Разработка технологии и ассоциированного устройства комплексного активирования топливной смеси с элементами искусственных нейронных сетей

АННОТАЦИЯ

Данная работа посвящена разработке технологии и ассоциированоого устройства комплексного активирования топливной смеси с элементами искусственных нейронных сетей. Автор подробно описывает процесс активирования топливной смеси, фокусируясь на технических принципах, обеспечивающих работоспособность этого метода. Также значительное внимание уделяется отдельным компонентам устройства. Рассматриваются различные варианты конструкции устройства для комплексной активации топливной смеси. Помимо этого, автор описывает преимущества процесса активирования топливной смеси, основными из которых являются формирование процесса активирования в обоих основных секциях на базе принципа Бернулли, а также возможность использования искусственных нейронных сетей.

ABSTRACT

This article is dedicated to development of the technology and associated device for complex activation of fuel mixture with elements of artificial neural networks. The author thoroughly describes the process of fuel mixture activation and focuses on technical principles ensuring the working capacity of this method. Considerable attention is paid to separate structural components of this device. Different design options are considered for the device of complex activation of fuel mixture. Besides that, author describes advantages of the process of fuel mixture activation. Main advantages are formation of the activation process in both main sections based on Bernoulli principle, and possibility of artificial neural networks usage.

Ключевые слова: активированная топливная смесь, искусственные нейронные сети, мехатроника, робототехника

Keywords: activated fuel mixture, artificial neural networks, mechatronics, robotics

Введение

Целью процесса активирования является: 1) повышение концентрации воздуха в объёме топливной смеси, подаваемом каждый цикл в камеру сгорания; 2) снижение расхода топлива; 3) повышение удельной теплотворной способности топлива; 4) повышение уровня равномерности горения топлива; 5) повышение уровня сгорания топлива; 6) снижение концентрации токсичных газов в выхлопе из камеры сгорания; 7) получение максимальной энергетической отдачи от сгорания топлива; 8) снижение уровня вибрации и аэродинамического шума при сгорании топлива; 9) надёжное дистанционное управление процессом горения и активирования топливной смеси перед её подачей в камеру сгорания; полное влияние контролируемых и регулируемых параметров на результаты горения топливной смеси в камере сгорания. Технологический маршрут процесса активирования топливной смеси имеет вид, который будет подробно рассмотрен в следующем разделе.

Описание процесса активирования топливной смеси

Доминантный по пропорциональному содержанию в топливной смеси топливный компонент, содержится в герметично закрытом баке, имеющем постоянно действующие сенсоры вязкости, плотности, температуры и датчик уровня этого компонента в баке. Сигналы указанных датчиков поступают на систему управления процессом. Система управления включает топливный насос с регулируемым и контролируемым расходом и давлением. Насос подаёт указанный жидкий топливный компонент в топливный трубопровод. Топливный трубопровод соединён с входом в устройство комплексного активирования топливной смеси. В этом устройстве в первой по ходу потока топливной смеси секции, куда он подаётся под давлением, развиваемым топливным насосом, указанный поток трансформируется, разгоняется по ряду микро каналов и приобретает высокий уровень турбулентности. Во второй секции устройства для активирования топливной смеси, в потоки с высоким уровнем турбулентности вводится под большим давлением поток сжатого воздуха, благодаря высокой линейной скорости движения, создающий локальное разрежение в месте входа в поток жидкости; это разрежение помогает потоку воздуха, который сжимается под давлением, войти в поток жидкости, которая под давлением не сжимается; при этом в локальной зоне соединения двух различных сред - жидкой и газообразной, с учётом того, что в зоне соединения образована локальная область разрежения, формируется псевдо кипящий объём, переходящий в пену. Пена под совокупным давлением продвигается к камере сгорания и в конце движения впрыскивается непосредственно в камеру.

Рисунок 1. Устройство для аэродинамической активации топливной смеси, адаптированное к топливной системе бойлера, производительностью в 10 тонн пара в час

Возможные компоненты топливной смеси

К числу компонентов топливной смеси, которые в устройстве для активирования топливной смеси подвергаются смешиванию и активированию, можно отнести несколько групп компонентов. Основной доминантной группой компонентов является группа жидких углеводородов, например бензина, дизельного топлива, этанола, керосина. Вспомогательной группой жидких углеводородов, которые можно использовать в качестве компонентов топливной смеси может являться синтетический бензин, углеводороды биологического происхождения, сжиженный газ.

