устройство для измерения концентрации частиц сажи в дизельном моторном масле

Формула изобретения

Устройство для измерения концентрации частиц сажи в дизельном моторном масле, состоящее из корпуса с защитной сеткой, оптического элемента, выполненного в виде оптического стержня с чувствительной боковой цилиндрической поверхностью, первый, перпендикулярный к оптической оси торец стержня находится в контакте с источником и приемником оптического излучения, а второй, перпендикулярный к оптической оси торец стержня имеет зеркально отражающее покрытие, отличающееся тем, что устройство снабжено блоком очистки чувствительной поверхности оптического элемента, корпус изготовлен из электрически непроводящего материала, блок очистки состоит из изолированных электродов, установленных в корпусе коаксиально оптическому стержню, и нанесенного на боковую поверхность стержня прозрачного электрически проводящего покрытия, а защитная сетка имеет ячейки размером 0,25 мм.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано для оценки уровня загрязненности частицами сажи масла дизельного двигателя для своевременной его замены.

Современные малогабаритные дизельные двигатели все шире используются в моделях легковых автомобилей благодаря высокой эффективности использования топлива и его низкой стоимости относительно топлива бензиновых двигателей. В то же время организации защиты окружающей среды требуют соблюдения более строгих норм выхлопов оксидов азота и углерода как двигателей легковых автомобилей, так и тяжело нагруженных дизельных двигателей грузовых автомобилей и автобусов. Ужесточенный контроль за выхлопом оксидов азота и сажи привел, в частности, к использованию рециркуляции выхлопного газа. Как следствие концентрация сажи в масле сильно увеличивается, вызывая ряд проблем: потеря диспергирующе-стабилизирующих и противоизносных свойств масла, образование шлама, осаждение на стенках и перекрытие прохода масла, увеличение вязкости, забивка фильтра.

В настоящее время срок службы масла до замены обычно определяется согласно нормам, установленным по пробегу автомобиля или времени эксплуатации. Эти нормы основаны на работе двигателя в нормальном эксплуатационном режиме и не принимают во внимание фактическое качество масла. В связи с этим актуальной задачей является разработка способов и соответствующих устройств оперативной оценки качества масла, в частности, по концентрации частиц сажи.

Известно устройство для измерения концентрации частиц сажи в дизельном моторном масле, состоящее из корпуса с защитной сеткой, оптического элемента с чувствительной поверхностью, источника и приемника оптического излучения, электронного блока, причем оптический элемент выполнен в виде оптического стержня, боковая цилиндрическая поверхность которого является чувствительной, первый перпендикулярный к оптической оси торец стержня находится в контакте с источником и приемником оптического излучения, а второй перпендикулярный к оптической оси торец стержня имеет зеркально отражающее покрытие, (прототип патент США №6842234, МПК G 01 N 33/28, опубл. 11.01.2005.).

Однако в известном устройстве не предусмотрена очистка чувствительной поверхности оптического элемента, что снижает достоверность измерений.

Поставленная задача решается тем, что в устройстве для измерения концентрации частиц сажи в дизельном моторном масле, состоящем из корпуса с защитной сеткой, оптического элемента, выполненного в виде оптического стержня с чувствительной боковой цилиндрической поверхностью, первый, перпендикулярный к оптической оси, торец стержня находится в контакте с источником и приемником оптического излучения, а второй, перпендикулярный к оптической оси, торец стержня имеет зеркально отражающее покрытие, устройство снабжено блоком очистки чувствительной поверхности оптического элемента, корпус изготовлен из электрически непроводящего материала, блок очистки состоит из изолированных электродов, установленных в корпусе коаксиально оптическому стержню, и нанесенного на боковую поверхность стержня прозрачного электрически проводящего покрытия, а защитная сетка имеет ячейки размером 0,25 мм.

Очистка чувствительной поверхности оптического элемента от загрязнений осуществляется наложением электростатического поля. Электростатическое поле создается в пространстве между чувствительной поверхностью, имеющей оптически прозрачное электрически проводящее покрытие и системой электродов, расположенной коаксиально оптическому стержню. При этом электростатическое поле воздействует на всю чувствительную поверхность, вызывает наведение электрического заряда на частицах загрязнения и эффективно удаляет их с поверхности за счет сил электростатического отталкивания, не вызывая повреждения чувствительной поверхности, что повышает достоверность результатов измерения.

