文/韓 智 張贊牢 張起欣
所謂大流量快速加油技術(shù),就是改進(jìn)加油裝置,通過控制和調(diào)節(jié)加油環(huán)節(jié)中的幾個(gè)關(guān)鍵因素(如壓力、流量、溫度、加油方式等),從而增大加注的燃油流量、提高加油速度的技術(shù)。此外,加油過程中需在油箱中進(jìn)行油氣回收,避免大量油氣溢出和油沫的產(chǎn)生,從而創(chuàng)造一個(gè)高效、安全的加油環(huán)境。這無疑對加快我國現(xiàn)代化進(jìn)程、推動(dòng)國防事業(yè)的發(fā)展有著重要而積極的作用。[1]
目前,大流量快速加油主要有以下兩種方式:
重力加油也叫做開式加油、敞口加油,即依靠燃油自身重量從油箱上部加油口流入油箱的加注方式。其特點(diǎn)是利用加油裝置與受油裝置的高度差,依靠重力作用加注,是一種使用時(shí)間久、應(yīng)用廣泛的傳統(tǒng)加油方式。該方式通過增加輸油泵的流量、增大加油管徑和加油槍口徑,可以顯著增大加油流量,提高加油速度。在日常生活和生產(chǎn)中,大多數(shù)機(jī)動(dòng)車輛加油采用的都是重力加油方式。
壓力加油也叫做密閉加油,是利用連接螺塞將由進(jìn)油管、出氣管、進(jìn)油閥及出氣閥組成的加油接頭連接到油箱加油口上,形成密閉連接,使燃油加注過程處于密閉環(huán)境中。根據(jù)加油時(shí)受油油箱所受壓力類型的不同,可分為正壓加注和負(fù)壓加注兩種加油方式。
以上幾種加油方式各有特點(diǎn),均能滿足大流量快速加油的需求。但相較而言,重力加油方式在增大流量、提高速度上的發(fā)展空間有限,且因采用敞口方式,油蒸氣極易揮發(fā)造成燃油浪費(fèi)和環(huán)境污染,同時(shí)空氣中沙塵易進(jìn)入油路系統(tǒng)中造成油路甚至內(nèi)燃機(jī)部件的損壞。而密閉加油方式則有效避免了以上問題的出現(xiàn),而且通過改進(jìn)技術(shù)可大幅度提高加油流量和速度,成為大流量快速加油技術(shù)的主要研究發(fā)展方向。[2]
大流量快速加油技術(shù)的發(fā)展和其他許多技術(shù)一樣,都是在軍事領(lǐng)域首先得到運(yùn)用和發(fā)展,其中,在飛機(jī)加油方面運(yùn)用較早,技術(shù)較為成熟。美英等國因冷戰(zhàn)后幾場高強(qiáng)度局部戰(zhàn)爭的需要,開始了裝甲戰(zhàn)車等地面裝備的快速加油技術(shù)研究。此外,在民用領(lǐng)域,因生產(chǎn)生活需要,F(xiàn)1賽車加油、公交車輛加油、礦山機(jī)械加油等方面也逐步發(fā)展并采用了大流量快速加油技術(shù)。
(1)地面加油 美軍于1948年提出了單點(diǎn)加油的核心概念和技術(shù),用以解決飛機(jī)地面閉式加油問題,之后美軍提出的飛機(jī)單點(diǎn)加油技術(shù)逐漸演化擴(kuò)展成為世界各國軍用飛機(jī)和國際民航業(yè)地面閉式加油的普遍技術(shù)和產(chǎn)品。
1967年美軍提出一種新的壓力加油系統(tǒng)——閉式循環(huán)加油系統(tǒng),該系統(tǒng)經(jīng)過不斷發(fā)展和改進(jìn),技術(shù)和裝備水平日趨成熟,目前已標(biāo)準(zhǔn)化,應(yīng)用于多種美軍直升機(jī),且為北約組織采納。
該系統(tǒng)加油接頭如圖1所示,具有自動(dòng)關(guān)閉、壓力調(diào)節(jié)和顯示關(guān)閉狀態(tài)等功能,并能夠附裝重力式加油槍進(jìn)行重力加油,其公稱直徑為40mm,加油流量范圍為0~115GPM (0~435L/min)。
圖1 閉式循環(huán)加油接頭
(2)空中加油 相比于地面加油,飛機(jī)的空中加油技術(shù)更是現(xiàn)代戰(zhàn)爭高技術(shù)化發(fā)展的產(chǎn)物,其方式有軟管加油和硬管加油兩種。
