Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ОЦЕНКИ СКЛОННОСТИ АВТОМОБИЛЬНЫХ БЕНЗИНОВ К ОБРАЗОВАНИЮ ОТЛОЖЕНИЙ В ИНЖЕКТОРАХ СИСТЕМ ВПРЫСКА

Изобретение относится к методам оценки эксплуатационных свойств 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 промышленности как для оценки эффективности известных, так и вновь разрабатываемых АБ и при выработке рекомендаций по их применению в различных топливных системах (центрального и распределенного впрыска).

При эксплуатации двигателей внутреннего сгорания с искровым зажиганием одной из основных проблем является забивка инжекторов системы электронного впрыска.

На практике в настоящее время используются современные инжекторы BOSCH 0280168110 (Каталог BOSCH Product Information Automotive Gasoline systems, 2015, c. 19), пропускная способность которых остается стабильной независимо от длительности проведения испытания. Принципиальное отличие устаревшего инжектора от современного заключается в количестве распыливающих отверстий: так, в устаревшем было 6 отверстий, в новом - 4. Ввиду того что современный инжектор оказывает меньшее сопротивление течению бензина, номинальный удельный расход (2,5 мл/с при перепаде давлении 0,3 МПа) и диаметр отверстий (0,14-0,15 мм) остались прежними, то есть скорость истечения бензина возросла и увеличила степень турбулентности струи. Сравнение степени турбулизации потока показывает, что при работе на АБ инжектор с шестью отверстиями обеспечивает Re≈6000, а современный инжектор с четырьмя отверстиями - Re≈8500. Таким образом, за счет увеличенной степени турбулентности потока улучшается распыление и уменьшается количество отложений в инжекторе за счет вымывания их турбулентным потоком. Данный вывод был подтвержден в процессе разработки заявляемого способа.

Перед авторами стояла задача разработать такой способ оценки склонности АБ к образованию отложений в инжекторах систем впрыска, который отвечал бы следующим требованиям: простой в исполнении экспресс-метод, не требующий длительных испытаний на моторных установках, а также недорогой в экономическом плане.

При просмотре научно-технической и патентной литературы были выявлены технические решения, частично реализующие поставленную задачу оценки склонности АБ к образованию отложений во впускной системе.

Известен способ испытания оценки склонности АБ к образованию отложений во впускной системе, включающий технологические операции всасывания, нагнетания и впрыскивания, осуществляемые с увеличенным объемом топлива за рабочий ход насоса с приближением к реальным эксплуатационным условиям работы инжекторов. 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 склонности АБ к образованию отложений проводят косвенно по работоспособности инжекторов по изменению их производительности в сравнении с исходными ее значениями (РФ патент №2176325, F02M 65/00).

Известен способ оценки склонности АБ к образованию отложений во впускной системе по степени закоксованности распылителей инжекторов, включающий подачу дозированного количества топлива через инжектор и определение его пропускной способности до начала и сразу после окончания подачи заданного количества топлива. О степени закоксованности инжектора судят по изменению пропускной способности последнего (РФ патент №2311557, G01N 33/22).

Общими недостатками этих способов является то, что они не позволяют адекватно воспроизвести условия пребывания бензина в реальной топливной системе автомобиля в процессе эксплуатации, что и снижает достоверность оценки склонности АБ к образованию отложений во впускной системе, так как не воспроизводит временные и температурные режимы работы инжектора в условиях образования отложений.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и взятым за прототип является безмоторный метод оценки склонности АБ к образованию отложений, который предусматривает прокачку испытываемого бензина через нагретый до температуры 180±3°С инжектор в циклическом режиме, каждый цикл которого состоит из фазы работы 1±0,1 с и фазы выдержки инжектора в выключенном состоянии в течение 1,8·103±60 с. Критерием оценки склонности АБ к образованию отложений на инжекторе принято количество циклов впрыска, которое приводит к уменьшению пропускной способности на 5% от исходной [патент РФ №2368899, G01N 33/22].

Недостатком известного способа является низкая эффективность и непредсказуемая продолжительность испытания, обусловленная контролем за величиной пропускной способности инжектора, которая, как было установлено авторами, в современных инжекторах не изменяется вплоть до катастрофического отказа инжектора (разгерметизация запорной иглы).

Технический результат изобретения - снижение затрат за счет сокращения продолжительности испытания и повышение достоверности результатов за счет приближения условий испытаний к реальным условиям эксплуатации автомобилей с современными инжекторами без снижения требований по точности результатов.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе оценки склонности автомобильных бензинов к образованию отложений в инжекторах систем впрыска, включающем прокачку испытываемого бензина через нагретый до температуры 180±3°С инжектор в циклическом режиме, согласно изобретению испытания проводят в течение не более четырех суток, в каждые сутки из которых в течение 18 часов осуществляют впрыск топлива через нагретый инжектор в течение 0,2 с с интервалом между впрысками 300 с, а в течение последующих 6 часов этих суток при выключенном нагреве инжектор выдерживают в нерабочем состоянии, по окончании испытания фиксируют цвет поверхности донышка инжектора, который сравнивают с экспериментально полученной градуировочной цветовой шкалой и оценивают склонность испытываемого бензина к образованию отложений в баллах, при этом каждые сутки после нерабочего состояния инжектора дополнительно оценивают герметичность его запорной иглы, при разгерметизации которой бензин считают некондиционным.