Изобретение поясняется чертежом, где изображены

на фиг.1 - схема устройства, в котором источник и приемник оптического излучения представляют собой излучающий диод и фотодиод соответственно;

на фиг.2 - сечение А-А фиг.1

на фиг.3 - схема устройства, в котором источник и приемник оптического излучения представляют собой совокупность излучающего диода и передающего оптического волокна и совокупность фотодиода и приемного оптического волокна соответственно;

на фиг.4 - двойное оптическое волокно;

на фиг.5 - одно передающее и шесть приемных оптических волокон;

на фиг.6 - устройство для измерения концентрации частиц сажи, погруженное в масляный бак;

на фиг.7 - устройство для измерения концентрации частиц сажи, установленное в линию циркуляции масла;

на фиг.8 - схема, поясняющая прохождение оптического излучения через оптический стержень при тестировании чистого масла;

на фиг.9 - схема, поясняющая прохождение оптического излучения через оптический стержень при тестировании масла, загрязненного частицами сажи;

на фиг.10 - схема, поясняющая прохождение оптического луча от источника оптического излучения к приемнику через оптический стержень с зеркальным покрытием на втором торце;

на фиг.11 - график калибровочной зависимости между концентрацией частиц сажи и выходным сигналом предлагаемого устройства.

Измерение ослабления интенсивности оптического излучения, вызванного увеличением показателя преломления тестируемого масла, осуществляется путем использования источника неколлимированного пучка оптического излучения. Выбирается источник излучения с таким апертурным углом _А (максимальный угол между лучом оптического пучка и осью излучателя), чтобы при тестировании чистого моторного масла для всех лучей пучка выполнялось условие полного внутреннего отражения на границе раздела чувствительная поверхность - масло, т.е. чтобы выполнялось условие (фиг.8):

где - угол падения лучей на границу раздела чувствительная поверхность - тестируемое масло;

_кр.0 - критический угол полного внутреннего отражения (ПВО) на границе раздела чувствительная поверхность - чистое масло;

n₁ - показатель преломления оптического элемента;

n_2,0 - показатель преломления чистого тестируемого масла.

Взаимосвязь углов , образованных лучами пучка излучения источника с осью излучателя в воздухе, с углами падения этих лучей на границу раздела чувствительная поверхность - тестируемое масло, определяется законом преломления. Угол _кр (фиг.9), под которым распространяется относительно оси излучателя в воздухе луч пучка, соответствующий критическому углу падения на границу раздела чувствительная поверхность - тестируемое масло ( _кр), определяется из соотношения:

Определенный таким образом угол _кр является приведенным к воздуху критическим углом.

При тестировании чистого масла пучок лучей источника, для которых выполняется условие ПВО, ограничится условием (фиг.8)

где _кр.0 - приведенный к воздуху критический угол для чистого масла;

n_2,0 - показатель преломления чистого масла.

Если апертурный угол источника излучения равен приведенному к воздуху критическому углу для чистого масла:

то все оптическое излучение при тестировании чистого масла проходит через оптический элемент (фиг.8). При увеличении концентрации сажи показатель преломления масла n ₂ увеличивается, вследствие чего приведенный к воздуху критический угол _кр уменьшается, и часть оптического пучка, проходящего через оптический элемент, уменьшается. Фиг.9 показывает часть потока оптического излучения (заштрихованная часть), прошедшего без отражения границу раздела чувствительная поверхность - масло, т.е. совокупность лучей, для которых не соблюдается условие ПВО.

Т.е. вследствие загрязнения масла частицами сажи увеличивается показатель преломления тестируемого масла, что приводит к увеличению значения критического угла _кр, что, в свою очередь, уменьшает часть лучей пучка источника излучения, для которых соблюдается условие ПВО, в результате чего интенсивность излучения на выходе оптического стержня дополнительно уменьшается.

