Способ определения параметра топлива, характеризующего детонационную стойкость

Изобретение относится к определению параметра топлива, характеризующего детонационную стойкость, с помощью содержащего по меньшей мере один цилиндр испытательного двигателя. В ходе осуществления способа обеспечивают сгорание топлива внутри цилиндра и определяют возникающее при сгорании давление в цилиндре с помощью датчика давления с линейной характеристикой давление-выходной сигнал. Параметр топлива рассчитывают на основании выходного сигнала датчика давления при использовании математической модели, которая учитывает отклонение характеристики давление-выходной сигнал используемого датчика давления от характеристики давление-выходной сигнал предписанного в нормах ASTM D2699 датчика степени интенсивности детонации. При этом с помощью математической модели производят моделирование предписанного в нормах ASTM D2699 датчика степени интенсивности детонации, а выходной сигнал датчика давления корректируют таким образом, что откорректированный сигнал соответствует выходному сигналу предписанного в нормах ASTM D2699 датчика степени интенсивности детонации при одинаковом давлении в цилиндре. Достигается повышение точности и надежности определения. 8 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Настоящее изобретение относится к способу определения параметра топлива, характеризующего детонационную стойкость, с помощью содержащего по меньшей мере один цилиндр испытательного двигателя, при этом топливо в ходе осуществления способа сгорает в цилиндре, и возникающее в процессе сгорания давление в цилиндре определяют с помощью датчика давления, при этом применяется датчик давления с линейной характеристикой давление-выходной сигнал.

Кроме того, предлагается испытательная установка для определения параметра топлива, характеризующего детонационную стойкость, с испытательным двигателем, который содержит по меньшей мере один цилиндр и датчик давления с линейной характеристикой давление-выходной сигнал, при этом с помощью датчика давления определяют установившееся в цилиндре при сгорании топлива давление в цилиндре.

Детонационная стойкость представляет собой один из важнейших показателей качества карбюраторного топлива, для определения которых используют стандартизованные моторные способы испытания. Эти способы были разработаны вот уже более чем 80 лет и до сих пор используются почти без изменений в лабораториях по испытанию топлива во всем мире.

Ограниченность ископаемых топлив привела в области транспортных средств к все возрастающей диверсификации видов приводов и энергоносителей. В частности, в отношении жидких углеводородов исходят из того, что во всем мире предложение различных видов топлива с биогенными добавками возрастает все в большей мере. В такой же мере возрастает значение испытания топлива, так как качество топлива следует рассматривать в виде предпосылки эффективного сгорания с ограниченным выбросом.

В карбюраторных двигателях детонационная стойкость топлива представляет собой важнейший показатель качества, так как она в результате возможного сжатия уже при конструктивном исполнении, а также в результате воздействия угла опережения зажигания на детонационное регулирование во время эксплуатации двигателя оказывает непосредственное влияние на достижимый коэффициент полезного действия. Необходимость проверки карбюраторного топлива на детонационную стойкость в связи с повреждениями двигателей была признана в 30-х годах прошлого века, и способ испытания для определения детонационной стойкости начали продвигать на рынке.

Характеризирующие детонационную стойкость параметры (октановые числа) определяют согласно нормам ASTM D2699 (октановое число по исследовательскому методу, ROZ) и D2700 (октановое число по моторному методу, MOZ), а также согласно их европейским аналогам EN-ISO 5163 и EN-ISO 5164 определяют на стандартизированном испытательном двигателе с помощью так называемого захвата в вилку со смесями из изооктана и н-гептана.

В связи с этим, как правило, используют разработанный стандартный двигатель для оценки детонационной стойкости топлива (CFR-Motor), разработанный Waukesha. При этом речь идет об одноцилиндровом испытательном двигателе с двумя клапанами на цилиндр и боковой установкой свечей зажигания. Он отличается прежде всего изменяющимися во время эксплуатации степенями сжатия. Двигатель снабжен внешней системой смесеобразования с помощью карбюратора, а также подогревом воздуха, и, кроме того, при использовании способа MOZ подогревом смеси. Октановое число топлива определяют в соответствии с нормами с помощью процесса захвата в вилку c рекомендуемыми топливами. Для этого надлежащее функционирование испытательного двигателя необходимо проверить с помощью содержащих толуол эталонных топлив (TSF), при этом среди прочего необходимо отрегулировать температуру всасывания.