На фиг. 1 представлена схема модельной установки, реализующей способ оценки склонности АБ к образованию отложений в инжекторах систем впрыска;

фиг. 2 - градуировочная цветовая шкала (получена экспериментально).

Установка содержит топливный бак 1 с испытываемым АБ, который с помощью топливного насоса 2 через фильтр тонкой очистки 3 подают на бензиновый инжектор 4 под давлением (3,0±0,1) кг/см², при превышении заданного давления излишки бензина через редукционный клапан 5 дросселируют в топливный бак 1. Часть инжектора 4 с распыливающими отверстиями и запорной иглой помещают в стандартный электрический нагреватель 6. Отработанный бензин собирают в стеклянном топливосборнике 7. Управление последовательностью операций испытания осуществляют электронным блоком 8, в качестве которого как вариант используют нестандартный блок, собранный на основе серийно выпускаемых логических элементов. В качестве времязадающих элементов используют два двухканальных таймера УТ-24 (http://mikroprotcessornoe_rele_vremeni_2x_kanalnoe_owen_ut24/opisanie). Первый таймер 9 используют для управления работой насоса 2, воздействуя на его привод (включение насоса на 2 с перед и во время впрыска для достижения давления 3,0±0,1 кг/см²), и инжектора 4 (впрыск топлива в течение 0,2 с с интервалом 300 с). Второй таймер 10 (УТ-24) используют для управления работой нагревателя 6 (поддержание рабочего состояния нагревателя в течение 18 ч) посредством измерителя-регулятора 11 (ТРМ-10) (_pid_regulyator_odnokanal_nij_oven_trm10/opisanie), который поддерживает постоянной на уровне 180±3°С температуру инжектора 4, замеряемую термопарой 12.

При использовании современного инжектора температура нагрева инжектора 4 (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.

Длительность фазы прокачки бензина через инжектор 4 выбрана, исходя из условий практики эксплуатации автомобилей с двигателями, оснащенными системой впрыска бензина. В инжекторе находится примерно 0,4 мл бензина, расход бензина через инжектор при перепаде давления 0,3 МПа составляет 2,5 мл/с. Таким образом, для полной смены бензина в зоне нагрева инжектора достаточно 0,16 с. Для гарантии полной смены бензина в объеме инжектора продолжительность впрыска выбрана равной 0,2 с. Малая длительность фазы прокачки бензина через инжектор 4 препятствует смыванию образующихся отложений прокачиваемым бензином.

Длительность фазы выдержки инжектора 4 в выключенном состоянии (интервал между впрысками) (300 с) выбран как компромисс между необходимостью, с одной стороны, достаточно глубокой степени окисления за время нахождения бензина в зоне прогрева, а с другой стороны - необходимостью осуществления максимально частых впрысков для увеличения скорости накопления отложений.

Таким образом, один цикл впрыска можно описать следующим образом: включение топливного насоса → включение инжектора через 0,8 с → выключение насоса и инжектора через 0,2 с → нагрев свежей порции бензина 300 с. Такой режим является максимально жестким с точки зрения накопления отложений, что было подтверждено в процессе отработки методики.

Общая продолжительность испытания не более четырех суток соответствует приблизительно 24000 км пробега автомобиля, если принять среднюю скорость автомобиля 40 км/час за 7-часовой рабочий день и количество остановок с выключенным двигателем продолжительностью не менее 5 минут 10 раз в день. За это время накапливается достаточно отложений для достоверной оценки склонности АБ к образованию отложений на инжекторах системы впрыска.

При проведении исследований бензинов различных заводов-изготовителей на установке для определения склонности АБ к образованию отложений в инжекторах системы впрыска была получена градуировочная цветовая шкала (фиг. 2), представляющая собой оценку в баллах от 0 до 6 (столбец 3 шкалы) цвета донышка инжектора с распыливающими отверстиями (столбец 1 шкалы). Каждый из этих баллов информирует о качестве АБ и позволяет прогнозировать (рекомендовать) периодичность технического обслуживания топливной системы при работе на данном АБ.

Суть изобретения заключается в использовании совокупности известных и отличительных существенных признаков способа оценки склонности АБ к образованию отложений в инжекторах систем впрыска для достижения указанного выше технического результата.

Способ оценки склонности автомобильных бензинов к образованию отложений в инжекторах систем впрыска реализуется следующим образом.

