CN101761436A - 用于测量气态燃料的喷射器的瞬时流量的方法 - Google Patents

Abstract

一种用于测量气态燃料的喷射器的瞬时流量的方法，通过测量喷射到测量室(3)内的测试气体的压力和温度并使用计算公式来计算气态燃料的喷射器(2)的瞬时流量，所述测量室通过给定的出口截面(σ_s)以连续的方式连接到外部环境，在所述公式中，喷射器(2)的瞬时流量是测量的压力、作为测量室(3)的容积的函数的第一因子、测量的温度以及作为测量的温度和出口截面(σ_s)的函数的第二因子的函数。

Description

用于测量气态燃料的喷射器的瞬时流量的方法

技术领域

本发明涉及一种用于测量气态燃料的喷射器的瞬时流量的方法。

背景技术

在测量气态燃料的喷射器的瞬时流量的领域中，已知有以下类型的测量工具，这种测量工具包括：测量室，其连接到喷射器，并进一步通过具有给定出口截面的出口以连续的方式连接到外部环境；压力传感器和温度传感器，它们用于在喷射器的至少一个喷射循环期间测量该测量室内的测试气体的压力和温度；以及计算装置，其用于计算作为测量的压力和温度值的函数的喷射器的瞬时流量。

已知的上述类型的测量工具所具有的缺陷主要在于：这些测量工具中的计算瞬时流量的方法相对不精确且复杂。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于测量气态燃料喷射器的瞬时流量的方法，该方法可避免上述缺陷且容易实施并具有成本效益。

根据本发明，提供一种用于测量气态燃料的喷射器的瞬时流量的方法，该方法包括如下步骤：

将测试气体喷射到测量室内，所述测量室通过具有给定的第一出口截面的出口以连续的方式连接到外部环境；

在喷射器的至少一个喷射循环期间确定测量室内的测试气体的压力；

在所述喷射循环期间测量测量室内的测试气体的温度；以及

计算作为测量的压力和温度值的函数的喷射器的瞬时流量，

该方法的特征在于还包括如下步骤：

使用下面的公式计算喷射器的瞬时流量：

${\stackrel{\·}{m}}_{\mathrm{in}}=C_1\frac{\mathrm{dp}}{\mathrm{dt}}+C_{2}P$

其中：

是喷射器的瞬时流量；

C₁是作为测量室的容积和测量的温度的函数的第一因子；

P是测量的压力；以及

C₂是作为测量的温度和第一出口截面的函数的第二因子。

附图说明

现在将参照示出本发明的非限制性实施例的附图来描述本发明，其中：

图1是本发明的测量工具的优选实施例的示意图；

图2是图1中的测量工具的第一细节的第一截面；

图3是图2中的细节的第二截面；

图4是关于图1中的测量工具的第二细节的操作的曲线图；以及

图5和图6是关于图1中的测量工具的操作的两个曲线图。

具体实施方式

参考图1、图2和图3，附图标记1总体上表示用于测量气态燃料的喷射器2的瞬时流量的测量工具。

工具1包括容置于大体上呈平行六面体的块4内的、大体上呈半球形的测量室3，测量室3连接到喷射器2以容置测试气体，并且进一步通过具有给定出口截面σ_s的流动调节阀5的插设而在实际上无限延伸的容积处以连续的方式连接到外部环境，测量室3以在下面将更加详细描述的方式与温度传感器6相配合作用以适于测量该测量室3内的测试气体的温度，并进一步与压力传感器7、8相配合作用以适于测量该测量室3内的测试气体的压力。

工具1还包括连接到传感器6、7及8上的计算装置9，以根据在下面更加详细描述的方式计算喷射器2的瞬时流量。

根据一种变型(未示出)，工具1还包括：温度传感器和压力传感器，它们适于测量供给到喷射器2中的测试气体的温度和压力；以及质量计，其安装在阀5下游的测量室3的出口处，以在指定的时间范围内测量由喷射器2喷射到测量室3中的测试气体的总质量，并将测量值与计算装置9计算得到的值进行比较。

传感器7是适于测量测试气体压力相对于平均值的变化(如图4的视图中的曲线A所示)的压电型传感器，而传感器8是适于测量该测量室3内的测试气体的绝对值压力(如图4的视图中的曲线B所示)的压阻型传感器。

在使用中，一旦由传感器7获得的测试气体的压力变化的参考值(在该例中，图4中示出最小值)和由传感器8获得的测试气体的绝对值压力的参考值(在该例中，图4中示出最小值)被确定，通过将两个参考值之间的差ΔP加到由传感器7获得的测试气体的压力变化值上，即可确定出测试气体的压力。

