Установка для оценки эксплуатационных характеристик дизельных топлив в условиях низких температур
INSTALLATION FOR EVALUATING THE PERFORMANCE OF DIESEL FUELS AT LOW TEMPERATURES

Изобретение относится к области испытания топлив на стендовых установках, в частности, для оценки низкотемпературной прокачиваемости топлив для дизельных двигателей, и может быть использовано для контроля качества моторных топлив, применяемых в технике в условиях низких температур.
Низкотемпературные свойства дизельных топлив следует оценивать преимущественно с точки зрения их прокачиваемости. Прокачиваемость - определяющая эксплуатационная характеристика дизельного топлива при пониженных температурах, так как подача точно заданного количества топлива в камеру сгорания двигателя является одним из основных условий для его надежного пуска и бесперебойной работы. Проблема прокачиваемости для большинства типов дизельных топлив возникает, как правило, только при воздействии отрицательных температур. Прокачиваемость моторных топлив с физико-химической точки зрения может быть охарактеризована значениями их вязкости, температурам застывания и помутнения. Вязкость топлива напрямую зависит от температур помутнения и застывания.
При экспериментальном определении температур помутнения и застывания довольно часто наблюдаются значительные расхождения результатов, получаемых в разных лабораториях, что заставляет особенно строго относиться к соблюдению режима испытаний. При этом, используя только эти характеристики, нельзя однозначно дать заключение о возможности применения топлива в конкретной силовой установке и в заданном климатическом районе эксплуатации. Решающую роль в определении низкотемпературных свойств дизельных топлив должны иметь методы, оценивающие их прокачиваемость в различных элементах топливной системы двигателей при заданной температуре (Саблина З.А., Ширкова Г.Б., Ермакова Т.И. Лабораторные методы оценки свойств моторных и реактивных топлив - М.: Химия, 1978 - 240 с.).
Для оценки прокачиваемости топлива используются косвенные лабораторные методы: ГОСТ 22254-92 «Топливо дизельное. Метод определения предельной температуры фильтруемости на холодном фильтре»; ГОСТ 19006-73 «Метод определения коэффициента фильтруемости»; ГОСТ 5066-91 «Методы определения температуры помутнения, начала кристаллизации и кристаллизации». Результаты испытаний с использованием данных лабораторных методов обладают низкой точностью, так как не отражают реального поведения топлива для дизелей в топливной системе конкретных видов техники в условиях низких температур и имеют низкую корреляцию с результатами, полученными при испытаниях техники.
Таким образом, главной задачей при разработке новых методов и устройств для оценки низкотемпературных свойств топлив, прежде всего прокачиваемости, является обеспечение корреляции результатов лабораторных определений с результатами, полученными при эксплуатации техники.
Известные способы и устройства для оценки низкотемпературных свойств топлив по патентам RU 2401984, опубл. 20.10.2010; RU 2414700, опубл. 20.03.2011; RU 2473882, опубл. 27.01.2013 не решают указанную проблему.
Работы по созданию способов и установок для оценки низкотемпературной прокачиваемости дизельного топлива ведутся в ФАУ «25 Государственный научно-исследовательский институт МО РФ»: RU 2263308, опубл. 27.10.2005; RU 2629201, опубл. 25.08.2017. Данные способы более успешно моделируют многофакторные условия эксплуатации техники, что повышает точность и достоверность оценки прокачиваемости моторных топлив в условиях отрицательных температур по сравнению с лабораторными методами, но не учитывают особенности работы насосов топливных систем.
Наиболее близким решением по технической сущности к заявляемому устройству является установка для оценки низкотемпературной прокачиваемости топлив для дизелей, описанная в патенте RU 2261426, опубл. 27.09.2005 (прототип).
Установка-прототип содержит размещенные в термокамере топливный бак с заливной горловиной и двумя патрубками слива, на первом из которых установлен запорный клапан; соединенные последовательно по потоку: центробежный топливный насос, всасывающая магистраль которого подключена ко второму сливному патрубку топливного бака; трехходовой кран, ручной насос, фильтр грубой очистки, топливоподкачивающий насос, фильтр тонкой очистки, датчик расхода топлива через фильтр тонкой очистки и приемную емкость для отфильтрованного топлива. Установка снабжена дополнительными запорными кранами, один из которых размещен на магистрали слива отфильтрованного топлива между фильтром тонкой очистки и датчиком расхода топлива, а другой - на дополнительном топливопроводе, соединяющем основной топливопровод в точке перед фильтром тонкой очистки с горловиной топливного бака. Установка имеет блок для ручного управления заданной последовательностью операций, размещенный вне термокамеры. Соответствующие входы блока управления соединены с имеющимися датчиками температуры топлива в баке и на основном топливопроводе перед фильтром тонкой очистки, с датчиками перепада давления на фильтре тонкой очистки и датчиком расхода топлива через фильтр тонкой очистки, а соответствующие выходы подключены к запорному клапану на первом патрубке слива и к исполнительному механизму топливоподкачивающего насоса. Управляющие входы центробежного топливного насоса, трехходового крана и дополнительных запорных кранов также связаны с соответствующими выходами блока управления.