軟管加油系統(tǒng)主要由輸油管卷盤裝置、壓力供應(yīng)機(jī)構(gòu)和電控指示裝置等組成,裝置結(jié)構(gòu)簡單、便于拆裝,每套裝置加油速度可達(dá)1600L/min,一架加油機(jī)可安裝數(shù)套,能同時(shí)為數(shù)架飛機(jī)加油。但軟管加油時(shí),由于受空中氣流影響軟管會(huì)產(chǎn)生飄蕩,輸油效率較低,一般適用于給機(jī)動(dòng)性高、加油量少的戰(zhàn)斗機(jī)加油。
硬管加油系統(tǒng)主要由伸縮管、壓力加油機(jī)構(gòu)和電控指示監(jiān)控裝置等組成,由于輸油管是硬的,穩(wěn)定性好,容易與受油機(jī)對接,所以加油效率比較高,加油速度高達(dá)6500L/min。但它的制造技術(shù)比較復(fù)雜,同一時(shí)間內(nèi)只能對一架受油機(jī)加油,一般只有大型加油機(jī)才能裝備這類設(shè)備(如KC-10和KC-135)。
目前僅有美國掌握了硬管加油制造技術(shù),美國空軍裝備的戰(zhàn)機(jī)也均采用硬管加油。美海軍由于航母甲板面積有限,裝備的加油機(jī)均由航母用的戰(zhàn)術(shù)飛機(jī)發(fā)展而來(30噸左右),因此美國海軍和海軍陸戰(zhàn)隊(duì)的飛機(jī)仍采用軟管加油。
經(jīng)過多年努力,我國已掌握了中小型加油機(jī)給固定翼飛機(jī)空中加油技術(shù),成為繼英、美、俄、法之后第五個(gè)掌握飛機(jī)空中加油技術(shù)的國家。但我國在空中加油方面還存在著一些空白,如大型加油機(jī)、直升機(jī)空中加油技術(shù)、無人機(jī)空中加油技術(shù)等,近年來,隨著我國對以上幾項(xiàng)技術(shù)領(lǐng)域研究力度的不斷加大,相信會(huì)有大的發(fā)展和突破。[3]
上世紀(jì)90年代初,為實(shí)現(xiàn)裝甲戰(zhàn)車和地面裝備的快速加油,美軍提出了“陸軍標(biāo)準(zhǔn)加油系統(tǒng)”的構(gòu)想。該系統(tǒng)是一種采用壓力加油方式的地面加油系統(tǒng),目標(biāo)是對采用“陸軍標(biāo)準(zhǔn)加油系統(tǒng)”的裝備能在2分鐘時(shí)間內(nèi)加完油或在4分鐘時(shí)間內(nèi)抽回燃油,并避免污染燃油,消除可能作為目標(biāo)信號的油蒸氣,改善環(huán)保,提高防火安全性,還包括具有壓力控制、自動(dòng)斷油、油氣回收和靜電釋放等功能。“陸軍標(biāo)準(zhǔn)加油系統(tǒng)”的加油槍如圖2所示。
圖2 “陸軍標(biāo)準(zhǔn)加油系統(tǒng)”加油槍
近年來,針對近幾場局部戰(zhàn)爭中出現(xiàn)的加油速度慢、耗時(shí)長、安全性差等情況,英軍開始重視并傾注大量人力財(cái)力進(jìn)行研究新型加油技術(shù)和裝備,并于在2007年4月由ATDU提出旨在鼓勵(lì)將F1方程式賽車的馬達(dá)運(yùn)動(dòng)技術(shù)和訓(xùn)練借鑒到軍用設(shè)備上,以提高裝備對各種復(fù)雜戰(zhàn)場條件的適應(yīng)能力,更好地發(fā)揮其性能和戰(zhàn)斗力。[1]
目前,我軍裝甲車輛等地面裝備的加油方式多為傳統(tǒng)的重力加注方式,加油流量較小,油料加注時(shí)間相對較長,加油速度和快速保障能力難以滿足裝甲車輛、大型運(yùn)輸車輛等裝備的保障需求,與外軍相比也存在較大差距。
公交車輛由于油箱體積大,采用傳統(tǒng)的加油方式速度慢、效率低。另一方面,車輛在運(yùn)行途中的顛簸可能造成燃油泄露,引發(fā)自燃等安全事故。在這種情況下,公交車輛密封式加油系統(tǒng)逐漸研制成功并推廣應(yīng)用。
