Установка для оценки склонности дизельных топлив к образованию отложений на распылителе форсунки и топливопроводе высокого давления Российский патент 2023 года по МПК F02M65/00 G01M15/00 G01N33/22 

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 и топливопроводов высокого давления.

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 распылителе форсунки и топливопроводе высокого давления с использованием электронных устройств для повышения точности определения величины пропускной способности распылителя форсунки и топливопровода высокого давления.

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 и топливопроводов высокого давления для дизельных топлив, содержащее топливный бак, топливный насос высокого давления с электроприводом, манометр, распределитель, нагнетательный и сливной топливопроводы, секундомер, испытываемую форсунку (или топливопровод высокого давления), а также гидропневмоаккумулятор. Распределитель размещен между электронасосом и гидропневмоаккумулятором, причем выход электронасоса сообщен нагнетательным топливопроводом с входом гидропневмоаккумуля-тора, а выход гидропневмоаккумулятора сообщен сливным топливопроводом с испытываемой форсункой (или топливопроводом высокого давления) [4 - РФ Патент 2489596, F02M 65/00].

Недостатком данного устройства является низкая точность определения эффективного проходного сечения форсунок и топливопроводов высокого давления из-за сложности обеспечения достаточного потока топлива на входе в топливный насос высокого давления и возможности настройки частоты вращения топливного насоса высокого давления в процессе испытания при падении давления на входе форсунки и топливопровода высокого давления.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является установка для оценки склонности дизельных топлив к образованию отложений на деталях форсунки, содержащая топливные баки, топливный насос высокого давления, топливный фильтр тонкой очистки, сервопривод, форсунку, мерный цилиндр, датчик уровня топлива, датчик давления, программный блок, реле времени, датчик перепада давления на топливном фильтре тонкой очистки, запорные клапаны, регистратор значения эффективного проходного сечения форсунки [5 - РФ Патент 2785434, F02M 65/00, G01M 15/00, G01N 33/22 - прототип].

Недостатком данного устройства является ограниченная область применения, так как отсутствуют условия одновременного контроля за отложениями в форсунке и топливопроводе высокого давления, находящегося между топливным насосом высокого давления и форсункой в условиях эксплуатации ДВС, низкая точность определения эффективного проходного сечения форсунок из-за сложности обеспечения постоянства частоты вращения вала топливного насоса высокого давления в процессе испытания при падении давления в напорной линии.

Технический результат изобретения - расширение функциональных возможностей установки без снижения требований по точности полученных результатов за счет создания условий постоянства частоты вращения вала топливного насоса высокого давления.

Указанный технический результат достигается за счет того, что установка для оценки склонности дизельных топлив к образованию отложений на распылителе форсунки и топливопроводе высокого давления, содержащая бак для испытуемого и бак для контрольного топлив, параллельно подключенные через запорные клапаны к всасывающей линии топливного насоса высокого давления, напорная линия которого связана с форсункой, размещенной на входе в мерный цилиндр с датчиком уровня топлива, прошедшего через форсунку, программный блок, связанный соответствующими входами с датчиком давления в напорной линии топливного насоса высокого давления, датчиком уровня топлива в мерном цилиндре, датчиком перепада давления на установленном на выходе из бака с испытуемом топливом топливном фильтре тонкой очистки, и реле времени, а выходы программного блока соединены с сервоприводом и регистратором значения объема топлива, прошедшего через форсунку в мерный цилиндр, согласно изобретению, дополнительно содержит датчик частоты вращения вала топливного насоса высокого давления, понижающий частоту вращения редуктор, через который сервопривод подключен к исполнительному механизму топливного насоса высокого давления, а на входе в форсунку установлен трехходовой клапан, исполнительный механизм которого связан с соответствующим выходом программного блока, при этом за точкой подключения форсунки выполнено быстроразъемное соединение для параллельного подключения контрольного участка топливопровода высокого давления, выход которого связан с полостью мерного цилиндра.

На фиг. 1 представлена блок-схема установки для оценки склонности дизельных топлив к образованию отложений на распылителе форсунки и топливопроводе высокого давления. Для пояснения работы установки приняты следующие обозначения: ΔР - изменение давления топлива в всасывающей линии топливного насоса высокого давления; τ - время прокачки топлива через форсунку или топливопровод высокого давления; Р_зад. - заданное значение давления в напорной линии топливного насоса высокого давления (на входе в форсунку или топливопровод высокого давления); Р - текущее значение давления в напорной линии топливного насоса высокого давления (на входе в форсунку или топливопровод высокого давления); Н - высота уровня топлива в мерном цилиндре; V - объем топлива, прошедшего через форсунку или топливопровод высокого давления в мерный цилиндр.

