УСТАНОВКА ДЛЯ ОЦЕНКИ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПРОКАЧИВАЕМОСТИ ТОПЛИВ ДЛЯ ДИЗЕЛЕЙ Российский патент 2005 года по МПК G01M15/00 G01N33/22 

Изобретение относится к области испытания топлив на стендовых установках, в частности для оценки низкотемпературной прокачиваемости топлив для дизелей.

Низкотемпературные свойства дизельных топлив, в частности прокачиваемость, характеризуется следующими показателями: вязкостью, температурами помутнения и застывания. Существует оптимальное значение вязкости, обеспечивающее бесперебойную работу двигателя, и максимальное значение, при котором топливо перестает поступать в количестве, обеспечивающем заданный режим работы двигателя. Вязкость топлива напрямую зависит от температур помутнения и застывания. Температуры помутнения и застывания не дают реального представления о поведении дизельного топлива в топливной системе техники. На сегодняшний день производят топлива для дизелей, отличающиеся составом от топлив для дизелей (ГОСТ 305-82 «Топлива для дизелей»), с добавлением депрессорных присадок, ненефтяных компонентов, водотопливных эмульсий.

Перед авторами стояла задача - разработать установку, позволяющую повысить точность и достоверность оценки прокачиваемости топлив для дизелей, отличающихся составом от топлив для дизелей, произведенных по ГОСТ 305-82, при отрицательных температурах в реальных условиях эксплуатации техники.

При просмотре патентов и научно-технической литературы было выявлено, что для оценки низкотемпературной прокачиваемости существуют лабораторные методы: ГОСТ 22254-92 «Метод определения предельной температуры фильтруемости на холодном фильтре», ГОСТ 19006-73 «Метод определения коэффициента фильтруемости», ГОСТ 5066-91 «Методы определения температуры помутнения, помутнения, начала кристаллизации и кристаллизации». Результаты испытаний с использованием лабораторных методов обладают низкой точностью, т.к. не отражают реального поведения топлива для дизелей в топливной системе техники, имеют низкую корреляцию с испытаниями на технике.

Испытания на натурных силовых установках дают более точные и реалистичные данные. Однако испытания на технике очень дорогостоящи, длительны по времени (Гуреев А.А. Эксплуатационно-технические свойства и применения топлив, смазочных материалов и спец. жидкостей. - М.: Транспорт, 1976, стр.92).

Наиболее близкой к заявляемому техническому решению является стендовая установка для исследования особенностей работы системы питания танкового двигателя В-2 в условиях отрицательных температур. В конструкцию стендовой установки входят: вентилятор для продувания холодного воздуха по рабочему объему установки, мешалка с электроприводом, перемешивающая испытуемое топливо для равномерного охлаждения, сетка с сухим льдом как источником охлаждения, люк с крышкой для загрузки сухого льда, топливный бак, фильтр грубой очистки, блок управления, термопары, фильтр тонкой очистки, топливоподкачивающий насос, термоизоляция (Тематический обзор. Улучшение низкотемпературных свойств дизельных топлив. - М.: ЦНИИТЭНефтеХим, 1980, стр.16). Прокачивание ведется (после охлаждения испытуемого топлива до заданной температуры) на кольцо, т.е. прокаченное топливо возвращается обратно в бак.

Недостатком известной установки является то, что она не моделирует параметры работы силовой установки (холостой ход, номинальный режим, максимальный режим) современных и перспективных моделей автотракторной и бронетанковой техники, т.к. узлы и детали установки взяты из топливной системы танкового двигателя В-2, что является устаревшей моделью. При циркуляции топлива по замкнутому контуру происходит изменение свойства испытуемого дизельного топлива, что фактически при возврате в бак изменяет качество всего испытуемого топлива. Система охлаждения не позволяет моделировать реальные условия охлаждения окружающего воздуха из-за использования в качестве охладителя «сухого» льда и вентилятора для распространения холодного воздуха по объему установки.

Технический результат изобретения - повышение точности и достоверности результатов испытаний топлив для дизелей за счет создания реальных условий эксплуатации современной автотракторной и бронетанковой техники.