Таким образом, в предлагаемом изобретении при увеличении содержания сажи в масле интенсивность излучения на выходе оптического стержня уменьшается не только за счет его поглощения в слое проникновения излучения в масло, но и за счет уменьшения части лучей пучка источника излучения, прошедшего через оптический стержень вследствие ПВО. Т.е. увеличивается изменение интенсивности излучения на выходе оптического стержня, а следовательно, и сигнала на выходе фотоприемника, что повышает чувствительность измерения концентрации частиц сажи в масле.

В изобретении оптический элемент выполнен в виде оптического стержня, боковая цилиндрическая поверхность которого является чувствительной, первый, перпендикулярный к оптической оси, торец стержня находится в контакте с источником и приемником оптического излучения, а второй, перпендикулярный к оптической оси, торец стержня имеет зеркально отражающее покрытие. Такое исполнение оптического элемента конструктивно упрощает ввод оптического излучения к чувствительной поверхности оптического элемента. Наличие зеркально отражающего покрытия на втором торце стержня удваивает длину оптического пути в стержне, что соответственно удваивает число отражений на границе раздела чувствительная поверхность - масло. В результате увеличивается длина оптического пути излучения в масле, которая равна произведению длины оптического пути луча в слое проникновения излучения толщиной h в масло при одном ПВО на число отражений m. Фиг.10 поясняет происхождение луча от источника к приемнику через оптической стержень с зеркальным отражающим покрытием на втором торце.

Изменение интенсивности при прохождении излучения по оптическому стержню зависит от концентрации сажи и от длины оптического пути в масле согласно закону Бутера-Ламберта-Бера [Физическая энциклопедия/Гл.ред. А.М.Прохоров. - М.: Сов.энциклопедия. Т.1. 1988. 704 с.]

I_вых=I_вх exp(-K _ext, d),

где d - оптическая длина пути в масле, d=2hm (m - число отражений); K_ext, - показатель экстинкции на длине волны , равный сумме натуральных показателей поглощения и рассеяния. В рассматриваемом случае частиц сажи, когда рассеяние намного меньше поглощения, показатель экстинкции равен натуральному показателю поглощения K_ext. = . Натуральный показатель поглощения может быть записан в виде =k ·С_с, где С_с - концентрация частиц сажи в масле, k - коэффициент, не зависящий от С_с и характеризующий взаимодействие молекулы поглощающего вещества с излучением на длине волны . Т.о. увеличение длины оптического пути излучения в масле увеличивает изменение выходного сигнала, т.е. повышает чувствительность к концентрации частиц сажи.

Оптический стержень изготовлен из оптического материала, показатель преломления которого больше показателя преломления тестируемого моторного масла (больше 1,5) для реализации условия ПВО. Если использовать оптический материал с показателем преломления меньшим или равным показателю преломления масла, то ни для одного пучка излучения не будет выполняться условие ПВО (уравнение 1) и на выходе сигнал будет близок к нулю. Отношение длины стержня L к его диаметру D выбирается максимально возможным для обеспечения максимального числа отражений (среднее число отражений определяется по формуле ), ограничивается технологическими возможностями изготовления таких стержней и составляет не менее 10:1.

Дополнительно к этому выбирается такой источник излучения, апертурный угол которого равен приведенному к воздуху критическому углу полного внутреннего отражения для границы раздела чувствительная поверхность - чистое тестируемое масло. Если апертурный угол источника излучения больше приведенного к воздуху критического угла для чистого масла, то не все излучение при тестировании чистого масла проходит через оптический стержень, и выходной сигнал будет меньше, чем в случае выполнения равенства (2). Если же апертурный угол источника излучения меньше приведенного к воздуху критического угла для чистого масла, то весь пучок излучения будет проходить через оптический стержень при низких концентрациях частиц сажи до тех пор, пока содержание сажи и соответственно показатель преломления масла повысится настолько, что приведенный к воздуху критический угол станет равным апертурному углу источника излучения. Т.е. в этом случае не обеспечена чувствительность к малым концентрациям частиц сажи. Таким образом, оптимальным для реализации максимальной чувствительности к содержанию сажи в масле является источник с апертурным углом, равным приведенному к воздуху критическому углу для чистого масла.

