CC BY
4
УДК 621.436+662.767.2 DOI 10.24412/2311-6447-2023-4
Электронный блок управления электродозаторамн смесителя нефтяного дизельного топлива и рыжикового масла
Electronic control unit for electric dispensers of the mixer of petroleum diesel fuel and ginger oil
Доцент A.A. Хохлов, профессор А.Л. Хохлов, доцент Н.С. Киреева, магистрант М.С. Петряков
Ульяновский государственный аграрный университет, тел. (999) 769-32-10, khokhlov. 73@mail. ru
Associate Professor A.A. Khokhlov, Professor A.L. Khokhlov, Associate Professor N.S. Kireeva, undergraduate M.S. Petryakova
Ulyanovsk State Agrarian University, tel. (999) 769-32-10, [email protected]
Аннотация. В статье приведена актуальность обеспечения агропромышленного комплекса России топливно-энергетическими материалами, путем использования смесевого бионефтяного топлива. Разработаны программируемый электронный блок управления электродозаторами смесителя нефтяного дизельного топлива (ДТ) и рыжикового масла (RM), алгоритм и функциональная схема его работы. Представлена номограмма определения хода штоков клапанов электродозаторов смесителя, позволяющая обеспечить автоматическое изменение процентного содержания ДТ и RM в смесевом бионефтяном топливе в зависимости от температурного, нагрузочного и скоростного режима работы дизеля и температуры RM.
Abstract. The article presents the relevance of providing the agro-industrial complex of Russia with fuel and energy materials by using mixed bio-oil fuel. A programmable electronic control unit for electric generators of an oil diesel fuel (DF) and camelina oil (RM) mixer, an algorithm and a functional diagram of its operation have been developed. A nomogram for determining the stroke of the valve rods of the mixer electric dispensers is presented, which makes it possible to ensure automatic change in the percentage of DF and RM in mixed bio-oil fuel depending on the temperature, load and speed of the diesel engine and RM temperature.
Ключевые слова: микроконтроллер, алгоритм, функциональная схема, программируемый электронный блок управления, электродозатор, смеситель
Keywords: microcontroller, algorithm, functional circuit, programmable electronic control unit, electric dispenser, mixer
В решении проблемы надежного обеспечения агропромышленного комплекса (АПК) России топливно-энергетическими материалами и снижения вредного воздействия сельскохозяйственной техники на окружающую среду важная роль принадлежит альтернативным моторным топливам [1].
Перспективным направлением экономии нефтяного ДТ и улучшения экологических показателей мобильной с.-х. техники является исследование и применение новых видов моторного ДТ [1-3]. К такому дизельному топливу относится смесевое бионефтяное топливо (БНТ), получаемое смешиванием товарного нефтяного ДТ и растительного (рыжикового) масла RM, обладающего функциями биологического компонента (смешиваемость, совместимость) со свойствами биологической добавки (поверхностно-активные вещества, термоокислительная стабильность и пр.). При разработке технических решений по переводу работы с.-х. тракторов на смесевое топливо необходимо не только изучить физико-химические и эксплуатационные свойства БНТ, оценить их влияние на параметры топливоподачи, но и
(О A.A. Хохлов, А.Л. Хохлов, Н.С. Киреева, М.С. Петряков, 2023
обеспечить эффективность функционирования с.-х. трактора в составе машинно-тракторного агрегата (МТА) в зависимости от вида выполняемых работ.
Для автоматического изменения процентного содержания ДТ и ИМ в процессе приготовления БНТ требуемого состава разработан программируемый электронный блок управления (ЭБУ) электродозаторами смесителя, электрически соединенный с источником питания бортовой сети электрооборудования трактора через штепсель розетки щитка приборов 12 В, датчиками нагрузочного, скоростного и температурного режима дизеля, датчиком температуры рыжикового масла, электродозаторами смесителя. Электронасосы подачи нефтяного ДТ и Г?М соединены с бортовой сетью трактора через разъем замка зажигания. По информационным сигналам датчиков нагрузочного и скоростного режима дизеля, температурных датчиков системы охлаждения двигателя и рыжикового масла ЭБУ формирует командные сигналы электродозаторам нефтяного ДТ и ИМ, которые при перемещении своих клапанов обеспечивают изменение площади проходного сечения (пропускную способность) входных каналов смесителя, а, следовательно, и процентное содержание рыжикового масла в БНТ [4-10].
