Установка для оценки склонности дизельных топлив к образованию отложений на деталях форсунки
INSTALLATION FOR ASSESSMENT OF PROPENSITY OF DIESEL FUELS TO FORMATION OF DEPOSITIONS ON NOZZLE PARTS

Изобретение относится к оценке эксплуатационных свойств дизельных топлив на лабораторных установках с использованием автоматизированных систем управления технологическими процессами оценки качеств топлив, как создаваемых новых, так и модернизируемых, а также может быть использовано при испытании топливной аппаратуры двигателей внутреннего сгорания (ДВС), преимущественно форсунок.
Для надежной работы дизельных двигателей применяемые топлива не должны вызывать значительных отложений нагара, лака и осадков на деталях камеры сгорания и системы питания. Для дифференцированной оценки склонности дизельных топлив к отложениям в двигателе определяют комплексные показатели, характеризующие склонность к нагарообразованию, склонность к отложениям на деталях впрыска топлива и термическую стабильность [1 - Квалификационные методы испытаний нефтяных топлив / А.А. Гуреев, Е.П. Серегин, B.C. Азев. - М: Химия, 1984, С. 110].
Склонность к отложениям - эксплуатационное свойство, характеризующее способность нефтепродукта образовывать жидкие и твердые отложения [2 - Энциклопедия химмотологии / Н.Н. Гришин, В.В. Середа. - М.: Издательство «Перо», 2016, С. 565].
Отложения в двигателе образуются в результате окисления топлива кислородом воздуха и загрязнения продуктами износа, коррозии, неполного сгорания и примесями, поступающими с воздухом. Количество отложений и их влияние на работу двигателя зависят от физико-химических свойств топлива, конструкции системы смесеобразования и условий эксплуатации двигателя, определяющих его температурный режим [3 - Химмотология горючесмазочных материалов / А.С. Сафонов, А.И. Ушаков, В.В. Гришин. - СПб.: Изд-во НПИКЦ, 2007, С. 120].
Для оценки склонности дизельных топлив к образованию отложений на деталях форсунки используют моторные стенды, оснащенные соответствующими датчиками и измерительной аппаратурой. Сущность оценки заключается в проведении испытаний испытуемого образца топлива на моторном стенде с двухцилиндровым ДВС в течение 6 часов на режиме максимального крутящего момента, снятии и разборки форсунки и определении величины эффективного проходного сечения форсунки до и после испытаний по данным их прокачки на специальном гидростенде [1 - С. 113-114]. Таким образом, для подтверждения достоверности полученных результатов испытаний по оценке склонности дизельных топлив к образованию отложений на деталях форсунки на полноразмерном ДВС необходимо получить результаты и на лабораторной установке.
Перед авторами стояла задача разработать установку для оценки склонности дизельных топлив к образованию отложений на деталях форсунки с использованием электронных устройств для повышения точности определения величины эффективного проходного сечения форсунки.
При просмотре источников патентной и научно-технической литературы были выявлены технические решения, позволяющие оценить возможность использования их в разрабатываемой установке.
Так известно устройство для определения эффективного проходного сечения форсунок для дизельных топлив, содержащее топливный бак, топливный насос высокого давления с электроприводом, манометр, распределитель, нагнетательный и сливной топливопроводы, секундомер, испытываемую форсунку, а также гидропневмоаккумулятор. Распределитель размещен между электронасосом и гидропневмоаккумулятором, причем выход электронасоса сообщен нагнетательным топливопроводом с входом гидропневмоаккумулятора, а выход гидропневмоаккумулятора сообщен сливным топливопроводом с испытываемой форсункой [4 - РФ Патент 2489596, F02M 65/00].
Эффективное проходное сечение форсунки - геометрическая площадь поперечного сечения каналов исследуемого элемента коэффициента расхода.
