大流量快速加油技术发展应用及关键问题研究

2013-02-26张赞牢张起欣

中国储运 2013年10期

文/韩智张赞牢张起欣

所谓大流量快速加油技术，就是改进加油装置，通过控制和调节加油环节中的几个关键因素（如压力、流量、温度、加油方式等），从而增大加注的燃油流量、提高加油速度的技术。此外，加油过程中需在油箱中进行油气回收，避免大量油气溢出和油沫的产生，从而创造一个高效、安全的加油环境。这无疑对加快我国现代化进程、推动国防事业的发展有着重要而积极的作用。[1]

一、大流量快速加油方式

目前，大流量快速加油主要有以下两种方式：

1.重力加油

重力加油也叫做开式加油、敞口加油，即依靠燃油自身重量从油箱上部加油口流入油箱的加注方式。其特点是利用加油装置与受油装置的高度差，依靠重力作用加注，是一种使用时间久、应用广泛的传统加油方式。该方式通过增加输油泵的流量、增大加油管径和加油枪口径，可以显著增大加油流量，提高加油速度。在日常生活和生产中，大多数机动车辆加油采用的都是重力加油方式。

2.压力加油

压力加油也叫做密闭加油，是利用连接螺塞将由进油管、出气管、进油阀及出气阀组成的加油接头连接到油箱加油口上，形成密闭连接，使燃油加注过程处于密闭环境中。根据加油时受油油箱所受压力类型的不同，可分为正压加注和负压加注两种加油方式。

以上几种加油方式各有特点，均能满足大流量快速加油的需求。但相较而言，重力加油方式在增大流量、提高速度上的发展空间有限，且因采用敞口方式，油蒸气极易挥发造成燃油浪费和环境污染，同时空气中沙尘易进入油路系统中造成油路甚至内燃机部件的损坏。而密闭加油方式则有效避免了以上问题的出现，而且通过改进技术可大幅度提高加油流量和速度，成为大流量快速加油技术的主要研究发展方向。[2]

二、大流量快速加油技术的发展与应用

大流量快速加油技术的发展和其他许多技术一样，都是在军事领域首先得到运用和发展，其中，在飞机加油方面运用较早，技术较为成熟。美英等国因冷战后几场高强度局部战争的需要，开始了装甲战车等地面装备的快速加油技术研究。此外，在民用领域，因生产生活需要，F1赛车加油、公交车辆加油、矿山机械加油等方面也逐步发展并采用了大流量快速加油技术。

1.飞机加油技术的发展

（1）地面加油美军于1948年提出了单点加油的核心概念和技术，用以解决飞机地面闭式加油问题，之后美军提出的飞机单点加油技术逐渐演化扩展成为世界各国军用飞机和国际民航业地面闭式加油的普遍技术和产品。

1967年美军提出一种新的压力加油系统——闭式循环加油系统，该系统经过不断发展和改进，技术和装备水平日趋成熟，目前已标准化，应用于多种美军直升机，且为北约组织采纳。

该系统加油接头如图1所示，具有自动关闭、压力调节和显示关闭状态等功能，并能够附装重力式加油枪进行重力加油，其公称直径为40mm，加油流量范围为0～115GPM （0～435L/min）。

图1 闭式循环加油接头

（2）空中加油相比于地面加油，飞机的空中加油技术更是现代战争高技术化发展的产物，其方式有软管加油和硬管加油两种。

软管加油系统主要由输油管卷盘装置、压力供应机构和电控指示装置等组成，装置结构简单、便于拆装，每套装置加油速度可达1600L/min，一架加油机可安装数套，能同时为数架飞机加油。但软管加油时，由于受空中气流影响软管会产生飘荡，输油效率较低，一般适用于给机动性高、加油量少的战斗机加油。

硬管加油系统主要由伸缩管、压力加油机构和电控指示监控装置等组成，由于输油管是硬的，稳定性好，容易与受油机对接，所以加油效率比较高，加油速度高达6500L/min。但它的制造技术比较复杂，同一时间内只能对一架受油机加油，一般只有大型加油机才能装备这类设备（如KC-10和KC-135）。

