Автоматизированная установка для испытания топлив и масел при различных режимах эксплуатации двигателя
AUTOMATED INSTALLATION FOR TESTING FUELS AND OILS UNDER VARIOUS ENGINE OPERATING CONDITIONS

Изобретение относится к способам испытаний топлив и масел на моторных установках с использованием теплообменников как на линиях подачи масла, так и охлаждающей жидкости и может быть использовано в автоматизированных системах управления технологическими процессами оценки качеств топлив и масел, как создаваемых новых, так и модернизируемых для конкретных двигателей.
Для оценки наиболее важных эксплуатационных свойств дизельных топлив (воспламеняемости, склонности к образованию высокотемпературных отложений, экологических свойств) и автомобильных бензинов (испаряемости, горючести, склонности к образованию отложений) используют моторные установки, оснащенные соответствующими датчиками и измерительной аппаратурой. При этом испытания проводят либо при фиксированных условиях параметров работы установки (частота вращения коленчатого вала, степень сжатия, температуры охлаждающей жидкости, воздуха на всасывании, масла в картере и др.), либо при различных параметрах (частота вращения коленчатого вала, нагрузка, угол опережения впрыска и др.), изменяемых в соответствии с программой испытаний. В зависимости от конструктивных особенностей двигателя и режимов его эксплуатации факторы, определяющие скорость протекания процессов превращения топлива в двигателе (температуры рабочего заряда и деталей камеры сгорания, коэффициент избытка воздуха и др.), могут изменяться в широких пределах.
Перед авторами стояла задача разработать автоматизированную установку для испытания топлив и масел при различных режимах эксплуатации двигателя, обеспечивающую возможность проведения испытаний в широком диапазоне режимов работы техники и условий ее эксплуатации. А именно на температурных режимах и режимах холостого хода, частичных и полных нагрузок двигателя с оценкой таких качеств, как склонности дизельных топлив к закоксовыванию распылителей форсунок и дымность отработавших газов, влияния состава дизельных топлив на их воспламеняемость, а также противоизносные свойства моторных масел и оценки склонности моторных масел к образованию отложений на деталях двигателя.
При просмотре источников патентной и научно-технической литературы были выявлены технические решения, позволяющие оценить возможность использования их в разрабатываемой установке.
Так известен моторный стенд для определения цетанового числа дизельных топлив, содержащий двигатель, агрегаты системы смазки, охлаждения, воздухоподачи и пульт управления (1 - Н.Н. Гришин, В.В. Середа. Энциклопедия химмотологии. - М.: Издательство «Перо», 2016, С. 838-840).
Даная установка имеет ограниченное применение, т.к. определяет только эксплуатационного свойства дизельного топлива по одному показателю (воспламеняемости) и невозможность изменения состава смеси.
Известна установка для испытания моторных масел, которая состоит из двигателя, воздушной системы, системами смазки и охлаждения, а также отдельного пульта управления с измерительными приборами и регулировочными устройствами (2 - Сборник трудов ВНИИНП, выпуск XXV. Новые методы испытания моторных масел. М.: Издательство ЦНИИТ-Энефтехим, 1977, С. 31-39).
Однако эта установка имеет ограниченное применение, т.к. определяет только моющие свойства моторного масла, что приводит к увеличению трудозатрат при проведении испытаний топлив и масел.
Наиболее близким по технической сущности к заявленному изобретению является система охлаждения стационарного двигателя внутреннего сгорания, содержащая внутренний замкнутый контур циркуляции охлаждающей жидкости, в который входят байпасный канал с управляемыми клапанами и наружный разомкнутый контур подвода воды через управляемый вентиль к жидкостному теплообменнику. Жидкостный теплообменник представляет собой открытую сверху емкость для воды, разделенную на две изолированные полости радиатором, с уплотнением по внутренней поверхности емкости теплообменника. В одной из изолированных полостей емкости теплообменника находится распределитель подачи воды к радиатору, в другой полости находится узел поддержания заданного уровня воды в емкости, обеспечивающий полное погружение в воду охлаждающей поверхности радиатора. Управление работой системы охлаждения обеспечивается блоком управления через управляемые клапаны и управляемый вентиль по результатам замера температур охлаждающей жидкости температурными датчиками (3 - РФ Патент 2707787, F01P 3/20, F28D 1/02 - прототип).
Недостатком данной установки, является то, что в ней не предусмотрена система поддержания температурного режима являющейся неотъемлемой частью в системе смазки двигателя. Кроме того отсутствует возможность изменения подачи количества воздуха в двигатель для моделирования режимов (холостого хода, частичных и полных нагрузок) эксплуатации двигателя в реальных условиях. Стоимостные затраты на испытания топлива и масла относительно высокие, обусловленные использованием четырехцилиндрового двигателя Д-245.
Технический результат изобретения - расширение функциональных возможностей установки с одновременным сокращением трудозатрат за счет совокупности проведения испытания различных нефтепродуктов (топлива и моторного масла), на которые влияют режимы эксплуатации двигателя.