Для определения октанового числа неизвестного топлива оператор должен отрегулировать коэффициент избытка воздуха таким образом, чтобы возникающее при сгорании детонирование было максимальным. Для захвата в вилку необходимы две топливные смеси с известным октановым числом. Для этой цели для октановых чисел ниже 100 используют двухкомпонентные смеси из более стойкого в отношении детонации и одноименного изооктана (2,2,4-триметилпентан) и более склонного к детонации н-гептана. Из этих двух смесей с одной достигают большее, а с другой меньшее отклонение на индикаторе детонации (измерительный прибор постоянного тока с подвижной катушкой, см. по данному случаю также фиг. 2, а также последующее описание), чтобы линейно интерполировать октановое число расположенной в промежутке пробы топлива.

Однако при этом проблематичным является, в частности, определение величин ROZ свыше 100, так как для этого предусмотрены этилированные контрольные виды топлива (изооктан с добавлением тетраэтилсвинца). Они представляют собой значительную опасность для здоровья обслуживающего персонала и поэтому в Европе доступны только в ограниченном количестве. По этой причине захват в вилку производится во многих лабораториях вопреки нормам с топливами TSF, которые необходимо привлекать, собственно говоря, только для определения точки отсчета.

Так как показание индикатора детонации представляет собой самую важную величину при определении ROZ и MOZ, то в связи с этим далее будет более подробно рассмотрен вопрос регистрации сигнала с помощью так называемого датчика степени интенсивности детонации, анализ сигнала в так называемом датчике детонации, а также показание интенсивности детонации на индикаторе детонации, как они предусмотрены в указанных выше нормах.

Связанный с объемом цилиндра используемого испытательного двигателя датчик степени интенсивности детонации состоит по существу из обмотанного катушкой магнитострикционного стержня. В результате деформации стержня вследствие давления в цилиндре в катушке индуцируется напряжение. Оно представляет собой единственный показатель, который входит в логику оценки датчика детонации (датчик детонации представляет собой аналоговую схему, задача которой заключается в обработке сигнала степени интенсивности детонации и формировании из него напряжения, величина которого представляет собой меру для интенсивности детонации и используется для показаний индикатора детонации).

Исследования показали, что исходящий их датчика степени интенсивности детонации выходной сигнал не остается по всему релевантному диапазону измерения пропорциональным фактическому давлению цилиндра, так что выведенные на индикатор детонации показатели не всегда представляют правильную величину детонационной стойкости анализируемого топлива.

Альтернативный способ определения параметра, характеризующего детонационную стойкость, описан при этом в WO 2009/130254 A1, где давление в цилиндре измеряют с помощью датчика давления, выходной сигнал которого остается пропорциональным давлению в цилиндре (следовательно, датчик давления имеет линейную характеристику давление-выходной сигнал). В заключение зарегистрированные сигналы давления обрабатывают статистически, чтобы в конечном итоге произвести параметр, который позволяет обеспечить надежную оценку фактической детонационной стойкости соответствующего топлива.

Однако недостатком является то, что определенные на основании WO 2009/130254 A1 параметры уже больше соответствуют параметрам, определенным согласно указанным нормам.

Задача настоящего изобретения заключается в устранении этого недостатка.

Эта задача решается с помощью способа, а также испытательной установки, признаки которых изложены в независимых пунктах формулы изобретения.

