СПОСОБ ОЦЕНКИ СКЛОННОСТИ АВТОМОБИЛЬНЫХ БЕНЗИНОВ К ОБРАЗОВАНИЮ ОТЛОЖЕНИЙ В ИНЖЕКТОРАХ СИСТЕМ ВПРЫСКА
METHOD OF ESTIMATING AUTOMOTIVE GASOLINE TENDENCY TO FORM SEDIMENTS IN INJECTORS

Изобретение относится к методам оценки эксплуатационных свойств (ЭС) автомобильных бензинов (АБ), в частности к лабораторным способам оценки их склонности к образованию отложений на инжекторах двигателей внутреннего сгорания с искровым зажиганием, и может быть использовано в нефтехимической и автомобильной отраслях промышленности при выработке рекомендаций по применению АБ в различных топливных системах.
Важным показателем, в значительной степени определяющим качество АБ, является их склонность к образованию отложений в системе питания двигателя. Отложения, образующиеся в карбюраторе или инжекторах, впускном трубопроводе и на впускных клапанах, отрицательно сказываются на экономических и экологических характеристиках двигателя, а в некоторых случаях приводят к выходу его из строя. Практика эксплуатации автомобилей с двигателями, оснащенными системой впрыска бензина, при использовании бензинов, не содержащих моющих присадок, показывает, что после 15000 тыс.км возможно снижение пропускной способности инжектора на 5 -15%. [Данилов А.М. Присадки и добавки. Улучшение экологических характеристик нефтяных топлив. - М.: Химия, 1996 г., стр.139].
Большинство методов оценки склонности АБ к образованию отложений во впускной системе бензиновых двигателей основано на дорожных и стендовых испытаниях автомобилей и автомобильных двигателей.
Так, известен и широко применяется «Междуведомственный метод квалификационной оценки склонности авиационных и автомобильных бензинов к образованию отложений во впускной системе двигателя» [Решение ГМК при Госстандарте СССР №23/1-78 от 14.02.78].
Метод включает в себя следующие операции: подготовку сменной пластины и ее взвешивание, установку сменной пластины в специальный патрубок впускной системы двигателя установки УИТ-65 или ИТ 9-2, заливку свежего топлива в бак в количестве 1,5 кг, проведение испытаний при частоте вращения коленчатого вала 900±10 об/мин, температуре масла в картере от 50 до 75°С, температуре стенки впускного патрубка 130±5°С, расходе топлива 1,2 кг/ч, степени сжатия - 5 и последующую оценку весового количества отложений, образующихся на сменной пластине.
Основным недостатком метода является отсутствие возможности оценки склонности АБ к образованию отложений именно в инжекторах систем впрыска.
Наряду с моторным методом оценки склонности АБ к образованию отложений во впускной системе косвенно для оценки работоспособности форсунок можно использовать следующие лабораторные способы их испытания:
[патент РФ №2176325, кл. F02М 65/00, G01М 15/00, 2001 г.и патент РФ №2311557, кл. F02М 65/00, 2006 г.].
Способ испытания форсунок по патенту РФ №2176325 включает технологические операции всасывания, нагнетания и впрыскивания, осуществляемые с увеличенным объемом топлива за рабочий ход насоса с приближением к реальным эксплуатационным условиям работы форсунок. Всасывание и нагнетание производят относительно друг друга по взаимно перпендикулярным направлениям, отсечку топлива выполняют соосно всасыванию и перпендикулярно нагнетанию. Соотношение объемов камеры впрыска к камере всасывания выбирают в пределах 1000 - 100000. Оценку работоспособности форсунок проводят по изменению их производительности в сравнении с исходными ее значениями.
Способ по патенту РФ №2311557 применяется для определения степени закоксованности распылителей форсунок двигателя. Данный способ заключается в подаче дозированного количества топлива через испытываемую форсунку и определении ее пропускной способности до начала и сразу после окончания подачи топлива. О степени закоксованности форсунки судят по изменению пропускной способности последней.
Эти способы не позволяют адекватно воспроизвести условия пребывания бензина в реальной топливной системы автомобиля в процессе эксплуатации автомобиля, что и снижает достоверность оценки склонности АБ к образованию отложений во впускной системе.
Наиболее близким к изобретению по технической сущности и взятым за прототип является косвенный метод для оценки склонности АБ к образованию отложений, который предусматривает проведение дорожных испытаний на автомобиле Chrysler [«Стандартный метод для оценки чистоты инжекторов автомобилей с инжекторной системой питания, ASTM D 5598 - 01], оснащенного двигателем с рабочим объемом 2,2 л с распределенным впрыском [ASTM International, 100 Barr Harbor Drive, PO Box С 700, West Consho-hocken, PA 19428-2959, United States] в циклическом режиме: сначала езда со скоростью 55 миль/ч в течение 15 мин, затем остановка с выключенным двигателем в течение 45 мин.