Указанный технический результат достигается за счет того, что автоматизированная установка для испытания топлив и масел при различных режимах эксплуатации двигателя, содержащая двигатель с системой смазки и рубашкой охлаждения, к входному и выходному патрубкам которой подключен циркуляционный контур охлаждающей жидкости, в котором последовательно по потоку установлены насос подачи охлаждающей жидкости и связанный с соответствующим патрубком расширительного бачка жидкостной теплообменник, выполненный в виде открытой сверху емкости для воды, внутри которой установлен радиатор, имеющий горизонтальные сквозные каналы и разделяющий емкость теплообменника на две изолированные друг от друга полости, в одной из которых по всей высоте установлен распределитель подачи воды в горизонтальные каналы радиатора, а в другой полости установлен узел поддержания в емкости теплообменника заданного уровня воды, поступающей в распределитель от внешнего накопителя по трубопроводу с запорным клапаном, управляющий вход которого соединен с соответствующим выходом блока управления, к входам которого подключены датчики температуры охлаждающей жидкости, один из которых установлен на выходном патрубке водяной рубашки охлаждения двигателя, а другой - на выходе жидкостного теплообменника, согласно изобретению, установка дополнительно содержит модуль для создания стабильной топливовоздушной смеси заданного состава и установленный в системе смазки двигателя водомасляный теплообменник закрытого типа, на входе которого размещен подключенный к соответствующему входу блока управления датчик температуры масла системы смазки двигателя, патрубок подачи воды водомасляного теплообменника связан трубопроводом через индивидуальный запорный клапан с трубопроводом подачи охлаждающей воды от внешнего накопителя в жидкостной теплообменник циркуляционного контура, патрубок слива воды из водомасляного теплообменника другим трубопроводом соединен с трубопроводом слива воды из жидкостного теплообменника циркуляционного контура, при этом модуль для создания стабильной топливовоздушной смеси заданного состава состоит из подключенного к впускному патрубку подачи воздуха двигателя демпфирующего устройства, связанного с источником воздуха воздухопроводом, в котором установлены датчик и регулятор расхода воздуха, соединенные с соответствующими входом и выходом блока управления.
На фиг. 1 представлена схема автоматизированной установки для испытания топлив и масел при различных режимах эксплуатации двигателя.
Автоматизированная установка содержит одноцилиндровый двигатель 1 отсека двигателя КамАЗ-740 с системой смазки 2 и рубашки 3 охлаждения. К входному 4 и выходному 5 патрубкам рубашки 3 охлаждения подключен циркуляционный контур охлаждающей жидкости, в котором последовательно по потоку установлен автономный электрический насос 6 (как вариант, модель WILO STAR Z 25/2-DM) и связанный трубопроводом с расширительным бачком 7 жидкостного теплообменника 8, внутри которого установлена емкость 9 и радиатор 10. Радиатор 10 размещен в жидкостном теплообменнике 8, выполненным в виде открытой сверху емкости 9 для воды (как в прототипе). Радиатор 10 имеет горизонтальные сквозные каналы и разделяет емкость теплообменника 8 на две изолированные друг от друга полости. В одной полости по всей высоте установлен распределитель 11 подачи воды в горизонтальные каналы радиатора 10, а в другой полости установлен узел 12 поддержания в емкости 9 теплообменника 8 заданного уровня воды, поступающей в распределитель 11 от внешнего накопителя по трубопроводу 13 с запорным клапаном 14 (как вариант, PREMIUM). Управляющий вход запорного клапана 14 соединен с соответствующим выходом блока управления 15 (как вариант, на базе промышленного компьютера, соединенного цифровой шиной RS 485 с системами контроля и управления), к входам которого подключены датчики 16, 17 (как вариант, ДТС 065Л) температуры охлаждающей жидкости, один из которых установлен на выходном патрубке водяной рубашки 3 охлаждения двигателя, а другой - на выходе жидкостного теплообменника 8.
Для обеспечения температурного режима в системе смазки 2 установлен водомасляный теплообменник 19 закрытого типа (как вариант, SDL 0094), на входном патрубке 20 которого установлен датчик 21 температуры масла. Масло, подаваемое из одноцилиндрового двигателя 1 через входной патрубок 20 в масляный радиатор (без позиции) водомасляного теплообменника 19, охлаждается и подается в главную масляную магистраль (не показана) одноцилиндрового двигателя 1. Патрубок подачи воды водомасляного теплообменника 19 связан трубопроводом 22 через индивидуальный запорный клапан 23 (как вариант, PREMIUM) с трубопроводом 13 подачи охлаждающей воды от внешнего накопителя в жидкостной теплообменник 8 циркуляционного контура. Патрубок 24 слива воды из водомасляного теплообменника 19 другим трубопроводом 25 соединен с трубопроводом 12 слива воды из жидкостного теплообменника 8 циркуляционного контура. Объем заливаемой воды в водомасляном теплообменнике 19 контролируют по объемному расходомеру (не показан) перед испытанием. Учитывая, что водомасляный теплообменник 19 закрытого типа, то слив воды осуществляется очень редко. Полное удаление воды осуществляется принудительно из патрубка 24 по трубопроводу 25 с помощью насоса (не показан).
