СПОСОБ СРАВНЕНИЯ ОКТАНОВОГО ЧИСЛА МОТОРНОГО ТОПЛИВА Российский патент 1998 года по МПК G01N22/00 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может найти применение для анализа качества топлива с помощью сверхвысокочастотного электромагнитного излучения.

Детонация моторного топлива (причем бензин - легкокипящий углеводородный продукт) представляет собой чрезвычайно быстрое разложение (взрыв) углеводородов, которое происходит внезапно при сжатии горючей смеси в цилиндре двигателя. Детонация не дает возможности достигнуть высокой степени сжатия горючей смеси (причем увеличение степени сжатия повышает мощность двигателя), ведет к излишнему расходу топлива и быстрому износу мотора. Детонационные свойства топлива сильно зависят от строения углеводородов, цепей в молекулах углеводородов, входящих в его состав. Изомеры с разветвленной цепью детонируют гораздо труднее, чем изомеры с неразветвленной цепью.

Антидетонационные свойства моторного топлива характеризуются так называемым октановым числом. В качестве стандартного образования для определения октанового числа берут углеводород гептана C₇H₁₆ с неразветвленной цепью атомов, весьма легко детонируемый, и один из изомеров октана с разветвленной цепью атомов, мало склонный в детонации, изооктан C₈H₁₈. Октановое число гептана C₇H₁₆ принимают равным нулю, а октановое число изооктана C₈H₁₈ равно 100. Если октановое число топлива равно 76, то это значит, что данный вид топлива детонирует в смеси с воздухом (при той же степени сжатия) как смесь, состоящая из 76% изооктана и 24% гептана.

Октановое число определяют в стандартных условиях на специальных малоразмерных одноцилиндровых двигателях по одному из трех методов: моторному, исследовательскому или температурному, различающихся по параметрам работы двигателя.

Известен способ измерения октанового числа топлива (АС SU N 1416909, МКИ G 01 N 33/12), заключающийся в сравнении детонационной стойкости испытываемого и эталонного топлив, причем определения октанового числа производят на реальном двигателе, в качестве рабочего топлива используют смесь испытываемого топлива и углеводорода с низкой детонационной стойкостью, а в качестве эталонного топлива используют смесь топлива с известным октановым числом и процентным содержанием углеводорода, кроме того, предварительно на реальном двигателе при его работе на различных эталонных топливах получают детонационную кривую, приготавливают рабочие топлива с различным процентным содержанием в испытываемом топливе углеводорода с низкой детонационной стойкостью, после чего доводят работу двигателя на этих топливах до детонационного режима и по детонационной кривой представляют октановое число в зависимости от процентного содержания углеводорода в эталонном топливе.

Таким образом, октановое число - комплексный показатель, который характеризует качество, зависящее от наличия и соотношения многих компонентов бензина.

Известен способ определения октанового числа, основанный на регистрации изменения условий прохождения электромагнитной энергии через топливо при изменении октанового числа при помощи спектрального анализа, заключающийся в генерации энергии в диапазоне ближнего ИК-излучения, передаче ее в среде топлива и регистрации изменения условий прохождения энергии в линии передачи путем сравнения изменений в составе и уровне спектральных линий, полученных в результате проведения спектрального анализа с эталонным спектром топлива с известным октановым числом. Одна из реализаций описанного способа представляет собой прибор для контроля качества топлива (патент WO N 94/08226, МКИ G 01 N 21/35), содержащий устройство для формирования ближнего ИК-излучения в заданном спектральном диапазоне, устройство для передачи этого излучения в линию транспортировки углеводородного продукта, устройство для создания в этой линии оптической траектории, устройство для обнаружения света, переданного по оптической траектории, а также устройство для подачи на вход устройства обработки данных входных сигналов, используемых для спектрального анализа и корреляции спектральных характеристик с определением характера углеводородного продукта.

Недостатком известного технического решения является необходимость обработки большого количества информации о многочисленных спектральных линиях и принятия решения об изменении октанового числа на основании анализа изменения количественного состава всех составляющих топлива.

Целью изобретения является упрощение сравнения путем контроля одного параметра моторного топлива.

Цель достигается тем, что предлагается способ сравнения октанового числа моторного топлива, заключающийся в регистрации изменения диэлектрической постоянной топлива, помещенного в линию передачи электромагнитной энергии, причем в качестве источника энергии используется СВЧ-генератор, а в качестве параметра, характеризующего изменение условий прохождения СВЧ-энергии через исследуемое топливо, - изменение разности фаз на входе и выходе линии, которое характеризует изменение диэлектрической постоянной моторного топлива.

Предлагаемое техническое решение дает возможность воспроизведения объекта техническими средствами.

