КОНЦЕПЦИЯ СОЗДАНИЯ СОВРЕМЕННЫХ ВЫСОКОТОЧНЫХ РАСХОДОМЕРОВ ТОПЛИВА ДЛЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СРЕДСТВ

КОНЦЕПЦИЯ СОЗДАНИЯ СОВРЕМЕННЫХ ВЫСОКОТОЧНЫХ РАСХОДОМЕРОВ ТОПЛИВА ДЛЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СРЕДСТВ

Научная статья

Шмелев С.А.^1, *, Шалимов В.Э.², Буклагин Д.С.³, Дунаев А.В.⁴

¹ ORCID: 0000-0002-3112-6613,

АО КБточмаш им. А.Э. Нудельмана, Москва, Россия;

² ORCID: 0000-0003-4347-4516,

Научно – исследовательский испытательный центр (исследований и перспектив развития АТ ВС РФ) Центрального научно – исследовательского института Минобороны России, Москва, Россия;

³ ORCID: 0000-0001-5290-70-75,

ФГБНУ Росинформагротех, Правдинский, Россия;

⁴ ORCID: 0000-0001-9471-1513,

Федеральное государственное бюджетное научное учреждение  "Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ" (ФГБНУ ФНАЦ ВИМ), Москва, Россия

* Корреспондирующий автор (s.shmelev86[at]mail.ru)

Аннотация

Повышение точности и снижения стоимости измерений расхода топлива на мобильных энергетических средствах является актуальной задачей, так как погрешность измерений величины расхода топлива непосредственно влияет на достоверность сравнительного анализа результатов испытаний автотракторных средств. Кроме того, актуальность разработки высокоточного расходомера топлива для двигателей внутреннего сгорания (ДВС) обусловлена необходимостью оценки их топливной экономичности и технического состояния в условиях постоянного роста цен на энергоносители и повышения экологических требований к автомобильному транспорту. В статье рассмотрены различные тенденции развития и концепции создания высокоточных расходомеров топлива, вопросы применения таких расходомеров для диагностирования работы двигателей машинно-тракторных агрегатов, возможность их серийного производства и применения в массовых масштабах.

Ключевые слова: расход топлива, расходомер, дизельное топливо, датчик давления, трубопровод, погрешность, энергетическая оценка.

CONCEPT OF CREATING MODERN HIGH-PRECISE FUEL FLOW METERS FOR ENERGY FACILITIES

Research article

Shmelev S.A.^1, *, Shalimov V.E.², Buklagin D.S.³, Dunaev A.V.⁴

¹ ORCID: 0000-0002-3112-6613,

JSC "KBtochmash named after A.E. Nudelman", Moscow, Russia;

² ORCID: 0000-0003-4347-4516,

Research and Testing Center (research and development prospects of the RF Armed Forces) 3 of the Central Research Institute of the Ministry of Defense of Russia, Moscow, Russia;

³ ORCID: 0000-0001-5290-70-75,

Rosinformagrotekh State Research Institute, Pravdinskij, Russia;

⁴ ORCID: 0000-0001-9471-1513,

Federal State Budget Scientific Institution, Federal Scientific Agroengineering Center, VIM (FSBSI FSAC VIM), Moscow, Russia

* Corresponding author (s.shmelev86[at]mail.ru)

Abstract

Improving the accuracy and reducing the cost of measuring fuel consumption on mobile power vehicles is an important task since the fuel consumption measurement error directly affects the accuracy of the comparative analysis of the automotive vehicle test results. In addition, the relevance of the development of high-precision fuel flow meter for internal combustion engines (ICE) is due to the need to assess their fuel efficiency and technical condition in the context of a constant increase in energy prices and increasing environmental requirements for road transport. The article discusses various development trends and concepts for creating high-precision fuel flow meters, the issues of using such flow meters for diagnosing the operation of engines of machine-tractor units, the possibility of their mass production and use on a massive scale.

Keywords: fuel consumption, flow meter, diesel fuel, pressure sensor, pipeline, error, energy estimate.

Введение

Современные экономические тенденции, постоянно дорожающих энергоносителей всё больше подталкивают различных производителей всё более активно внедрять непосредственный контроль расхода топлива мобильных энергетических средств и транспортных средствах. Расход топлива прямо связан с экономическим эффектом ведения той или иной производственной деятельности, а также связан с эффективностью работы самих энергетических средств. Другими словами, себестоимость продукции не только включает в себя расходы на покупку энергоносителей, но и зависит от эффективности работы самой техники, которую можно определять с помощью расходомеров топлива.

