电喷柴油机燃油的净化技术

2016/08/25 17:24《工程机械与维修》田少民 邓焮天

柴油机采用电喷技术后,得到了节能、高效、环保及方便维修的肯定评价,但众多用户却抱怨电喷发动机故障频发,换件费用高昂。电喷发动机的常见故障是启动困难,动力下降,更换一次喷油器或供油泵,动辄花费数万元。究其原因,流行的说法是“车油不配套”,国产柴油机质量差。笔者认为关键在于柴油提炼出厂后,污染问题没处理到位。

世界燃油组织(WWFC)确认,全球有一半的燃油在零售过程中,没有达到 ISO18/16/13 的污染等级。面对复杂的电喷燃油系统,则需要比以往更高质量的清洁柴油,特别是在污染等级和含水量方面的要求更高。

柴油污染关键指标

固体颗粒污染等级

合规的柴油在出厂时,按国标“普通柴油”(GB252-2011)或“车用柴油(IV)”(GB19147-2013)的规定,机械杂质为“无”。测定时可用目测法,将油样注入 100mg 的玻璃量筒中,在室温下定性观察,应当透明,没有悬浮和沉降的杂质。需要定量测定时,按GB/T511 检测。

柴油在储存、运输、保管的过程中,如果混入尘土、砂子、金属锈渣等机械杂质,就会受到污染。燃油中的机械杂质在高油压作用下,会造成供油泵剧烈的磨料磨损和喷油器的堵塞、卡死。此外,柴油若储存不当或存放时间过长,油中的烃类经过热空气流的蒸发、氧化、聚合及缩合作用,或者与水和金属发生化学反应,就会生成深色的粘稠状胶质。这些残留胶质非常有害,容易堵塞柴油滤芯,受热分解后会阻塞喷油器。

为了控制柴油的固体颗粒(无机的机械杂质和有机的残留胶质)污染,可采用自动颗粒计数器监测,确保加注到油箱中的柴油符合 GB18/16/13 的污染等级。

图1所示污染等级,是按GB/T14039 确定的。它是一组分布统计的数据。第一个代码“18”表示每毫升

柴油中尺寸≥ 4μm 的总颗粒数不超过1900 个;第二个代码“16”表示每毫升柴油中尺寸≥ 6μm 的总颗粒数不超过 700 个;第三个代码“13”表每毫升柴油中尺寸≥ 14μm 的总颗粒数不超过 60 个。

采用激光自动颗粒计数器四通道测量,1μm 的灵敏度,既可取样检查也可在线监测。

水分含量

合规的柴油出厂时,按国标“普通柴油”(GB252-2011)或“车用柴油(1V)”(GB19147-2013)和规定,水分(体积分数)在0.03% 以下,认作“痕迹”。测定时可用测法,将油样注入100mg 的玻璃量筒中,在室温下定性观察,应当透明,没有悬浮和沉降的水分。需要定量测定时,按 GB/T260 检测。

柴油在储存、运输、的过程中,如果混入水分,就会造成柴油的水污染。水污染引起金属锈蚀,弱化滤芯的过滤能力,降低柴油的油膜强度,使输油泵、供油泵及喷油器磨损加剧,甚至拉伤、烧结。

柴油中的含水量可用水分仪测定。图 3 所示水分检测仪可用于在线监测。

三种净化技术

沉淀过滤净化

安装在柴油机上的柴油过滤装置,虽然具有脱水滤清的功能,但是藏垢纳污的能力有限。受到污染的柴油,应在加注到油箱之前,预先进行净化处理。

传统的多级过滤方法,是从油槽车到油库的油罐卸油时、从油罐到加油车装油时、从加油车(加油站)到用户的油桶或柴油机油箱加油时,都采用开式滤网或织物进行过滤。

柴油净化的最简单方法,便是利用油罐或油桶,将待用的柴油静置 72 ~ 96h 沉淀。

混入柴油中的水分有 3 种形态:①溶解水,存在于烃类化合物的分子之间的空隙内。水在油中的溶解饱和度很小。在温度低时,溶解水就会析出,变成悬浮状态的水。②悬浮水,以微小水滴悬浮在油中,会造成柴油的乳化,而且难以用沉淀的方法去除。③游离水,以较大的水滴混合在油中。由于水比柴油的比重仅大 15% 左右,游离水静置的沉淀速度很慢,要等 3 天后,游离水才会以水垫的形式沉于油罐的底部。