Установка для оценки склонности дизельных топлив к образованию отложений на распылителе форсунки и топливопроводе высокого давления содержит бак 1, заполненный испытуемым дизельным топливом и бак 2, заполненный контрольным топливом, каждый объемом по три литра, параллельно подключенные через запорные клапаны 3, 4 (например, Valtec VT.052.N.04) к всасывающей линии топливного насоса 5 высокого давления шестеренчатого типа с рабочим объемом 10 см³/об (как вариант Caproni 20A10X354). Напорная линия топливного насоса 5 высокого давления связана 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 напорной линии топливного насоса 5 высокого давления, датчиком 8 уровня топлива в мерном цилиндре 7, датчиком 11 перепада давления (например, ОВЕН ПД 200-ДД) на установленном на выходе из бака 1 с испытуемом топливом топливном фильтре 12 тонкой очистки со сменным фильтрующим элементом с пропускной способностью 50 кг/ч (например, 7508.451179.000), и реле времени 13 (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 13 позволяет автоматически замыкать-размыкать внешнюю цепь с выдержками времени в соответствии с заданными оператором временными промежутками. Выходы программного блока 9 соединены с сервоприводом 14 переменного тока мощностью 1 кВт с частотой вращения 3000 об/мин (например, Delta ЕСМА-C11010ES) и регистратором 15 значения объема топлива (как вариант, ОВЕН РГ 10), прошедшего через форсунку 6 в мерный цилиндр 7.

Установка также содержит датчик 16 частоты вращения вала топливного насоса 5 высокого давления, подключенный к топливному насосу 5 высокого давления. Понижающий частоту вращения вала топливного насоса 5 высокого давления планетарный редуктор 17 (как вариант, FA100-5 ЕСМА-С11010) с передаточным числом 5:1, позволяющий увеличить мощность сервопривода 14 и стабилизировать частоту вращения топливного насоса 5 высокого давления до необходимых 200 об/мин. Сервопривод 14 подключен через планетарный редуктор 17 к исполнительному механизму топливного насоса 5 высокого давления. На входе в форсунку 6 установлен трехходовой клапан 18 с электромагнитным приводом (например, DN15), исполнительный механизм которого связан с соответствующим выходом программного блока 9. С помощью трехходового клапана 18 подключено быстроразъемное соединение 19 с контрольным участком 20 топливопровода высокого давления. Контрольный участок 20 топливопровода высокого давления снимается с ДВС и подключается параллельно форсунки 6.

В базу данных программного блока 9 внесены:

- заданное значение давления в напорной линии топливного насоса высокого давления для форсунки - Р_зад.=5 МПа,

- заданное значение давления в напорной линии топливного насоса высокого давления для топливопровода высокого давления - Р_зад.=1 МПа,

- диаметр основания мерного цилиндра - D=0,06 м,

- число Пи - π≈3,14159.

- алгоритм для определения объема топлива (V) проливаемого через форсунку или топливопровод высокого давления в мерный цилиндр

где D - диаметр основания мерного цилиндра, м; Н - высота уровня топлива в мерном цилиндре, м; π - число Пи.

- алгоритм для определения коэффициента закоксовывания распылителя форсунки или топливопровода высокого давления (К_З)

где V₁, V₂ - объем проливаемого топлива через форсунку или топливопровод высокого давления в мерный цилиндр до и после испытаний на ДВС, мл.

Склонность дизельного топлива к образованию отложений на распылителе форсунки и топливопроводе высокого давления оценивается по сопоставлению значений изменения пропускной способности распылителя и топливопровода высокого давления методом проливки на установке до и после цикла ускоренного закоксовывания форсунки и топливопровода высокого давления на моторном стенде с ДВС при его работе на испытуемом и контрольном топливах в течение определенного времени на подобранных режимах.

Установка работает следующим образом.

Пример 1. Испытываемую форсунку снимают с ДВС, полностью освобождают ее пружину от затяжки, чтобы игла распылителя свободно поднималась до упора в корпусе форсунки. Форсунку 6 подсоединяют на завяленной установке герметично к напорной линии любым известным способом. Запорные клапаны 3 и 4 закрыты.

Используя реле времени 13, задают через программный блок 9 отрезок времени работы сервопривода 14, вращающего топливный насос 5 высокого давления через планетарный редуктор 17, строго на определенное время, заданное оператором. Программный блок 9 подает сигнал на электромагнит трехходового клапана 18, происходит его открытие на подачу топлива к форсунке 6, и закрытие канала для прохождения топлива к контрольному участку 20 топливопровода высокого давления. Испытуемое контрольное топливо к форсунке 6 подается из топливного бака 2 через открытый запорный кран 4 под постоянным давлением Р_зад.=5 МПа, которое контролируется датчиком 10.