Кроме того, блок очистки чувствительной поверхности оптического элемента состоит из системы изолированных электродов, установленных в корпусе коаксиально оптическому стержню, и нанесенного на боковую цилиндрическую поверхность оптического стержня оптически прозрачного электрически проводящего покрытия. Система изолированных электродов представляет собой совокупность тонких металлических цилиндрических стержней (двух или более), установленных в корпусе равномерно по окружности вокруг оптического стержня таким образом, что их оси параллельны оси оптического стержня, а расстояние между поверхностями оптического стержня и электрода не превышает диаметра оптического стержня. В качестве оптически прозрачного электрически проводящего покрытия может использоваться, например, проводящее покрытие из оксидов индия и олова, известное как ITO (Indium Tin Oxide), толщина которого намного меньше (в десять раз и более) волны оптического излучения. Такая толщина покрытия не оказывает существенного влияния на проникновение оптического излучения в тестируемое масло. На электроды подается потенциал одной полярности, а на проводящее покрытие - противоположной полярности. Разность потенциалов составляет 20-50 В в зависимости от конструктивных размеров. Для более эффективной очистки полярность прикладываемого напряжения периодически меняется. Так, если полная очистка выполняется в течение 5 минут, то полярность переключается каждые 0,5 минут. Такая конструкция блока очистки позволяет заменить механический метод очистки электростатическим, что обеспечивает повышение качества очистки и соответственно достоверности измерений.

Кроме того, защитная сетка расположена коаксиально оптическому стержню и имеет ячейки размером 0,25 мм. Защитная сетка служит для предотвращения попадания на чувствительную поверхность оптического стержня крупных загрязнений и воздушных пузырей.

Устройство содержит оптический стержень 1, источник и приемник оптического излучения, в качестве которых могут, в частности, использоваться излучающий диод 2 и фотодиод 3 (фиг.1). Дополнительно могут быть использованы оптические волокна 5 (фиг.3), позволяющие удалить излучающий диод и фотодиод из зоны измерений, устранив тем самым влияние температуры, и разместить их в электронном блоке, что позволяет снизить электрические помехи. Источник и приемник оптического излучения состыкованы с первым торцом оптического стержня 1, а на втором торце стержня нанесено отражающее зеркальное покрытие 4. Кроме того, боковая цилиндрическая поверхность оптического стержня, являющаяся чувствительной, имеет оптически прозрачное электрически проводящее покрытие 7, которое является элементом блока очистки чувствительной поверхности, включающего также систему изолированных электродов 6, установленных коаксиально оптическому стержню в корпусе 9, изготовленном из электрически непроводящего материала. Напряжение на электроды и проводящее покрытие подается от электронного блока (на фиг.1 и 3 не показан) по кабелю 12. Оптический стержень установлен в корпусе 9 с помощью резинового кольца 11 и втулки 10. Кроме того, коаксиально оптическому стержню в корпусе 9 установлена защитная сетка 8, служащая для предотвращения попадания на чувствительную поверхность оптического стержня крупных загрязнений и воздушных пузырей. В устройстве может использоваться два волокна или более. На фиг.4 показано применение двойного оптического волокна 5' и 5". Передающее волокно 5' служит для передачи излучения от источника излучения к оптическому элементу 1, приемное оптическое волокно 5" служит для передачи излучения от оптического элемента к фотоприемнику. В этом случае только часть оптического пучка, отраженного от цилиндрической поверхности, попадает в передающее волокно и на фотоприемник. Использование же нескольких оптических волокон позволяет направить в фотоприемник большую часть оптического излучения. Фиг.5 иллюстрирует использование одного передающего 5' и шести приемных оптических волокон 5", окружающих передающее. В этом случае большая часть пучка излучения, вышедшего из оптического стержня, попадает на приемные волокна и на фотоприемник.

Устройство может быть выполнено погружным, установлено в стенке 18 масляного бака (фиг.6). Излучающий диод и фотодиод устанавливаются в электронном блоке 13, на индикаторе 14 которого отображается результат тестирования.

На фиг.7 представлено устройство, установленное с помощью держателей 17, в линию циркуляции масла с помощью переходной втулки 16, которая вмонтирована в разрыве трубопровода 20. Во втулке 16 закреплен также оптический разъем 15 для стыковки оптических волокон 5, находящихся в трубопроводе 20, с волокнами 21, расположенными вне трубопровода и служащими для передачи оптических сигналов к электронному блоку 13.