На рис. 1 представлен ЭБУ электродозаторами (вид сверху) с элементами управления, выборами программы регулирования подачи БНТ и отображением информации о текущем состоянии работы.
Требуемое процентное содержание рыжикового масла и нефтяного дизельного топлива в БНТ задается переключателями (вкл./выкл.) программы регулирования состава топлива «0», «1», «2», «3» или «4» (рис. 1), которые задают интервал необходимого состава компонентов БНТ, путем изменения площади проходного сечения входных каналов смесителя за счет перемещения штоков клапанов электродозаторами ДТ и КМ.
Рис. 1. Электронный блок управления (вид сверху): 1 - переключатель вкл./выкл. электропитания; 2 - переключатель «0» программы регулирования состава нефтяного ДТ 100 %; 3 - переключатель «1» программы регулирования состава БНТ от 0 до 10 % КМ; 4 - переключатель «2» программы регулирования состава БНТ от 10 до 25 % КМ; 5 - переключатель «3» программы регулирования, состава БНТ от 25 до 40 % КМ; б - переключатель «4» программы, регулирования состава БНТ от 40 до 50 % КМ; 7 - кнопка фиксации состава БНТ; 8 - дисплей; 9 - режим фиксации; 10 - цифровое отображение состава БНТ
В ЭБУ предусмотрена кнопка фиксации состава топлива, при включении которой подается максимальное количество КМ, соответствующее включенной программе регулирования состава БНТ (при этом на электронном табло высвечивается символ К 9 и цифра 10, обозначающая максимальное процентное содержание КМ в БНТ для выбранной программы регулирования состава БНТ).
На рис. 2 изображен ЭБУ с размещенными в корпусе составляющими элементами.
Рис. 2. Электронный блок управления с размещенными в корпусе элементами1 - отладочная плата; 2 - плата коммутации; 3 - модуль согласования (MC) электронасосов; 4 - MC электродозатора ДТ; 5 - MC электродозатора RM; б - микроконтроллера STM32F100; 7 - MC датчика температуры охлаждающей жидкости; 8 - MC датчика, температуры RM; 9 - MC датчика частоты вращения коленчатого вала дизеля; 10-МС датчика положения рейки ТНВД; 11- преобразователь напряжения
ЭБУ разрабатывался на основе микроконтроллера STM 32F100 с платой Discovery, для которого разработаны алгоритм работы управления электродозаторами смесителя (рис. 3 и 4), компьютерная программа на языке программирования «Си», а также электрическая схема.
Для изменения процентного содержания компонентов БНТ путем изменения площади проходного сечения (пропускной способности) во входных каналах смесителя установлены электродозаторы [11]. Проведенные расчеты для двигателя Д-243 трактора МТЗ-80 показали, что входные каналы ДТ и RM смесителя должны обеспечивать пропускную способность топлив от 0 до 4,79 мл/с.
Для выполнения функции электродозатора выбираем регулятор холостого хода РХХ 2112-1148300, состоящий из шагового электродвигателя, ротор которого имеет две обмотки (А и В), пружины и ходового винта (штока), на котором установлен клапан.
На основании проведенных теоретических расчетов с учетом геометрических параметров клапана электродозатора и входных каналов смесителя были рассчитаны: величина хода штока клапана электродозатора и его влияние на изменение площади проходного сечения (пропускной способности) входных каналов смесителя в зависимости от процентного содержания компонентов БНТ.