При этом подтверждена возможность его реализации и указан конкретный путь решения поставленной задачи.

Новизна предлагаемого технического решения состоит в том, что моторные топлива имеют различные диэлектрические постоянные в зависимости от величины октанового числа, вследствие чего изменяется коэффициент преломления СВЧ-сигнала в линии передачи электромагнитной энергии (волновод или коаксиал, заполненный топливом; симметричная или несимметричная полосковая линия, помещенная в топливо), причем в качестве приемника может использоваться фазометр или фазовый детектор.

Предлагаемое техническое решение промышленно применимо в данной области техники, а его различие с известным техническим решением - прототипом позволяет изменить свойство устройства, результатом чего является его полезность.

Изобретательский уровень предлагаемого технического решения - это использование зависимости величины фазового сдвига СВЧ-сигнала, прошедшего через моторное топливо (относительно опорного сигнала), от величины октанового числа моторного топлива.

Способ наиболее применяем в случаях с линейной зависимостью фазового сдвига от октанового числа, например при измерении октанового числа на проходе бензина-продукта риформинга или определении октанового числа при изготовлении смеси с требуемым октановым числом.

Сравнение предлагаемого технического решения с другими техническими решениями (патент WO N 92/21971, МКИ G 01 N 33/28, Смешивание компонентов бензина в месте его продажи; N 94/08226, МКИ G 01 N 21/35. Прибор контроля за качеством бензина; патенты US N 3296435, 3463613, 3582281, 3738808, 3738810, 3840341,3933165, 4057393, НКИ 23-230, Способ анализирования содержания октана; N 3383904, 3488168, 3596281, 3614888, 3621341, 3661540, 3690851, 3913380, 3949595, НКИ 23-230, Способ измерения октанового числа; N 5225679, НКИ 250-343, Способ и устройство для определения свойств углеводородного топлива; патенты GB N 2056084, 2124771, МКИ G 01 N 33/22, Способ измерения октанового числа; патенты DE N 2524703, МКИ G 01 N 33/22, Способ измерения октанового числа в потоке бензина; N 4210860, МКИ G 01 N 33/22, Система для определения типа бензина; патент YP N 5-4627, МКИ G 01 N 21/35, Способ количественного анализа углеводородов; авторские свидетельства SU N 236078, G 01 N 33/22, Установка для определения октановых чисел моторных топлив, N 710347, G 01 N 33/22, Способ определения октанового числа бензина; N 834513, МКИ G 01 N 33/22, Способ определения детонационной стойкости моторных топлив; N 13400350, МКИ G 01 N 33/22, Способ определения октанового числа бензинов с альтернативными антидетонационными добавками; N 1358354, МКИ G 01 N 22/00, Способ определения мелкомасштабных изменений показателя преломления газа; N 1416909, МКИ G 01 N 33/22, Способ определения октанового числа топлива; N 1608581, МКИ G 01 N 33/22, Способ определения октанового числа дизельного топлива; N 1719973, МКИ G 01 N 22/00, Способ измерения сплошного потока диэлектрической жидкости; патент RU N 2011971, МКИ G 01 N 22/00, Способ анализа газа с помощью СВЧ-энергии; Папок К.К. Бензины. Москва, 1955; Под. ред. К.К.Папок, Моторные, реактивные и ракетные топлива, Москва, 1962; Итинская Н. И. Топливо, смазочные материалы и технические жидкости, Москва, 1969; Бензины авиационные и автомобильные, Метод определения свинца компенсационометрическим титрованием. ГОСТ 13210-72; ГОСТ 511-82 (СТ СЭВ 2243-80), 1983, Топливо для двигателей, Моторный метод определения октанового числа, Стандарты, Москва) показывает, что оно обладает новой совокупностью существенных признаков, тем более что совместно с известными признаками они взаимосвязаны и объединены в одну систему.

В предлагаемом техническом решении об изменении октанового числа судят по изменению интегральной характеристики условий прохождения электромагнитной энергии через моторное топливо; по фазовому сдвигу, связанному с изменением коэффициента преломления (диэлектрической постоянной) моторного топлива.

На фиг. 1 приведена блок-схема одного из вариантов предлагаемого технического решения.

Устройство, реализующее способ, содержит СВЧ-генератор A1, разветвитель W1, источник питания A2, операционный волновод W2, фазовращатель W3, аттенюаторы R1, R2, фазовый детектор A3, вольтметр A4, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) A5, жидкокристаллический индикатор (ЖКИ) A6.