В настоящее время существует множество мобильных расходомеров дизельного топлива (расходомер устанавливается непосредственно на энергетическое средство), однако точность их работы не позволяет однозначно оценивать эффективность работы энергетических средств. Это связано с тем, что некоторые из них имеют только один датчик в подающей магистрали двигателя и не учитывают топливо, сливаемое в бак с форсунок и ТНВД [1], [2]. Такие расходомеры имеют значительную погрешность, особенно при измерении расхода топлива на ДВС с насос-форсунками, так как принцип их работы основан на измерении расхода в подающей магистрали, в то время как в обратной магистрали, в зависимости от загрузки энергетического средства, расход сильно изменяется. Другие расходомеры имеют слишком большой диапазон измерений (до 250 л/ч), их приведённая погрешность в 1% составляет до 2,5 л/ч [3], [4]. Это означает значительную погрешность измерений топлива на малых расходах, особенно на холостом ходу энергетического средства [5, С. 15-17], [6, С. 233-235].

Научная новизна данной статьи заключается в решении проблемы точных измерений расхода топлива двумя способами: 1. Точное измерение объемного расхода, как в подающей, так и в обратной магистрали топливных систем ДВС; 2. Измерение весового расхода топлива непосредственно в баке энергетического средства.

Основные результаты

Для решения поставленной задачи первым методом был разработан «Многопоточный расходомер дизельного топлива» (рис.1). Работы по созданию данного расходомера начались ещё в 2013 году [7, С. 65-70]. В 2014 году был получен патент на полезную модель №145575 [8]. Данный расходомер состоит из двух отдельных измерительных блоков, включаемых в подающую и обратную магистрали энергетических средств, контроллера расходомера, пульта управления и индикатора расхода топлива. Каждый из измерительных блоков состоит в свою очередь из подающего трубопровода с клапанами различного давления, корпуса с датчиками расхода топлива и выпускного трубопровода.

Рис. 1 – Многопоточный расходомер дизельного топлива:

1 – измерительные блоки; 2 – контроллер расходомера; 3 – пульт управления и индикации расхода топлива

 

Рассмотрим принцип работы расходомера на примере подающей магистрали топлива в энергетическом средстве, так как принцип измерений расхода топлива в обратной магистрали аналогичен подающей. Впускной трубопровод (рис.2), представляет собой тройник подключения каждой измерительной секции с клапанами, у которых давление открытия клапанов пропорционально размерам открываемой измерительной секции.

Работа впускного трубопровода заключается в сбросе излишнего давления, создаваемого повышением расходом топлива с одной стороны и наименьшей измерительной секцией с другой стороны. Другими словами, когда меньшая секция расходомера не справляется с пропусканием через себя повышенного расхода топлива, то давление на клапанах (рис. 3) возрастает и они открываются соразмерно необходимому сбросу давления.

Рис. 2 – Впускной трубопровод

1 – сжатый клапан; 2 – разжатый клапан; 3 – конический штуцер

 

Объясняя принцип работы данных клапанов, важно сказать, что они должны быть отрегулированы в диапазоне рабочего давления в топливопроводе. Тем не менее, клапан, открывающий среднюю секцию должен иметь меньшее усилие открытия, чем клапан, открывающий большую секцию расходомера. Таким образом, все секции расходомера будут открываться последовательно и пропорционально возрастанию расходу топлива. Это означает автоматическое переключение пределов измерений расхода топлива, что повышает точность измерений, то есть снижает приведенную погрешность измерений.

Рис. 3 – Разжатый (а) и сжатый (б) клапана

 

Измерительная часть (рис. 4) многопоточного расходомера топлива состоит из трёх измерительных секций, предназначенных для измерений расхода топлива в своём диапазоне. Расходомер имеет модульное строение. К примеру, если сделать его секции измеряющими расход топлива в следующих диапазонах: первая секция - от 0 до 10 л/ч, вторая – от 10 до 25 л/ч и третья – от 25 до 50 л/ч. Тогда на различных энергетических средствах нет необходимости в установке всех трех секций и можно установить только те секции, которые позволяют измерять расход топлива во всех режимах работы конкретного энергетического средства.

Модульная конструкция измерительной части позволит снизить себестоимость изготовления расходомера и позволит реализовать расходомер на рынке. Например, расходомер с двумя секциями будет стоить 40 тыс. руб., а с тремя 45 тыс. руб. Учитывая, что автомобиль «Газель» сейчас стоит примерно от 790 тыс. руб., а один седельный тягач КАМАЗ - от 4000 тыс. руб., приобретение высокоточного расходомера на высокопроизводительную технику не является столь затратной по отношению к стоимости самих энергетических средств [9], [10].