Устройство работает следующим образом. Устройство устанавливается в область циркуляции масла (масляный бак или трубопровод). После заполнения масляной системы чистым маслом измеряется сигнал U₀ на выходе фотоприемника 3 и наносится в память микропроцессора. Затем измерения выходного сигнала U выполняются периодически через фиксированный интервал времени Т_изм. Измеренные значения сигнала U сравниваются со значением U₀ и по относительному изменению сигналов (U-U₀)/U₀ с использованием калибровочной зависимости (фиг.11) определяется концентрация частиц сажи, содержащихся в масле. Вся обработка сигнала выполняется микропроцессором в электронном блоке 13. Результат выводится на индикатор 14. В начальный момент после запуска двигателя включается система очистки чувствительной поверхности оптического стержня 1 - включается размещенный в электронном блоке источник напряжения, подаваемого на электроды 6 в течение времени _старт. При дальнейшей работе двигателя очистка проводится периодически через заданные интервалы времени Т_очист. в течение времени . Управление подачей напряжения в блок очистки (проводящее покрытие и электроды) осуществляется с помощью микропроцессора электронного блока.

Устройство конструкции, приведенной на фиг.6, устанавливали в масляный бак системы циркуляции масла. Тестируемым маслом являлось дизельное моторное масло API CF-4, имеющее вязкость 15 W-40 и оптический показатель преломления n_2,0=1,48. Оптический стержень изготовлен из оптического стекла БК-8 (показатель преломления n₁=1,55) и имеет длину L=40 мм и диаметр D=3 мм. На чувствительную поверхность нанесено оптически прозрачное электрически проводящее покрытие ITO, имеющее поверхностное сопротивление и толщину около 30 Å (3 нм). В качестве источника излучения в устройстве использовался ИК-диод EL-1ML2 с длиной волны оптического излучения 940 нм, состыкованный с оптическим стержнем через оптическое волокно. Для обеспечения максимальной чувствительности выбрано оптическое волокно, апертурный угол которого удовлетворяет условию (2):

Полимерное оптическое волокно, имеющее диаметр сердцевины 1 мм и апертурный угол 28°, удовлетворяет этому требованию и является достаточно дешевым для широкого применения. В качестве фотоприемника использовался фотодиод SP-1ML, на который оптическое излучение от оптического стержня передается по полимерному оптическому волокну. Электроды изготовлены из нержавеющей стали и имеют диаметр 1 мм. Расстояние между поверхностями электродов и оптического стержня составляет 1 мм. В управляющей программе задавались следующие значения интервалов времени: Т_изм=10 мин, Т_очист=185 мин, =5 мин. Для очистки на электроды и проводящее покрытие оптического стержня подавалась разность потенциалов, равная 30 В, полярность напряжения при очистке в течение =5 мин менялась каждые 0,5 минуты. Масляный бак заполнялся чистым дизельным моторным маслом API CF-4, имеющим вязкость 15W-40. Включалась система циркуляции масла и измерялся выходной сигнал U₀=7,6 В и автоматически заносился в память микропроцессора. Затем в масло вводились частицы сажи (печная сажа - Degussa Furnace Black S160) таким образом, что в масле концентрация сажи менялась ступенчато. Измерения выходного сигнала выполнялись периодически через интервал времени Т_изм=10 мин. Средние значения сигналов при изменении концентрации частиц сажи составили U=6,6 В, U=5,7 В, U=4,6 В и U=2,8 В. В ходе измерений вычислялось относительное изменение сигнала (U-U₀)/U₀ и с использованием калибровочной зависимости (фиг.11) определялась концентрация частиц сажи, содержащихся в масле. Так, результаты тестирования показали, что концентрация частиц сажи в масле изменялась ступенчато и составляла 1%, 2%, 3% и 5% соответственно измеренным выходным сигналам.

Предложенное изобретение позволит с высокой точностью и достоверностью проводить оценку уровня загрязненности частицами сажи масла дизельного двигателя и своевременно выполнять замену загрязненного масла.