Электромагнитные методы как возможные инструменты определения качества автомобильных бензинов

Размещено на http://allbest.ru

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ МЕТОДЫ КАК ВОЗМОЖНЫЕ ИНСТРУМЕНТЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КАЧЕСТВА АВТОМОБИЛЬНЫХ БЕНЗИНОВ

ELECTROMAGNETIC METHODS AS POSSIBLE INSTRUMENTS FOR DETERMINING THE QUALITY OF MOTOR GASOLINES

S.N. Borychev, D.E. Kashirin,

Abstract

Introduction. It is necessary to qualitatively control the characteristics of petroleum products. Already today, the quality of petroleum products is monitored mainly by equipment that provides thorough and comprehensive monitoring of indicators. New technology, operating using a variety of energy carriers, must operate in such a way that the amount of fuel consumed is as optimal as possible. Modern industry does not yet know of a device that would be characterized by compact dimensions and could quickly and accurately give information about the octane number available in gasoline. Object. The object of research is electrophysical methods that allow you to quickly determine the octane number of gasoline. Materials and methods. As part of this study, samples of automotive gasoline fuel produced using petroleum fractions produced at the facilities of the Samotlor field were used. In the process of carrying out the work, installations of the UMT-85 model were used, which were mounted at the facilities of the laboratory to determine the quality characteristics of products. Results and conclusions. Experimental studies confirm the correlation between the physical parameters of motor gasoline and the octane number. It has been established that in the case of using the electromagnetic method, such a parameter is the electromagnetic index M, and in the case of using the high-voltage method, this parameter is the intensity E of electrical breakdown in gasoline. The parameters of the oscillatory circuit, namely the inductor and the capacitor, are obtained: the area of the capacitor plate is 0.01 m2; distance between capacitor plates 0.008 m; the inductor consists of 410 turns of enamelled wire with a diameter of 0.5 mm. The increase in the octane number is accompanied by a decrease in the resonant frequency and an increase in the value of the electromagnetic index M increases. So, if you bring the octane number of the gasoline fraction from 80 to 95, then the resonance frequency decreases by 6%. The M index, in turn, rises by 15%, reaching a value of 3.42.

Keywords: Octane number of gasoline, inductor, electrical resonance, high voltage electrode.

Актуальность. Необходимо качественно контролировать характеристики нефтепродуктов. Уже сегодня качество нефтепродуктов отслеживается в основном техникой, которая обеспечивает тщательное и всестороннее отслеживание показателей. Новая техника, работающая с использованием разнообразных энергоносителей, должна функционировать таким образом, чтобы объём расходуемого топлива был как можно более оптимальным. Современная промышленность ещё не знает прибора, который характеризовался бы компактными размерами и мог бы быстро и точно выдавать информацию об октановом числе, имеющемся у бензина.

Объект. Объектом исследований являются электрофизические методы, позволяющие оперативно определять октановое число бензинов.

Материалы и методы. В рамках проведения настоящего исследования были использованы образцы автомобильного бензинового топлива, произведённые с использованием нефтяных фракций, добываемых на мощностях Самотлорского месторождения. В процессе проведения работы были использованы установки модели УМТ-85, которые смонтированы на мощностях лаборатории по определению качественных характеристик продукции. Результаты и выводы. Экспериментальные исследования подтверждают корреляционную связь физических параметров автомобильных бензинов с октановым числом. Установлено, что в случае использования электромагнитного метода таким параметром является электромагнитный индекс М, а в случае применения высоковольтного метода таким параметром является напряженность Е электрического пробоя в бензинах. Получены параметры колебательного контура, а именно катушки индуктивности и конденсатора: площадь конденсаторной пластины 0,01 м²; расстояние между конденсаторными пластинами 0,008 м; катушка индуктивности состоит из 410 витков провода ПЭЛ диаметром 0,5 мм. Возрастание октанового числа сопровождается уменьшением резонансной частоты и повышением величины электромагнитного индекса М. Так, если доводить октановое число (ОЧ) бензиновой фракции от 80 до 95, то частота резонанса уменьшается на 6 %. Индекс М, в свою очередь, повышается на 15 %, доходя до значения 3,42.

