一種柴油濾油水分離效率實驗系統(tǒng)的設(shè)計

陶士明

（上海展簡測控設(shè)備有限公司，上海202155）

0 引言

發(fā)動機燃油系統(tǒng)中的柴油濾清器（也叫油水分離器）是發(fā)動機燃油系統(tǒng)中的重要零部件，用于去除柴油中的水分，降低燃油系統(tǒng)進水的危害，提高燃油系統(tǒng)的使用壽命，保證燃油系統(tǒng)的正常使用。如果柴油中有水，可能會引起零件銹蝕、微生物滋生，造成噴射系統(tǒng)損壞、發(fā)動機動力不足、熄火等故障。

因此，燃油濾清器的油水分離能力對燃油系統(tǒng)關(guān)鍵零部件的保護及尾氣排放至關(guān)重要。

迄今為止，國內(nèi)還沒有研制出能與進口設(shè)備功能相近的柴油濾油水分離效率實驗系統(tǒng)，國內(nèi)主要生產(chǎn)廠家和科研院所大多采購德國、法國或美國的實驗設(shè)備，這些設(shè)備價格昂貴、采購周期長，限制了國內(nèi)濾清器產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

1 柴油濾清器的油水分離效率的一般實驗方法及原理

柴油/油水分離器去除柴油中水分的主要材料是濾紙，按當(dāng)前的技術(shù)水平，無法用計算或電腦軟件模擬的方式去評價油水分離效率的高低，而是必須采用模擬實際運行工況的方法，通過實驗進行測量并分析。

目前國內(nèi)外常用的實驗方法有：國際化標(biāo)準(zhǔn)組織的標(biāo)準(zhǔn)《柴油機燃油濾清器油水分離效率的評定方法》（ISO 16332—2018）和美國汽車工程師學(xué)會的標(biāo)準(zhǔn)《分離燃油中乳化水的實驗方法》（SAE J1488—2010）。實際采用哪種方法，取決于發(fā)動機研發(fā)時的技術(shù)要求。實驗方法的基本原理是用油泵從油箱抽油，使其經(jīng)過被測件（實驗油水分離器）、系統(tǒng)清潔濾清器，然后返回油箱，反復(fù)循環(huán)。在經(jīng)過被測件之前的管路時，加入一定比例的蒸餾水，并使其與柴油充分混合與乳化，變成非常細小的水滴狀態(tài)懸浮在油中。ISO 16332—2018標(biāo)準(zhǔn)采用節(jié)流孔板進行水乳化的方式，SAE J1488—2010標(biāo)準(zhǔn)采用離心泵高速旋轉(zhuǎn)攪拌、剪切進行水乳化的方式，這兩種方法都是經(jīng)過驗證的、行之有效的，其原理如圖1和圖2所示。

綜合兩個標(biāo)準(zhǔn)的要求，其主要功能和設(shè)計要求匯總?cè)绫?所示。

圖1 ISO 16332—2018實驗原理圖

圖2 SAE J1488—2010實驗原理圖

2 實驗系統(tǒng)的設(shè)計

根據(jù)表1中的兩種標(biāo)準(zhǔn)差異，通過液壓系統(tǒng)的整合，本文設(shè)計出了一種新的實驗系統(tǒng)，既可滿足ISO 16332標(biāo)準(zhǔn)，又能符合SAE J1488標(biāo)準(zhǔn)。該實驗系統(tǒng)主要由實驗油路系統(tǒng)、實驗水路注射系統(tǒng)、實時溫控系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、實驗臺機架、激光粒徑儀、自動取樣系統(tǒng)、自動卡爾費休滴定儀等8個部分組成。

2.1 實驗系統(tǒng)的工作原理

該實驗系統(tǒng)的工作原理如圖3所示。該實驗系統(tǒng)采用了錐形底油箱與平底油箱相結(jié)合的方案，按實驗需求，通過閥門切換選擇其中一個油箱。根據(jù)柴油濾油水分離器的常用規(guī)格大小和客戶要求，確定實驗流量為50～900 L/h。油水分離器的工作壓力一般都比較低，甚至可以安裝在油泵的吸油側(cè)，且外殼強度普遍比較弱，在標(biāo)準(zhǔn)中要求其背壓保持在50 kPa以上即可。因此，本次設(shè)計選用外徑18 mm的BA級卡套不銹鋼鋼管作為油泵出口后的主管路，實驗段的管徑按實際需求可選擇外徑6 mm、10 mm或15 mm，而凈化系統(tǒng)1之后的管路，選用外徑更大的22 mm的不銹鋼鋼管以獲得更小的流動阻力。詳細的選用計算見下一節(jié)內(nèi)容。