Рис. 4 – Измерительная часть многопоточного расходомера

 

Из измерительной части расходомера топливо попадает в выпускной трубопровод. Выпускной трубопровод, так же как и впускной представляет собой тройник, но уже без клапанов и как, и любая часть расходомера, контактирующая с топливом, выполнена без прокладок (уплотнение достигается за счет тесного прилегания сопряженных частей), что повышает надежность работы расходомера. Всё дело в том, что дизельное топливо и бензин являются агрессивной средой для любых видов уплотнителей (прокладок) и со временем разъедают их. В этой связи, все соединительные части расходомера либо сделаны коническими (соединение штуцеров, рис.2 поз. 3), либо с металлическим уплотнительным пазом (в измерительной части расходомера, рис. 4).

Последняя часть многопоточного расходомера это блок контроллера с пультом ввода и индикации (рис. 5). Данная часть выполняет функции расчета расхода топлива в подающей и обратной магистралях, тем самым получая объемный расход топлива. Кроме того, считывает показания с датчика температуры установленного в измерительной части расходомера и исходя из коэффициента объемного расширения топлива пересчитывает объемный расход в весовой. Пульт контроля и индикации в свою очередь служит для ввода исходных параметров топлива, а так же выводит и записывает данные по времени, мгновенному расходу и расходу топлива за определенный интервал.

Рис. 5 – Блок контроллера с пультом ввода и индикации

Кроме выше предложенного способа решения задачи точных измерений расхода топлива, существует метод измерений расхода топлива непосредственно в баке энергетических средств. Для решения задачи методом измерений топлива непосредственно в баке был разработан расходомер топлива для дизельных двигателей автотракторных средств [11, С. 31-36]. На данный расходомер был получен патент на изобретение № 2649044 [12].

Принцип работы расходомера топлива для дизельных двигателей автотракторных средств (рис. 6) заключается в расходе топлива из мерного цилиндра (100 грамм навески). Для точности и удобства измерений топлива из мерного цилиндра в топливную магистраль устанавливаются пеногаситель и специальный четырехканальный электромагнитный клапан. Пеногаситель представляет собой камеру, подключенную к сливной магистрали двигателя. Топливо, попадая из сливной магистрали в камеру пеногасителя, отстаивается в ней и после этого снова попадает в мерный цилиндр. Мерный цилиндр снабженный датчиком давления автоматически подключается к подающей магистрали ДВС (при измерении расхода топлива) и наполняется при помощи четырехканального электромагнитного клапана, который управляется микропроцессорным измерительным прибором.

Рис. 6 – Схема подключения расходомера к топливной системе двигателя

1 – мерный цилиндр; 2 – пеногаситель; 3 – четырехканальный электромагнитный клапан; 4 – гидростатический датчик давления; 5 – микропроцессорный измерительный прибор; 6 – топливный бак; 7 – фильтр грубой очистки топлива; 8 – топливный насос высокого давления; 9 – фильтр тонкой очистки топлива; 10 – топливоподкачивающий насос; 11 – форсунки

  Количество израсходованного топлива зависит от перепада давления в мерном цилиндре и определяется по формуле: ∆G = ∆Р·S, г   (1) где ∆Р – изменение давления, измеряемое датчиком давления, г/см²; S – площадь поверхности топлива в мерном цилиндре, см². Микропроцессор отсчитывается время, расхода навески. По результатам измерений рассчитывается часовой расход топлива по формуле:      (2)

ΔG - где  количество израсходованного топлива, г;

Δt - время расходования навески топлива, с;

3,6 – коэффициент перевода единиц измерения.

Таким образом, расходомер топлива для дизельных двигателей автотракторных средств имеет ряд преимуществ относительно многопоточного расходомера дизельного топлива, таких как: стоимость изготовления, простота исполнения, наличие устройства для пеногашения. Однако он так же имеет ряд недостатков: отсутствие устойчивости к динамическим колебаниям мерного цилиндра во время перемещения энергетического средства, возможность измерений расхода только 100 г навески, отсутствие возможности измерений мгновенного расхода топлива. При этом неустойчивость к перепадам давления в мерном цилиндре при его динамических колебаниях делает расходомер недостаточно точным. Наличие мерного цилиндра всего на 100 г делает невозможным применение данного расходомера на постоянной основе для каждодневного использования.