Для создания стабильной топливовоздушной смеси заданного состава предусмотрен модуль 18, связанный (без позиции) с камерой сгорания двигателя через впускной патрубок 26 подачи воздуха в одноцилиндровый двигатель 1. В модуле 18 установлено демпфирующее устройство 27, связанное с источником воздуха воздухопроводом, в котором установлены датчик 28 (как вариант, фирмы AVL) и регулятор 29 расхода воздуха, соединенные с соответствующими входом и выходом блока управления 15. Демпфирующее устройство 27 представляет собой емкость, объем которой равен 200 рабочим объемам цилиндра двигателя 1. Внутри емкости установлены перегородки, расположенные в шахматном порядке на расстоянии, равном высоте перегородки, и создают лабиринт, позволяющий гасить скорость потока воздуха. Для гашения пульсации воздуха в емкости предусмотрена эластичная резиновая диафрагма (без позиции), расположенная на противоположной входному трубопроводу торцевой поверхности демпфирующего устройства 27. В качестве регулятора подачи воздуха 29 может быть использовано любое устройство, позволяющее подавать воздух в камеру сгорания одноцилиндрового двигателя 1 в пределах обеспечения состава смеси от α=0,8 до α=2,4 задаваемое блоком управления 15 (α - коэффициент избытка воздуха). Перед входным патрубком демпфирующего устройства 27 установлен датчик 28 и регулятор 29 расхода воздуха.
Работа автоматизированной установки осуществляется следующим образом.
2
-1
Пример 1. Необходимо оценить эксплуатационное (моющее) свойство моторного масла марки М-10Гк. Испытание моторного масла проводят при нагрузке равной 70Н⋅м, частоте вращения коленчатого вала - 2400 мин и при продолжительности 120 часов. Для испытания моторного масла на автоматизированной установке необходимо поддерживать температурный режим в системе смазки одноцилиндрового отсека двигателя 1 КамАЗ-740 равным 105±4°С (по датчику температуры масла 21). Указанный температурный режим поддерживается водомасляным теплообменником 19 путем изменения подачи воды через запорный клапан 23. Значение температуры моторного масла на входе во внутренний контур водомасляного теплообменника 19 определяется датчиком 21, сигнал от которого передается на блок управления 15, с которого осуществляется управление запорным клапаном 23.
Температурный режим в системе охлаждения двигателя поддерживается в пределах 130±2°С (по датчику охлаждающей воды 16) путем отвода горячей охлаждающей жидкости от выходного патрубка рубашки охлаждения 5 в радиатор 10 жидкостного теплообменника 8. Охлажденная жидкость забирается циркуляционным насосом 6 и подается во входной патрубок рубашки охлаждения 4 двигателя 1. Величина температуры охлаждающей жидкости обеспечивается протоком воды через соты радиатора 10, количество которой регулируется запорным клапаном 14, управляемым блоком управления 15 после обработки выходных сигналов с датчиков 16, 17.
По истечении 120 часов испытаний оценивают величину лаковых отложений в баллах на перемычках поршневых колец, юбке поршня и внутренней поверхности поршня в зоне днища и бобышек. По величине лаковых отложений определяют соответствие данного образца моторного масла к требованиям нормативного документа.
Пример 2. Необходимо оценить склонность дизельного топлива марки ДТ-Л к закоксовыванию распылителя форсунки. Перед проведением испытаний форсунка проверяется на гидравлическом стенде с целью определения эффективного проходного сечения распылителя.
Испытания дизельного топлива проводятся на режимах работы двигателя:
-1
- холостой ход - 1000 мин - 15 мин;
-1
- максимальный крутящий момент - 1600 мин - 50 Н⋅м - 150 мин;
-1
- номинальный режим - 2600 мин - 40 Н⋅м - 60 мин;
-1
- холостой ход - 1000 мин - 15 мин.
Общая продолжительность цикла составляет 4 часа.
Испытания топлива на автоматизированной установке осуществляют изменением состава смеси. Для этого регулятором расхода воздуха 29 ограничивается подача воздуха до обогащенного состава α=1,2. При этом управление регулятором 29 осуществляется блоком управления 15 по результатам показания датчика расхода воздуха 28.
Данный состав смеси α=1,2 поддерживается автоматически блоком управления 15 в зависимости от изменения нагрузочно-скоростного режима двигателя.
Температурный режим систем охлаждения и смазки двигателя поддерживается аналогично как в примере 1.
По окончанию проведения испытания проверяется форсунка на гидравлическом стенде с целью изменения эффективного проходного сечения распылителя в следствии закоксовывания. По величине изменения эффективного проходного сечения распылителя определяется качество испытуемого топлива.
Как видно из результатов испытаний (пример 1 и 2) использование автоматизированной установки для испытания топлив и масел при различных режимах эксплуатации двигателя позволит снизить трудозатраты испытаний за счет совокупности проведения испытания различных нефтепродуктов (топлива и моторного масла), а также моделировании режимов (холостого хода, частичных и полных нагрузок) эксплуатации двигателя в реальных условиях и изменения состава смеси регулированием подачи воздуха в двигатель.