Микропроцессорное управление электродозаторами смесителя компонентов бионефтяного топлива

Полный текст

Одним из видов альтернативного моторного топлива является дизельное бионефтяное топливо (ДБНТ), получаемое смешиванием в определенной пропорции товарного нефтяного дизельного топлива (ТНДТ) и растительного масла (RM), обладающего набором специфичных физико-химических и эксплуатационных свойств [1-9]. Для приготовления ДБНТ непосредственно на «борту» трактора и его работы на таком смесевом топливе в штатную систему питания дизеля дополнительно устанавливают бак растительного масла и смеситель нефтяного и растительного компонентов ДБНТ [10, 11]. Смеситель имеет два входных канала и выходной канал. Один из входных каналов смесителя топливопроводом низкого давления соединяется с основным топливным баком трактора, другой – с баком растительного масла. Выходной канал смесителя топливопроводом соединяется со штатным фильтром грубой очистки топлива.

Для изменения процентного содержания компонентов ДБНТ в зависимости от нагрузочно-скоростного и температурного режима работы дизеля трактора во входных каналах смесителя размещены электродозаторы, автоматически изменяющие пропускную способность входных каналов путем регулирования площади их проходного сечения. Управляет работой электродозаторов микропроцессорный блок по информативным сигналам датчиков нагрузочного, скоростного и температурного режима [12]. Поэтому представляется важным с научной и практической точки зрения не только правильный подбор электродозаторов смесителя компонентов ДБНТ с учетом расхода топлива конкретной моделью трактора, но и автоматическое управление электродозаторами без участия водителя.

Цель исследований – разработать и реализовать на практике функциональную схему микропроцессорного управления электродозаторами смесителя нефтяного и растительного компонентов дизельного бионефтяного топлива, встроенного в штатную систему питания тракторного дизеля.

Задачи исследований – подбор типа электродозаторов для смесителя компонентов дизельного бионефтяного топлива; определение параметров шаговых электродозаторов, обеспечивающих смесителю приготовление бионефтяного топлива с различным соотношением нефтяного топлива и растительного масла в зависимости от нагрузочно-скоростного и температурного режима работы тракторного дизеля.

Материал и методы исследований. Выбор параметров электродозаторов смесителя осуществлялся в соответствии с предварительно выполненными расчетами применительно к дизелю Д-243 трактора МТЗ-80. С учетом геометрических размеров входных каналов смесителя и клапана электродозатора была определена величина хода штока клапана электродозаторов, необходимая для требуемого изменения пропускной способности входных каналов смесителя. Результаты расчетов показывают, что для изменения пропускной способности входных каналов смесителя в пределах от 0 до 4,79 мл/с перемещение штока клапана электродозаторов должно осуществляться на расстояние от 0 до 5,76 мм.

Расчетным параметрам электродозаторов соответствуют фактические параметры регулятора холостого хода РХХ 2112-1148300, серийно выпускаемого отечественной промышленностью. Такой электродозатор-регулятор представляет собой шаговый электродвигатель с ходовым винтом (штоком) 4 (рис. 1), на котором установлен клапан 1. Ротор 8 имеет две обмотки (А и В). Электородозатор-регулятор сохраняет свою работоспособность при температуре окружающей среды от минус 40°С до плюс 130°С при напряжении от 5 до 14,2 В. Максимальный рабочий ход штока клапана при перемещении на 250 шагов составляет 10,4±0,04 мм. При малых габаритных размерах (66x54x32 мм) масса электродозатора не превышает 0,15 кг.

 

Рис. 1. Электродозатор смесителя:

а – разрез; б – общий вид; 1 – клапан; 2 – корпус электродозатора; 3 – обмотка статора; 4 – ходовой винт (шток); 5 – штекерный вывод обмотки статора; 6 – шариковый подшипник; 7 – корпус обмотки статора; 8 – ротор; 9 – резьбовое соединение

 

Результаты исследований. Функциональная схема микропроцессорного блока управления (МБУ) электродозаторами смесителя представлена на рисунке 2.