表1 ISO 16332—2018與SAE J1488—2010涉及的主要部件與要求的異同

在該實驗系統(tǒng)中，通過自動取樣系統(tǒng)，在油路系統(tǒng)壓力的作用下，從上游取樣點和下游取樣點，分別取出1 mL柴油注入卡爾費休滴定儀，用庫倫法分別分析上下游的含水量，然后通過計算得出油水分離效率ηi。

2.2 液壓元件及儀表選型和計算

2.2.1 實驗油路系統(tǒng)的主流量計選型

實驗流量最小50 L/h，最大900 L/h，測量的跨度很大，而測量準(zhǔn)確度要求≤±1%。因此選用德國進口的科氏質(zhì)量流量計，口徑DN8，介質(zhì)為專用實驗柴油CEC RF-06-03，工作壓力0.4 MPa，溫度30 ℃，密度820.4 kg/m3，粘度2.59 mPa·s。經(jīng)流量計的選型軟件計算，該流量計符合項目要求，結(jié)果如表2所示。

表2 實驗主管路科氏質(zhì)量流量計的參數(shù)計算

2.2.2 實驗水路注射系統(tǒng)的流量計選型

（1）按ISO 16332實驗標(biāo)準(zhǔn)，準(zhǔn)確度1%，注水的最小體積分數(shù)為1.5×10-3，換算成流量為：

因此選用德國進口的微小科氏質(zhì)量流量計，量程范圍0～2 000 g/h，相當(dāng)于0～33 mL/min，其測試誤差如圖4所示，符合ISO 16332的實驗標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖4 微小科氏質(zhì)量流量計的誤差曲線

（2）按SAE J1488實驗標(biāo)準(zhǔn)，準(zhǔn)確度±5%，注水的流量固定為63 mL/min，總流量為25 L/min，相當(dāng)于體積分數(shù)為2.5×10-3的注水濃度，因此選用國產(chǎn)的橢圓齒輪流量計，精度為±0.5%，量程為3～300 mL/min，符合SAE J1488實驗標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.2.3 實驗油路系統(tǒng)的油泵選型

根據(jù)項目要求，實驗流量最小50 L/h，最大900 L/h，考慮到柴油的粘度相對比較低，因此選用2級（2 900 r/min）的三相380 V異步交流變頻電機驅(qū)動的不銹鋼齒輪油泵，排量為9 mL/rev，換算成單位流量為：9 mL/rev×2 900 r/min＝26.1 L/min＝1 566 L/h＞900 L/h，滿足最大流量要求。

當(dāng)流量為50 L/h時，油泵的輸出相當(dāng)于最大流量的50/1 566≈3.2%。因此，選用磁力耦合連接的變頻電機進行驅(qū)動并通過變頻器調(diào)節(jié)油泵轉(zhuǎn)速。

2.2.4 油箱的布置和容量的確定

ISO 16332和SAE J1488對油箱幾何尺寸的規(guī)定完全不同，因此采用兩個油箱前后并列布置的形式，通過氣動球閥切換來滿足不同的實驗需求，燃油濾油水分離效率實驗系統(tǒng)的外形結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

圖5 燃油濾油水分離效率實驗系統(tǒng)的外形結(jié)構(gòu)圖

油箱容量是油箱主要的技術(shù)參數(shù)，油箱必須有一定的容量，才能實現(xiàn)基本功能。油箱容量與實驗燃油體積有關(guān)，根據(jù)表1匯總的兩個標(biāo)準(zhǔn)中的參數(shù)要求，油箱容量計算如下：

選擇ISO 16332的實驗，流量范圍在50～900 L/h時，最小實驗燃油體積＝50×20%＝10 L，最大實驗燃油體積＝900×20%＝180 L。因此，錐底油箱的總?cè)萘吭O(shè)計為220 L，有效容量為180 L。

選擇SAE J1488的實驗，流量范圍在50～900 L/h（相當(dāng)于0.83～15 L/min）時，最大實驗燃油體積＝5×15＝75 L，因此平底油箱的總?cè)萘吭O(shè)計為90 L，有效容量為75 L。

2.2.5 水乳化裝置

SAE J1488指定采用美國Goulds品牌的1ST1E5D4柴油輸送專用離心泵，將注水口設(shè)置在離心泵入口（詳見圖2和圖3），通過離心泵的高速旋轉(zhuǎn)和剪切作用，將水與油完全乳化。