Недостатком данного устройства является низкая точность определения эффективного проходного сечения форсунок из-за сложности обеспечения достаточного потока топлива на входе в топливный насос высокого давления, отсутствие контроля плотности топлива и возможности настройки частоты вращения топливного насоса высокого давления в процессе испытания при падении давления на входе форсунки.
Наиболее близким по технической сущности к изобретению является установка, реализующая способ оценки склонности автомобильных бензинов к образованию отложений в инжекторах систем впрыска, содержащая расходную емкость, бензонасос, топливопровод, топливный фильтр, распределитель потока, форсунка (инжектор0, топливосборник с мерной шкалой, датчик давления, регулятор давления, программный блок, реле времени [5 - РФ Патент 2368899, G01N 33/22, F02M 65/00, G01M 15/00 - прототип].
Недостатком данного устройства является ограниченная область применения (только для автомобильных бензинов), низкая точность определения эффективного проходного сечения форсунок из-за сложности обеспечения достаточного потока топлива на входе в топливный насос высокого давления, отсутствие учета влияния плотности топлива и замера величины изменения забивки топливного фильтра тонкой очистки, а также возможности настройки частоты вращения топливного насоса высокого давления в процессе испытания при падении заданного давления на входе форсунки.
Технический результат изобретения - расширение номенклатуры устройств для оценки склонности дизельных топлив к образованию отложений на деталях системы питания без снижения требований результатов по точности определения эффективного проходного сечения форсунки с одновременным снижением трудоемкости.
Указанный технический результат достигается за счет того, что установка для оценки склонности дизельных топлив к образованию отложений на деталях форсунки, содержащая бак для испытуемого топлива, к которому подключен топливопровод с установленными последовательно по потоку топливным фильтром тонкой очистки, топливным насосом высокого давления, связанным с сервоприводом и форсункой на входе в мерный цилиндр с датчиком уровня топлива, пролитого через форсунку, программный блок, связанный соответствующими входами с датчиком давления в нагнетательном участке топливопровода, датчиком уровня топлива в мерном цилиндре и реле времени, а выход программного блока соединен с сервоприводом топливного насоса высокого давления, согласно изобретению, установка дополнительно содержит бак для контрольного топлива, подключенный к топливопроводу параллельно баку для испытуемого топлива через индивидуальный запорный клапан, датчики плотности испытуемого и контрольного топлив, каждый из которых установлен в соответствующем баке и подключен к соответствующим входам программного блока, датчик перепада давления на топливном фильтре тонкой очистки, связанный с входом программного блока, и запорный клапан, установленный после топливного фильтра тонкой очистки перед точкой подключения к всасывающему участку топливопровода, при этом один из выходов программного блока подключен к дополнительно введенному регистратору значения эффективного проходного сечения форсунки.
зад.
дт
кт
На фиг. 1 представлена блок-схема установки для оценки склонности дизельных топлив к образованию отложений на деталях форсунки. Для пояснения работы установки приняты следующие обозначения: τ - время прокачки топлива через форсунку; Р - заданное значение давления в топливопроводе (на входе в форсунку); Р - текущее значение давления в топливопроводе (на входе в форсунку); ρ- плотность испытуемого дизельного топлива; ρ - плотность контрольного топлива; Н - высота уровня топлива в мерном цилиндре.