目前仅有美国掌握了硬管加油制造技术，美国空军装备的战机也均采用硬管加油。美海军由于航母甲板面积有限，装备的加油机均由航母用的战术飞机发展而来（30吨左右），因此美国海军和海军陆战队的飞机仍采用软管加油。

经过多年努力，我国已掌握了中小型加油机给固定翼飞机空中加油技术，成为继英、美、俄、法之后第五个掌握飞机空中加油技术的国家。但我国在空中加油方面还存在着一些空白，如大型加油机、直升机空中加油技术、无人机空中加油技术等，近年来，随着我国对以上几项技术领域研究力度的不断加大，相信会有大的发展和突破。[3]

2.装甲车辆快速加油技术的发展

上世纪90年代初，为实现装甲战车和地面装备的快速加油，美军提出了“陆军标准加油系统”的构想。该系统是一种采用压力加油方式的地面加油系统，目标是对采用“陆军标准加油系统”的装备能在2分钟时间内加完油或在4分钟时间内抽回燃油，并避免污染燃油，消除可能作为目标信号的油蒸气，改善环保，提高防火安全性，还包括具有压力控制、自动断油、油气回收和静电释放等功能。“陆军标准加油系统”的加油枪如图2所示。

图2 “陆军标准加油系统”加油枪

近年来，针对近几场局部战争中出现的加油速度慢、耗时长、安全性差等情况，英军开始重视并倾注大量人力财力进行研究新型加油技术和装备，并于在2007年4月由ATDU提出旨在鼓励将F1方程式赛车的马达运动技术和训练借鉴到军用设备上，以提高装备对各种复杂战场条件的适应能力，更好地发挥其性能和战斗力。[1]

目前，我军装甲车辆等地面装备的加油方式多为传统的重力加注方式，加油流量较小，油料加注时间相对较长，加油速度和快速保障能力难以满足装甲车辆、大型运输车辆等装备的保障需求，与外军相比也存在较大差距。

3.公交车辆密封式加油系统的应用

公交车辆由于油箱体积大，采用传统的加油方式速度慢、效率低。另一方面，车辆在运行途中的颠簸可能造成燃油泄露，引发自燃等安全事故。在这种情况下，公交车辆密封式加油系统逐渐研制成功并推广应用。

公交车辆安装密封式加油系统，工序包括把整个油缸拆下，用焊接方法安装油嘴、控制油量及安全压力的阀门及相关油管，最后重铺排气装置。上世纪90年代，香港九龙巴士有限公司开始引进国外一项名为Posilock的密封式加油系统（如图3所示）。该系统通过后期添加装载在公交车的油箱口，汽车在加油时，系统可以密封加压，令油枪紧锁在燃油入口处，并可消除在入油过程中因产生泡沫造成的燃油外溢。同时，该系统还可以起到密封作用，并能将油箱内油量控制在油箱容量的95%，因此可以避免公交车辆行走崎岖或颠簸路面时可能出现的燃油外泄，以杜绝可能引起的起火事故。

Posilock密封式加油系统来自美国Gardner Denver集团旗下的EmcoWheaton子公司，该系统已经被运用到包括纽约、伦敦、都柏林、香港等许多国际大城市的公交车上。[4]

三、大流量快速加油的主要问题和关键技术

1.主要问题及解决方法

图3 公交车辆密封式加油接头、接头座和防溢油控制装置

（1）压力加注时的排气问题压力加注采用密闭形式，大量燃油短时间内进入油箱，使其内部压力骤增，加之燃油在加注过程中的蒸发作用而在油箱内产生大量气体，因此，如何快速排出油箱内的多余气体成为一个突出问题。大型车辆特别是装甲车辆的燃油供给系统受车辆结构的限制，其油箱只能利用车内可用空间布置，造成油箱数量多、结构复杂。