Согласно изобретению способ отличается тем, что, основываясь на выходном сигнале дачника давления, производят расчет параметра, который характеризует детонационную стойкость топлива, анализируемого с помощью испытательного двигателя. При этом расчет производится на основании математической модели, которая учитывает отклонение характеристики давление-выходной сигнал используемого датчика давления от характеристики давление-выходной сигнал датчика степени интенсивности детонации, предписанного в нормах ASTM D2699 и D2700 (при этом под указанной нормой в рамках настоящего изобретения подразумевается версия, которая действует на дату приоритета этой патентной заявки; ASTM = «Американское общество испытаний и материалов»).

Следовательно, другими словами, выходной сигнал датчика давления (который по сравнению со сформированным сигналом от указанного датчика степени интенсивности детонации остается по-другому пропорциональным фактически установившемуся в цилиндре давлению) используется в качестве входной величины математической модели, с помощью которой в конечном итоге рассчитывают параметр, характеризирующий детонационную стойкость топлива.

Параметр имеет в конечном итоге такую же величину, которую он имел бы в том случае, если испытательный двигатель был бы оснащен указанным датчиком степени интенсивности детонации, и подаваемый датчиком степени интенсивности детонации сигнал подвергался дальнейшей обработке в соответствии с одной из названных выше норм. Следовательно, в результате с помощью способа согласно настоящему изобретению получают параметр, в частности в виде октанового числа, который отражает детонационную стойкость анализируемого топлива, при этом в противоположность указанным выше нормам используют датчик давления, выходной сигнал которого остается пропорциональным установившемуся давлению в цилиндре.

Таким образом, в конечном итоге стало возможно с помощью описанной в WO 2009/130254 A1 испытательной установки определять детонационную стойкость топлива, при этом определенная детонационная стойкость соответствует детонационной стойкости, которая была получена при соблюдении одной из указанных выше норм (понимается ли под детонационной стойкостью ROZ или MOZ зависит по существу от выдерживания различных параметров испытательного двигателя, например от его частоты вращения, и поэтому не оказывает никакого влияния на применимость настоящего изобретения).

Следовательно, с помощью способа согласно настоящему изобретению или испытательной установки согласно настоящему изобретению определяют предпочтительно ROZ или MOZ, при этом математическая модель выбирается таким образом, что величина соответствующего параметра соответствует величине, которую получили бы в том случае, если бы соблюдали одну из указанных выше норм.

В частности, предпочтительным является, если математическая модель содержит передаточную функцию, с помощью которой из выходного сигнала датчика давления рассчитывают параметр, характеризирующий детонационную стойкость. Следовательно, передаточная функция служит для пересчета выходного сигнала датчика давления в соответствующий параметр (ROZ или MOZ), при этом математическая модель выполнена таким образом, что полученный параметр в отношении величины соответствует параметру, который был получен при соблюдении указанных норм (то есть при использовании датчика степени интенсивности детонации).

Предпочтительным является, если передаточная функция будет представлена в виде дифференциального уравнения или же будет содержать его. При этом, в частности, будет целесообразно, если определенные части сигнала выходного сигнала датчика давления будут представлены в дифференциальном уравнении в виде входной величины. Так, например, допустимо, если будет использоваться только сигнал или только части сигнала, которые во время максимального давления в цилиндре будут подаваться датчиком давления.

Наряду с этим будет целесообразно, если дифференциальное уравнение будет содержать производные по времени различного порядка выходного сигнала датчика давления или определенного из этого давления в цилиндре. В частности, первая производная, то есть изменение давления во времени, обеспечивает информацию, которая позволяют сделать выводы о детонационной стойкости анализируемого топлива.

Целесообразным также является, если производные по времени в пределах дифференциального уравнения будут по-разному оценены. Так, например, можно будет допустить, чтобы все или отдельные производные были умножены на один множитель, при этом соответствующие множители обладают по меньшей мере частично различными величинами. В зависимости от значения величины определенного давления в цилиндре, то есть в зависимости от значения величины выходного сигнала датчика давления, производится, таким образом, различная по величине корректировка выходного сигнала, так что в конечном итоге определяют параметр, величина которого не отличается от параметра, который был бы получен в том случае, если бы одну и ту же пробу топлива анализировали по одной из указанных выше норм.