Ключевые слова: октановое число бензина, катушки индуктивности, электрический резонанс, высоковольтный электрод.

октановое число бензин электрофизический метод

Введение

Химотологическое обеспечение сельскохозяйственной деятельности предполагает в качестве одного из важнейших аспектов отслеживание качества ГСМ (горюче-смазочные материалы), разрешение вопроса об их пригодности для эксплуатации в конкретной технике. Предприятия, относящиеся к сельскохозяйственному комплексу, пользуются нефтепродуктами, не соответствующими требованиям стандартов.

Главный параметр, в соответствии с которым производится оценивание качества потребительского бензина, -- это его детонационная устойчивость, которая выражается через октановые числа (ОЧ).

Чтобы определить октановое число, которым характеризуется бензин, можно пользоваться различными способами. Наибольшую популярность среди них приобретают исследовательский и моторный. Исследовательский и моторный методы предполагают сопоставление исследуемого топлива с образцом, используемым в качестве эталонного (последним, как правило, выступает гептан-изооктановая смесь) [9]. Для расчёта октанового числа применяется специальная моторная техника, смонтированная в специальном лабораторном помещении. Исследовательский моторный способ имеют одну и ту же проблему: они расходуют очень большое количество времени (более двух часов), чтобы октановое число, имеющееся у бензина, оказалось рассчитанным. Кроме того, их эксплуатация предъявляет высокие требования к материальной обеспеченности лабораторий; им приходится нести значительные затраты на приобретение измерительных установок, а также на закупку эталонных образцов топлива.

Октановое бензиновое число -- это показатель, который по всей планете используется для того, чтобы иметь представление о бензиновой детонационной устойчивости. Физические методики, используемые для расчёта октанового числа бензиновой фракции, предполагают формирование графиков, отражающих зависимость между октановым числом конкретной фракции и октановым числом эталонной фракции.

Существует потребность в создании новых, более совершенных методик для расчёта качественных характеристик бензиновых топлив для автотранспорта и иных видов транспорта. Эти методики могут быть широко распространены, поскольку уже существуют образцы компактного лабораторного оборудования, которые могут быть смонтированы и применяться на каждой стадии технологического процесса, а также пригодны для эксплуатации непосредственно потребителями [2, 11, 13].

Материалы и методы. В рамках проведения настоящего исследования были использованы образцы автомобильного бензинового топлива, произведённые с использованием нефтяных фракций, добываемых на мощностях Самотлорского месторождения. Для выпуска автомобильного топлива применялись мощности нефтеперерабатывающего производства, находящегося на территории г. Рязани. Октановое число производимых бензиновых топлив рассчитывалось в соответствии с положениями стандартов ГОСТ 2084-77, ГОСТ 8226-82, ГОСТ 51105-97. В процессе проведения работы были использованы установки модели УМТ-85, которые смонтированы на мощностях лаборатории по определению качественных характеристик продукции, выпускаемой нефтеперерабатывающим производством г. Рязани.

Также в ходе проведения исследования было использовано оборудование, предоставленное специализированными кафедрами РГАТУ, предприятием АООТ «Теплоприбор».

Результаты и обсуждение. В качестве теоретического базиса для использования резонансного метода рассматривается связь, существующая между физическими характеристиками различных веществ и спецификой имеющихся у них структур [10]. Известно, что строение вещества во многом определяется его электромагнитным индексом М = ц. Для проведения экспериментальной работы была собрана установка, устройство которой продемонстрировано на рисунке 1. Как видно из рисунка 1, узлами комментируемой установки выступают контур колебаний (обозначен как 1), импедансовый измеритель (обозначен как 2), а также частотометр (обозначен как 3).

Контур колебаний является колебательной системой, где присутствуют элементы, обеспечивающие индуктивность и емкость (они включены в общую электросеть параллельным образом). За емкость в электрической сети отвечает конденсатор. А элемент, генерирующий индуктивность, это катушка, представляющая собой катушку квадратного сечения.