两个压力传感器7和8的结合以及可选择性地控制传感器7的操作范围允许以最大的精度测量该测量室3内的测试气体压力，这是因为源自工具1外的电子设备或工具1自身固有的可能的背景噪声对传感器8所获得的信号的影响程度要小于对传感器7所获得的信号的影响程度。

明显地，所使用的参考值也可是传感器7提供的测试气体压力变化和传感器8提供的绝对的测试气体压力的平均值或最大值。

现在将参考图5和图6描述在通过截面σ_s以连续的方式连接到外部环境的测量室3内的压力大体上等于对应于外部环境压力的初始值P₀时工具1的操作。

图5中示出了在喷射器2的初始循环期间测量室3内的测试气体压力的图形，该图形示出了在测试气体被喷射到测量室3中时压力如何增大，以及测试气体基于喷射器2的关闭经由出口截面σ_s释放时压力如何减小。

由于测量室3内的压力不足以将喷射到测量室3自身中的所有的测试气体排放到测量室3外，因此在喷射器2的每一初始循环结束时的最终压力高于相应的初始压力。当测量室3内的压力大体上等于由喷射器2喷射到测量室3中的所有的测试气体在喷射器2关闭时排放到测量室3自身外的额定值P₁时，喷射器2的初始循环的最终压力与初始压力之间的差逐渐减小到零。

关于上述内容，应该认识到，可选择性地控制出口截面σ_s以设定额定值P₁，并使值P₁与值P₀之比至少等于使测试气体在出口截面σ_s的速度大体上等于声音传播速度的限界值，因此，测试气体流经出口截面σ_s自身是与外部环境中的压力变化无关的。

类似地，可选择性地控制供给的测试气体经由喷射器2的出口截面的压力值以及压力值P₁，使得它们的比率至少等于使测试气体在喷射器2的出口截面的速度大体上等于声音传播速度的限界值，因此，测试气体流经喷射器2的出口截面σ_s是与压力值P₁的变化无关的。

一旦达到额定值P₁，工具1计算喷射器2的瞬时流量。

测量室3中的测试气体的压力和温度不完全相同(homogenous)，这是因为在检测中喷射现象迅速地发生(几兆秒)。例如，可很容易地预见到，测量室3的靠近喷射器2的压力值高于距喷射器2自身较远的位置处的压力值。

然而，假定测量室3中的测试气体的压力和温度是相同的，从而能够使用较简单的公式对物理系统的状况模拟，但是这种简化假设可能在测量喷射器2的瞬时流量时引入潜在误差。鉴于这种简化假设，在喷射器2的出口截面与阀5的出口截面σ_s之间由测量室3划定的容积内，由质量平衡公式计算喷射器2的瞬时流量：

${\stackrel{\·}{m}}_{\mathrm{in}}=\frac{\mathrm{dM}}{\mathrm{dt}}+{\stackrel{\·}{m}}_n---\left[1\right]$

其中，

和

分别为流入测量室3的质量和流出测量室3的质量，为测量室3自身内的测试气体的质量变化。

由于

M＝ρ·V

其中，V为测量室3的恒定容积，ρ为测试气体的密度

并且

$\mathrm{\ρ}=\frac{P}{R\·T}$

其中，p为压力，R为特定常量，以及T为测试气体的温度可以得到：

$\frac{\mathrm{dM}}{\mathrm{dt}}=V\frac{d}{\mathrm{dt}}\left(\frac{p}{\mathrm{RT}}\right)---\left[2\right]$

测量室3的出口处的质量流量等于：

${\stackrel{\·}{m}}_n=\mathrm{\ρ}\·v\·{\mathrm{\σ}}_s$

其中ρ为测试气体的密度，v为测试气体在出口截面σ_s处的速度。

通过在缩放管内应用等熵流动的线性运动理论，可以得到：

$\mathrm{\ρ}\·v=\frac{P}{\sqrt{\mathrm{RT}}}\sqrt{k{\left(\frac{2}{k+1}\right)}^{\frac{k+1}{k-1}}}---\left[3\right]$

其中p为压力，R为特定常量，k为比热比，T为测试气体的温度。因此，可以得到

${\stackrel{\·}{m}}_{\mathrm{in}}=V\frac{d}{\mathrm{dt}}\left(\frac{p}{\mathrm{RT}}\right)+{\mathrm{\σ}}_s\frac{p}{\sqrt{\mathrm{RT}}}\sqrt{k{\left(\frac{2}{k+1}\right)}^{\frac{k+1}{k-1}}}---\left[4\right]$