Также будет особенно предпочтительным, если с помощью математической модели смоделировать предписанный в нормах ASTM D2699 или D2700 датчик степени интенсивности детонации, при этом выходной сигнал датчика давления был откорректирован таким образом, что откорректированный сигнал будет соответствовать по существу выходному сигналу предписанному в нормах ASTM D2699 или D2700 датчика степени интенсивности детонации при одинаковом давлении в цилиндре. Откорректированный выходной сигнал можно в конечном итоге подать в описанный в указанных нормах датчик детонации, который, наконец, переправит зависимый от выходного сигнала сигнал в также описанный в указанных нормах индикатор детонации. Индикатор детонации покажет в конечном итоге необходимую интенсивность детонации, которая для захвата в вилку с помощью линейной интерполяции выдает октановое число, которое было бы получено при полном соблюдении одной из указанных выше норм (т.е. при использовании датчика степени интенсивности детонации вместо датчика давления в соответствии с настоящим изобретением с линейной характеристикой давление-выходной сигнал).

Таким же образом достигаются преимущества в том случае, если с помощью математической модели будет смоделирована описанная в нормах ASTM D2699 и D2700 измерительная цепь из датчика степени интенсивности детонации, датчика детонации и индикатора детонации. Следовательно, математическая модель снова образует указанную измерительную цепь, при этом определенное с помощью датчика давления давление в цилиндре служит в качестве входной величины для моделированной измерительной цепи, чтобы в конечном итоге рассчитать соответствующее октановое число (ROZ или MOZ).

Особые преимущества достигаются в том случае, если выходной сигнал датчика давления будет отфильтрован с помощью фильтра нижних частот, так что удаляются частоты выходного сигнала, величина которых находиться выше определенного предельного значения, при этом параметр, характеризирующий детонационную стойкость топлива, рассчитывают на основании отфильтрованного выходного сигнала.

Особенно предпочтительным является, если в качестве датчика давления используют пьезоэлектрический датчик давления, так как такие датчики отличаются очень высокой собственной частотой и великолепной линейностью.

Предпочтительным является, если оценка выходного сигнала датчика давления производится с применением искусственной нейронной сети. С помощью нейронной сети на основании соответствующего базового набора данных (взаимосвязь между выходным сигналом датчика давления и соответствующим, определенным с учетом одной из указанных выше норм, октановым числом анализируемой пробы топлива, при этом анализу подвергают множество различных видов топлива) можно получить модель, на основании которой в конечном итоге может происходить пересчет выходного сигнала датчика давления (который был определен при сгорании анализируемой пробы топлива) в соответствующее октановое число (ROZ или MOZ).

В заключение предлагается испытательная установка, с помощью которой можно осуществлять описанный способ.

Испытательная установка служит для определения параметра топлива, характеризующего детонационную стойкость, с помощью испытательного двигателя, при этом испытательный двигатель содержит по меньшей мере один цилиндр и один датчик давления с линейной характеристикой давление-выходной сигнал и при этом с помощью датчика давления определяют установившееся во время сгорания топлива в цилиндре давление в цилиндре.

Согласно настоящему изобретению предлагается, чтобы испытательная установка содержала блок обработки результатов, с помощью которого (или с помощью предусмотренного в блоке обработки результатов программного обеспечения), основываясь на выходном сигнале датчика давления, рассчитывали параметр, характеризующий детонационную стойкость топлива, при этом расчет производится на основании математической модели, которая учитывает отклонение характеристики давление-выходной сигнал используемого датчика давления от характеристики давление-выходной сигнал датчика степени интенсивности детонации, предписанного в нормах ASTM D2699 или D2700.

В общем, блок обработки результатов может при этом быть выполнен таким образом, чтобы осуществлять способ согласно предыдущему описанию, при этом отдельные признаки могут осуществляться в любой комбинации (если это не приводит к противоречиям).