公交車輛安裝密封式加油系統(tǒng),工序包括把整個(gè)油缸拆下,用焊接方法安裝油嘴、控制油量及安全壓力的閥門及相關(guān)油管,最后重鋪排氣裝置。上世紀(jì)90年代,香港九龍巴士有限公司開始引進(jìn)國外一項(xiàng)名為Posilock的密封式加油系統(tǒng)(如圖3所示)。該系統(tǒng)通過后期添加裝載在公交車的油箱口,汽車在加油時(shí),系統(tǒng)可以密封加壓,令油槍緊鎖在燃油入口處,并可消除在入油過程中因產(chǎn)生泡沫造成的燃油外溢。同時(shí),該系統(tǒng)還可以起到密封作用,并能將油箱內(nèi)油量控制在油箱容量的95%,因此可以避免公交車輛行走崎嶇或顛簸路面時(shí)可能出現(xiàn)的燃油外泄,以杜絕可能引起的起火事故。
Posilock密封式加油系統(tǒng)來自美國Gardner Denver集團(tuán)旗下的EmcoWheaton子公司,該系統(tǒng)已經(jīng)被運(yùn)用到包括紐約、倫敦、都柏林、香港等許多國際大城市的公交車上。[4]
圖3 公交車輛密封式加油接頭、接頭座和防溢油控制裝置
(1)壓力加注時(shí)的排氣問題 壓力加注采用密閉形式,大量燃油短時(shí)間內(nèi)進(jìn)入油箱,使其內(nèi)部壓力驟增,加之燃油在加注過程中的蒸發(fā)作用而在油箱內(nèi)產(chǎn)生大量氣體,因此,如何快速排出油箱內(nèi)的多余氣體成為一個(gè)突出問題。大型車輛特別是裝甲車輛的燃油供給系統(tǒng)受車輛結(jié)構(gòu)的限制,其油箱只能利用車內(nèi)可用空間布置,造成油箱數(shù)量多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜。
同時(shí),由于油箱沒有壓力受油口也沒有獨(dú)立的呼吸閥,呼吸是通過加油口螺塞上的通氣孔進(jìn)行,因此,要解決壓力加油時(shí)的排氣問題,在不改變裝甲車結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,只能在加注接頭上設(shè)置排氣口,實(shí)現(xiàn)一邊加油、一邊排氣的功能。
(2)加油時(shí)的油沫問題 大型車輛大多使用柴油作為燃料,柴油本身性質(zhì)決定了其在加注過程中會(huì)產(chǎn)生大量油沫。油沫的產(chǎn)生不僅影響加油效率,而且還造成不必要的揮發(fā)浪費(fèi)。油沫的產(chǎn)生跟很多因素有關(guān),如加油流速、加油槍口徑、加油槍管內(nèi)表面粗糙度、環(huán)境溫度、油箱內(nèi)壓力大小等等。抑制加油過程中油沫的產(chǎn)生主要是從物理方面入手,在不使用化學(xué)試劑和改變油箱結(jié)構(gòu)的前提下,盡量減少油沫的產(chǎn)生。
提高加油速度可通過增大加油壓力和加大加油槍口徑實(shí)現(xiàn),壓力增大必然會(huì)使流速增大,而油沫的產(chǎn)生量和流速成正比,為保證加油速度,不僅增大加油壓力,還要加大加油槍口徑,在壓力與加油流量之間找到平衡點(diǎn),最大程度控制油沫產(chǎn)生。
(3)靜電問題 加油過程中因摩擦?xí)a(chǎn)生大量靜電荷,影響靜電產(chǎn)生的因素有油品內(nèi)雜質(zhì)、油品電阻率、管路材質(zhì)及管壁粗糙程度、水分、流速與管徑、過濾器。防止靜電事故的措施主要有兩種,一是減少靜電的產(chǎn)生,二是加速靜電泄露,防止或減少靜電積聚。在快速加油過程中,減少靜電產(chǎn)生主要通過控制流速,控制加油方式,防止噴濺裝油;加速靜電泄放方面,主要是在加油過程中連接接地和跨接裝置,避免靜電積聚,提高電荷的泄露速度。
(1)密閉加注方式 上文已提到,壓力加油效果更好,發(fā)展空間更大,但因其采用密閉加注方式,在技術(shù)上需解決的難點(diǎn)更多,密閉加注原理如圖4所示。
圖4 密閉加注原理圖
用連接螺塞將由進(jìn)油管、出氣管、進(jìn)油閥及出氣閥組成的加油接頭連接到油箱加油口上,形成密閉連接。