Формирование микроконтроллером МБУ командных сигналов (импульсов напряжения) шаговым электродвигателям электродозаторов нефтяного топлива ЭД (ДТ) и растительного масла ЭД (RM) осуществляется на основании информативных сигналов от датчиков температуры охлаждающей жидкости в системе охлаждения дизеля (Д1), частоты вращения коленчатого вала (к.в.) дизеля (Д2), положения рейки топливного насоса высокого давления ТНВД (Д3) и температуры растительного масла RМ (Д4).

 

Рис. 2. Функциональная схема микропроцессорного блока управления электродозаторами смесителя:

MPU – микроконтроллер; ОВ – основной выключатель (переключатель вкл./выкл. электропитания МБУ); Д1 – датчик температуры охлаждающей жидкости; МС Д1 – модуль согласования датчика температуры охлаждающей жидкости; Д2 – датчик частоты вращения коленчатого вала дизеля; МС Д2 – модуль согласования датчика частоты вращения коленчатого вала дизеля; Д3 – датчик положения рейки ТНВД; МС Д3 – модуль согласования датчика положения рейки ТНВД; Д4 – датчик температуры RМ; МС Д4 – модуль согласования датчика температуры RМ; ЭД (ДТ) – электродозатор ТНДТ; МС ЭД1 – модуль согласования электродозатора ТНДТ; ЭД (RM) – электродозатор RМ; МС ЭД2 – модуль согласования электродозатора RM; ЭН (ДТ) – электронасос ТНДТ; ЭН (RM) – электронасос RМ; МС ЭН1 и МС ЭН2 – модули согласования электронасосов ТНДТ и RM

 

Информативные сигналы, поступающие от датчиков, проходят через модули согласования, которые предназначены для преобразования и передачи электрических сигналов от датчиков в сигналы, соответствующие диапазону работы микроконтроллера МБУ (напряжение от 0 до 5 В, период следования больше 1 мкс), а также для защиты микроконтроллера от статического электричества, сигналов, выходящих за пределы нормальной работы датчика, и шумоустойчивости.

Блок-схема формирования командных сигналов МБУ электродозаторами ТНДТ и RM представлена на рисунке 3.

Микроконтроллер МБУ считывает информацию, поступающую от модулей согласования датчиков, проводит расчет требуемого положения клапанов электродозаторов ТНДТ и RМ в соответствии с информативными сигналами от соответствующих датчиков, определяет необходимое количество шагов штока клапанов электродозаторов ТНДТ и RМ, а также разность между текущим и требуемым положениями штока клапанов электродозаторов ТНДТ и RМ, формирует командные сигналы (импульсы напряжения), которые через модули согласования МС ЭД1 и МС ЭД2 изменяют положение штока клапанов электродозаторов ТНДТ и RМ, что приводит к регулированию площади проходного сечения входных каналов смесителя и, как следствие, к изменению процентного содержания компонентов в ДБНТ.

Генерирование командных сигналов для включения шаговых электродвигателей электродозаторов ТНДТ и RM в пределах регулирования состава ДБНТ осуществляется на основании заданных в программе микроконтроллера базы исходных информативных сигналов и текущих (записанных в памяти микроконтроллера) положениях штока клапанов электродозаторов ДТНТ и RМ. Величина информативных (входных) сигналов принята по данным паспортных градуировочных характеристик датчиков, а командных (выходных) сигналов для управления ходом штоков клапанов электродозаторов ТНДТ и RM по числу шагов (количеству импульсов напряжения). Микроконтроллер МБУ работает в соответствии с разработанным алгоритмом и программой, составленной на языке программирования «Си». Импульсные сигналы с МБУ поступают в цепь шаговых электродозаторов таким образом, что шток клапана растительного масла перемещается, например, в сторону открытия соответствующего входного канала смесителя, а шток клапана нефтяного топлива – в сторону закрытия.