В частности, испытательная установка может при этом снабжаться также и фильтром нижних частот или датчиком давления, выполненным в виде пьезоэлектрического датчика давления. Таким образом, можно отказаться от использования датчика степени интенсивности детонации, указанного в нормах ASTM D2699 или D2700.

Другие аспекты настоящего изобретения описаны далее. В прилагаемых графических материалах схематически показано следующее:

Фиг. 1 - испытательный двигатель для определения детонационной стойкости топлива, как тот, что используется, например, согласно нормам ASTM D2699 (EN ISO 5163) или D2700 (EN ISO 5164).

Фиг. 2 - схематическое изображение описанной в норме ASTM D2699 (EN ISO 5163) или D2700 (EN ISO 5164) измерительной цепи; и

Фиг. 3 - испытательная установка согласно настоящему изобретению для осуществления способа согласно настоящему изобретению.

Определение октановых чисел в настоящее время производят во всем мире эмпирическим путем в соответствии стандартизированными способами в лабораториях производителей топлива. Для этого используют специальные одноцилиндровые испытательные двигатели, степень сжатия которых изменяется и может настраиваться на соответствующее качество топлива.

Цель заключается в том, чтобы испытываемое топливо относительно его интенсивности детонации можно было сравнивать с топливами с известными октановыми числами и при известных условиях определять октановые числа с помощью интерполяции. Произвольно в норме изооктану приписывают октановое число 100, а н-гептану - октановое число 0. С помощью перемешивания этих компонентов можно соответственно приготовить топливо, которое будет иметь такую же интенсивность детонации, что и испытываемое топливо. В таком случае искомое октановое число соответствует объемной доле изооктана топливной смеси. В отношении условий испытания делают различия между MOZ и ROZ, при этом все другие этапы способа совпадают и при этом используют одну и ту же технику измерения и один и тот же испытательный двигатель 2.

На фиг. 1 показан испытательный двигатель 2 для определения детонационной стойкости топлива, как, например, то, что применяется согласно нормам ASTM D2699 или D2700 (определение ROZ или MOZ).

Степень интенсивности детонации определяют при этом посредством электрического датчика (датчик 5 степени интенсивности детонации), который завинчен в камеру сгорания двигателя (фиг. 1), и посредством аналоговой схемы, так называемого датчика 7 детонации, выводится на стрелочный прибор (индикатор детонации 8) (фиг. 2).

Из собственных исследований стало известно, что передаваемый датчиком 5 степени интенсивности детонации сигнал проходит непропорционально давлению в цилиндре, так что с помощью указанного способа можно достигнуть точности максимум +/- 0,2 октанового числа.

Кроме того, в WO 2009/130254 A1 описан способ, согласно которому давление в цилиндре измеряют с помощью датчика 4 давления, выходной сигнал которого остается пропорциональным давлению в цилиндре (следовательно, датчик 4 давления имеет линейную характеристику давление-выходной сигнал). Зарегистрированные сигналы давления обрабатывают статистическим методом, чтобы в конечном итоге генерировать параметр, который позволяет произвести надежную оценку фактической детонационной стойкости соответствующего топлива.

Однако недостаток описанного там способа заключается в том, что определенные показатели не соответствуют октановым числам, которые получают при соблюдении указанных выше норм.

Для того чтобы можно было определить октановое число с помощью описанной в WO 2009/130254 A1 испытательной установки, которое совпадало бы с октановым числом, полученным при соблюдении одной из указанных норм, предлагается на основании выходного сигнала используемого датчика 4 давления (который обладает линейной характеристикой давление-выходной сигнал) рассчитывать параметр, характеризирующий детонационную стойкость топлива, при этом расчет производится на основании математической модели, которая учитывает отклонение характеристики давление-выходной сигнал используемого датчика 4 давления от характеристики давление-выходной сигнал предписанного в нормах ASTM D2699 или D2700 датчика 5 степени интенсивности детонации.