Топливный насос 5 высокого давления управляется через реле времени 13 программным блоком 9, при этом постоянное давление 5 МПа в напорной линии топливного насоса 5 высокого давления, контролируемое датчиком давления 10, поступая в программный блок 9 формирует сигнал на сервопривод 14, который воздействует на планетарный редуктор 17, задавая постоянную частоту вращения топливного насоса 5 высокого давления. Частота вращения топливного насоса 5 высокого давления контролируется датчиком 16.

Проходящее через форсунку 6 контрольное топливо попадает в мерный цилиндр 7, имеющий датчик 8 уровня топлива, сигнал с которого поступает в программный блок 9. В зависимости от заданного времени, прекращается подача контрольного топлива в мерный цилиндр 7.

Поступающая информация (высота уровня топлива в мерном цилиндре) в программный блок 9, заданная реле времени 13 информация (время прокачки топлива через форсунку) и заложенная информация (давление, диаметр основания мерного цилиндра и число Пи) в программном блоке 9, позволяет автоматически определять значение объема топлива, прошедшего через форсунку 6 в мерный цилиндр 7 и коэффициент закоксовывания распылителя форсунки, значение которых выводятся на регистратор 15.

Зная по результатам испытания время проливки форсунки 6 и объем контрольного топлива, прошедшего через форсунку 6 в мерный цилиндр, рассчитывают коэффициент закоксовывания распылителя форсунки 6 (К_З).

Например, объем прошедшего контрольного топлива через форсунку 6 до испытания на моторном стенде с ДВС равно V₁=974 мл, после испытания - V₂=860 мл, то коэффициент закоксовывания распылителя форсунки 6 равен

Таким же образом проводят испытание на испытуемом дизельном топливе. Для этого запорный клапан 4 закрывают, а запорный клапан 3 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.

Пример 2. Перед испытанием на заявленной установке контрольного участка 20 топливопровода высокого давления, его снимают с ДВС и подключают к быстроразъемному соединению 19. Запорные клапаны 3 и 4 закрыты.

Используя реле времени 13, задают через программный блок 9 отрезок времени работы сервопривода 14, вращающего топливный насос 5 высокого давления через планетарный редуктор 17, строго на определенное время, заданное оператором. Программный блок 9 подает сигнал на электромагнит трехходового клапана 18, происходит его открытие на подачу топлива к контрольному участку 20 топливопровода высокого давления, и закрытие канала для прохождения топлива к форсунке 6. Испытуемое контрольное топливо к контрольному участку 20 топливопровода высокого давления подается из топливного бака 2 через открытый запорный кран 4 под постоянным давлением Р_зад.=1 МПа, которое контролируется датчиком 10.

Топливный насос 5 высокого давления управляется через реле времени 13 программным блоком 9, при этом постоянное давление 1 МПа в напорной линии топливного насоса 5 высокого давления, контролируемое датчиком давления 10, поступая в программный блок 9 формирует сигнал на сервопривод 14, который воздействует на планетарный редуктор 17, задавая постоянную частоту вращения топливного насоса 5 высокого давления. Частота вращения топливного насоса 5 высокого давления контролируется датчиком 16.

Проходящее через контрольный участок 20 топливопровода высокого давления контрольное топливо попадает в мерный цилиндр 7, имеющий датчик 8 уровня топлива, сигнал с которого поступает в программный блок 9. В зависимости от заданного времени, прекращается подача контрольного топлива в мерный цилиндр 7.

Поступающая информация (высота уровня топлива в мерном цилиндре) в программный блок 9, заданная реле времени 13 информация (время прокачки топлива через контрольный участок 20 топливопровода высокого давления) и заложенная информация (давление, диаметр основания мерного цилиндра и число Пи) в программном блоке 9, позволяет автоматически определять значение объема топлива, прошедшего через контрольный участок 20 топливопровода высокого давления в мерный цилиндр 7 и коэффициент закоксовывания контрольного участка 20 топливопровода высокого давления, значение которых выводятся на регистратор 15.

Зная по результатам испытания время проливки контрольного участка 20 топливопровода высокого давления и объем контрольного топлива, прошедшего через контрольный участок 20 топливопровода высокого давления в мерный цилиндр, рассчитывают коэффициент закоксовывания контрольного участка 20 топливопровода высокого давления (К_З).

Например, объем прошедшего контрольного топлива через контрольный участок 20 топливопровода высокого давления до испытания на моторном стенде с ДВС равно V₁=985 мл, после испытания - V₂=983 мл, то коэффициент закоксовывания контрольного участка 20 топливопровода высокого давления равен

Таким же образом проводят испытание на испытуемом дизельном топливе. Для этого запорный клапан 4 закрывают, а запорный клапан 3 открывают и испытуемое дизельное топливо подается к контрольному участку 20 топливопровода высокого давления из топливного бака 1 через топливный фильтр 3 тонкой очистки топливным насосом 5 высокого давления. Заданные параметры идентичны условиям прокачки контрольного топлива.