Для оценки способности АБ поддерживать инжекторы в чистом состоянии перед началом испытаний определяется пропускная способность инжекторов, установленных в автомобиле, после этого автомобиль проходит 10000 миль (728 циклов - езда - остановка) на испытуемом бензине на режиме, описанном выше, после чего инжекторы извлекают, и их пропускная способность сравнивается с первоначальной.
При оценке чистоты инжекторов автомобилей с инжекторной системой питания снижение пропускной способности инжекторов должно быть не более чем на 5%.
Недостатками данного метода являются значительная продолжительность испытания (728 ч) и высокая трудоемкость испытания, обусловленная сборкой - разборкой инжекторного узла системы впрыска двигателя.
Технический результат изобретения - сокращение времени испытания, снижение затрат на проведение испытания с одновременным приближением условий испытаний к реальным условиям эксплуатации без снижения требований к точности результатов.
3
Указанный технический результат достигается тем, что в способе оценки склонности автомобильных бензинов к образованию отложений в инжекторах систем впрыска, включающем прокачку испытуемого бензина через инжектор в циклическом режиме, каждый цикл которого состоит из фазы работы и фазы выдержки инжектора в выключенном состоянии, и последующую оценку склонности бензина к образованию отложений по количеству циклов, соответствующему снижению величины пропускной способности на 5% от начальной, согласно изобретению прокачку испытуемого автомобильного бензина осуществляют через инжектор, нагретый до температуры 180±3°С, при этом продолжительность фазы работы в каждом цикле составляет 1±0,1 с, а длительность фазы выдержки инжектора в выключенном состоянии - 1,8·10±60 с.
На чертеже представлена схема модельной установки, реализующей способ оценки склонности АБ к образованию отложений в инжекторах систем впрыска.
инж
Установка состоит из расходной емкости 1, заполненной испытуемым бензином 2, бензонасоса 3, топливопровода 4, на котором установлены топливный фильтр 5 и распределитель потока 6. Распределитель потока 6 имеет одно посадочное место для установки инжектора 7, нагреваемого нагревателем 8 с термопарой 9. Для сбора испытуемого бензина, прошедшего через инжектор 7, установка оснащена топливосборником 10 с мерной шкалой, которая отградуирована в единицах расхода пропускной способности инжектора 7 (Q).
В расходной емкости 1 установлен бензонасос 3, который соединен топливопроводом 4 через фильтр 5 с распределителем потока 6. На топливопроводе 4 установлен манометр 12 для контроля давления бензина в системе, для регулировки и поддержания давления в топливной системе в пределах 0,30±0,01 МПа на топливопроводе 4 после распределителя потока 6 установлен регулятор давления 13, обеспечивающий перепуск части бензина обратно в расходную емкость 1. Основные узлы установки, такие как бензонасос 3, фильтр 5, распределитель потока 6 и инжектор 7, регулятор давления 13 являются штатными деталями топливной системы автомобилей семейства ВА3-2110.
инж
Пропускная способность инжектора 7 Q измеряется датчиком уровня 15, который представляет собой обычный уровнемер поплавкового типа (например, УДУ-5) [«Приборы для измерения и регистрирования уровня жидкостей и сыпучих материалов». Номенклатурный справочник. - М., 1977 г, стр.8].
Управление последовательностью операций испытания АБ осуществляется с помощью программного блока 11 по специально разработанной программе проведения испытаний АБ. Блок 11 выполнен, как вариант, на базе компьютера "Pentium II" с памятью на жестком диске-20 GB, оперативной памятью - 64 Мб, частотой процессора - 600 Гц, CD-ROM.
Программный блок 11 связан с датчиком 9 температуры (как вариант, термопара), датчиком давления (манометром) 12, исполнительным механизмом бензонасоса 3, а также входами нагревателя 8, реле времени 14. Выходы блока 11 связаны с управляющими входами бензонасоса 3, нагревателя 8 и реле времени 14.
В базу данных блока 11 внесены следующие значения:
- количество циклов работы инжектора 7 ( - заданное значение количества циклов работы инжектора 7 ());
-режимные параметры испытания
- температура инжектора,
- рабочее давление в системе,
- время работы инжектора,
- время выдержки инжектора в выключенном состоянии,
- пропускная способность инжектора.
В процессе испытания на блок 11 поступают текущие значения контролируемых параметров ( - температура инжектора,  - рабочее давление в системе,  - время работы инжектора,  - время выдержки инжектора в выключенном состоянии,  - текущее значение пропускной способности инжектора за заданное значение количества циклов работы).