Следовательно, согласно настоящему изобретению используют испытательный двигатель 2, который схематически показан на фиг. 3, при этом испытательный двигатель 2 содержит цилиндр 1, перемещаемый в цилиндре 1 поршень 3 и датчик 4 давления для определения возникающего при сгорании топлива давления в цилиндре (при этом датчик 4 давления выполнен таким образом, что его выходной сигнал остается пропорциональным давлению в цилиндре).

Кроме того, датчик 4 давления соединен с блоком 6 обработки результатов (например, с персональным компьютером), в котором установлено анализирующее программное обеспечение, с помощью которого выходной сигнал обрабатывается в соответствии с описанным выше способом согласно настоящему изобретению и переводится в октановое число.

Таким образом, сущность изобретения заключается в основном в том, что с помощью испытательной установки, в которой не применяется никакого датчика 5 степени интенсивности детонации, соответствующего нормам ASTM D2699 (EN ISO 5163) или D2700 (EN ISO 5164), определяется октановое число, которое соответствует октановому числу, которое получают, если соответствующую пробу топлива анализируют в соответствии с одной из указанных выше норм и тем самым с применением датчика 5 степени интенсивности детонации.

Перечень ссылочных позиций

1 - цилиндр

2 - испытательный двигатель

3 - поршень

4 - датчик давления

5 - датчик степени интенсивности детонации;

6 - блок обработки результатов

7 - датчик детонации

8 - индикатор детонации

1. Способ определения параметра топлива, характеризующего детонационную стойкость, с помощью одного содержащего по меньшей мере один цилиндр (1) испытательного двигателя (2), при этом в ходе осуществления способа обеспечивают сгорание топлива внутри цилиндра (1) и определяют возникающее при сгорании давление в цилиндре с помощью датчика (4) давления, при этом используют датчик (4) давления с линейной характеристикой давление-выходной сигнал,

отличающийся тем, что

параметр рассчитывают на основании выходного сигнала датчика (4) давления, при этом расчет производят на основании математической модели, которая учитывает отклонение характеристики давление-выходной сигнал используемого датчика (4) давления от характеристики давление-выходной сигнал предписанного в нормах ASTM D2699 датчика (5) степени интенсивности детонации,

при этом с помощью математической модели производят моделирование предписанного в нормах ASTM D2699 датчика (5) степени интенсивности детонации, при этом выходной сигнал датчика (4) давления корректируют таким образом, что откорректированный сигнал соответствует выходному сигналу предписанного в нормах ASTM D2699 датчика (5) степени интенсивности детонации при одинаковом давлении в цилиндре.

2. Способ по предыдущему пункту, отличающийся тем, что математическая модель содержит передаточную функцию, с помощью которой из выходного сигнала датчика (4) давления рассчитывают параметр, характеризующий детонационную стойкость.

3. Способ по предыдущему пункту, отличающийся тем, что передаточную функцию представляют в виде дифференциального уравнения или она содержит такое.

4. Способ по предыдущему пункту, отличающийся тем, что дифференциальное уравнение содержит производные по времени различного порядка выходного сигнала датчика (4) давления или определенного из этого давления в цилиндре.

5. Способ по предыдущему пункту, отличающийся тем, что производные по времени в пределах дифференциального уравнения оценивают в зависимости от значения величины выходного сигнала датчика (4) давления.

6. Способ по одному из пп. 1-5, отличающийся тем, что с помощью математической модели моделируют описанную в нормах ASTM D2699 измерительную цепь из датчика (5) степени интенсивности детонации, датчика (7) детонации и индикатора (8) детонации.

7. Способ по одному из пп. 1-5, отличающийся тем, что выходной сигнал датчика (4) давления фильтруют с помощью фильтра нижних частот и параметр, характеризирующий детонационную стойкость топлива, рассчитывают на основании отфильтрованного выходного сигнала.

8. Способ по одному из пп. 1-5, отличающийся тем, что в качестве датчика (4) давления используют пьезоэлектрический датчик (4) давления.

9. Способ по одному из пп. 1-5, отличающийся тем, что оценку выходного сигнала датчика (4) давления производят с использованием искусственной нейронной сети.