Заключение

Исходя из вышеизложенного, можно сделать вывод, что расходомер топлива для дизельных двигателей автотракторных средств наилучшим образом подходит для стендовых испытаний дизельных двигателей.

Для определения энергетических показателей мобильных энергетических средств лучше подходит многопоточный расходомер дизельного топлива. Применение такого расходомера топлива позволяет судить о техническом состоянии энергетического средства, правильности регулировки топливной аппаратуры, о необходимости замены расходных материалов топливной аппаратуры, об эффективности работы определенного энергетического средства на определённых режимах и видах работ, а также о правильности работы трансмиссии, гидравлики и других узлов энергетического средства, потребляющих энергию, вырабатываемую ДВС. Таким образом, расходомер дизельного топлива этого типа можно применять не только при испытаниях энергетических средств, но и для комплексной диагностики работы энергетического средства в процессе эксплуатации.

Конфликт интересов Не указан.

Conflict of Interest None declared.

Список литературы / References

1. Датчики расхода топлива [Электронный ресурс] // URL: https://technoton.spb.ru/catalog/rashodomery-topliva/datchiki-rashoda-topliva (дата обращения 11.04.2018).
2. Oval Corporation. Flowmate III [Электронный ресурс] // URL: http://www.oval.ntounicom.ru/goods/16.html (дата обращения 11.04.2018).
3. Компания ООО «ИЦ ТехЭнергоКомп». Контрольно-измерительное оборудование [Электронный ресурс] // URL: http://petrocontrol.ru/tag/aquametro-shveytsariya/ (дата обращения 11.04.2018).
4. Дифференциальные расходомеры топлива [Электронный ресурс] // URL: https://technoton.spb.ru/catalog/rashodomery-topliva/differentcialnye-rashodomery-topliva (дата обращения 11.04.2018).
5. Шмелев С.А. Методы и приборы для измерения расхода топлива при испытаниях сельскохозяйственной техники / С.А. Шмелев, Д.С. Буклагин // Техника и оборудование для села. – М, 2012. – № 12. – c. 15-17.
6. Шмелев С.А. Современные расходомеры топлива и их применение при энергетической оценке / Шмелев С.А., Буклагин Д.С. // Информационные технологии, системы и приборы в АПК. Ч.1: материалы 5-ой международной научно-практической конференции «Агроинфо-2012» - Новосибирск, 2012. - c. 233-235.
7. Совершенствование методов энергетической оценки испытаний сельскохозяйственной техники применением расходомеров топлива.: дис. … канд. техн. наук Шмелев Сергей Александрович. – М, 2014, 160 с.
8. Многопоточный расходомер дизельного топлива пат.145575 Рос. Федерация: МПК G01F 3/00 (2006.01) / С.А. Шмелев; заявитель и патентообладатель С.А. Шмелев. - №2014118848/28; заявл. 05.2014; опубл. 20.09.2014. Бюл. 26. - 2 с. (0,23 п.л.).
9. 4х4 полный привод [Электронный ресурс] // URL: https://www.avtogaz.ru/cars/appointment/4kh4-polnyy-privod/ (дата обращения 04.04.2018).
10. АВТО-ТРЕЙД. Седельные тягачи [Электронный ресурс] // URL: http://auto-trade.ru/price/sedelnie_tiagachi/ (дата обращения 04.04.2018).
11. Дунаев А.В. Контроль за расходом топлива автотракторных двигателей внутреннего сгорания / Дунаев А.В., Шмелев С.А., Дворцов А.И., // Грузовик. – М, 2016. - № 9. – с. 31-36.
12. Расходомер топлива для дизельных двигателей автотранспортных средств пат.2649044 Рос. Федерация: МПК G01F 3/38 (2006.01) / В.Э. Шалимов, А.И. Дворцов; заявитель и патентообладатель Научно – исследовательский испытательный центр (исследований и перспектив развития АТ ВС РФ) 3 Центрального научно – исследовательского института Минобороны России. - №2016135892; заявл. 09.2016; опубл. 29.03.2018. Бюл. 10. – 7 c. (0,72 п.л.).