沉淀过滤净化的方法,要占用两个以上的油罐(油桶),沉淀时间要足够长,过滤的手续繁复,对于大量用油的矿山和大型工程项目并不合适。沉淀过滤净化法不能有效分离悬浮水,当要求非溶解水小于 1000ppm 的含量、过滤精度 4 ~6μm,限制去除固体颗粒达到 GB18/16/13 的净化指标时,在技术经济上受到了限制。

凝聚过滤净化

固体颗粒污染净化是一种固液分离技术。只要过滤装置采用绝对过滤精度 4υm 的合成纤维材料作滤芯,单位体积柴油中净化前后的平均颗粒数之比(多通试验的平均过滤比)β 值达到 200,就能确保 GB18/16/13 的污染等级。

水污染净化要求同相分离,技术上有一定难度。如果采用真空脱水装置,工艺复杂成本高。

英国爱伦公司、德国法笛公司等研制的凝聚过滤装置的原理如下:柴油中悬浮水在通过亲水性的纤维滤网时,会发生吸附、碰撞而凝聚成水滴较大的游离水。在层流条件下流动时,大部分游离水会较快沉降下来,少部分未沉降的游离水通过聚四氟乙烯材料的分离网疏水之后,就能有效地分离油水,确保柴油含水量小于 0.1%。

卡彼勒公司的净化系统如图 2 所示。这类系统有四种规格:最大燃油流量 1136L/min 和757L/min 的 4 种适合快速加油站作业,379L/min和 190L/min 的两种既可作常规油罐过滤装置,也可安装在运油车上手动加油。国产的几款小型柴油净化装置如图 3 所示。

机内净化

主机厂或发动机厂家在随机使用维护说明中,都列有关于燃油系统点检和定检的详尽作业要求。有几个问题需要厂家技服人员提醒用户注意。

改掉早上加油的不良习惯

在每天结束作业后补加柴油,可以减小油箱的存气空间,避免油箱内空气中湿存水因昼夜温差变化而凝结成水滴混入水中,同时,也可使油箱中的柴油有时间沉淀杂质及水分(参看图 4,需在第二天早

上作业前排污)。总之,要养成油箱满油过夜的习惯。

慎重代用原厂滤清器

原厂设计或选用的柴油油水分离器、粗滤器,细滤器,都按ISO4020 标准进行了性能试验,包括污染等级试验、气泡试验、压差试验、多通试验、水分离效率试验、破损试验、总成破损试验、脉动压力试验和疲劳试验。

柴油滤清器的性能按上述试验结果评定等级,包括过滤效率、寿命、流量、水分离效率及破损压差的等级。如果认为安装尺寸可以互换而代用了不合格的滤清器或滤芯,就达不到原设计的过滤能力和过滤效率。当然,过了质保期的发动机,也尽可选用性能等级与原厂相近的国产柴油滤清器。

图 1 柴油的污染等级代码

图 1 柴油的污染等级代码

图 2 <a href=http://product.d1cm.com/brand/caterpillar/ target=_blank>卡特彼勒</a>燃油净化系统