加油時(shí),同時(shí)打開進(jìn)油閥和排氣閥,燃油經(jīng)油管注入油箱,罐內(nèi)的氣體通過出氣管排出油箱。當(dāng)抽氣泵不工作,而旁通閥開啟時(shí),氣體經(jīng)旁通閥進(jìn)入氣液分離器,進(jìn)行氣液分離處理。
達(dá)到加油量后,關(guān)閉進(jìn)油閥和出氣閥,加油過程完成。由于在整個(gè)加油過程中,油箱中的氣體是由注入油箱中的油擠出油箱的,油箱承受正壓,因此,這時(shí)屬于正壓加注。
如果加油時(shí)抽氣泵工作,而旁通閥關(guān)閉,則氣體經(jīng)抽氣泵的作用進(jìn)入氣液分離器,進(jìn)行氣液分離處理。在整個(gè)加油過程中,如果抽氣泵的抽氣量大于注入油箱中的油的量,則油箱承受負(fù)壓,這時(shí)屬于負(fù)壓加注。
(2)加油流量調(diào)節(jié)、壓力控制等安全保護(hù)措施 加油過程中,燃油流量過小會(huì)影響加油速度,起不到快速加油的作用,但如果流量過大,排氣不及時(shí),則可能使油箱內(nèi)部承壓過大出現(xiàn)危險(xiǎn),同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生大量油沫,影響正常加注。因此,加油流量的大小需要反復(fù)調(diào)節(jié)試驗(yàn),以達(dá)到最佳平衡點(diǎn),提高加油速度和效率。加油流量的調(diào)節(jié)主要通過控制進(jìn)油管上的進(jìn)油閥來實(shí)現(xiàn)。
壓力控制方面,只要保證油箱中的壓力不超過車輛油箱的承壓范圍即可實(shí)施安全加油,采取的措施包括:一是在加油系統(tǒng)中設(shè)置壓力調(diào)節(jié)閥,控制加油壓力;二是在加油接頭上設(shè)置超壓關(guān)閉功能,即當(dāng)油箱內(nèi)壓力達(dá)到承壓上限時(shí),自動(dòng)關(guān)閉進(jìn)油閥;三是在抽氣泵的入口設(shè)置安全閥,控制抽氣泵的入口真空度。
(3)加油接頭的設(shè)計(jì)要求 大流量快速加油接頭的設(shè)計(jì)有一些特殊要求,應(yīng)具備特定的功能及結(jié)構(gòu),例如,必須能夠和油箱加油口快速對接,實(shí)現(xiàn)密閉加注;需要設(shè)置進(jìn)油管和出氣管控制閥;具有超壓關(guān)閉和負(fù)壓安全保護(hù)功能等。
加油接頭設(shè)計(jì)的好壞直接影響著密閉加注的速度和效果,總之,既要滿足普通加油方式的一般要求,還要結(jié)合密閉加注的特殊要求,實(shí)現(xiàn)密閉加注功能。
隨著時(shí)代進(jìn)步和社會(huì)發(fā)展,高效、環(huán)保、安全、便捷的加油方式已成為相關(guān)行業(yè)的共同需要。大流量快速加油技術(shù)的研究已有幾十年時(shí)間,取得了長足發(fā)展,帶來了許多社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。但其提升空間仍然很大,其中關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)的改進(jìn)和突破都會(huì)帶來新的發(fā)展。
我國對大流量快速加油技術(shù)的研究起步較晚,雖然近十幾年取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展,但距離車輛裝備對加油方式的需求以及國際上同類技術(shù)的發(fā)展仍有很大差距。
因此,必須認(rèn)清不足,立足現(xiàn)狀,加快發(fā)展,在借鑒國際先進(jìn)技術(shù)的同時(shí)充分結(jié)合我國現(xiàn)有車輛的特點(diǎn),力爭早日實(shí)現(xiàn)大流量快速加油技術(shù)的發(fā)展成熟和推廣應(yīng)用。[5]
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