Установка-прототип позволяет моделировать условия испытания, достаточно близкие к реальным условиям эксплуатации современной автотракторной и бронетанковой техники, что дает более точные результаты, чем лабораторные методы оценки низкотемпературной прокачиваемости дизельного топлива. Недостатками установки являются: неоднозначное ручное управление кранами для обеспечения требуемого начального расхода топлива, возможность исследования топлива только при низких давлениях в топливопроводах и при ограниченных значениях расходных характеристик топлива (от 0,8 до 7 л/мин), а также отсутствие учета гидравлического сопротивления системы.
Задачей предлагаемого изобретения является разработка лабораторно-стендовой установки, позволяющей оперативно и достоверно оценивать прокачиваемость дизельного топлива, охлажденного с заданной скоростью до заданной температуры, последовательно, в контурах низкого и высокого давления, определять значения подачи и давления топлива в топливной линии и регистрировать критический (не обеспечивающий работоспособность двигателя) расход и критические температуры прокачиваемости топлива.
Решение поставленной задачи достигается предлагаемой установкой для оценки эксплуатационных характеристик дизельных топлив в условиях низких температур, содержащей размещенные в термокамере топливный бак с датчиком температуры, соединенные последовательно по потоку исследуемого топлива топливоподкачивающий насос с электроприводом, сменные фильтры грубой и тонкой очистки, датчик расхода топлива через фильтр тонкой очистки, датчики давления, расположенные до и после фильтра тонкой очистки, датчик температуры исследуемого топлива, циркуляционный контур для перемешивания топлива в баке при охлаждении и блок информационно-управляющей системы, обеспечивающий сбор информации от измерительной аппаратуры и управление исполнительным оборудованием, размещенный вне термокамеры, в которую, согласно изобретению, дополнительно введены электромагнитные клапаны для автоматизированного управления прокачкой топлива по независимым трассам, имитатор гидравлического сопротивления топливной системы, топливный насос высокого давления с управляемым электроприводом, топливные форсунки с мерной емкостью, датчик давления, расположенный перед фильтром грубой очистки, два датчика давления на выходе насоса высокого давления перед соответствующими топливными форсунками, два дополнительных встроенных датчика температуры топлива в баке и датчик расхода топлива на входе в топливный бак по циркуляционному контуру.
3
Термокамера для проведения испытаний является малогабаритной (полезный объем 1,0-3,0 м), что обеспечивает более высокую точность температурного градиента охлаждения топлива.
Сущность изобретения поясняется на чертеже, на котором представлена блок-схема заявляемого устройства для оценки прокачиваемости дизельного топлива в условиях низких температур.
Б1
Б2
Б3
С
1
2
Ф
1
2
3
4
5
6
Г
Т
1
2
3
Устройство содержит топливный бак 1 с тремя датчиками температуры Т, Т, Т, топливный насос высокого давления 2, имитатор гидравлического сопротивления системы 3, топливоподкачивающий насос 4, топливные форсунки 5, блок информационно-управляющей системы 6, датчик температуры исследуемого топлива Т, расходомеры Q, Q, измерительные емкости для определения расхода Q через форсунки, электромагнитные клапаны К, К, К, К, К, К, фильтр грубой очистки F, фильтр тонкой очистки F и датчики давления P, Р, Р.
1
2
3
4
5
6
В предлагаемой установке использовались электромагнитные клапаны (К, К, К, К, К, К) марки ЭПК-01 ТМ 0206.00.000ТУ, поршневые, прямого действия, DN=15, исполнение УХЛ, V=24 В, производство: Пензенский завод трубопроводной арматуры.
Вся установка была размещена в малогабаритной низкотемпературной климатической камере (на чертеже не показана).
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
Т
Г
В топливный бак 1 заливается 50-60 л топлива, устанавливаются фильтры тонкой F и грубой очистки F для выбранного класса двигателя (танк, боевая машина пехоты, бронетранспортер, шасси ПВО, специальный автомобиль и др.), определенные нормативными документами (руководством по эксплуатации на двигатель завода производителя).