Указанный технический результат достигается тем, что установка для оценки низкотемпературной прокачиваемости топлив для дизелей, содержащая размещенные в термокамере топливный бак с заливной горловиной и патрубками слива, на первом из которых установлен запорный клапан, соединенные последовательно по потоку фильтр грубой очистки, топливоподкачивающий насос, фильтр тонкой очистки и приемную емкость, блок управления последовательностью операций, соответствующие входы которого соединены с датчиками температуры топлива в баке и перед фильтром тонкой очистки, датчиком 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, согласно изобретению установка снабжена центробежным топливным насосом, всасывающая линия которого подключена ко второму сливному патрубку бака, ручным подкачивающим насосом, установленным перед фильтром тонкой очистки, трехходовым краном, через который напорная линия центробежного топливного насоса соединена или с всасывающей линией ручного подкачивающего насоса, или через первый сливной патрубок с баком, и дополнительными запорными кранами, один из которых размещен 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, при этом управляющие входы центробежного топливного насоса, трехходового крана и дополнительных запорных кранов связаны с соответствующими выходами блока управления последовательностью операций.

На чертеже представлена блок-схема установки для оценки низкотемпературной прокачиваемости топлив для дизелей топлив.

Установка содержит топливный бак 1 с заливной горловиной, центробежный топливный насос 2, всасывающая магистраль которого подключена к сливному патрубку бака 1, трехходовой кран 3, ручной насос 4, фильтр 5 грубой очистки, топливоподкачивающий насос 6, фильтр 7 тонкой очистки, магистраль 8 слива отфильтрованного топлива, подключенную к емкости 9 сбора отфильтрованного топлива. К первому сливному патрубку бака 1 подключена магистраль 10 слива, в которой установлен запорный кран 11. Для перемешивания топлива в баке 1 при охлаждении установка имеет циркуляционный контур, включающий насос 2, трехходовой кран 3 и топливопровод 12, подключенный к первому сливному патрубку бака 1.

Для управления последовательностью операций исследования установка содержит блок 13 управления и контроля и регистратор. Контрольно-измерительными приборами, подключенными к соответствующим входам блока 13 являются датчики температуры 14, 15 соответственно в баке 1 и перед фильтром 7 тонкой очистки, манометры 16, 17, измеряющие давление до и после фильтра 7 тонкой очистки (перепад давления на фильтре 7), и датчик 18 расхода топлива через фильтр 7 тонкой очистки.

Выходы блока 13 подключены к управляющим входам центробежного насоса 2, трехходового крана 3, топливоподкачивающего насоса 6, запорных кранов 11, 19 и 20. Запорный кран 19 установлен в основном топливопроводе 8 между фильтром 7 тонкой очистки и датчиком 18 расхода, а запорный кран 20 установлен на дополнительном топливопроводе 21, соединяющим основной топливопровод 8 в точке перед фильтром 7 тонкой очистки с заливной горловиной топливного бака 1.

Вся установка размещена в климатической камере 22. Блок 13 управления с регистратором размещены вне камеры 22 и выполнены, как вариант, на базе компьютера «Pentium II» с памятью на жестком диске «20 GB», оперативная память «64 MB», частота «600 мГц», «CD-ROM». Для работы установки разработана программа проведения испытаний топлив для дизелей. В базу данных внесены:

- типы автотракторной и бронетанковой техники;

- параметры режимов работы топливной системы техники. Расход топлива: холостой ход - 0,8-1,2 л/мин (запорный кран 20 открывают на 1/3), номинальный режим - 2,8-3,5 л/мин (запорный кран 20 открывают на 1/2), максимальный режим - 5,0-7,0 л/мин (запорный кран 20 открывают полностью). Давление в установке моделируется запорным краном 19 и соответствует давлению в топливной системе низкого давления силовой установки каждого типа техники (от 1 до 6 кг/см², запорный кран 19 открывают от 1/4 до полного открытия). Параметры работы топливной системы заносятся в базу данных из технического паспорта изделия техники;

- параметры промывки установки: расход - 2 л/мин, давление - 0,2 МПа. Время промывки - 30 мин;

- температура помутнения топлива (данные берутся из паспорта качества производителя нефтепродукта);

- скорость охлаждения топлива в топливном баке 1 равна 10±2°С, периодичность включения центробежного насоса 2 при охлаждении испытуемого топлива в баке 1 - каждые 0,5 часа на 10 мин до достижения температуры на два градуса выше температуры помутнения испытуемого топлива;

- температура на два градуса выше температуры помутнения испытуемого топлива, с которой начнут непосредственно испытания;

- расход испытуемого топлива, равный 0,5 л/мин, является предельным, при котором останавливают испытания;

- время перекачки испытуемого топлива при промывке установки - 20 мин;

- время перекачки при постоянной температуре испытуемого топлива - 10 мин, если расход после фильтра 7 тонкой очистки более 0,5 л/мин;

- измерение времени перекачки испытуемого топлива с момента начала непосредственно испытаний.