3
Установка для оценки склонности дизельных топлив к образованию отложений на деталях форсунки содержит бак 1 объемом три литра, заполненный испытуемым дизельным топливом, к которому подключен топливопровод 2 с установленными последовательно по потоку топливным фильтром 3 тонкой очистки со сменным фильтрующим элементом с пропускной способностью 50 кг/ч (например, 7508.451179.000), топливным насосом 4 высокого давления шестеренчатого типа с рабочим объемом 10 см/об (как вариант Caproni 20А10Х354). Для высокоточного регулирования скорости вращения топливного насоса 4 высокого давления к нему подсоединен сервопривод 5 переменного тока мощностью 1 кВт с частотой вращения 3000 об/мин (например, Delta ECMA-C11010ES). Топливный насос 4 высокого давления связан с форсункой 6 (например, АЗПИ 172.1112010-11.01), которая снимается с ДВС до и после испытаний на моторном стенде. Для сбора топлива, прошедшего через форсунку 6, установка оснащена мерным цилиндром 7 ГОСТ 1170-74 объемом 1000 мл с датчиком 8 уровня топлива поплавкового типа (как вариант, ОВЕН ПДУ-2,1). Программный блок 9, связанный соответствующими входами с микропроцессорным датчиком 10 давления (например, ОВЕН ПД 100 с диапазоном до 16 МПа) в нагнетательном участке топливопровода 2, датчиком 8 уровня топлива в мерном цилиндре 7 и реле времени 11 (как вариант, ЭРКОН-215). Микропроцессорный датчик 10 давления позволяет непрерывно преобразовывать давление измеряемой среды в унифицированный сигнал постоянного тока с высокой точностью. Одноканальное реле времени 11 позволяет автоматически замыкать-размыкать внешнюю цепь с выдержками времени в соответствии с заданными оператором временными промежутками. Выход программного блока 9 соединен с сервоприводом 5 топливного насоса 4 высокого давления. Установка также содержит бак 12 объемом три литра для контрольного топлива, подключенный к топливопроводу 2 параллельно баку 1 для испытуемого дизельного топлива через индивидуальный запорный клапан 13 (например, Valtec VT.052.N.04). Датчики плотности 14, 15 (как вариант, ультразвуковой ДТУ-2) испытуемого и контрольного топлив установлены в соответствующем баке 1, 12 и подключены к соответствующим входам программного блока 9. Датчик 16 перепада давления (например, ОВЕН ПД 200-ДД) на топливном фильтре 3 тонкой очистки связан с входом программного блока 9. Запорный клапан 17 (например, Valtec VT.052.N.04) установлен после топливного фильтра 3 тонкой очистки перед точкой подключения к всасывающему участку топливопровода 2. Один из выходов программного блока 9 подключен к дополнительно введенному регистратору 18 (как вариант, ОВЕН РГ 10) значения эффективного проходного сечения форсунки.
В базу данных программного блока 9 внесены:
зад.
- заданное значение давления в топливопроводе - Р=5МПа,
- диаметр основания мерного цилиндра - D=0,06 м,
- число Пи - π≈3,14159.
- алгоритм для определения объема топлива (V) проливаемого через форсунку в мерный цилиндр
где D - диаметр основания мерного цилиндра, м; Н - высота уровня топлива в мерном цилиндре, м; π; - число Пи.
- алгоритм для определения эффективного проходного сечения форсунки (μƒ)
3
3
где V - объем проливаемого топлива через форсунку в мерный цилиндр, м; ρ - плотность топлива, проливаемого через форсунку, кг/м; τ - время прокачки топлива через форсунку, с; Р - заданное значение давления в топливопроводе, Па.
Склонность дизельного топлива к образованию отложений на деталях форсунки оценивается по изменению эффективного проходного сечения форсунки методом прокачки на установке до и после испытаний испытуемого образца дизельного топлива на моторном стенде с ДВС в течение определенного времени на установленном режиме.
Установка работает следующим образом.
Испытываемую форсунку снимают с ДВС, освобождают ее пружину от затяжки, чтобы игла распылителя свободно поднималась до упора в корпусе форсунки 6. Форсунку 6 подсоединяют герметично к топливопроводу 2 любым известным способом. Запорные клапан 13 и 17 закрыты.
Используя реле времени 11, задают через программный блок 9 отрезок времени работы сервопривода 5, вращающего топливный насос 4 высокого давления строго на определенное время, заданное оператором. Испытуемое контрольное топливо к форсунке 6 подается из топливного бака 12 через открытый запорный кран 13 под постоянным давлением Рзад.=5 МПа, которое контролируется датчиком 10 и в случае рассогласования с заданной величиной давления уменьшают или увеличивают частоту вращения топливного насоса 4 высокого давления.