Температура нагрева инжектора 7 (=180±3°С) выбрана на основании результатов испытаний термической стабильности бензинов различного группового состава и соответствует температуре максимального образования смолистых и нерастворимых в бензине соединений в статических условиях.
раб.инж
выд.инж
Длительность фазы прокачки бензина через инжектор 7 выбрана исходя из условий практики эксплуатации автомобилей с двигателями, оснащенными системой впрыска бензина, в которых смена порции топлива, подвергшейся окислению в инжекторе 7 в фазе выдержки его в выключенном состоянии, равна (t=1 с), кроме того, не происходит существенного снижения температуры инжектора 7. Малая длительность фазы прокачки бензина через инжектор 7 препятствует смыванию образующихся отложений прокачиваемым бензином. Длительность фазы выдержки инжектора 7 в выключенном состоянии (t=30 мин) выбрана на основании экспериментальной оценки реального времени снижения температуры горячего двигателя до температуры 100°С после его выключения.
Способ оценки склонности автомобильных бензинов к образованию отложений в инжекторах систем впрыска реализуется следующим образом.
2
Пример: предварительно отфильтрованный автомобильный бензин марки Регуляр - 92 по ГОСТ Р 51105 в количестве 3 л заливают в расходную емкость 1. В посадочное гнездо распределителя потока 6 устанавливают новый инжектор 7 (фирма Bosch с диапазоном давления открытия форсунок - 3,0-4,1 кгс/см), под которым непосредственно устанавливают топливосборник 10. После этого подключают исполнительные механизмы бензонасоса 3, реле времени 14 и датчика уровня 15 к блоку управления 11. Для проверки работоспособности инжектора 7 включают бензонасос 3 и кратковременно инжектор 7, после чего проверяют отсутствие подтекания испытуемого бензина в инжекторе 7.
Для измерения начальной пропускной способности инжектора 7 () выполняют следующие операции: через блок 11 включают исполнительный механизм бензонасоса 3, реле времени 14 и датчика уровня 15. Бензонасос 3 осуществляет прокачку испытуемого бензина по топливопроводу 4 через фильтр 5 к распределителю потока 6, где установлен инжектор 7. Испытуемый бензин, прошедший через инжектор 7, попадает в топливосборник 10. По истечении 1 мин реле времени 14 отключает инжектор 7, при этом бензонасос 3 не выключают, регулируя давление регулятором 13, обеспечивая циркуляцию топлива в системе по топливопроводу 4. Пропускную способность инжектора 7 определяют по объему испытуемого бензина, прошедшего через инжектор 7 с использованием датчика уровня 15. Измерение начальной пропускной способности инжектора 7 () повторяют 3-4 раза, при этом
за начальное значение пропускной способности инжектора 7 принимают среднее арифметическое полученных значений пропускной способности инжектора 7, которое для испытуемого бензина составило - 143 мл/мин.
После этого на нижнюю часть инжектора 7 надевают нагреватель 8 и на его вход подают управляющий сигнал при достижении температуры инжектора 7, равной заданному значению =180±3°С, блок 11 включает реле времени 14. В процессе испытания бензина через 50 циклов работы инжектору 7 блок 11 автоматически отключает нагреватель 8 и дают инжектор 7 остыть до комнатной температуры.
После этого измеряют пропускную способность инжектора через 50 циклов работы () в автоматическом режиме: блок 11 включает реле времени 14, которое по истечении 1 мин отключает инжектор 7. Пропускную способность инжектора 7 через 50 циклов работы () определяют по объему испытуемого бензина, прошедшего через инжектор 7 с использованием датчика уровня 15. Измерение пропускной способности инжектора 7 через 50 циклов работы () повторяют 3-4 раза, при этом за начальное значение пропускной способности инжектора 7 через 50 циклов работы () принимают среднее арифметическое полученных значений пропускной способности инжектора 7, которое для испытуемого бензина составило - 141 мл/мин.
Блок 11 определяет снижение величины пропускной способности инжектора 7 в сравнении с начальной и записывает ее в файл программы в процентах (далее указывается в скобках). Если пропускная способность инжектора 7 через 50 циклов работы уменьшилась менее чем на 1,5%, то дальнейшее ее измерение проводят через 100 циклов его работы (см. таблицу 1).
В процессе испытания блок 11 обрабатывает полученные данные пропускной способности инжектора 7 (=143 мл/мин (0%); =141 мл/мин (1,01%); =138 мл/мин (3,49%); =136,5 мл/мин (4,54%)). Испытания проводят до тех пор, пока пропускная способность инжектора 7 превысит 5% от начального значения. При проведении испытаний на испытуемом бензине увеличение пропускной способности инжектора 7 более чем на 5% наступило после 350 циклов работы инжектора 7 и составило =134 мл/мин (6,29%).