在ISO 16332中，規(guī)定采用標(biāo)準(zhǔn)中指定形式的節(jié)流孔板式的水乳化裝置，如圖6所示。定制加工一批（約30片/60個小孔的規(guī)格，孔徑0.7～7.0 mm）水乳化裝置，便于在測試過程中按需選用。

圖6 節(jié)流孔板式的水乳化裝置

在選用孔板時，采用多大的孔徑，需借助于激光粒徑儀進行水滴大小的檢測，標(biāo)準(zhǔn)要求有兩種水滴大?。篋3,50＝（10±1.5）μm和D3,50＝（150±10）μm。

2.2.6 實時溫控系統(tǒng)

該實驗系統(tǒng)設(shè)計有實時溫控系統(tǒng)，由加熱和冷卻兩個部分組成，可以有效防止實驗臺油路系統(tǒng)的油溫過低或過高。

油水分離效率測試過程中，要求不能破壞實驗用油的任何成分，因此選用間接式加熱方式，用硅橡膠加熱帶纏繞在鋼管表面，通過可控硅功率調(diào)壓模塊來控制加熱帶的輸入電壓的大小，進而實現(xiàn)對加熱功率大小的控制，調(diào)壓模塊為4～20 mA輸入式模擬量控制，由西門子PLC通過PID實時控制。

冷卻部分由不銹鋼板式換熱器、溫度傳感器和電磁閥等組成，冷卻方式為水冷。當(dāng)實驗管路中柴油溫度超過設(shè)定溫度范圍時，開啟電磁閥，冷凍水進入板式換熱器，進而降低實驗管路中的柴油溫度。當(dāng)實驗管路中柴油溫度低于設(shè)定溫度范圍時，關(guān)閉電磁閥，冷凍水停止進入板式換熱器。

2.2.7 實驗油路系統(tǒng)的管徑選擇

標(biāo)準(zhǔn)中要求實驗段的流速＞0.75 m/s，而該實驗系統(tǒng)的流量范圍要求為50～900 L/h，因此，所選管徑規(guī)格與流速如表3所示。

表3 實驗油路系統(tǒng)的管徑與流速

被測件的出口壓力，即背壓要求在50 kPa左右，可通過安裝背壓調(diào)節(jié)閥來實現(xiàn)。該背壓調(diào)節(jié)閥為4～20 mA模擬量輸入控制，可精確調(diào)節(jié)閥門的開度。

但是在選擇SAE J1488標(biāo)準(zhǔn)進行實驗時，主路流量為25 L/min，因此，從背壓計到油箱的回油管路段的流動阻力在這么大的流量下，也必須小于50 kPa。經(jīng)計算，其管徑的選取如下：

管子規(guī)格φ22×1.5 mm；內(nèi)部流通直徑19 mm；管路總長12 m；90°轉(zhuǎn)彎5個。

沿程阻力：

式中：λ為沿程阻力系數(shù)，范圍為0.03～0.07，取λ＝0.05；L為管長，L＝12 m；d為管徑，d＝19 mm＝0.019 m；ρ為密度，取820.4 kg/m3；v為端面平均流速，v＝（25 L/min）/（π×19×19/4）mm2≈1.47 m/s；K為局部阻力系數(shù)，旁流三通時取K＝1.5，數(shù)量為5個。

所以沿程阻力ΔP＝（0.05×12/0.019＋5×1.5）×820.4×2.16/2≈34 625 Pa≈34.63 kPa＜50 kPa，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.3 實驗系統(tǒng)的實驗項目及內(nèi)容

2.3.1 實驗項目

發(fā)動機燃油系統(tǒng)中的油水分離器。

2.3.2 實驗內(nèi)容

檢測油水分離器的油水分離效率。

3 計算機數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)發(fā)動機燃油系統(tǒng)中的油水分離器產(chǎn)品的實際使用參數(shù)，結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)ISO 16332和SAE J1488的要求，對被試油水分離器的實時數(shù)據(jù)采集和計算機輔助控制技術(shù)進行設(shè)計，并開發(fā)設(shè)計出適合該實驗系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理分析軟件，對所采集的數(shù)據(jù)進行分析和計算，繪制出實驗時的特性曲線。