Вспомогательной группой жидких компонентов топливной смеси являются жидкости неорганического происхождения, такие как вода, предварительно очищенная; синтетическая вода; синтетическая вода полученная непосредственно в двигателе в тепловой трубе. В качестве варианта неорганического жидкого топливного компонента может использоваться вода насыщенная угольной или углеродной пылью. В качестве варианта газообразного топливного компонента может применяться сжатый воздух или аэрозоли на базе воздушной смеси с различными углеводородами, полученными при комплексной фильтрации воздуха перед его подачей на компрессор;

Описание вариантов конструкции устройства для комплексной активации топливной смеси

Устройство для комплексного активирования топливной смеси состоит из двух основных рабочих секций. Первая по ходу движения топливной смеси - гидравлическая секция, следующая за ней - пневматическая секция.

Гидравлическая секция имеет конструктивный вариант, включающий систему вихревого интенсивного смешивания жидких компонентов топливной смеси, которое происходит без привлечения дополнительной энергии и с использованием тех же конструктивных элементов секции, назначение которых повышение уровня турбулентности потока.

Пневматическая секция предназначена для повышения скорости движения потока сжатого воздуха, внедрения этого потока в турбулентный поток жидких компонентов топливной смеси, преобразования интегрированного потока смеси всех топливных компонентов в пену и вывода комплексно активированной топливной смеси в топливный трубопровод.

Устройство для комплексного активирования топливной смеси монтируется в топливный трубопровод и имеет герметичный, устойчивый к высокому давлению корпус с элементами крепления к топливному трубопроводу.

Рисунок 2. Инсталляция устройства для аэродинамической активации топливной смеси

Показанное на Рисунке 2 устройство для аэродинамической активации топливной смеси подготовлено для ввода в топливную систему бойлера, производительностью в 10 тонн пара в час, в стандартном варианте использующего в качестве топлива мазут, а в инновационном варианте при помощи показанного устройства, в режиме реального времени смешивающего подогретый до 100 градусов Цельсия мазут в пропорции 20% мазута на 80 % метанола с дополнительным воздухом и с полной гомогенизацией перед впрыском в камеру сгорания. Данные пропорции рекомендуется контролировать с помощью датчиков, программная начинка которых базируется на искусственных нейронных сетях для выдерживания заданных пропорнций даже при различном воздействии внешних факторов.

Такой формат смешивания позволяет также вводить в состав смеси также и воду, - в пропорции с метанолом, - 20 % воды на 80% метанола, что в совокупности составляет 80 % от конечной пропорции топливной смеси. При этом в смесь также вводится 10% от стехиометрического количества воздуха необходимого для стабильного горения в камере сгорания.

Рисунок 3. Устройство для аэродинамической активации топливной смеси, подключённое к бойлеру, потребляющему дизельное топливо № 4 с производительностью в 1000 000 британских термических единиц в час

В этом случае также процесс активации сопряжён с смешиванием, гомогенизацией и аэродинамическим активированием с вводом в активируемую топливную смесь 10% от стехиометрического количества воздуха.

Рисунок 4. Устройство для аэродинамического смешивания и активации топливной смеси в состоянии поставки от изготовителя к потребителю

Преимущества для процесса активирования топливной смеси

В данном разделе будут описаны преимущества для процесса активирования топливной смеси, полученные при активировании в устройстве для активирования топливной смеси, за счёт средств и характеристик самого устройства.

Основным базовым преимуществом устройства для комплексного активирования топливной смеси является формирование процесса активирования в обоих основных секциях на базе принципа Бернулли.

Принцип формирования канала для движения компонентов топливной смеси, заключается в трансформировании цилиндрического канала топливного трубопровода в кольцевой канал большего диаметра и с небольшим расстоянием между цилиндрическими оболочками, ограничивающими канал, но с эквивалентной общей площадью проходного сечения канала; таким образом создаются предварительные условия для возникновения очагов турбулентности в потоке компонентов топливной смеси.