由于测量室3不完全隔热，因此，不可避免地会与外部环境进行连续的热交换。

然而，假定测试气体在绝热状态下被喷射到测量室3中，从而能够使用较简单的公式对物理系统的状况模拟，但是这种简化假设可能在测量喷射器2的瞬时流量时引入潜在误差。

由于这种简化假设，所以绝热的状态被视为：

$\frac{\mathrm{dT}}{T}=\frac{k-1}{k}\frac{\mathrm{dp}}{p}---\left[5\right]$

该公式可首先变形为：

$\frac{T}{\mathrm{dt}}\frac{\mathrm{dT}}{T}=\frac{k-1}{k}\frac{\mathrm{dp}}{p}\frac{T}{\mathrm{dt}}$

并随后变形为：

$\frac{\mathrm{dT}}{\mathrm{dt}}=\frac{T}{p}\frac{k-1}{k}\frac{\mathrm{dp}}{\mathrm{dt}}$

因此，成为：

$\frac{d}{\mathrm{dt}}\left(\frac{p}{T}\right)=\frac{\frac{\mathrm{dp}}{\mathrm{dt}}T-\frac{\mathrm{dT}}{\mathrm{dt}}p}{T^2}---\left[6\right]$

得到：

$\frac{d}{\mathrm{dt}}\left(\frac{p}{T}\right)=\frac{\frac{\mathrm{dp}}{\mathrm{dt}}T-\frac{k-1}{k}\frac{\mathrm{dp}}{\mathrm{dt}}\frac{T}{p}p}{T^2}=\frac{1}{T}(\frac{\mathrm{dp}}{\mathrm{dt}}-\frac{k-1}{k}\frac{\mathrm{dp}}{\mathrm{dt}})=\frac{1}{T}\frac{\mathrm{dp}}{\mathrm{dt}}(1-\frac{k-1}{k})=\frac{\mathrm{dp}}{\mathrm{dt}}\frac{1}{\text{kT}}$

因此，流入测量室3内的质量为：

${\stackrel{\·}{m}}_{\mathrm{in}}=\frac{V}{R\·k\·T}\frac{\mathrm{dp}}{\mathrm{dt}}+{\mathrm{\σ}}_s\frac{p}{\sqrt{\mathrm{RT}}}\sqrt{k{\left(\frac{2}{k+1}\right)}^{\frac{k+1}{k-1}}}---\left[7\right]$

并进一步变形为：

${\stackrel{\·}{m}}_{\mathrm{in}}=C_1\frac{\mathrm{dp}}{\mathrm{dt}}+C_{2}p$

其中：

$C_1=\frac{V}{R\·k\·T}$ 以及[8]

$C_2={\mathrm{\σ}}_s\frac{1}{\sqrt{\mathrm{RT}}}\sqrt{k{\left(\frac{2}{k+1}\right)}^{\frac{k+1}{k-1}}}---\left[9\right]$

第一因子C₁是已知的，因为它是测量室3的容积与所使用的测试气体的特性和温度的函数。第二因子C₂通过在喷射器关闭期间喷射器的瞬时流量为零时计算得到的。

该计算方法和两个传感器7和8的使用允许精确地测量测量室3内的测试气体的压力(由图6所示视图中的曲线C表示)，并允许精确地计算喷射器2的瞬时流量(由图6所示视图中的曲线D表示)。

如前所述，为了定义计算出流入测量室3中的质量的公式[7]，具有两个与物理现实不严格对应的简化假设(测量室3中的气体的同源性和绝热的状态)，因此，理论上，可能将甚至非常重要的误差引入到流入到测量室3中的质量的测量中。

为了修正因使用公式[7]引入到流入测量室3中的质量的测量中的误差量，一方面，使用具有现有技术中已知的校准特征的示范喷射器2，以形成不使用这些简化假设(此外这些假设还考虑测量室3中的气体温度的瞬时变化)的更完整、更复杂的模拟(基于数字计算技术)，并且在另一方面，对流入示范喷射器2中的质量进行一系列的实验性测量。

令人意外的是，使用公式[7](即，使用简化的不完全符合物理现实的模拟)进行流入测量室3中的质量的测量，要比使用从完整的模拟所得到的公式进行流入测量室3中的质量的测量更精确；而且，已发现使用公式[7]进行流入测量室3中的质量的测量非常精确，并呈现出比预期更小的平均误差。这种效果是由于：一方面，简化的模拟避免了使用物理测量(例如，测量室3中的气体温度的瞬时变化)，由于现有的传感器的技术限制，上述测量的精度是适中的；另一方面，简化假设可引入趋向补偿最终测量值的相反符号的误差。

还尝试使用除上面提到的简化以外的简化假设形成测量室3内的气体状况的其它的简化模拟；然而，其它的简化模拟都未能实现具有可与使用公式[7]获得的精度相当或比其更好的精度的、用于计算流入测量室3中的质量的公式。

Claims (14)