Перед испытанием топлива проводится его физико-химический анализ с обязательным определением лабораторными методами температуры помутнения и застывания (кристаллизации) топлива, наличия воды и механических примесей (ГОСТ 5066-91 «Методы определения температуры помутнения, начала кристаллизации и кристаллизации»).
Топливо исследуется при трех температурах: на 5 градусов выше температуры помутнения, при температуре помутнения и при температуре на 5 градусов выше температуры застывания.
Образец топлива при каждой указанной температуре прокачивают по четырем независимым трассам для определения расхода топлива (прокачиваемости) в разных условиях:
1) прокачивание топлива по циркуляционному контуру для перемешивания топлива в баке 1 при охлаждении - трасса без гидравлического сопротивления;
2) прокачивание топлива по циркуляционной трассе с имитатором гидравлического сопротивления 3;
Г
Т
3) прокачивание топлива через имитатор гидравлического сопротивления 3 и затем через фильтры грубой F и тонкой очистки F;
Г
Т
4) последовательное прокачивание топлива через имитатор гидравлического сопротивления 3, через фильтры грубой F и тонкой очистки F и затем через насос высокого давления 2 на топливные форсунки 5.
Прокачивание по трассам 1, 2, 3 ведется «на кольцо», то есть прокачанное топливо возвращается обратно в бак 1. (Для слива топлива после испытаний в циркуляционной трассе имеется специальный отвод, на чертеже не показанный).
Б2
Б1
Б2
Б3
Перед началом испытаний устанавливается заданная температура в климатической камере, после достижения топливом в баке 1 заданной температуры по показаниям датчика Т включается топливоподкачивающий насос 4, и топливо прокачивается по циркуляционному контуру без гидравлического сопротивления до достижения среднего значения (среднеарифметической величины по измерениям Т, Т, Т) заданной температуры топлива в баке 1 с отклонением не более ±0,5°С. После выравнивания температур топлива в баке производится термостабилизирующая выдержка в течение 1-1,5 ч.
Б1
Б2
Б3
Скорость охлаждения топлива в баке 1 зависит от выбранной заданной температуры испытаний: для достижения температуры на 5 градусов выше температуры помутнения топливо охлаждают с максимальной скоростью - не менее 5°С/мин в климатической камере. Контроль температуры топлива в баке 1 осуществляется по трем датчикам: Т, Т, Т.
Б1
Б2
Б3
Для достижения температуры на 5 градусов выше температуры застывания топливо охлаждают с минимальной скоростью - не более 1°С/мин. Нужная температура в климатической камере задается постепенно в течение 2-3 час для предотвращения кристаллизации топлива из-за его неравномерного охлаждения. Контроль температуры топлива в баке 1 осуществляется по трем датчикам: Т, Т, Т.
Б1
Б2
Б3
Скорость охлаждения топлива в баке 1 для достижения значения температуры помутнения промежуточная - 2-3°С/мин. Контроль температуры топлива в баке 1 осуществляется по трем датчикам: Т, Т, Т.
1) Определение прокачиваемости топлива по циркуляционной топливной трассе без гидравлического сопротивления.
1
2
3
4
5
6
Клапан К открыт. Все остальные клапаны: К, К, К, К, К в положении «Закрыто».
Б1
Б2
Б3
1
1
После окончания термостабилизации топлива в баке 1 (среднеарифметическое значение температуры по трем датчикам Т, Т, Т отличается от заданной температуры не более, чем на ±0,5°С) и выдержки в таких условиях в течение 1-1,5 ч включается топливоподкачивающий насос 4 на 3-5 мин (предельное время для обеспечения надежного пуска большинства типов дизельных двигателей). Измеряется расход топлива (л/с) по расходомеру Q рассчитывается скорость потока (прокачиваемость) топлива W (м/с) и делается вывод о прокачиваемости топлива при данной температуре по топливопроводу без гидравлического сопротивления.
2) Определение прокачиваемости топлива по циркуляционной топливной трассе с имитатором гидравлического сопротивления 3 (имитатор 3, характеризующий сопротивление топливопроводов для выбранного класса двигателя, изготавливался на основании расчетов, учитывающих повороты, изгибы, перепады и т.п. топливной системы данного двигателя, и варьировался в пределах от 0,9 до 0,6 диаметра топливопровода).
1
2
3
4
5
6
Клапан К закрыт. Клапаны К и К открыты. Клапаны К, К, К в положении «Закрыто».