同时，由于油箱没有压力受油口也没有独立的呼吸阀，呼吸是通过加油口螺塞上的通气孔进行，因此，要解决压力加油时的排气问题，在不改变装甲车结构的基础上，只能在加注接头上设置排气口，实现一边加油、一边排气的功能。

（2）加油时的油沫问题大型车辆大多使用柴油作为燃料，柴油本身性质决定了其在加注过程中会产生大量油沫。油沫的产生不仅影响加油效率，而且还造成不必要的挥发浪费。油沫的产生跟很多因素有关，如加油流速、加油枪口径、加油枪管内表面粗糙度、环境温度、油箱内压力大小等等。抑制加油过程中油沫的产生主要是从物理方面入手，在不使用化学试剂和改变油箱结构的前提下，尽量减少油沫的产生。

提高加油速度可通过增大加油压力和加大加油枪口径实现，压力增大必然会使流速增大，而油沫的产生量和流速成正比，为保证加油速度，不仅增大加油压力，还要加大加油枪口径，在压力与加油流量之间找到平衡点，最大程度控制油沫产生。

（3）静电问题加油过程中因摩擦会产生大量静电荷，影响静电产生的因素有油品内杂质、油品电阻率、管路材质及管壁粗糙程度、水分、流速与管径、过滤器。防止静电事故的措施主要有两种，一是减少静电的产生，二是加速静电泄露，防止或减少静电积聚。在快速加油过程中，减少静电产生主要通过控制流速，控制加油方式，防止喷溅装油；加速静电泄放方面，主要是在加油过程中连接接地和跨接装置，避免静电积聚，提高电荷的泄露速度。

2.关键技术

（1）密闭加注方式上文已提到，压力加油效果更好，发展空间更大，但因其采用密闭加注方式，在技术上需解决的难点更多，密闭加注原理如图4所示。

图4 密闭加注原理图

用连接螺塞将由进油管、出气管、进油阀及出气阀组成的加油接头连接到油箱加油口上，形成密闭连接。

加油时，同时打开进油阀和排气阀，燃油经油管注入油箱，罐内的气体通过出气管排出油箱。当抽气泵不工作，而旁通阀开启时，气体经旁通阀进入气液分离器，进行气液分离处理。

达到加油量后，关闭进油阀和出气阀，加油过程完成。由于在整个加油过程中，油箱中的气体是由注入油箱中的油挤出油箱的，油箱承受正压，因此，这时属于正压加注。

如果加油时抽气泵工作，而旁通阀关闭，则气体经抽气泵的作用进入气液分离器，进行气液分离处理。在整个加油过程中，如果抽气泵的抽气量大于注入油箱中的油的量，则油箱承受负压，这时属于负压加注。

（2）加油流量调节、压力控制等安全保护措施加油过程中，燃油流量过小会影响加油速度，起不到快速加油的作用，但如果流量过大，排气不及时，则可能使油箱内部承压过大出现危险，同时也会产生大量油沫，影响正常加注。因此，加油流量的大小需要反复调节试验，以达到最佳平衡点，提高加油速度和效率。加油流量的调节主要通过控制进油管上的进油阀来实现。

压力控制方面，只要保证油箱中的压力不超过车辆油箱的承压范围即可实施安全加油，采取的措施包括：一是在加油系统中设置压力调节阀，控制加油压力；二是在加油接头上设置超压关闭功能，即当油箱内压力达到承压上限时，自动关闭进油阀；三是在抽气泵的入口设置安全阀，控制抽气泵的入口真空度。

（3）加油接头的设计要求大流量快速加油接头的设计有一些特殊要求，应具备特定的功能及结构，例如，必须能够和油箱加油口快速对接，实现密闭加注；需要设置进油管和出气管控制阀；具有超压关闭和负压安全保护功能等。

加油接头设计的好坏直接影响着密闭加注的速度和效果，总之，既要满足普通加油方式的一般要求，还要结合密闭加注的特殊要求，实现密闭加注功能。