Для изменения пропускной способности входных каналов смесителя ход штока клапана элетродозатора нефтяного ДТ и RM составит соответственно 0-2,021 мм и 0-5,761 мм, при этом пропускная способность входного канала нефтяного ДТ изменяется от 0 до 4,79 мл/с, а RM от 0 до 4,76 мл/с.
Управление электродозаторами смесителя осуществляется по информационным сигналам, поступающим от датчиков: для датчиков температуры охлаждающей жидкости двигателя, рыжикового мала и положения рейки топливного насоса - по величине изменения потребляемого напряжения; для датчика частоты вращения коленчатого вала - по изменению времени поступления в ЭБУ напряжения.
В соответствии с разработанным алгоритмом ЭБУ работает следующим образом. При получении электрических информационных сигналов, поступающих от датчиков (температуры охлаждающей жидкости, частоты вращения коленчатого вала дизеля, положения рейки ТНВД и температуры RM) в микроконтроллере произво-
дится сравнение величины полученных сигналов с базой данных. Определенной величине сигналов, в различных диапазонах соответствует заранее заданная величина открытия клапанов электродозаторов. При получении сигналов с датчиков определенной величины микроконтроллер сравнивает их с имеющейся базой данных этих величин и производит выбор (из имеющейся базы) требуемой величины командного сигнала для перемещения клапанов электродозаторов по заданному алгоритму
Функциональная схема ЭБУ электродозаторами смесителя представлена на рис. 3.
Формирование микроконтроллером командных сигналов шаговым электродвигателям электродозаторов ДТ и ИМ осуществляется на основании значений информационных сигналов датчиков: температуры ИМ (Д1); положения рейки ТНВД (Д2); частоты вращения коленчатого вала дизеля (ДЗ); температуры охлаждающей жидкости (Д4) (рис. 5) в соответствии с разработанной базой данных значений.
Информационные сигналы, поступающие от датчиков, проходят через модули согласования, представляющие собой печатную плату для конкретного датчика.
Рис. 3. Функциональная схема ЭБУ электродозаторами смесителя
Модули согласования датчиков предназначены для: защиты микропроцессора от статического электричества и сигналов превышающих пределы нормальной работы датчиков; удаления шумов; преобразования командных сигналов в электрические и передачи этих сигналов на шаговые электродвигатели электродозаторов ДТ и ИМ, соответствующие интервалу работы микропроцессора (напряжение от 0 до 5 В, период следования больше 1 мкс). Модули согласования электродозаторов предназначены для преобразования командных сигналов в электрические сигналы и передачи их на шаговые электродвигатели электродозаторов ДТ и ИМ.
Схема формирования командных сигналов ЭБУ электродозаторам ДТ и НМ представлена на рис. 4.
Рис.. 4 Функциональная схема формирования командных сигналов ЭБУ электродозаторам ДТи RM
Микроконтроллер считывает информацию, поступающую от модулей согласования датчиков. Проводит расчет требуемого положения клапанов шаговых электродвигателей электродозаторов ДТ и RM в соответствии с разработанной базой данных значений электрических величин информационных (входных) сигналов в микроконтроллер от датчиков: хода рейки ТНВД (U, В), частоты вращения коленчатого вала (Тп, мс) и температуры рыжикового масла, ((/, В). Определяет необходимое количество шагов клапанов электродвигателей ДТ и RM. Определяет разность положений между текущим (записанным в памяти при последней работе основного цикла программы) и требуемым положением клапанов электродозаторов ДТ и RM. Формирует командные сигналы (импульсы напряжения), которые через модули согласова-
ДТ и RM (рис. 3) изменяют положения клапанов электродозаторов ДТ и RM, что приводит к изменению пропускной способности входных каналов смесителя и процентного содержания компонентов в БНТ,
Генерирование командных сигналов (импульсов) для включения шаговых электродвигателей электродозаторов ДТ и RM в пределах установленной программы регулирования состава БНТ («О», «1», «2», «3» или «4») осуществляется по заданным в программе микроконтроллера составленной базой данных значений (импульсы напряжения Пцдт, пиям, ед.) и текущих (записанных в памяти микроконтроллера) положениях клапанов электродозаторов ДТ и RM. Величина информационных сигна-
лов принята по стандартным паспортным данным градуировочных характеристик датчиков, а выходных (командных) сигналов - для управления ходом штоков клапанов электродозаторов ДТ и КМ по количеству импульсов напряжения (числу шагов).