 

Рис. 3. Блок-схема формирования командных сигналов микропроцессорного блока управления электродозаторами смесителя

 

Подача одного импульса напряжения величиной 5 В в одну из обмоток шагового электродвигателя дозатора вызывает вращение ротора электродвигателя на величину 15 угловых градусов и перемещение штока клапана на один шаг. Один полный поворот ротора соответствует 24 шагам, а перемещение штока клапана за один шаг составляет 0,0416 мм. Перемещение штока клапана на один шаг обеспечивает изменение процентного содержания в ДБНТ нефтяного топлива на 1,9 %, растительного масла – на 1,1 %, а перемещение штока клапана за один полный оборот ротора составит 0,998 мм. Поскольку один шаг осуществляется одним импульсом напряжения, то для осуществления одного полного оборота ротора шагового электродвигателя необходимо подать 24 импульса.

В таблице 1 приведены данные по количеству командных сигналов, подаваемых на шаговые электродвигатели электродозаторов смесителя, в зависимости от процентного содержания компонентов ДБНТ.

Из анализа таблицы 1 следует, что при установке переключателя на корпусе МБУ в положение «0» смеситель обеспечивает подачу в дизель только нефтяного топлива (100% ТНДТ). При этом в обмотки ротора шагового электродвигателя дозатора ТНДТ подается командный сигнал в виде 48 импульсов (24 импульса на обмотку А и 24 импульса на обмотку В) в следующем порядке: А(АВ)-В(СD)-А(ВА)-В(DC) и т.д., что вызовет поворот ротора на 2 оборота, а шток клапана совершит линейное перемещение на 1,997 мм в сторону открытия. При установке переключателя, например, в положение «4» смеситель приготовит смесевое топливо с процентным содержанием в нём от 40% до 50% растительного масла. При этом в обмотки ротора электродозатора ТНДТ подается командный сигнал в количестве от 27 до 22 импульсов, а в обмотки электродозатора RM – в количестве от 37 до 47 импульсов. Клапаны обоих электродозаторов будут открыты: шток клапана электродозатора ТНДТ совершит линейное перемещение на 0,915…1,123 мм, а шток клапана электродозатора RM – на 1,539…1,955 мм.

 

Таблица 1. Количество командных сигналов, подаваемых на шаговые электродвигатели электродозаторов смесителя, в зависимости от процентного содержания компонентов ДБНТ

Номер переклю-чателя МБУ	Процентное содержание ТНДТ и RM в ДБНТ	Электродозатор ТНДТ		Электродозатор RM
		количество импульсов напряжения (число шагов), ед.	ход штока клапана шагового электродвигателя, мм	количество импульсов напряжения (число шагов), ед.	ход штока клапана шагового электродвигателя, мм
0	100% ТНДТ	48	1,997	0	0
1	0-10%RM	48 - 43	1,997-1,789	0 - 8	0-0,333
2	10-25%RM	43 - 35	1,789-1,456	8 - 22	0,333-0,915
3	25-40%RM	35 - 27	1,456-1,123	22 - 37	0,915-1,539
4	40-50%RM	27 - 22	1,123-0,915	37 - 47	1,539-1,955

 

Таким образом, подача чередующихся импульсов напряжения на обмотки А и В вызывает вращательное движение ротора, которое преобразуется в поступательное перемещение штока с клапаном. В процессе возвратно-поступательных движений штока клапан соответствующего электродозатора изменяет площадь проходного сечения (пропускную способность) входных каналов смесителя и, как следствие, процентное содержание нефтяного и растительного компонентов в ДБНТ в зависимости от нагрузочно-скоростного и температурного режима работы тракторного дизеля.

Заключение. Разработанная и реализованная на практике функциональная схема микропроцессорного управления электродозаторами смесителя компонентов дизельного бионефтяного топлива позволяет автоматически изменять процентное содержание нефтяного топлива и растительного масла в ДБНТ в зависимости от нагрузочно-скоростного и температурного режима работы тракторного дизеля.

 

Об авторах

Александр Петрович Уханов

Пензенский государственный аграрный университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: dispgau@mail.ru
ORCID iD: 0009-0006-2210-5294

доктор технических наук, профессор

Россия, Пенза

Денис Александрович Уханов

25-й Государственный научно-исследовательский институт химмотологии Министерства обороны Российской Федерации

Email: uxanov_denis_a@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-9507-893X

доктор технических наук, профессор

Россия, Москва

Список литературы

Дополнительные файлы