Характеристики элементов, представляющих собой индуктивность и емкость в электрической сети, разработаны в соответствии с итогами ранее осуществлённых экспериментов. Контур колебаний имеет следующие параметры:

- площадь, занимаемая одной конденсаторной пластиной 0,01 квадратных метра;

- удалённость между конденсаторными пластинами, выполненными из нержавеющей стали 0,8 см;

- в катушке индуктивности имеется 410 витков, образованных проводом ПЭЛ с диаметром 0,5 мм;

- протяжённость катушки -16,5 см;

- ячейки для измерения выполнены из оргстекла.

Рисунок 1 Устройство лабораторной установки, применяемой для расчёта октанового числа бензиновых фракций с применением электромагнитного метода 1 контур колебаний; 2 определитель импеданса ВМ-508; 3 частотомер ЧЗ-34, 4 эталонное сопротивление 0,1 Ом; 5 милливольтметр

Электромагнитный метод определения октанового числа бензиновой фракции предполагает осуществление расчёта за счёт выяснения частоты, при которой в контуре колебаний наступает резонанс. В зависимости от того, какими характеристиками описывается система колебаний, свойства, проявляемые резонансом, могут существенно отличаться друг от друга. В конкретном случае возникает резонанс напряжений. Чем ближе частота внешней электродвижущей силы становится к частоте колебаний в контуре, тем быстрее во внешней сети уменьшается сила тока. Возникает такой эффект вследствие того, что при приближении ю к ю₀, реактивные сопротивления, имеющиеся у элементов, обеспечивающих индуктивность и емкость в электрической системе начинают становиться тождественными. Таким образом, в разных частях контура находятся токи, практически совпадающие друг с другом по амплитуде, однако отличающиеся по фазе (последние являются противоположными) [6]. Для определения характеристик эталонных бензиновых фракций применялся следующий метод. Датчики индуктивности и ёмкости использовались для наполнения пробой бензиновой фракции (в объеме 0,2 литра). Система колебаний искусственно выводилась в состояние резонанса. Фиксировалась величина частоты, при которой появляется резонанс. Затем импедансметр искусственным образом вводился в расстроенное состояние, после чего эксперимент воспроизводился многократно. Далее из датчиков удалялась оставшаяся бензиновая фракция, после чего в нее вносилась следующая партия бензина. Для каждой пробы создавались соответствующие условия внешней среды (характеризующиеся в первую очередь ее прогревом до 20 градусов Цельсия). Работа с одной бензиновой пробой осуществлялась в течение 60 секунд. При проведении расчётов применялось следующее выражение:

где rn₀ резонансная частота, Гц; s₀ электрическая постоянная; s диэлектрическая проницаемость фракции бензина; s площадь пластины конденсатора; di удаленность между пластинами конденсатора; ц₀,ц магнитные характеристики бензина; Y сила тока в витках катушки, N число витков; d₂ протяженность катушки [4].

Полученный результат -- это электромагнитный индекс, который обозначается как М, ю₀ характеристика, описывающая состояние, в котором пребывает конкретный прибор, а произведение проницаемостей это показатель, характеризующий магнитные и электрические параметры, присущие бензиновым фракциям.

Высоковольтный метод основывается на известном факте, что электромагнитный индекс является сопряженной с характеристиками, описывающими электрическую проводимость материала, а также его электрическую прочность. Исследовательская задача, обозначенная на соответствующем этапе, заключалась в том, чтобы определить, при каких условиях возникает пробой для различных типов бензиновых фракций [7].

На рисунке 2 продемонстрирована электрическая схема установки для изучения возможностей высоковольтного метода.

Рисунок 2 Схема электрической части установки 1, 2 Регулировочные трансформаторы; 3 сопротивления; 4 выпрямитель; 5 электроемкость; 6 измеритель напряжения; 7 -высоковольтная катушка; 8 замыкатель цепи; 9 осциллограф для визуального наблюдения результатов

На экране осциллографа отражается информация о том, как меняется сила тока, проходящего через проводник. Вид линии на экране осциллографа зависит от появления или отсутствия электрического импульса между электродами конденсатора, как показано на рисунке 3. А если появляется искровой разряд, то кривая, отражаемая на экране осциллографа, соответствует той, что показана на рисунке 3 а, если в пространстве, ограниченном электродами, электрический импульс отсутствует, то экран осциллографа является пустым, как показано на рисунке 3б.