Локальные зоны в которых создаются условия для возникновения критических физических явлений присущих эффекту Бернулли, расположены последовательно по ходу движения компонентов топливной смеси, таким образом, что жидкие компоненты топливной смеси разгоняются, в них создаются зоны вихревой турбулентности в которые под большим давлением и с большой скоростью вводятся потоки сжатого воздуха; процесс происходит в герметичном объёме, в прочном корпусе, что позволяет существенно поднять давление воздуха, который при соединении с несжимаемым потоком жидких компонентов топливной смеси сжимается в объёме и формирует пузырьки небольших размеров с высоким давлением внутри пузырьков; так как объём является закрытым, то положение пузырьков и их соотношение с жидкими компонентами топливной смеси остаются стабильными во всё время нахождения смеси в закрытом объёме до впрыска в камеру сгорания. Таким образом все основные полезные свойства комплексно активированной топливной смеси формируются за счёт конструктивных отличий устройства для комплексного активирования топливной смеси.

Помимо этого, рассмотренное устройство допускает управление с помощью искусственных нейронных сетей, что является передовым методом систем управления, так как он позволяет добиться высокой точности при относительно незначительных трудозатратах на разработку этого программного комплекса.

Заключение

Созданию технологии комплексного активирования топливной смеси предшествовали технологии аэродинамического захвата предметов из различных сред, таких как газовая среда и жидкостная среда. При реализации технологии аэродинамического захвата были созданы аэродинамические захваты, позволяющие при равных геометрических размерах и расходе энергии получить в 10 раз большую грузоподъёмность. Высокая эффективность создания зоны разрежения и инструменты для создания локальных зон разрежения перенесены с существенной модернизацией в технологию комплексного активирования топливной смеси.

Рисунок 5. Варианты аэродинамических захватов для роботов, в этом же дизайнерском варианте, являющиеся также и аэродинамическим генератором пены

Список литературы:
1. Bauer; Michael; et al. “Control surface component for a high-lift device of an aircraft and production method therefor” U.S. Patent 20180148163, issued May 31, 2018
2. Popov V. “Transformation of Aerodynamic Capture Principle to Dynamic Activation of Fuel Mixture principle, Program and Associated Method of Preliminary Tests“, "Intellectual Archive" journal, vol.8, #3, 2019. doi: 10.32370/IAJ.2157
3. Nagle; David P. “Propeller blade and method” U.S. Patent 20150233249, issued August 20, 2015
4. Laitila; Mika Brian; et al. “Aerodynamic and footing design for solar panel racking systems” U.S. Patent 20150222220, issued August 6, 2015
5. Rajadhyaksha; V. V.; et al. “Horizontal-axis hydrokinetic water turbine system” U.S. Patent 20130026762, issued January 31, 2013
6. Popov V. “Application of vortical foam generators in automatic photolithography lines with control systems including elements of artificial intelligence and artificial neural networks“, Vestnik Nauki I Obrazovaniya №21 (75). 2019. doi: 10.24411/2312-8089-2019-12101
7. Sanderson; Terry M.; et al. “Reinforced inflatable wings for fitment-constrained air vehicles” U.S. Patent 20100237192, issued September 23, 2010
8. Lin, Wendy Wen-Ling; et al. “Use of high modulus, impact resistant foams for structural components” U.S. Patent 20040198852, issued October 7, 2004
9. Uskert; Richard C.; et al. “COOLED CERAMIC MATRIX COMPOSITE AIRFOIL” U.S. Patent 20140271153, issued September 18, 2014
10. Doyoyo; Mulalo; et al. “High strength pozzolan foam materials and methods of making the same” U.S. Patent 20110146538, issued June 23, 2011
11. Kornbluh; Roy D.; et al. “Mechanical meta-materials” U.S. Patent 20080075930, issued March 27, 2008
12. Santos; Joseph Marion. “System for collecting energy from a moving mass” U.S. Patent 20160186717, issued June 30, 2016
13. Dewulf; Simon. “Directed variation of systems and processes” U.S. Patent 20080091671, issued April 17, 2008