На блоке управления 13 имеются кнопки: «Промывка установки», «Охлаждение», «Запуск» и «Стоп».

Узлы 1, 2, 4, 5, 6, 7, 8 представляют собой полноразмерные узлы топливной системы низкого давления, например, двигателя В-46 танка Т-72М, с незначительными изменениями конструкции бака 1 (у носового топливного бака танка срезана носовая часть и приварен стальной лист толщиной 3 мм для уменьшения его габаритов). Центробежный насос 2 применен, например, марки БЦН-1. В качестве ручного топливоподкачивающего насоса 4 использован насос, например, марки РНМ-1. Топливоподкачивающий насос 6, например, марки БНК - 12ТК. Топливный фильтр 5 грубой очистки танковый со степенью очистки - 20-50 мкм, топливный фильтр 7 тонкой очистки - не более 5 мкм. Датчик 18 расхода топлива, регистрирующий расход в диапазоне характеристик топливных систем техники от 0,5 до 5 л/мин и устойчивый к циклическому изменению температур от 0 до минус 60°С (например, датчик расхода турбинный ТДР-6-1-3). Датчики 14 и 15, регистрирующие температуру испытуемого дизельного топлива в топливном баке 1 и перед фильтром 7 тонкой очистки соответственно в диапазоне температур от 0 до минус 60°С с унифицированными выходами сигналов, стойкие к агрессивным средам (например, марки ИС-45). Манометры 16 и 17, регистрирующие перепад давления на фильтре 7 тонкой очистки в диапазоне от 0,1 до 1 МПа (например, марки МП-160).

Наличие запорных кранов 19 и 20 позволяет в процессе исследования испытуемого топлива для дизелей моделировать режимы холостого хода, номинального режима и максимального режима. Моделирование реальных условий эксплуатации на установке осуществляют по разработанной программе, заложенной в блоке управления 13. Установка работает следующим образом.

Для пояснения работы установки приняты следующие обозначения:

T₁ - температура испытуемого топлива в баке (по датчику 14);

Т₂ - температура испытуемого топлива перед фильтром тонкой очистки (датчик 15);

P₁ - давление перед фильтром тонкой очистки (датчик 16);

P₂ - давление после фильтра тонкой очистки (датчик 17);

ΔР - перепад давления на фильтре тонкой очистки;

Q - расход топлива (датчик 18);

Р - давление в основном топливопроводе установки (манометр 16).

Работа установки включает следующие этапы:

- подготовка установки;

- промывка установки испытуемым дизельным топливом;

- проведение испытаний.

Подготовка установки. Проверяют положение запорных кранов: кран 19 и 20 закрыты, кран 11 открыт. Осуществляют слив остатков топлива из бака 1. Закрывают запорный кран 11. Трехходовой кран 3 в положении циркуляции. Заливают испытуемое топливо в топливный бак 1 в количестве тридцати литров, достаточном для промывки установки.

Промывка установки испытуемым топливом. Ручным насосом 4 заполняют центробежный насос 2 и топливоподкачивающий насос 6 для их запуска, после чего ручной насос 4 отключают (топливо проходит по обводному каналу насоса 4 беспрепятственно). На блоке управления 13 включают кнопку «Промывка», в соответствии с программой трехходовой кран 3 переключается на подачу в основной топливопровод 8, открываются запорные краны 19 и 20, которыми устанавливают режим перекачки для промывки. По сигналу блока 13 включается привод центробежного насоса 2 и топливоподкачивающего насоса 6 и топливо из бака 1 поступает в емкость 9 для слива отфильтрованного топлива и частично по дополнительной магистрали 21 в топливный бак 1. По сигналу блока управления 13 останавливают насос 2, прекращая промывку. Открывают запорный кран 11 и топливный бак опорожняют. Насосы 2 и 6 остаются заполненными испытуемым топливом и готовы к работе.

Проведение испытаний. Устанавливают чистые фильтроэлементы в фильтр 7 тонкой очистки (в корпусе фильтра тонкой очистки предусмотрены два фильтроэлемента), заливают в топливный бак 1 испытуемое топливо в количестве не более ста двадцати литров.