В процессе определения напряжения, соответствующего пробою бензиновых фракций, электродная составляющая установки варьировалась по конструкции. Один из вариантов обустройства комментируемой установки продемонстрирован на рисунке 4. Как было выявлено в последующих экспериментах, именно такой вариант обустройства установки обеспечивает осуществление исследований с достаточно высокой степенью точности.

Рисунок 3 Импульс, появляющийся на экране осциллографа в случае, если в пространстве, ограниченном электродами, существует импульс (а); вид экрана осциллографа в случае, если в пространстве, ограниченном электродами, отсутствует импульс (б)

Рисунок 4 Схема электродной части установки

Электроды, обозначенные цифрами (2) и (3), смонтированы в пределах корпуса (1) таким образом, что их положение не может изменяться. В корпус (1) помещается проба бензиновой фракции (4). Снаружи корпуса (1) находится контур заземления (6).

Увеличение температуры пробы бензиновой фракции осуществляется за счет жидкого носителя (5). Конструкция подобного рода обеспечивает определение температуры, до которой нагревается бензиновая проба, посредством термометра. На рисунке 2 показана установка с жесткими контактами, применение которой позволяет рассчитывать напряжение, появляющееся на конденсаторе. Таким образом, расчет напряжения, а также напряженности, при достижении которых появляется пробой, производился посредством вычисления значений формул.

Рабочая камера имеет пространство, достаточное для того, чтобы вместить 0,1 мл бензина. Длительность одной операции по измерению составляет 180-240 секунд.

В таблице 1 отражены результаты, полученные по итогам определения частоты резонанса ю₀.

Исходя из понимания того, какой величиной характеризуется частота резонанса ю₀, а также того, какие свойства имеются у системы колебаний, можно определять численные значения электромагнитного индекса М.

Например, используя формулу, которая была рассмотрена ранее, можно вычислить значение индекс М для бензиновых фракций с ОЧ=80:

С использованием той же самой формулы рассчитываются М и для других образцов бензиновых фракций.

Таблица 1 Частоты резонанса для эталонных бензиновых фракций

На рисунках 5 и 6 продемонстрированы зависимости, имеющиеся между М и ОЧ бензиновой фракции, между М и частотой резонанса.

Итоги, полученные после проведения экспериментов, позволяют заявить о следующих закономерностях:

1. Существует зависимость между информационной характеристикой и октановым числом бензиновой фракции.

2. При возрастании октанового числа частота резонанса становится меньше, а значит, величина М повышается. Так, если доводить ОЧ бензиновой фракции от 80 до 95, то частота резонанса оказывается сокращенной на 6 %. Электромагнитный индекс, в свою очередь, повышается на 15 %, доходя до значения 3,42.

С математической точки зрения зависимости, что были получены, характеризуются следующим уравнением:

где Мэлектромагнитный бензиновый индекс; со частота резонанса, МГц; ОЧ(ИМ) ОЧ бензиновой фракции, рассчитанное в соответствии с исследовательским способом.

Рисунок 5 График, отражающий зависимость между электромагнитным индексом М и ОЧ бензиновой фракции

Чем больше ОЧ бензиновой фракции, тем больше в ней присутствует углеводородов разветвленного типа. Представляется, что рост их количества является причиной экранирования взаимодействий, имеющих электрическую природу. Таким образом, частота резонанса оказывается меньше, при этом ОЧ бензиновой фракции растет. Происходит данный процесс в основном за счет повышения параметра в.

Рисунок 6 Зависимость между произведением проницаемостей (магнитной, диэлектрической) и частотой резонанса в контуре колебаний

При проведении измерений бензиновая фракция рассматривается в качестве диэлектрической среды (в пределах конденсаторного оборудования С), а также в качестве магнитной среды (в пределах катушки индуктивности L). Вместе элементы, обеспечивающие индуктивность и электроемкость, рассматриваются в качестве контура колебаний. У него присутствует частота резонанса, численное значение которой зависит от в, д изучаемой бензиновой фракции. Когда диэлектрические материалы оказываются в пределах электрического поля, то начинается поляризация, описываемая молекулярными дипольными моментами Р. В ситуации, когда значение параметра Е (характеризующего напряженность электрического поля) быстрым образом увеличивается или уменьшается, то между колебаниями Р и Е возникает разность в фазах. Она становится причиной формирования электропотерь, а также появления зависимости между в и ю₀. Значение параметра д также определяется частотой поля. Бензины это такие смеси, в которых присутствуют самые разные виды углеводородов. Таким образом, для каждого сорта бензина существует своя частота резонанса [5]. Соответственно, электромагнитный метод ее определения характеризуется как имеющий наибольшую степень эффективности, поскольку он позволяет учитывать не только диэлектрическую, но и магнитную проницаемость, что имеется у бензина.