图 2 卡特彼勒燃油净化系统

图 3 小型净油器

图 3 小型净油器

图 4 柴油箱通气与积水

图 4 柴油箱通气与积水

责任编辑:Yaodl

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发动机- 主机的优化匹配。如果三者在技术融合中不降低技术壁垒,在技术支持上不充分授权,售后维修策略保守,将使主机厂的售后服务脱节,就会给用户的使用、维护及修理带来困难。 庞瑞峰:电控高压共轨技术实际为柴油机共轨式电控燃油喷射技术,它是一项较为成功的控制污染排放的新技术。 共轨式电控燃油喷射技术通过共轨直接或间接地形成恒定的高压燃油,分送到每个喷油器,并借助于集成在每个喷油器上的高速电磁开关阀的开启与闭合,定时、定量地控制喷油器喷射至柴油机燃烧室的油量,从而保证柴油机达到最佳的燃烧比和良好的雾化,以及最佳的点火时间、足够的点火能量和最少的污染排放。这一技术的研究与开发热点在于:一是如何解决高压共轨系统的恒高压密封问题。二是如何解决高压共轨系统中共轨压力的微小波动所造成的喷油量不均匀问题。三是如何解决高压共轨系统的多个三维控制数据表优化问题。四是如何解决微结构、高频响电磁开关阀设计与制造过程中的关键技术问题。 现在该项新技术已开始在国外以柴油机提供动力的汽车上投入使用。相对于汽油机而言,我国在电控柴油机方面与国外差距相对较小。得益于以下原因:一是我国原有柴油机使用车辆大都具有自主品牌,二是我国柴油机使用车辆的舒适性要求不高,价格低廉,国外公司与中国企业竞争不占优势。随着排放标准的提高,柴油机必须采用电控喷射系统。目前国内柴油电控系统主要有共轨、单体泵等,和国外先进技术比,显然还不具备对等的实力,在关键零部件的技术攻关上,国内还有很长的路要走。比如日本电装、德国博世几乎垄断了电控高压共轨的关键零部件。但这些会随时间推移,不久将逐步得到解决。#d1cm#page#电控高压共轨发动机故障之殇 在工程机械行业,电控高压共轨发动机很难得到市场和用户认可的一个最主要的原因便是其高故障率,高故障率既与技术本身有很大关系,也与使用环境和使用方式密不可分。 马军刚:在所有的故障模式中,燃油的品质是造成电控高压共轨故障频发的主要原因。用户使用的伪劣燃油或受污染燃油中的过高的水分和不溶性机械杂质含量,对共轨系统的可靠性造成威胁最为严重。前者会破坏燃油的润滑性能并在系统内形成锈迹,在低温环境下水的结晶会影响燃油的流动性,降低发动机性能,甚至导致共轨系统报废。后者则会令包括柱塞、出油阀、控制针阀、喷油针阀、缝隙式滤清器等精密零件擦伤报废。同时,国内燃油含硫量相对较高是公认的事实。而高硫的燃油会侵蚀燃油系统,造成油嘴结焦堵塞。虽然燃油国三,国四标准已在 2014 年和 2015 年推出,但国内各地的燃油品质都不一样,很多地区用的燃油还是在国三以下。 在终端客户的实际使用过程中,由于还存在以前机械泵的一些使用习惯,还是会加到一些来路不明的燃油。这对电控共轨燃油系统的危害极大。 田少民:目前高压燃油泵大多是柴油润滑的,计量单元设计在出油侧。建议采用机油润滑、计量单元在进油侧的高压泵,例如博世的 CPH2型结构,可以减少高压泵的故障,延长使用寿命。 郭锐:整车或者整机设计缺陷:比如油箱呼吸器未安装滤芯,容易导致燃油二次污染。油箱或者高低压管路材质里含有锌铜铅锡等元素,易导致油嘴积炭等。整机布局不规范,比如整车布线不严谨,导致电器存在峰值电压导致内部芯片击穿等。 柴油品质欠佳:柴油含硫量越低,柴油质量越高,高硫的柴油会侵蚀和损坏发动机系统,增加尾气中颗粒物的排放,其次是柴油中的杂质(不溶固体微粒)问题在国内有些地方也表现的很严重,柴油中的杂质对柴油机高压供油系统特别是喷嘴伤害极大。