Сигнал СВЧ-генератора A1 разделяется в разветвителе W1 на два канала, которые подключены к двум входам фазового детектора A3. В первый канал включен операционный волновод W2, во второй канал - подстроечный фазовращатель W3. При изменении набега фаз в одном из каналов изменяется разность фаз между сигналами на входах фазового детектора A3 и соответственно выходное напряжение фазового детектора A3. Очевидно, что для получения однозначного отсчета изменение разности фаз не должно превышать 180 град, при этом в качестве рабочего должен выбираться участок с линейной зависимостью. При изменении фазы коэффициента пропускания образца жидкости в операционном волноводе W2 величина изменения разности фаз, связанная с ним величина изменения выходного напряжения фазового детектора A3 и соответственно чувствительность пропорциональны длине волновода W2. Поэтому длина операционного волновода W2 должна выбираться из компромисса между максимальной чувствительностью и максимально допустимым диапазоном изменения октанового числа исследуемых образцов, которому соответствует изменение разности фаз в пределах рабочего участка.

При настройке устройства аттенюаторами R1, R2 устанавливаются необходимая величина мощности на входах фазового детектора A3 и соотношение мощностей в первом и втором каналах, обеспечивающее максимальную линейную характеристики рабочего участка.

После включения устройства путем изменения фазы во втором канале при помощи фазовращателя W3 проверяется наличие характеристики, приведенной на фиг. 2, и при помощи ручки "Баланс" по вольтметру A4 устанавливается одинаковая величина напряжений -/+U. Затем в операционный волновод W2 заливают первое калибровочное топливо (например, с октановым числом, равным 76), по мере заполнения волновода (и соответствующего изменения фазы в первом канале) стрелка индикатора A4 совершит несколько колебаний в соответствии с кривой фиг. 2. После заполнения волновода показания вольтметра A4 фиксируются в произвольной точке кривой фиг. 2; фазовращателем W3 во втором канале показания вольтметра A4 смещаются в удобную точку рабочего участка (например, в "0"). Таким образом, выходное напряжение фазового детектора A3, равное "0", соответствует моторному топливу с октановым числом, равным 76. Аналогичным образом настраивается АЦП A5, который должен индицировать число "76.0" при входном напряжении, равном нулю. Открываем дренаж, сливаем калибровочное топливо и наливаем второе калибровочное топливо (например, с октановым числом, равным 96), при этом A4 показывает какое-то положительное напряжение. Ручкой "Масштаб" устанавливают стрелку индикатора вольтметра A4 на +20 делений, а показания ЖКИ A6 - "96.0". Сливаем второе моторное топливо и заливаем проверяемое топливо. Теперь, если выходное напряжение фазового детектора A3 связано линейной зависимостью с величиной октанового числа, число делений индикатора вольтметра A4 (с учетом знака) будет соответствовать отклонению октанового числа проверяемого моторного топлива от числа 76, а АЦП A5 будет непосредственно индицировать величину октанового числа.

Предлагаемое техническое решение по сравнению с прототипом обеспечивает возможность мгновенной регистрации отклонения октанового числа исследуемого топлива от эталонного образца (в том числе на проходе) при очень существенном упрощении процедуры сравнения и устройства для его реализации. Абсолютное преимущество перед известными способами предлагаемое решение имеет при применении в качестве датчика в схемах управления и регулирования, в которых требуется поддержание (доведение) октанового числа получаемого продукта до октанового числа эталона.

Способ сравнения октанового числа моторного топлива относится к контрольно-измерительной технике и может найти применение для анализа качества топлива с помощью электромагнитного излучения и заключается в генерации электромагнитной энергии в СВЧ-диапазоне, передаче ее в среде моторного топлива, измерении разности фаз между СВЧ-колебаниями на входе и выходе линии передачи электромагнитной энергии в моторном топливе, при этом сравнение октанового числа производится по зависимости величины фазового сдвига СВЧ-сигнала, прошедшего через моторное топливо, от величины октанового числа моторного топлива, что обеспечивает возможность мгновенной регистрации отклонения октанового числа исследуемого топлива от эталонного образца, в том числе на проходе. 2 ил.

Способ сравнения октанового числа моторного топлива, основанный на изменении условий прохождения электромагнитной энергии через топливо при изменении октанового числа, заключающийся в генерации электромагнитной энергии, передаче ее в среде моторного топлива и регистрации изменения условий прохождения энергии в линии передачи, отличающийся тем, что генерируют электромагнитную энергию в СВЧ-диапазоне, а в качестве параметра, характеризующего изменение условий прохождения энергии, измеряют разность фаз между СВЧ колебаниями на входе и выходе линии передачи электромагнитной энергии в моторном топливе, при этом сравнение октанового числа производят по зависимости величины фазового сдвига СВЧ сигнала, прошедшего через моторное топливо, от величины октанового числа моторного топлива.