1
1
После окончания термостабилизации топлива в баке 1, осуществляемой аналогично вышеописанной для трассы 1 без гидравлического сопротивления, включается топливоподкачивающий насос 4 на 3-5 мин. Измеряется расход топлива (л/с) по расходомеру Q и рассчитывается соответствующая скорость потока (прокачиваемость) топлива W (м/с).
1
Сравнение полученных значений скорости W для циркуляционных трасс 1 и 2 позволяет оценить влияние гидравлического сопротивления топливопроводов на прокачиваемость топлива при данной температуре.
Г
Т
3) Определение прокачиваемости топлива через фильтры грубой F и тонкой очистки F по топливной трассе низкого давления с имитатором гидравлического сопротивления 3.
1
3
6
2
4
Г
Т
5
Клапаны К, К, К закрыты. Клапан К открыт для подачи топлива по линии с имитатором гидравлического сопротивления. Клапан К открыт для подачи топлива к топливным фильтрам F и F. Клапан К открыт для подачи топлива в линию сброса в бак.
1
2
3
2
После окончания термостабилизации топлива в баке 1 (как для трассы 1) включается топливоподкачивающий насос 4 на 3-5 мин. Фиксируются значение температуры топлива в трассе Тс и значения давления топлива в трех точках: P, Р, Р. Измеряется расход топлива (л/с) по расходомеру Q и делается вывод о прокачиваемости топлива через фильтры при данной температуре с учетом гидравлического сопротивления топливной трассы.
Г
Т
4) Определение прокачиваемости топлива через фильтры грубой F и тонкой очистки F по топливной трассе высокого давления, содержащей имитатор гидравлического сопротивления 3 и топливный насос высокого давления 2.
1
3
5
2
4
Г
Т
6
Клапаны К, К, К закрыты. Клапан К открыт для подачи топлива по линии с имитатором гидравлического сопротивления. Клапан К открыт для подачи топлива к топливным фильтрам F и F. Клапан К открыт для подачи топлива в топливный насос высокого давления 2 с управляемым электроприводом, позволяющим изменять объем подачи топлива и исследовать его низкотемпературную прокачиваемость в процессе пуска двигателя (время работы стартера), на пусковой частоте и номинальном режиме работы двигателя.
Б1
Б2
Б3
1
2
3
Ф
После окончания термостабилизации топлива в баке 1 в течение 2-3 ч (контроль по трем датчикам Т, Т, Т) включается топливоподкачивающий насос 4, и через 5-10 с включается топливный насос высокого давления 2 (при положении рейки топливного насоса 2 на максимальной подаче топлива) сначала на 5 с на частоте вращения 30 об/мин, затем в течение 20-30 с частоту вращения увеличивают до 50-60 об/мин, что обеспечивает прокачивание топлива в форсунки 5 с мерными емкостями. Фиксируются температура топлива по датчику Тс и давление топлива по датчикам P, Р, Р. Производится замер количества топлива Q, прошедшего через форсунки 5 в мерительные емкости за время работы 60-180 с (предельное время для обеспечения попытки пуска двигателя: Пименов Ю.М., Улитько А.В., А.Б. Квашнин А.Б. Моделирование процесса подачи топлив для дизелей наземной техники в условиях низких температур. Мир нефтепродуктов, 2018, №11, с. 34-42). По полученным результатам делается вывод о возможности обеспечения пуска двигателя при заданной температуре.
Пример.
пом
зас
пом
Было проведено испытание топлива марки А-0,2. По ГОСТ 5066-91 были определены температура помутнения (Т) - минус 51°С и температура застывания (Т) - минус 57°С. Результаты испытаний представлены в таблице. Из приведенных данных видно, что при температуре топлива минус 52°С (Т ±1)°С) исследуемое топливо способно обеспечить устойчивую и бесперебойную работу дизельного двигателя, так как наблюдаемая величина расхода топлива на всех испытательных режимах обеспечивает требуемый (10,3-15,8 л/мин) расход для выбранных элементов топливной системы двигательной установки. При этом при температуре топлива минус 55°С возникают условия (уменьшенный расход), которые могут привести к невозможности пуска или неустойчивой работы двигателя.
Таким образом, предлагаемая установка позволяет оперативно оценивать прокачиваемость дизельного топлива, охлажденного с заданной скоростью до заданной температуры, последовательно, в контурах низкого и высокого давления, определять значения подачи и давления топлива в топливной линии и прогнозировать критические температуры для обеспечения надежного пуска и работы двигателя.