В случае засоренности топливного фильтра 12 тонкой очистки, контролируемое датчиком 11 перепада давления, испытания прекращаются, т.к. изменяется давление (датчик 10) топлива в напорной линии топливного насоса 5 высокого давления. Сигнал от датчика 11 поступает на программный блок 9. Контроль засоренности топливного фильтра 12 тонкой очистки позволяет создавать достаточный поток испытуемого дизельного топлива на входе в топливный насос 5 высокого давления для поддержания нужного давления 5 МПа или 1 МПа в нагнетательном участке трубопровода.

Испытуемый образец дизельного топлива оценивается путем сравнения с аналогичными показателями контрольного топлива по изменению пропускной способности отверстий распылителя форсунки и топливопровода высокого давления на заявленной установке до и после цикла ускоренного закоксовывания форсунки и топливопровода высокого давления на ДВС, что позволит сделать качественное заключение о склонности дизельных топлив к образованию отложений на распылителе форсунки и топливопроводе высокого давления для применения в ДВС.

Таким образом, за счет совокупности использования существенных признаков (датчика 16 частоты вращения вала топливного насоса высокого давления, понижающего редуктора 17, быстроразъемного соединения 19 и трехходового клапана 18) изобретение позволяет одновременно оценить склонность дизельных топлив к образованию отложений на распылителе форсунки и топливопроводе высокого давления и получать точные результаты испытаний за счет создания условий постоянства частоты вращения вала топливного насоса высокого давления.

Изобретение относится к оценке эксплуатационных свойств дизельных топлив на лабораторных установках с использованием автоматизированных систем управления, а также может быть использовано при испытании топливной аппаратуры двигателей внутреннего сгорания. Установка для оценки склонности дизельных топлив к образованию отложений на распылителе форсунки и топливопроводе высокого давления содержит бак 1 для испытуемого и бак 2 для контрольного топлив, параллельно подключенные к всасывающей линии топливного насоса 5 высокого давления, напорная линия которого связана с форсункой 6, размещенной на входе в мерный цилиндр 7 с датчиком 8 уровня топлива. Программный блок 9 связан соответствующими выходами с сервоприводом 14 и регистратором 15 значения объема топлива. Входы программного блока 9 соединены с датчиком 10 давления в напорной линии, датчиком 8 уровня топлива в мерном цилиндре 7, датчиком 11 перепада давления, установленный на топливном фильтре 12 тонкой очистки, реле времени 13 и датчиком 16 частоты вращения вала топливного насоса 5 высокого давления. Понижающий редуктор 17 установлен на входе в топливный насос 5 высокого давления и связан с сервоприводом 14. На входе в форсунку 6 установлен трехходовой клапан 18, к которому подключено быстроразъемное соединение 19 с контрольным участком 20 топливопровода высокого давления, выход которого связан с полостью мерного цилиндра 7. Технический результат: расширение функциональных возможностей установки без снижения требований по точности полученных результатов за счет создания условий постоянства частоты вращения вала топливного насоса высокого давления. 1 ил., 2 пр.

Установка для оценки склонности дизельных топлив к образованию отложений на распылителе форсунки и топливопроводе высокого давления, содержащая бак для испытуемого и бак для контрольного топлив, параллельно подключенные через запорные клапаны к всасывающей линии топливного насоса высокого давления, напорная линия которого связана с форсункой, размещенной на входе в мерный цилиндр с датчиком уровня топлива, прошедшего через форсунку, программный блок, связанный соответствующими входами с датчиком давления в напорной линии топливного насоса высокого давления, датчиком уровня топлива в мерном цилиндре, датчиком перепада давления на установленном на выходе из бака с испытуемом топливом топливном фильтре тонкой очистки, и реле времени, а выходы программного блока соединены с сервоприводом и регистратором значения объема топлива, прошедшего через форсунку в мерный цилиндр, отличающаяся тем, что дополнительно содержит датчик частоты вращения вала топливного насоса высокого давления, понижающий частоту вращения редуктор, через который сервопривод подключен к исполнительному механизму топливного насоса высокого давления, а на входе в форсунку установлен трехходовой клапан, исполнительный механизм которого связан с соответствующим выходом программного блока, при этом за точкой подключения форсунки выполнено быстроразъемное соединение для параллельного подключения контрольного участка топливопровода высокого давления, выход которого связан с полостью мерного цилиндра.