Пример: предварительно отфильтрованный испытываемый образец автомобильного бензина неэтилированного марки Регуляр-92 (АИ-92-5) по ГОСТ 51105-97 в количестве 1000 см³ заливают в топливный бак 1 установки. Устанавливают и закрепляют в распределительную магистраль бензиновый инжектор 4 (BOSCH 028015811015) с помощью специального фиксатора, предварительно смочив резиновое уплотнение испытуемым бензином. Под установленный инжектор ставят емкость для слива бензина 7 объемом не менее 100 см³. Для проверки работоспособности инжектора 4 включают насос 2 и кратковременно инжектор 4, после чего проверяют отсутствие подтекания испытываемого бензина в инжекторе 4. Если в процессе или после пролива инжектора 4 наблюдается ее подтекание (падение остаточного давления в магистрали более чем на 0,5 кг/см² через 5 мин после закрытия инжектора 4 и выключения топливного насоса 2) инжектор 4 признают негодным и заменяют. Проверяют положение переключателей на блоке управления 8 установки.

Для измерения начальной пропускной способности инжектора 4 выполняют следующие операции: под топливный инжектор 4 ставят мерный цилиндр объемом 100 см³ и проводят замер пропускной способности инжектора по следующему алгоритму: включают топливный насос 2; включают топливный инжектор 4, проводят замер количества бензина, прошедшего за 30-40 сек через инжектор в зависимости от вязкости испытываемого бензина; выключают топливный насос 2. Проводят четыре замера и рассчитывают среднее значение, перед каждым замером мерный цилиндр промывают гептаном и просушивают. В случае обнаружения негерметичности запорной иглы инжектора инжектор признается негодным.

После этого на нижнюю часть инжектора 4 надевают нагреватель 6, подставляют колбу для сбора топлива и на вход нагревателя подают управляющий сигнал, при достижении температуры инжектора 4, равной заданному значению 180±3°С, включают таймер 10, запуская испытание на сутки, которое включает в себя: работу нагревателя 6 в течение 18 ч поддержания температуры инжектора 4, когда осуществляется впрыск топлива через каждые 300 с, цикл впрыска включает в себя работу насоса 2 с (для достижения давления 3,0±0,1 кг/см²) и 0,2 с включения инжектора 4 и 6 часов нерабочего состояния инжектора 4.

После 6 ч выдержки инжектора 4 в нерабочем состоянии проводят пролив инжектора для установления герметичности, при наличии герметичности испытания продолжают, а при отсутствии герметичности бензин считают некондиционным. Испытания проводят в течение не более четырех суток. После этого испытание считается законченным, проводится обслуживание установки, для чего сливают остатки испытываемого бензина из топливного бака 1 и магистралей, инжектор 4 не снимают, заливают в топливный бак 1 1000 см³ изооктана и прокачивают через инжектор, сливают оставшийся в топливном баке 1 изооктан, снимают нагреватель 6, инжектор 4, ополаскивают инжектор 4 в 50 см³ гептана, затем выдерживают инжектор в сушильном шкафу 30 мин при 50°С. После чего проводят обработку результатов испытания путем сканирования донышка инжектора 4.

Заявленным способом были проведены испытания товарных образцов автомобильных бензинов неэтилированных марок Нормаль-80, Регуляр-92 и Премиум Евро-95 разных заводов-изготовителей. Результаты испытаний приведены в табл. 1.

По результатам испытаний видно, что время до получения оценки склонности АБ к образованию отложений в инжекторах систем впрыска составляет не более 96 ч, что значительно меньше, чем получение конечного результата по прототипу (минимально 140 ч). Достоверность полученных результатов подтверждается тем, что все режимные параметры и условия испытаний приближены к реальным условиям эксплуатации двигателей (применение современного инжектора, нагрев его до температуры, характерной для реального двигателя сразу после остановки - 180±3°С, и имитация длительной остановки автомобиля путем использования фазы холодной выдержки длительностью 6 часов).

Таким образом, применение изобретения позволит:

- минимизировать время испытания за счет установления продолжительности фазы работы инжектора 0,2 с и фазы выдержки инжектора в выключенном состоянии 300 с, что, с одной стороны, позволяет полностью сменить топливо в полости инжектора, а с другой - позволяет проводить накопление отложений с теоретически максимальной скоростью;

- повысить точность и достоверность оценки склонности автомобильных бензинов к образованию отложений в инжекторах систем впрыска за счет приближения условий испытаний к реальным условиям эксплуатации двигателей (применение современного инжектора, нагрев его до температуры, характерной для реального двигателя сразу после остановки - 180±3°С, и имитация длительной остановки автомобиля путем использования фазы холодной выдержки длительностью 6 часов);

- получить количественную характеристику склонности автомобильных бензинов к образованию отложений в инжекторах систем впрыска путем оценки отложения с помощью разработанной градуировочной цветовой шкалы, которая позволяет прогнозировать (рекомендовать) периодичность технического обслуживания топливной системы при работе на данном АБ;

- снизить затраты за счет сокращения и фиксации времени испытания на уровне не более 96 ч, снижения расхода испытываемого топлива до 1 л и отказа от использования полноразмерного двигателя.