Устанавливают температуру в климатической камере на два градуса выше температуры помутнения испытуемого топлива (данная температура берется из паспорта качества производителя нефтепродукта). Включают кнопку «Охлаждение» на блоке управления 13, начинают доводить температуру в топливном баке 1 до температуры в климатической камере 22. Блок 13 переключает трехходовой кран 3 на циркуляционный топливопровод 12. Топливо прокачивают «на кольцо» по топливопроводу 12 в топливный бак 1 до охлаждения топлива в баке 1 на два градуса выше температуры помутнения испытуемого топлива. При достижении заданной температуры (по датчику 14) топлива блок управления 13 отключает насос 2.

Нажимают кнопку «Запуск» на блоке управления 13. Блок управления 13 переключает трехходовой кран 3 на основной топливопровод 8, открывает запорные краны 19 и 20 до величин проходных сечений, обеспечивающих параметры режимов работы (холостого хода, номинального режима и режима максимальной мощности) изделия бронетанковой техники, включает центробежный топливный насос 2 и топливоподкачивающий топливный насос 6. При этом постоянно регистрируют T₁ и Т₂.

В течение десяти минут перекачивают топливо из топливного бака 1 в специальную емкость 9 для отфильтрованного топлива. Регистрируют текущие значения Q, ΔР. Если в течение десяти минут значение Q не изменяется, блок 13 отключает центробежный насос 2 и топливоподкачивающий насос 6, перекачка испытуемого дизельного топлива останавливается.

В климатической камере 22 понижают температуру на 1°С. Включают кнопку «Охлаждение» и испытуемое дизельное топливо охлаждают циркуляцией по топливопроводу 12 в бак 1. При достижении заданной температуры (по датчику 14) топлива повторяют перекачку. Блок 13 дает сигнал на отключение насосов 2 и 6 при достижении Q=0,5 л/мин по датчику расхода топлива 18. Программа фиксирует время перекачки дизельного топлива с момента начала перекачки до достижении Q=0,5 л/мин.

Температура топлива перед фильтром 7 тонкой очистки, при которой Q снижается до 0,5 л/мин за время не более десяти минут, считают предельной температурой подачи. Температура топлива перед фильтром 7 тонкой очистки, при которой Q снижается до 0,5 л/мин за 3-5 мин, считают критической температурой подачи. Перепад давления на фильтре тонкой очистки ΔР, соответствующий заданному предельному Q, - критическим перепадом давления. Время от начала перекачки до достижения предельных значений Q - периодом забивки фильтроэлементов фильтра 7 тонкой очистки.

Среднее квадратичное отклонение результатов испытаний, рассчитанное по пяти параллельным опытам, по критической температуре подачи не превышает 1°С, по критическому перепаду давления - 0,02 кг/см², по периоду забивки фильтроэлементов - 12 сек.

Смена фильтроэлементов фильтра 7 тонкой очистки производят на каждое испытание отдельной марки топлива для дизелей.

Были проведены испытания топлива марки «З-0,2 минус 35» и топлива марки «ПБД-3» по параметрам режима холостого хода двигателя танка Т-72 (расход топлива Q на холостом ходу - 1,0 л/мин, при оптимальной нагрузке - 3,1 л/мин, при максимальной нагрузке - 6,2 л/мин, давление в топливной системе низкого давления - 1,1; 2,4 и 3,5 кг/см² соответственно). Испытания топлив проводились согласно этапов работы установки, рассмотренных выше.

Испытания топлива «З-0,2 минус 35» проводились в интервале температур от минус 25,0 до минус 28,6°С. Результаты испытаний представлены в таблице 1.

Исследование низкотемпературной прокачиваемости топлива «ПБД-3» проводилось при температурах от минус 10,0 до минус 13,0°С. При температуре минус 12,8°С наблюдалось резкое снижение расхода, в течение трех минут и менее значение Q достигало критического, равное 0,5 л/мин. Поэтому температура минус 13,0°С для топлива «ПБД-3» является одновременно предельной и критической температурой подачи дизельного топлива. Результаты представлены в таблице 1.

Таблица 1.
Результаты испытаний лабораторным методом и на предлагаемой установке.Испытуемые топливаРежимы испытанийПредельная температура подачи, °СКритическая температура подачи, °СЛаб.* методПредлагаемая уст-каЛаб.** методПредлагаемая уст-ка«З-0,2 минус 35» -30,0--30,0-Холостой ходНе опр.-28,0Не опр.-28,6Номинальный режимНе опр.-26,1Не опр.Не опр.Режим макс. мощностиНе опр.-25,4Не опр.Не опр.«ПБД-З» -15,0--15,0-Холостой ходНе опр.-12.8Не опр.-13,0Номинальный режимНе опр.-12.6Не опр.Не опр.Режим макс. мощностиНе опр.-12,1Не опр.Не опр.