При увеличении пропускной способности инжектора 7 более чем на 5%, т.е. 6,29%, испытание автоматически прекращается, а блок 11 полностью отключает электропитание установки, выдавая при этом окончательный расчет оценочного показателя склонности АБ к образованию отложений в инжекторах систем впрыска, соответствующего снижению пропускной способности инжектора на 5% по количеству циклов работы, который составил - 277 (см. таблицу 1).
Проведя корреляцию полученного значения пропускной способности инжектора 7 на испытуемом бензине (=277) с практикой эксплуатации этих инжекторов, авторами установлено, что при применении испытуемого бензина на автомобилях с двигателями, оснащенными системой впрыска бензина, промывку инжекторов необходимо проводить через каждые 14000 км пробега.
Заявленным способом проведены испытания автомобильных бензинов следующих марок: Премиум - 95 по ГОСТ Р 51105, Регуляр - 92 по ГОСТ Р 51105, Премиум Евро-95/4 класс D по ТУ 38.401-58. Основные результаты их испытаний представлены в таблице 1.
Таблица 1Результаты испытаний автомобильных бензинов*
Наименование образца
Продолжительность испытания, количество циклов(n<sub>ц</sub>)
Пропускная способность инжектора, мл/мин
Снижение величины пропускной способности инжектора, %
Оценочный показатель, склонности автомобильных бензинов к образованию отложений, количество циклов(<img file="00000022.tif" he="6" wi="9" img-content="undefined" img-format="tif" />)
1
2
3
4
5
Бензин автомобильный марки Премиум - 95 по ГОСТ Р 51105
0(исходн.)
142
-
50
140
1,41
150
138,5
2,46
250
137
3,52
362
350
135,5
4,57
450
133
6,33
Бензин автомобильный марки Регуляр - 92 по ГОСТ Р 51105
0 (исходн.)
143
-
50
141
1,01
150
138
3,49
277
250
136,5
4,54
350
134
6,29
Бензин автомобильный марки Премиум Евро-95/4 класс D по ТУ 38.401-58
0 (исходн.)
141
-
50
139
1,42
150
138
2,13
250
136
3,55
359
350
134
4,96
450
132,5
6,03
* - температура инжектора Т<sub>инж</sub>=180±3°С,
фаза работы инжектора t<sub>раб.инж</sub> составляет 1±0,1 с,
фаза выдержки инжектора в выключенном состоянии t<sub>выд.инж </sub>- 30±1 мин
Как видно из таблицы 1, в 5-й колонке представлен оценочный показатель склонности АБ к образованию отложений в инжекторах систем впрыска, соответствующий снижению пропускной способности инжектора на 5%, полученный расчетным путем с использованием исходных данных 2-й колонки и полученных результатов испытаний в 3-й колонке таблицы 1.
На основании результатов испытаний, представленных в таблице 1, авторами установлено соответствие полученных результатов с практикой эксплуатации и выработаны рекомендации по промывке инжекторов, применяемых на автомобилях с двигателями, оснащенными системой впрыска (см. таблицу 2).
Таблица 2Сроки промывки инжекторов автомобилей с двигателями, оснащенными системой впрыска бензина
Марка автомобильного бензина
Оценочный показатель, склонности автомобильных бензинов к образованию отложений по количеству циклов работы
Рекомендации
1
2
3
Премиум - 95 по ГОСТ Р 51105
362
Промывку инжекторов необходимо проводить каждые 18000 км пробега
Регуляр - 92 по ГОСТ Р 51105
277
Промывку инжекторов необходимо проводить каждые 14000 км пробега
Премиум Евро - 95/4 класс D по ТУ 38.401 - 58
359
Промывку инжекторов необходимо проводить каждые 18000 км пробега
Применение изобретения позволяет:
инж
раб.инж
выд.инж
повысить точность и достоверность оценки склонности АБ к образованию отложений в инжекторах систем впрыска за счет приближения условий испытаний (нагрев инжектора (температура инжектора Т=180±3°С), установление продолжительности фазы работы инжектора (t=1±0,1 с) и фаза выдержки инжектора в выключенном состоянии (t- 30±1 мин)) к
реальным условиям эксплуатации двигателей.
Кроме того, снижаются трудозатраты за счет сокращения времени испытания (≈ до 200 ч) и автоматизации, снижения расхода испытуемого топлива (≈ до 100 раз) и отказа от использования полноразмерного двигателя.