Список литературы на английском языке / References in English

1. Datchiki raskhoda topliva [Fuel consumption sensors] // The free access [Electronic resource] https://technoton.spb.ru/catalog/rashodomery-topliva/datchiki-rashoda-topliva (accessed 11.04.2018). [in Russian]
2. Oval Corporation. Flowmate III // The free access [Electronic resource] http://www.oval.ntounicom.ru/goods/16.html (accessed 11.04.2018). [in Russian]
3. Kompaniya OOO «IC TekhEHnergoKomp». Kontrol'no-izmeritel'noe oborudovanie [The company "IC Tehenergokomp". Control and measuring equipment] // The free access [Electronic resource] http://petrocontrol.ru/tag/aquametro-shveytsariya/ (accessed 11.04.2018). [in Russian]
4. Differencial'nye raskhodomery topliva [Differential fuel flow meters] // The free access [electronic resource] https://technoton.spb.ru/catalog/rashodomery-topliva/differentcialnye-rashodomery-topliva (accessed 11.04.2018). [in Russian]
5. Shmelev S.A. Metodi i pribori dlya izmereniya rashoda topliva pri ispitaniyah selskohozyaistvennoi tehnik [Methods and devices for measuring fuel consumption during testing of agricultural machinery] / Shmelev S.A., Baklagin D.S. // Tehnika i oborudovanie dlya sela [Machinery and equipment for the village]. – M, 2012. – № 12. – p. 15-17. [in Russian]
6. Shmelev S.A. Sovremennie rashodomeri topliva i ih primenenie pri energeticheskoi ocenke [Modern fuel flow meters and their application in energy assessment] / Shmelev S.A., Baklagin D.S. // Informacionnie tehnologii, sistemi i pribori v APK. Ch.1: materiali 5-oi mejdunarodnoi nauchno-prakticheskoi konferencii «Agroinfo-2012» [Information technologies, systems and devices in agriculture. Part 1: proceedings of the 5th international scientific and practical conference "Agroinfo-2012»] - Novosibirsk, 2012.- p. 233-235. [in Russian]
7. Sovershenstvovanie metodov ehnergeticheskoj ocenki ispytanij sel'skohozyajstvennoj tekhniki primeneniem raskhodomerov topliva [Improvement of methods of tests energy assessment agricultural machinery using fuel flow meters].: dis. … kand. tekhn. nauk [thesis ... candidate of technology sciences] – М, 2014, 160 p. [in Russian]
8. Mnogopotochnyj raskhodomer dizel'nogo topliva pat.145575 Ros. Federaciya: MPK G01F 3/00 (2006.01) [Multithreaded diesel fuel flowmeter Pat.145575 Grew. Federation: IPC G01F 3/00 (2006.01)] / S.A. Shmelev; zayavitel' i patentoobladatel' S.A. Shmelev. - №2014118848/28; zayavl. 12.05.2014; opubl. 20.09.2014. [applicant and patentee S. A. Shmelev. No 2014118848/28; Appl. 12.05.2014; publ. 20.09.2014.]. Bul. 26. - 2 p. (0,23 p.l.) [in Russian]
9. 4х4 polnyj privod [4x4 all-wheel drive] // The free access [electronic resource] https://www.avtogaz.ru/cars/appointment/4kh4-polnyy-privod/ (accessed 04.04.2018). [in Russian]
10. AVTO-TREJD. Sedel'nye tyagachi [AUTOTRADE. Truck tractor] // The free access [electronic resource] http://auto-trade.ru/price/sedelnie_tiagachi/ (accessed 04.04.2018). [in Russian]
11. Dunaev A.V. Kontrol' za raskhodom topliva avtotraktornyh dvigatelej vnutrennego sgoraniya [Fuel consumption control of automotive internal combustion engines] / Dunaev A.V., Shmelev S.A., Dvorcov A.I. // Gruzovik [Truck] - M, 2016. - № 9. – p. 31-36. [in Russian]
12. Raskhodomer topliva dlya dizel'nyh dvigatelej avtotransportnyh sredstv pat.2649044 Ros. Federaciya: MPK G01F 3/38 (2006.01) [Fuel flow meter for diesel engines of vehicles pat.2649044 Rus. Federation: IPC G01F 3/38 (2006.01)] V.E. Shalimov, A.I. Dvorsov; zayavitel' i patentoobladatel' Nauchno – issledovatel'skij ispytatel'nyj centr (issledovanij i perspektiv razvitiya AT VS RF) 3 Central'nogo nauchno – issledovatel'skogo instituta Minoborony Rossii. - №2016135892; zayavl. 05.09.2016; opubl. 29.03.2018. [applicant and patentee Research test center (research and development prospects at the armed forces) 3 Central research Institute of the Ministry of defense of Russia. No 2016135892; Appl. 05.09.2016; publ. 29.03.2018.]. Bul. 10. - 7 p. (0,72 p.l.). [in Russian]