高压共轨的油泵可以承受相当高的压强,柴油在出厂时是标准油品,但在运输到加油站后经受二次污染也会造成油路配件磨损。 使用的燃油滤清器过滤效率欠佳:高压共轨系统为保证高压喷射,精确流量控制,其各组成部分的精度都非常高,偶件间隙控制相当严格,部分直线度在0.8μm 以下,偶件间隙在1.5~ 3.7μm 之间,所以对柴油清洁度提出了很高的要求。传统的柴油滤清器只能过滤 10μm 以上的颗粒,3μm 的颗粒过滤效率很差。高压共轨系统要求滤清器提供 95% 的水分离效率和98.6% 的 3 ~ 5μm 的颗粒过滤效率。 劣质滤清器对燃油系统和发动机造成的影响是隐性的,可能不会立即发现,但等损害积累到一定程度时爆发出来为时已晚。 劣质柴油滤清器对柴油系统的危害主要包括以下 4 个方面:①额定流量不足,滤清器超负荷工作,影响车辆动力性和燃油系统使用寿命。②滤纸孔径大、均匀性差、表面积小、过滤效率低,造成燃油系统和发动机早期磨损 。③油水分离失效,燃油部件和发动机锈蚀 。④滤清器内部粘接不牢固或密封失效,导致滤芯短路,无法滤除杂质,导致燃油系统和发动机磨损 。 驾驶员平时不注意发动机的定期保养:应加强空气滤清器、机油滤清器和柴油滤清器这三种滤清器的保养,充分发挥它们的作用。选择发动机厂家推荐的专用机油,根据使用环境和燃油品质缩短机油的更换时间。 设备超载超负荷工作严重:造成燃油系统超负荷工作,寿命降低。发动机热负荷过高,磨损加剧。 设备工作环境恶劣:燃油油路易交叉污染,部件易磨损。高寒、高温、高原环境会导致系统鲁棒性降低。 周凤东:十多年前,车用柴油发动机就开始使用电控高压共轨技术,很多工程机械厂家也在挖掘机上开始使用电控高压共轨柴油发动机。 在我国北方,冬季气温很低,柴油发动机使用“零”号柴油通常会“结腊”,需要使用“-35号”或要求更高的柴油。有些区域当季节变化时,换季燃油供应不及时,使得用户只能在柴油中添加煤油等附加物,导致油品质量下降。 此外,工程机械很少能到加油站进行加油,一般采用运输车将柴油运到施工工地进行加油。柴油运输设备及存储设备不洁净,也影响了燃油的质量。储油设备管理不当,也会使燃油被污染,比如雨水、灰尘的侵入,导致燃油品质很差。 另有不法燃油经销商、运输商为谋取非法利润以次充好。少数施工单位采购油品时,由于多方原因,明知油品质量不好,仍视而不见。据调查,有些地方工程机械使用的柴油质量,差得让人难以理解。 由于电控高压共轨燃油系统部件精密度的大幅提高,工程机械的燃油系统需提高滤芯精度,缩短保养周期,这使得用户的保养成本增加。油品不好时,更使得保养次数增加。为了降低保养成本,用户便开始使用不合格的保养部件或不按机械使用要求进行保养。 油品的质量直接影响了高压共轨柴油发动机燃油系统部件的使用寿命。发生频率较高的故障是:喷油器卡滞不喷油、喷油器划伤滴油,高压燃油泵卡滞、划伤等故障。如果修理人员清洗故障机燃油系统不彻底,还会使更换的新配件在短期内再次损坏。 庞瑞峰:在使用电控高压共轨发动机设备时,由于有 ECU- 电子控制单元、曲轴位置传感器、凸轮轴轴相位传感器、共轨压力传感器、加速踏板传感器、进气温度传感器、机油压力温度传感器、冷却水温度传感器等一系列传感器,这种微型灵敏的电气元件由于环境的不确定性,极易发生故障。此外,由于国内的施工环境及燃油品质限制,容易引发电控系统故障,如油路阻塞、喷油嘴雾化不良等。[详细]2016-08-25 17:11:37.0

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