該實驗系統(tǒng)設(shè)計的電氣控制柜集成有控制電腦、計算機數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)和電氣按鈕等元件，控制電腦由工業(yè)控制計算機、打印機以及配套的數(shù)據(jù)處理分析軟件組成。工業(yè)控制計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)如圖7所示。系統(tǒng)中的流量傳感器、壓力傳感器、壓差傳感器和溫度傳感器將被試油水分離器產(chǎn)品的流量、壓力、壓差和溫度轉(zhuǎn)換成4～20 mA電流信號，由可編程控制器PLC經(jīng)串口送入計算機，計算機隨之對測試的數(shù)據(jù)進行處理和分析。激光粒徑儀串聯(lián)在實驗油路中，有獨立的專有軟件裝在同一臺工業(yè)控制計算機中進行全流量檢測?？栙M休滴定儀通過USB接口與工業(yè)控制計算機相連，也有獨立的專有軟件，從實驗系統(tǒng)中取出的樣品被卡爾費休滴定儀精確抽取1 mL進入滴定儀進行分析，結(jié)果返回給工業(yè)控制計算機進行處理和分析。實驗參數(shù)及測試數(shù)據(jù)存儲在硬盤上，實驗結(jié)果自動形成報告由打印機輸出。

圖7 計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

4 實驗系統(tǒng)投入應(yīng)用情況

根據(jù)油水分離器產(chǎn)品的出廠檢驗大綱，利用設(shè)計的該柴油濾油水分離效率實驗系統(tǒng)對油水分離器產(chǎn)品進行了出廠檢驗，實驗臺的液壓系統(tǒng)穩(wěn)定性高且滿足對各產(chǎn)品的性能測試要求，實驗得到的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。

但是，在實驗臺運行過程中也出現(xiàn)了一些問題，本文對這些問題進行了原因分析并對系統(tǒng)進行了優(yōu)化，具體如下：

4.1 油路主油泵流量無法調(diào)節(jié)到設(shè)計流量

原因分析：（1）供油主油泵吸空；（2）雜質(zhì)進入油泵齒輪造成油泵卡滯。

解決辦法：（1）調(diào)節(jié)吸油過濾器的過濾精度；（2）更換吸油管并加裝重型卡箍鎖緊。

4.2 采集的節(jié)流孔板的壓差數(shù)據(jù)跳變較大

原因分析：節(jié)流孔板的節(jié)流孔非常小，在相對較大的流量下對孔板表面產(chǎn)生沖擊，并且孔板兩端壓差最高可達0.4 MPa，而所選材料是回彈性較好的0.5 mm厚不銹鋼薄板，造成孔板來回顫動。

解決辦法：更換節(jié)流孔板的材料，選用高硬度、回彈性較小的不銹鋼材料。

4.3 計算機軟件不能運行并出錯

原因分析：（1）軟件損壞或部分文件丟失；（2）計算機系統(tǒng)故障。

解決辦法：重裝系統(tǒng)軟件。

4.4 采集的注水流量數(shù)據(jù)跳變較大

原因分析：注水流量數(shù)據(jù)非常小，最小只有1 mL/min，因此采用可編程控制器PLC的PID自動調(diào)節(jié)方式無法滿足實驗要求。

解決辦法：（1）在注水點之前增加一個電磁閥控制注水的通斷。（2）重新編寫該段的PLC程序，先采集注水點的油壓，在注水壓力低于油壓時，電磁閥處于關(guān)閉狀態(tài)，并采用PID控制水泵轉(zhuǎn)速快速升壓；當(dāng)注水壓力高于油壓時，打開電磁閥，同時從PID控制模式轉(zhuǎn)為固定頻率模式，然后每3 s檢測一次注水流量，當(dāng)流量沒有達到設(shè)定值時，自動增加頻率1%，直至達到流量設(shè)定值。

通過對以上問題的解決與對系統(tǒng)的進一步優(yōu)化，該實驗臺的運行穩(wěn)定性也隨之增強。

5 結(jié)語

該柴油濾油水分離效率實驗系統(tǒng)的設(shè)計與投入使用，可以對柴油濾清器的水分離能力指標(biāo)進行更科學(xué)、可靠、有效的測定和評價。該柴油濾油水分離效率實驗系統(tǒng)的成功設(shè)計，可以為柴油濾清器生產(chǎn)廠家研發(fā)、生產(chǎn)與高性能柴油機相匹配的柴油濾清器提供科學(xué)依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐，保護柴油機的燃油系統(tǒng)，延長機件壽命，推動柴油機節(jié)能降耗、達標(biāo)排放，向綠色、高質(zhì)量方向發(fā)展，將會產(chǎn)生很好的經(jīng)濟效益和社會效益。實踐證明，該實驗臺結(jié)構(gòu)設(shè)計合理、性能穩(wěn)定、自動化程度高、操作簡單并安全可靠，達到了預(yù)期的設(shè)計目的。