Перемещение штока клапана электродозатора осуществляется с помощью шагового электродвигателя. Вращение ротора электродвигателя происходит на величину 15 град, при подаче одного импульса напряжения величиной 5 В. Это перемещение называется шагом. Таким образом, один поворот ротора электродвигателя соответствует 24 шагам (360/15 = 24 шага), а величина хода штока клапана будет составлять 0,0416 мм за один шаг (т.е. перемещение штока клапана на один шаг обеспечит изменение процентного содержания в БНТ ДТ на 1,9 %, а ИМ на 1,1 %). Тогда величина хода штока клапана за один оборот ротора составит 0,998 мм.
Для автоматического управления электродозаторами смесителя обеспечивающего получение БНТ заданного процентного содержания от количества импульсов напряжения (шагов) командных сигналов, подаваемых на шаговые двигатели электродозаторов смесителя представлена номограмма определения хода штоков клапанов (рис. 5).
ч
\\ \
ч \\
10
20
30
40
50
60
70
30
90
100
Процентное содержание КМ в бионефтяномтопливе, %
---ход штока клапана шагового электродвигателя электродозатора подачи ДТ;
----ход штока клапана шагового эяектродвш ателя алекхро дозатора подачи ИМ:
- количество импульсов напряжения, подаваемое на шаговый
электродвигатель электродозатора подачи ДТ:
- количество импульсов напряжения. подаваемое на шаговый
электродвигатель электродозатора подачи ИМ
Рис. 5. Номограмма определения хода штоков клапанов электродозаторов для получения БНТ заданного процентного содержания от количества импульсов напряжения (шагов) командного сигнала, подаваемого на шаговые двигатели электродозаторов смесителя
Как видно из номограммы при установке переключателя программы «0» регулирования состава БНТ (рис. 1) для подачи 100 % ДТ в обмотки ротора шагового электродвигателя электродозатора ДТ с ЭБУ должен быть подан электрический (командный) сигнал в виде 48 импульсов (24 на обмотку А и 24 на обмотку В, в следующем порядке: А(АЦ-В(СП)-А(ВА)-В(ПС) и т.д.), при этом ротор шагового электродвигателя повернется на 2 оборота, а шток клапана шагового электродвигателя переместится в сторону открытия на 1,997 мм. При работе, например, в программе «4» регулирования состава БНТ для обеспечения процентного содержания в смесе-вом топливе от 40 до 50 %КМ с ЭБУ на обмотки электродозатора ДТ необходимо подать командный сигнал в виде 22-27 импульсов, в то же время на обмотки электродозатора КМ подается сигнал в виде 37...47 импульсов. При этом оба входные каналы смесителя будут открыты: для ДТ шток клапана шагового электродвигателя электродозатора на величину 0,915-1,123 мм, а для КМ на 1,539-1,955 мм (рис. 5).
Предлагаемый электронный блок управления электродозаторами смесителя обеспечит автоматическое изменение процентного содержания ДТ и КМ в смесевом бионефтяном топливе в зависимости от температурного, нагрузочного и скоростного режима работы дизеля и температуры КМ.
ЛИТЕРАТУРА
1. Уханов, А.П. Биотопливо из рыжика: монография / А.П. Уханов, A.A. Хохлов. - Пенза: РИО ПГАУ, 2020. - 192 с.