1.一种用于测量气态燃料的喷射器(2)的瞬时流量的方法，所述方法包括如下步骤：

将测试气体喷射到测量室(3)内，所述测量室通过具有给定的第一出口截面(σ_s)的出口(5)以连续的方式连接到外部环境，

在所述喷射器(2)的至少一个喷射循环期间确定所述测量室(3)内的测试气体的压力，

在所述喷射循环期间测量所述测量室(3)内的测试气体的温度，以及

计算作为测量的压力和温度值的函数的所述喷射器(2)的瞬时流量，

所述方法的特征在于还包括如下步骤：

使用下面的公式计算所述喷射器(2)的瞬时流量

${\stackrel{\·}{m}}_{\mathrm{in}}=C_1\frac{\mathrm{dp}}{\mathrm{dt}}+C_{2}p$

其中：

是所述喷射器(2)的瞬时流量；

C₁是作为所述测量室(3)的容积和测量的温度的函数的第一因子，

P是测量的压力，以及

C₂是作为测量的温度和所述第一出口截面(σ_s)的函数的第二因子。

2.根据权利要求1所述的方法，还包括如下步骤：

使用下面的公式计算第一因子C₁

$C_1=\frac{V}{R\·k\·T}$

其中：

V为所述测量室(3)的容积，

R为测试气体的特定常量，

K为测试气体的比热比，

T为所述测量室(3)内的测试气体的温度，以及

使用下面的公式计算因子C₂

$C_2={\mathrm{\σ}}_s\frac{1}{\sqrt{R\·T}}\sqrt{{k\left(\frac{2}{k+1}\right)}^{\frac{k+1}{k-1}}}$

其中：

σ_s为第一出口截面，

R为测试气体的特定常量，

K为测试气体的比热比，以及

T为所述测量室(3)内的测试气体的温度。

3.根据权利要求2所述的方法，所述方法还包括在所述喷射器(2)关闭期间在所述喷射器(2)的瞬时流量

为零时计算第二因子C₂的步骤。

4.根据权利要求1所述的方法，另外包括如下的步骤：

从所述测量室(3)内的压力约等于对应于同一测量室(3)外的环境压力的第一值的时刻开始将测试气体喷射到所述测量室(3)内，以及

选择性地控制所述第一出口截面(σ_s)，以使所述测量室(3)内的压力达到第二值，使得在每个喷射循环的初始和结束时的压力初始值和压力最终值大体上相等并等于所述第二值。

5.根据权利要求4所述的方法，还包括如下步骤：

选择性地控制所述第一出口截面(σ_s)，使得所述第二值与所述第一值之比至少等于使测试气体经由所述第一出口截面(σ_s)的流动与所述第一值的变化无关的限界值。

6.根据权利要求5所述的方法，还包括如下步骤：

选择性地控制所述第一出口截面(σ_s)，使得所述第二值与所述第一值之比为使测试气体在对应所述第一出口截面(σ_s)处的速度约等于声音的传播速度。

7.根据权利要求4所述的方法，另外包括如下步骤：

在供给压力约等于给定的第三值的情况下，经由所述喷射器(2)的第二出口截面供给测试气体，

选择性地控制测试气体的供给压力，使得所述第三值与所述第二值之比至少等于使测试气体经由所述第二出口截面的流动与所述第二值的变化无关的限界值。

8.根据权利要求7所述的方法，还包括如下步骤：

选择性地控制测试气体的供给压力，使得所述第三值与所述第二值之比为使测试气体在对应所述第二出口截面处的速度约等于声音的传播速度。

9.根据权利要求1所述的方法，其中确定所述测量室(3)内的测试气体的压力的步骤另外包括如下步骤：

通过与所述测量室(3)关联的第一压力传感器(7)测量测试气体的压力相对于平均值的变化，

通过与所述测量室(3)关联的第二压力传感器(8)测量测试气体的绝对压力，以及

通过将所述第二压力传感器(8)获得的测试气体的绝对压力加到所述第一压力传感器(7)获得的测试气体的压力变化值上，来确定所述测试气体的压力。

10.根据权利要求9所述的方法，另外包括如下步骤：

确定所述第一压力传感器(7)获得的测试气体的压力变化的第一参考值，

确定所述第二压力传感器(8)获得的测试气体的绝对压力的第二参考值，以及

通过将所述第二参考值与所述第一参考值之间的差加到所述第一压力传感器(7)获得的测试气体的压力变化值上，来确定测试气体的压力。

11.根据权利要求10所述的方法，其中所述参考值是最小值/平均值/最大值。

12.根据权利要求9所述的方法，其中，所述第一压力传感器(7)为压电型，所述第二压力传感器(8)为压阻型。

13.根据权利要求1所述的方法，其中所述测量室(3)大体上呈半球形。

14.根据权利要求1所述的方法，其中所述测量室(3)具有恒定的容积。

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