Сервопривод 5 топливного насоса 4 высокого давления управляется через реле времени 11 программным блоком 9, при этом постоянное давление 5 МПа в нагнетательном участке топливопровода 2 поддерживается путем обратной связи датчика 10, установленном в нагнетательном участке топливопровода 2 и программным блоком 9 сервопривода 5 регулирующего частоту вращения топливного насоса 4 высокого давления.
Проходящее через форсунку 6 контрольное топливо попадает в мерный цилиндр 7, имеющий датчик 8 уровня топлива, сигнал с которого поступает в программный блок 9.
Контроль плотности топлива осуществляется с помощью датчика 14, подключенный к программному блоку 9, которая необходима для расчета в программном блоке 9 эффективного проходного сечения форсунки.
Поступающая информация (высота уровня топлива в мерном цилиндре и плотность топлива) в программный блок 9, заданная реле времени 11 информация (время прокачки топлива через форсунку) и заложенная информация (давление, диаметр основания мерного цилиндра и число Пи) в программном блоке 9, позволяет автоматически определять эффективное проходное сечение форсунки, значение которого выводится на регистратор 18.
Зная по результатам испытания время проливки форсунки и объем контрольного топлива проливаемого через форсунку в мерный цилиндр, рассчитывают эффективное проходное сечение (μƒ) форсунки.
кт
3
3
Например, контрольное топливо имеет плотность равное ρ=840 кг/м, объем проливаемого топлива через форсунку V=0,000962 м, время прокачки τ=75 с, то эффективное проходное сечение форсунки распылителя до испытания на моторном стенде с ДВС равно
Эффективное проходное сечение форсунки распылителя после испытания на моторном стенде с ДВС равно
Изменение эффективного проходного сечения форсунки до и после испытаний равно
Таким же образом проводят испытание на испытуемом дизельном топливе. Для этого запорный клапан 13 закрывают, а запорный клапан 17 открывают и испытуемое дизельное топливо подается к форсунке 6 из топливного бака 1 через топливный фильтр 3 тонкой очистки топливным насосом 4 высокого давления. Заданные параметры идентичны условиям прокачки контрольного топлива.
В случае засоренности топливного фильтра 3 тонкой очистки, контролируемое датчиком 16 перепада давления, испытания прекращаются, т.к. изменяется давление (датчик 10) топлива в топливопроводе 2. Сигнал от датчика 16 поступает на программный блок 9. Контроль засоренности топливного фильтра 3 тонкой очистки позволяет создавать достаточный поток испытуемого дизельного топлива на входе в топливный насос 4 высокого давления для поддержания нужного давления 5 МПа в нагнетательном участке трубопровода 2.
дт
3
3
Например, испытуемое дизельное топливо имеет плотность равное ρ=837,3 кг/м, объем проливаемого топлива через форсунку V=0,000954 м, время прокачки τ=75 с, то эффективное проходное сечение форсунки распылителя до испытания на моторном стенде с ДВС равно
Эффективное проходное сечение форсунки распылителя после испытания на моторном стенде с ДВС равно
Изменение эффективного проходного сечения форсунки до и после испытаний равно
Испытуемый образец дизельного топлива оценивается путем сравнения с аналогичными показателями контрольного топлива по изменению эффективного проходного сечения форсунки до и после испытаний, что позволит сделать качественное заключение о склонности дизельных топлив к образованию отложений на деталях форсунки для применения в ДВС.
Таким образом, применение изобретения позволит оценивать склонность дизельных топлив к образованию отложений на деталях форсунки по изменению эффективного проходного сечения форсунки после совместных испытаний контрольного и испытуемого дизельного топлив с высокой точностью и меньшими трудозатратами за счет использования показателя изменения давления в нагнетательном участке топливопровода на входе в форсунку и, как следствие, регулятора частоты вращения топливного насоса высокого давления с учетом плотности испытуемого топлива и регистратора значения эффективного проходного сечения форсунки.