2. Design adaptation of the automobile and tractor diesel engine for work on mixed vegetable-mineral fuel/ A.Khokhlov, A.Khokhlov, D.Marin, D.Molochnikov, I.Gayaziev // BIO Web of Conferences. International Scientific-Practical Conference "Agriculture and Food Security: Technology, Innovation, Markets, Human Resources", 2020. Volume 17. 00077. Doi: 10.105l/bioconf/20201700077.
3. Термоокислительная стабильность дизельного смесевого топлива / Д. А. Уханов, А. Д. Черепанова, А. П. Уханов, А. А. Хохлов // Нива Поволжья. - 2022. - На 1 (61).-С. 3003.
4. Хохлов, А. А. Смеситель-дозатор рыжикового масла и товарного минерального дизельного топлива / А. А. Хохлов, С. Н. Петряков, А. Л. Хохлов // Инновационное развитие АПК Байкальского региона : Материалы всероссийской (национальной) научно-практической конференции, посвященной 90-летию Бурятской государственной сельскохозяйственной академии имени В.Р. Филиппова, Улан-Удэ, 01-03 декабря 2021 года. - Улан- Удэ: Бурятская государственная сельскохозяйственная академия имени В.Р. Филиппова, 2021. - С. 128-131.
5. Смеситель - дозатор топлива / А. А. Хохлов, А. Л. Хохлов, К. А. Балашов, Н. С. Осипов / / Аграрная наука и образование на современном этапе развития: опыт, проблемы и пути их решения : Материалы XI Международной научно- практической конференции, Ульяновск, 23-24 июня 2021 года. Том 2021-3. - Ульяновск: Ульяновский государственный аграрный университет им. П.А. Столыпина, 2021. - С. 226233.
6. Смеситель минерального топлива и растительного масла с активным приводом / А. П. Уханов, Д. А. Уханов, А. Л. Хохлов, А. А. Хохлов / / Аграрная наука и образование на современном этапе развития: опыт, проблемы и пути их решения : Материалы X Международной научно-практической конференции. В 2-х томах, Ульяновск, 23 июня 2020 года. Том 2020-2. - Ульяновск: Ульяновский государственный аграрный университет им. П.А. Столыпина, 2020. - С. 311-315.
7. Патент № 2688859 Cl Российская Федерация, МПК B01F 7/02. Смеситель минерального топлива и растительного масла с активным приводом : № 2018127262 : заявл. 24.07.2018 : опубл. 22.05.2019 / Д. А. Уханов, А. П. Уханов, А. А. Хохлов, С. В. Горбачева ; заявитель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Пензенский государственный аграрный университет".
8. Патент № 2702067 Cl Российская Федерация, МПК F02M 43/00, F02D 19/06, F02D 19/08. Двухтопливная система питания дизеля автотракторного средства : № 2018142935 : заявл. 04.12.2018 : опубл. 03.10.2019 / А. П. Уханов, Д. А. Уханов, А. А. Хохлов ; заявитель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Пензенский государственный аграрный университет".
9. Хохлов, А. А. Двухтопливная система питания автотранспортного дизеля / А. А. Хохлов / / Эксплуатация автотракторной и сельскохозяйственной техники: опыт, проблемы, инновации, перспективы : Сборник статей V Международной научно-практической конференции, посвященной 70-летию Пензенского государственного аграрного университета, Пенза, 28-29 октября 2021 года. - Пенза: Пензенский государственный аграрный университет, 2021. - С. 102-106.
10. Система питания дизеля для работы трактора на двух видах моторного топлива / А. П. Уханов, А. А. Хохлов, С. В. Горбачева [и др.] / / Инновационные идеи молодых исследователей для агропромышленного комплекса России : Сборник статей Международной научно-практической конференции молодых ученых, Пенза, 19 -25 марта 2020 года. Том II. - Пенза: Пензенский государственный аграрный университет, 2020. - С. 30-33.
