Рис. 4. Конструкщя експериментального датчика (3D комп'ютерна геометрiя):
1 - зовшшнш корпус (матерiал - сталь);
2 - внутршнш корпус (матерiал - дiеле-ктрик); 3 - штуцер; 4 - обкладинки; 5 -вставки
Датчик складу палива на основi плоского конденсатора розмщений в цилшдричному корпусу що мае штуцери для пiдведення i вщведення палива, а також виводи з обкла-динок конденсатора. Для проведення вимь рювань датчик закрiпили на вертикальнш пiдставцi з одного боку £/-подiбного колiна з трубки, що служить для заповнення датчика паливом.
Е ходi дослiджень були використанi дев'ять зразюв палива, що перекривають дiапазон вщ чистого бензину до чистого спирту: бензин А-95, бензоспиртовi палива Е5, Е7, Е10, Е20, Е30, Е50, Е85, Е100 iз вмютом спиртово! складово! 5; 7; 10; 20; 30; 50; 85; 100 % за об'емом. При проведенш дослiдiв датчик за-повнювали послiдовно кожним видом пали-ва. Попередньо проводили промивання по-рожнини датчика дослщжуваним паливом, зливали його, поим заповнювали знову i ви-мiрювали емнiсть заповненого датчика. Температура навколишнього середовища у про-цесi вимiрювань становила 18 °С.
Через деякий час вимiрювання для всiх видiв палива були проведеш повторно за т1е! само! температури навколишнього середовища. Також було вимiряно емнiсть незаповненого i просушеного датчика. Результати вимiрю-вань наведеш в табл. 1. У цш же таблицi наведет розрахунковi значення е^валентно! дiелектрично! проникносп палива, визначенi iз залежностi для емност плоского дво-обкладкового конденсатора.
Таблиця 1 Результати вим1рювань емност! експериментального датчика та екшвалентт значення д1електрично!' проникност! палива
Вид палива, що заповнюе датчик Усереднена емшсть експе-риментального датчика, пФ Екв1валентна д1електрична проникшсть палива
Незаповне-ний датчик 31,5 0,8908
Бензин А-95 41,5 1,1736
Е5 42 1,2019
Е7 43 1,2160
Е10 43 1,2160
Е20 44 1,2443
Е30 45,5 1,2867
Е50 47,5 1,3433
Е85 50,5 1,4281
Е100 52 1,4706
Графiчно змiну усереднено! емностi датчика залежно вiд складу палива наведено на рис. 5. Як видно з рисунка, залежнють мае практично лшшний характер. Вщносна змша емностi датчика залежно вщ складу сумiшi становить 25,3 %.
С,пФ
Алгоритм керування ДВЗ залежно вщ виду та складу палива наведено на рис. 7.
□ 1П 20 ЭП 40 50 ЙП 7П 8П 0П 100
Вм1ст етанолу в паливнш сум1пп, %
Рис. 5. Змiна усереднено! емностi експери-ментального датчика залежно вщ складу бензоспиртового палива
У бшьш вузькому дiапазонi - вiд чистого бензину до сумшевого палива Е20 з 20 % вмютом спирту емнiсть датчика змшюеться на 6 %. Поведшка датчика в цьому дiапазонi е важливою з точки зору адаптацп системи електронного керування роботою ДВЗ для палив iз вмiстом спирту бшьше 20 %. Як за-свiдчили експериментальнi дослiдження, ви-конаш на моторному стендi з двигуном МеМЗ 307.1 з мкропроцесорною системою керування, саме для таких палив необхщна адаптацш ДВЗ, зокрема за змшою подачi палива i значення кута випередження запалю-вання.
Блок-схема керування системами паливопо-дачi та запалювання ДВЗ залежно вщ виду (бензин або бензоетанол) та складу палива наведена на рис. 6.
Експериментальний датчик
Рис. 6. Блок-схема керування системами па-ливоподачi та запалювання ДВЗ залежно вщ виду (бензин або бензоетанол) та складу палива
Рис. 7. Алгоритм керування ДВЗ залежно вщ виду та складу палива
З точки зору ефективност керування роботою ДВЗ електронним блоком, при переходi на палива з помiрним i високим вмютом спирту бажано мати датчик з бшьшою величиною змши емносл у фксованому (бажа-ному) дiапазонi спиртово!' складово!' в паливь Корисним також буде екранування датчика та електричних ланцюпв в умовах транспортного засобу.
Висновки
Розроблений експериментальний датчик складу бензоетанолу показав свою робото-здатнють у паливнш системi двигуна.
Пiд час роботи модершзованох системи керування двигуном упродовж експерименталь-ного дослщження не виникало ншких збош та порушень робочого циклу двигуна в циль ндрах. Керування характеристиками паливо-подачi та кутом випередження запалювання дозволило забезпечити регулювання складу паливоповггрянох сумМ на малих та серед-нiх потужностях за рахунок роботи датчика вмюту кисню у вщпрацьованих газах. Таке регулювання сприяе досягненню прийнятно!
паливно! eK0H0Mi4H0CTi й токсичносп вщ-працьованих ra3iB.
Для бiльш надшно! роботи датчика в умовах експлуатацп потрiбнi додатковi дослiдження i оптимiзацiя конструкций
Лiтература
1. Flex Fuel Sensors / CVEL. - Режим доступу: http://www.cvel.clemson.edu/ au-to/sensors/flex-fuel-sensor.html.
2. Довщник по схемотехнiцi для радюама-тора / В.П. Боровський, В.1. Костенко, В.М. Михайленко, О.Н. Партала. - К.: Техшка, 1987. - 432 с.
3. Краткий справочник физико-химических величин / под ред. А.А. Равделя, А.М. Пономаревой. - С.Пб.: Иван Федоров, 2003. - С. 160.
References
1. Flex Fuel Sensors. Available at: http:// www.cvel.clemson.edu/auto/sensors/flex-fuel-sensor.html / (accessed 22.06.2017).
2. Borovskyi V.P., Kostenko V.I., Mykhai-lenko V.M., Partala O.N. Dovidnyk po skhemotekhnitsi dlia radioamatora [A guide to circuitry for the radio amateur]. Kyiv, Tekhnika Publ., 1987. 432 p.
3. Kratkiy spravochnik fiziko-himicheskih vel-ichin [Quick reference book of physical and chemical quantities]. Sankt-Peterburg, Ivan Fedorov Publ., 2003. 160 p.
Рецензент: Ф.1. Абрамчук, професор, д.т.н., ХНАДУ.