* предельная и критическая температуры подачи в лабораторном методе не определяются для различных режимов эксплуатации техники;

** критический перепад давления на фильтре тонкой очистки определяют на установке (прототипе).

Как видно из таблицы 1, предлагаемая установка дает более точные результаты, чем лабораторные методы. Данная разница между температурами подачи, полученными лабораторным методом, и на предлагаемой установке существенна для принятия решения на использование техники при эксплуатации техники в условиях предельных температур. Например, при использовании дизельного топлива марки «З-0,2 минус 35» предельная температура подачи по лабораторному методу равна минус 30°С. Но в реальных условиях она выше, как видно из результатов испытания топлива марки «З-0,2 минус 35» на предлагаемой установке. В режиме холостого хода двигателя В-46 танка Т-72М это расхождение не столь велико (2,0°С), то при эксплуатации техники на номинальном режиме и режиме максимальной нагрузки расхождение значительное (3,9 и 4,6°С соответственно). Поэтому при эксплуатации техники ниже предельной температуры подачи, полученной на предлагаемой установке, неизбежно приведет к забивки фильтроэлементов фильтра тонкой очистки и выходу техники из строя, хотя по лабораторному методу техника должна еще эксплуатироваться.

Применение установки для оценки низкотемпературной прокачиваемости топлив для дизелей, отличающихся составом от топлив для дизелей, выработанных по ГОСТ 305, позволяет повысить точность и достоверность результатов испытаний топлив для дизелей, повысить корреляцию с результатами испытаний на реальной технике, моделировать реальные условия охлаждения окружающего воздуха, параметры работы силовых установок современных и перспективных изделий автотракторной и бронетанковой техники (холостой ход, номинальный режим, максимальный режим) современных и перспективных моделей изделий автотракторной и бронетанковой техники.

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к испытаниям топлив на стендовых установках для оценки низкотемпературной прокачиваемости топлив для дизелей. Изобретение позволяет повысить точность и достоверность результатов испытаний топлив для дизелей за счет создания реальных условий эксплуатации современной автотракторной и бронетанковой техники. Установка для оценки низкотемпературной прокачиваемости топлив для дизелей содержит размещенные в термокамере топливный бак с заливной горловиной и патрубками слива, на первом из которых установлен запорный клапан, соединенные последовательно по потоку фильтр грубой очистки, топливоподкачивающий насос, фильтр тонкой очистки и приемную емкость, блок управления последовательностью операций. Соответствующие входы блока управления соединены с датчиками температуры топлива в баке и перед фильтром тонкой очистки, 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. Установка снабжена центробежным топливным насосом, всасывающая линия которого подключена ко второму сливному патрубку бака, ручным подкачивающим насосом, установленным перед фильтром тонкой очистки, трехходовым краном, через который напорная линия центробежного топливного насоса соединена или с всасывающей линией ручного подкачивающего насоса, или через первый сливной патрубок с баком, и дополнительными запорными кранами, один из которых размещен 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. Управляющие входы центробежного топливного насоса, трехходового крана и дополнительных запорных кранов связаны с соответствующими выходами блока управления последовательностью операций. 1 ил., 1 табл.

Установка для оценки низкотемпературной прокачиваемости топлив для дизелей, содержащая размещенные в термокамере топливный бак с заливной горловиной и патрубками слива, на первом из которых установлен запорный клапан, соединенные последовательно по потоку фильтр грубой очистки, топливоподкачивающий насос, фильтр тонкой очистки и приемную емкость, блок управления последовательностью операций, соответствующие входы которого соединены с датчиками температуры топлива в баке и перед фильтром тонкой очистки, 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, отличающаяся тем, что установка снабжена центробежным топливным насосом, всасывающая линия которого подключена ко второму сливному патрубку бака, ручным подкачивающим насосом, установленным перед фильтром тонкой очистки, трехходовым краном, через который напорная линия центробежного топливного насоса соединена или с всасывающей линией ручного подкачивающего насоса, или через первый сливной патрубок с баком, и дополнительными запорными кранами, один из которых размещен 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, при этом управляющие входы центробежного топливного насоса, трехходового крана и дополнительных запорных кранов связаны с соответствующими выходами блока управления последовательностью операций.