REFERENCES
1. Ukhanov, А.Р. Biofuels from ginger: a monograph / A.P. Ukhanov, A.A. Khokhlov. - Penza: RIO PGAU, 2020. - 192 p.
2. Design adaptation of the automobile and tractor diesel engine for work on mixed vegetable-mineral fuel/ A.Khokhlov, A.Khokhlov, D.Marin, D.Molochnikov, I.Gayaziev // BIO Web of Conferences. International Scientific-Practical Conference "Agriculture and Food Security: Technology, Innovation, Markets, Human Resources", 2020. Volume 17. 00077. Doi: 10.1051 /bioconf/20201700077.
3. Thermo-oxidative stability of diesel mixed fuel / D. A. Ukhanov, A.D. Cherepano-va, A. P. Ukhanov, A. A. Khokhlov // Niva of the Volga region. - 2022. - № 1(61). - P. 3003.
4. Khokhlov, A. A. Mixer-dispenser of ginger oil and commercial mineral diesel fuel / A. A. Khokhlov, S. N. Petryakov, A. L. Khokhlov / / Innovative development of the agro-industrial complex of the Baikal region : Materials of the All-Russian (national) scientific and practical conference dedicated to the 90th anniversary of the Buryat State Agricultural Academy named after V.R. Filippov, Ulan-Ude, December 01-03, 2021. -Ulan-Ude: Buryat State Agricultural Academy named after V.R. Filippov, 2021.- pp. 128 -131.
5. Mixer - dispenser of fuel / A. A. Khokhlov, A. L. Khokhlov, K. A. Balashov, N. S. Osipov / / Agrarian science and education at the present stage of development: experience, problems and ways to solve them : Materials of the XI International Scientific and Practical Conference, Ulyanovsk, June 23-24, 2021. Volume 2021-3. - Ulyanovsk: Ulyanovsk State Agrarian University named after P.A. Stolypin, 2021. - pp. 226-233.
6. Mixer of mineral fuel and vegetable oil with an active drive / A. P. Ukhanov, D. A. Ukhanov, A. L. Khokhlov, A. A. Khokhlov / / Agrarian science and education at the present stage of development: experience, problems and solutions : Materials of the X International scientific and practical Conference. In 2 volumes, Ulyanovsk, June 23, 2020. Volume 2020-2. - Ulyanovsk: Ulyanovsk State Agrarian University named after P.A. Stolypin, 2020. - pp. 311-315.
7. Patent No. 2688859 CI Russian Federation, IPC B0IF 7/02. Mixer of mineral fuel and vegetable oil with an active drive : No. 2018127262 : application. 07/24/2018 : publ. 05/22/2019 / D. A. Ukhanov, A. P. Ukhanov, A. A. Khokhlov, S. V. Gorbacheva ; applicant Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education "Penza State Agrarian University".
8. Patent No. 2702067 CI Russian Federation, IPC F02M 43/00, F02D 19/06, F02D 19/08. Dual-fuel diesel power supply system of an automotive vehicle : No. 2018142935 : application 04.12.2018 : publ. 03.10.2019 / A. P. Ukhanov, D. A. Ukhanov, A. A. Khokhlov ; applicant Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education "Penza State Agrarian University".
9. Khokhlov, A. A. Dual-fuel power supply system for motor vehicle diesel / A. A. Khokhlov / / Operation of tractor and agricultural machinery: experience, problems, innovations, prospects : Collection of articles of the V International Scientific and practical Conference dedicated to the 70th anniversary of the Penza State Agrarian University, Penza, October 28-29, 2021. - Penza: Penza State Agrarian University, 2021. - pp. 102106.
10. Diesel power supply system for tr actor operation on two types of motor fuel / A. P. Ukhanov, A. A. Khokhlov, S. V. Gorbacheva [et al.] / / Innovative ideas of young researchers for the agro-industrial complex of Russia : Collection of articles of the International scientific and practical Conference of Young scientists, Penza, March 19-25, 2020. Volume II. - Penza: Penza State Agrarian University, 2020. - pp. 30-33.
