一種柴油濾油水分離效率實驗系統的設計

陶士明

（上海展簡測控設備有限公司，上海202155）

0 引言

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

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

迄今為止，國內還沒有研制出能與進口設備功能相近的柴油濾油水分離效率實驗系統，國內主要生產廠家和科研院所大多采購德國、法國或美國的實驗設備，這些設備價格昂貴、采購周期長，限制了國內濾清器產業的發展。

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，按當前的技術水平，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。

目前國內外常用的實驗方法有：國際化標準組織的標準《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會的標準《分離燃油中乳化水的實驗方法》（SAE J1488—2010）。實際采用哪種方法，取決于發動機研發時的技術要求。實驗方法的基本原理是用油泵從油箱抽油，使其經過被測件（實驗油水分離器）、系統清潔濾清器，然后返回油箱，反復循環。在經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懸浮在油中。ISO 16332—2018標準采用節流孔板進行水乳化的方式，SAE J1488—2010標準采用離心泵高速旋轉攪拌、剪切進行水乳化的方式，這兩種方法都是經過驗證的、行之有效的，其原理如圖1和圖2所示。

綜合兩個標準的要求，其主要功能和設計要求匯總如表1所示。

圖1 ISO 16332—2018實驗原理圖

圖2 SAE J1488—2010實驗原理圖

2 實驗系統的設計

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

2.1 實驗系統的工作原理

該實驗系統的工作原理如圖3所示。該實驗系統采用了錐形底油箱與平底油箱相結合的方案，按實驗需求，通過閥門切換選擇其中一個油箱。根據柴油濾油水分離器的常用規格大小和客戶要求，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，且外殼強度普遍比較弱，在標準中要求其背壓保持在50 kPa以上即可。因此，本次設計選用外徑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內容。

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

在該實驗系統中，通過自動取樣系統，在油路系統壓力的作用下，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，而測量準確度要求≤±1%。因此選用德國進口的科氏質量流量計，口徑DN8，介質為專用實驗柴油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。經流量計的選型軟件計算，該流量計符合項目要求，結果如表2所示。

表2 實驗主管路科氏質量流量計的參數計算

2.2.2 實驗水路注射系統的流量計選型

（1）按ISO 16332實驗標準，準確度1%，注水的最小體積分數為1.5×10-3，換算成流量為：

因此選用德國進口的微小科氏質量流量計，量程范圍0～2 000 g/h，相當于0～33 mL/min，其測試誤差如圖4所示，符合ISO 16332的實驗標準要求。

圖4 微小科氏質量流量計的誤差曲線

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

2.2.3 實驗油路系統的油泵選型

根據項目要求，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。

當流量為50 L/h時，油泵的輸出相當于最大流量的50/1 566≈3.2%。因此，選用磁力耦合連接的變頻電機進行驅動并通過變頻器調節油泵轉速。

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的外形結構圖如圖5所示。

圖5 燃油濾油水分離效率實驗系統的外形結構圖

油箱容量是油箱主要的技術參數，油箱必須有一定的容量，才能實現基本功能。油箱容量與實驗燃油體積有關，根據表1匯總的兩個標準中的參數要求，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，錐底油箱的總容量設計為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，因此平底油箱的總容量設計為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，將注水口設置在離心泵入口（詳見圖2和圖3），通過離心泵的高速旋轉和剪切作用，將水與油完全乳化。

在ISO 16332中，規定采用標準中指定形式的節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，標準要求有兩種水滴大小：D3,50＝（10±1.5）μm和D3,50＝（150±10）μm。

2.2.6 實時溫控系統

該實驗系統設計有實時溫控系統，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，通過可控硅功率調壓模塊來控制加熱帶的輸入電壓的大小，進而實現對加熱功率大小的控制，調壓模塊為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。當實驗管路中柴油溫度超過設定溫度范圍時，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。當實驗管路中柴油溫度低于設定溫度范圍時，關閉電磁閥，冷凍水停止進入板式換熱器。