Применение описанной выше лабораторной установки в процессе изучения характеристик, имеющихся у бензиновых фракций, позволяет приобретать сходящиеся результаты экспериментальных исследований.

Погрешность в расчете значения частоты резонанса высчитывается в соответствии с выражением ниже:

где П_эм погрешность исследований бензиновых фракций, проведенных в лабораторных условиях;

-- _max максимальная среднеквадратичная погрешность расчета частоты резонанса, имеющейся у бензина -- частота резонанса для бензиновой фракции, имеющей ОЧ= 95,1;

(Q частота резонанса для бензиновой фракции, имеющей

Тогда:

Таким образом, при использовании лабораторного метода возникает погрешность, которая равняется 5,4 %.

Представленные выше результаты свидетельствуют о наличии возможности для разработки прибора, который будет характеризоваться маленькими геометрическими размерами и предоставит возможность достаточно точно определять, каким ОЧ характеризуется бензиновая фракция. Чтобы подобный прибор был создан и оказался запущенным в производство, следует:

- разработать устройство, обеспечивающее отсутствие негативного воздействия со стороны помех электромагнитного характера;

- создать схему импедансметра, которая станет характеризоваться минимальными геометрическими размерами, а также тепловой стабильностью.

Интерес к тому, как осуществляется протекание электрического разряда высокого напряжения в жидкой среде, не случаен: вопрос об этом сегодня исследован недостаточно тщательно.

Исследование того, как разряды высокого напряжения протекают в жидких средах, является достаточно сложным, поскольку до сих пор не разработано лабораторное оборудование необходимой степени точности. В абсолютном большинстве научных исследований, которые были доведены до стадии публикации, электроразряд в подводной среде генерируется за счет электросхемы, в состав которой включается конденсаторный накопитель [1]. В данной схеме присутствует зарядная цепь, куда включается трансформаторное оборудование повышающего типа, выпрямитель, а также конденсатор импульсного типа. Поскольку процессы относятся к категории импульсных, то оборудование должно продемонстрировать соответствие специальным требованиям (в частности, это касается диэлектрического материала, к которому предъявляются высокие требования по нагревательной прочности). Требования подобного рода усугубляются еще и нагрузками теплового характера, появляющимися вследствие электрострикции токами индукционного типа. Если в какой-либо единице конденсаторного оборудования станет нарастать пробой, то весь энергетический запас, сконцентрированный в пределах батареи, оказывается высвобожденным, из-за чего происходит взрыв. Помимо всего перечисленного выше, конденсатор импульсного типа должен быть обустроен таким образом, чтобы его собственная индуктивность сводилась к минимальным значениям [8, 12].

Таблица 2 Зависимость напряженности пробоя эталонных бензинов от температуры

Полученные закономерности в математической форме записи имеют вид:

где Е напряженность электрического пробоя бензина, В/м.

Рисунок 7 Графики зависимости напряженности Е электрического пробоя эталонных бензинов при различных температурах t⁰

Выводы

В настоящее время отсутствуют технологии и оборудование, которые позволяли бы массовому потребителю самостоятельно определять качество бензинов. Гарантировано это может быть сделано только прямым методом на моторных установках, исключающих мобильность и оперативность.

Результаты проведенных экспериментальных исследований подтверждают корреляцию некоторых физических параметров автомобильных бензинов с октановым числом. Для электромагнитного метода таким параметром является электромагнитный индекс М, для высоковольтного напряженность Е электрического пробоя в бензинах.