2.2.7 實驗油路系統的管徑選擇

標準中要求實驗段的流速＞0.75 m/s，而該實驗系統的流量范圍要求為50～900 L/h，因此，所選管徑規格與流速如表3所示。

表3 實驗油路系統的管徑與流速

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

但是在選擇SAE J1488標準進行實驗時，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。經計算，其管徑的選取如下：

管子規格φ22×1.5 mm；內部流通直徑19 mm；管路總長12 m；90°轉彎5個。

沿程阻力：

式中：λ為沿程阻力系數，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，旁流三通時取K＝1.5，數量為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，符合標準要求。

2.3 實驗系統的實驗項目及內容

2.3.1 實驗項目

發動機燃油系統中的油水分離器。

2.3.2 實驗內容

檢測油水分離器的油水分離效率。

3 計算機數據采集及處理系統設計

根據發動機燃油系統中的油水分離器產品的實際使用參數，結合標準ISO 16332和SAE J1488的要求，對被試油水分離器的實時數據采集和計算機輔助控制技術進行設計，并開發設計出適合該實驗系統的數據處理分析軟件，對所采集的數據進行分析和計算，繪制出實驗時的特性曲線。

該實驗系統設計的電氣控制柜集成有控制電腦、計算機數據采集處理系統和電氣按鈕等元件，控制電腦由工業控制計算機、打印機以及配套的數據處理分析軟件組成。工業控制計算機數據采集系統如圖7所示。系統中的流量傳感器、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品的流量、壓力、壓差和溫度轉換成4～20 mA電流信號，由可編程控制器PLC經串口送入計算機，計算機隨之對測試的數據進行處理和分析。激光粒徑儀串聯在實驗油路中，有獨立的專有軟件裝在同一臺工業控制計算機中進行全流量檢測。卡爾費休滴定儀通過USB接口與工業控制計算機相連，也有獨立的專有軟件，從實驗系統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，結果返回給工業控制計算機進行處理和分析。實驗參數及測試數據存儲在硬盤上，實驗結果自動形成報告由打印機輸出。

圖7 計算機數據采集系統

4 實驗系統投入應用情況

根據油水分離器產品的出廠檢驗大綱，利用設計的該柴油濾油水分離效率實驗系統對油水分離器產品進行了出廠檢驗，實驗臺的液壓系統穩定性高且滿足對各產品的性能測試要求，實驗得到的數據準確。

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

4.1 油路主油泵流量無法調節到設計流量

原因分析：（1）供油主油泵吸空；（2）雜質進入油泵齒輪造成油泵卡滯。

解決辦法：（1）調節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 采集的節流孔板的壓差數據跳變較大

原因分析：節流孔板的節流孔非常小，在相對較大的流量下對孔板表面產生沖擊，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）計算機系統故障。

解決辦法：重裝系統軟件。

4.4 采集的注水流量數據跳變較大

原因分析：注水流量數據非常小，最小只有1 mL/min，因此采用可編程控制器PLC的PID自動調節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，電磁閥處于關閉狀態，并采用PID控制水泵轉速快速升壓；當注水壓力高于油壓時，打開電磁閥，同時從PID控制模式轉為固定頻率模式，然后每3 s檢測一次注水流量，當流量沒有達到設定值時，自動增加頻率1%，直至達到流量設定值。

通過對以上問題的解決與對系統的進一步優化，該實驗臺的運行穩定性也隨之增強。

5 結語

該柴油濾油水分離效率實驗系統的設計與投入使用，可以對柴油濾清器的水分離能力指標進行更科學、可靠、有效的測定和評價。該柴油濾油水分離效率實驗系統的成功設計，可以為柴油濾清器生產廠家研發、生產與高性能柴油機相匹配的柴油濾清器提供科學依據和數據支撐，保護柴油機的燃油系統，延長機件壽命，推動柴油機節能降耗、達標排放，向綠色、高質量方向發展，將會產生很好的經濟效益和社會效益。實踐證明，該實驗臺結構設計合理、性能穩定、自動化程度高、操作簡單并安全可靠，達到了預期的設計目的。