Все косвенные методы определения ОЧ бензинов по различным физическим параметрам в значительной степени условны, могут быть применены только в очень ограниченных условиях и не гарантируют достаточно высокой точности. Гарантированным способом точного определения именно ОЧ является только моторный метод. Но масса и размеры таких современных установок делают возможным его применение только в стационарных условиях. Представляется, что дальнейшие исследования могут быть связаны с изучением возможностей создания компактных, переносных моторных установок для точного, оперативного и мобильного определения ОЧ массовым потребителем.

октановое число бензин электрофизический метод

Библиографический список

1. Кондауров Д.А., Садовая И.И., Пащенко В.М. К вопросу о возможности создания компактной установки для оперативного определения октанового числа автомобильных бензинов прямым методом // Молодая наука аграрного Дона: традиции, опыт, инновации. 2018. № 2 С. 239-242.

2. Оценка влияния ультразвуковой обработки моторного масла на износ пар трения при длительных износных испытаниях / А.А. Симдянкин, А.М. Давыдкин, М.Н. Слюсарев, А.М. Земсков //Вестник мордовского университета. 2018. № 4 (28). С. 583-602.

3. Оценка топливопотребления двигателей при ультразвуковой обработке топлива / Р.В. Пуков, А.А. Симдянкин, И.А. Успенский, М.Б. Угланов, И. А. Юхин, Б. А. Нефедов // Техника и оборудование для села. 2017. № 11. С. 12-17.

4. Пащенко В. М., Кондауров Д. А. О возможности создания мобильной компактной установки для определения детонационной стойкости бензина и управления процессом детонации двигателя // Комплексный подход к научно-техническому обеспечению сельского хозяйства: материалы Международной научно-практической конференции (Международные Бочкаревские чтения). Рязань: Изд-во РГАТУ, 2019. С. 150-155.

5. Пащенко В. М., Кондауров Д. А., Новикова Н. Н. Перспектива применения моторного способа определения октанового числа автомобильных бензинов на мобильных компактных установках // Инновационное научно образовательное обеспечение агропромышленного комплекса: материалы 69-ой Международной научно практической конференции. Рязань, 2018. С. 294-300.

6. Симдянкин А. А., Пуков Р. В., Данилов И. К. Оценка экономической эффективности применения устройств ультразвуковой обработки топлива // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета. 2017. № 126. С. 50-68.

7. Gad M. S. Influence of magnetized waste cooking oil biodiesel on performance and exhaust emissions of a diesel engine // International Journal of ChemTech Research. 2018. Vol. 11. N. 11. P. 255-267.

8. Hayder, J.Kurji Magnetic field effect on compression ignition engine performance / J.Kurji Hayder, S. Imran Murtdha // Journal of Engineering and Applied Sciences. 2018 Vol. 13. N. 12. P. 341 347.

9. Improvement of the Technological Process of Surface Application of Mineral Fertilizers / A. V. Shemyakin, S. N. Borychev, I. A. Uspenskiy, K. P. Andreev, V. V. Terentyev // BIO Web of Conferences 2019. 2020. Vol. 17. № 00192.

10. Magnetization of diesel fuel for compression ignition engine to enhance efficiency and emissions / S. Swapnil, S. Himanshu, K. Amit, K. Krishna, P. Dixit, K. Ram // International Journal of Applied Engineering Research. 2018. V. 13. No 6. P. 341-347.

11. Rama K. Performance and emission analysis of VCR diesel engine through fuel ionization under the iInfluence of magnetic field // International Journal of Research. 2018. Vol. 7. Iss. 6. P. 11-17.

12. System with permanent magnets used for magnetic treatment of fuel fluids / R. Ciobanu, O. Dontu, G. Gheorghe, Iu. Avarvarei, D. Besnea // Proceedings of International Conference on Innovations, Recent Trends and Challenges in Mechatronics. MECAHITECH'11. 2011. Vol. 3. P. 211-214.

13. The Effect of Ultrasonic Treatment of a Lubricating Oil on the Operation of a Tribological Assembly and the Assessment of the Residual Effects in the Oil / A. A. Simdiankin, I. A. Uspenskiy, N. V. Byshov, M. N. Slyusarev // Journal of Friction and Wear. 2019. № 40 (5). Р. 461-467.

Размещено на Allbest.ru