CN102137998B

CN102137998B - 用于分析高功率热能发动机内所使用的燃料喷射系统提供的步进式喷射流率的方法

Info

Publication number: CN102137998B
Application number: CN2009801342376A
Authority: CN
Inventors: 弗朗索瓦·施米特
Original assignee: EFS SA
Current assignee: EFS SA
Priority date: 2008-09-05
Filing date: 2009-07-20
Publication date: 2013-06-26
Anticipated expiration: 2029-07-20
Also published as: WO2010026321A1; US8511152B2; EP2318689B1; FR2935757A1; PL2318689T3; EP2318689A1; CA2734993A1; FR2935757B1; JP2012502217A; JP5431483B2; ES2408235T3; CN102137998A; US20110185799A1

Abstract

本发明的方法包括在第一恒定容积测量腔室(3)中喷射燃料，测量该第一恒定容积测量腔室(3)中的压力(P)和温度(T)，根据活塞(11)的运动，将所述第一腔室部分排放到第二可变容积测量腔室(8)，所述运动被测量，其中，从第一腔室到第二腔室的部分排放在喷射后被实施，直到所述第一腔室内的在喷射前的压力(Po)被恢复。每次喷射后，从第一腔室到第二腔室的排放被连续多次地被实施，并且第二腔室本身每次排放。将通过第二腔室的每次填充/排放的所述活塞(11)的运动而进行的容量测量进行相加，从而得到总体积。该方法对于高喷射流率是有用的。

Description

用于分析高功率热能发动机内所使用的燃料喷射系统提供的步进式喷射流率的方法

本发明涉及一种能够分析热能发动机内所使用的燃料喷射系统提供的步进式喷射流率的方法。所涉及的喷射系统特别是那些装备有柴油发动机的系统。这里描述的本发明更特别适用于高功率发动机所使用的喷射系统，因此此种喷射系统具有燃料高流量。

已知测量装置已用来允许喷射系统和热能发动机的制造商们开发喷射器，并且针对这些系统的最终应用在其制造和安装过程中进行调整和标准验证。这些测量装置与特定的试验台结合使用，试验台的作用主要在于驱动喷射泵转动，并且在测试过程中支承喷射系统的多种元件。由这些类型的装置完成的测量必须能够准确地知道被喷射燃料体积数值以及喷射时间或角度。

为此，已经从本申请人名义下的法国专利FR2795139A及其同族欧洲专利EP11871987B1中得知一种能够即时分析热能发动机内所使用的喷射系统提供的步进式喷射流率的装置，这种装置的特征主要在于两个测量腔室的组合。

因此，这里描述的装置包括用于测量腔室中喷射有燃料时的恒定容积的第一腔室、以及能够至少部分地排空所述第一测量腔室的装置，其中，压力传感器和温度传感器与该第一腔室关联以分别测量该腔室内的压力和温度。

该装置还包括位于第一测量腔室下游的第二测量腔室，从第一测量腔室排出的燃料被输送到第二测量腔室，依赖于活塞的运动第二测量腔室的容量会变化，其中，活塞的运动通过运动传感器来测量。

电子部件控制该装置组件，所述部件还分析从不同传感器接收的信息。

该装置的操作原理如下描述：

在该装置准备进行测量时，即，当燃料存在于两个测量腔室内，并且在该第一测量腔室内具有预先设定的压力时，进行喷射。这使得第一测量腔室内的压力增加，此种增加与被喷射燃料的量、燃料的特性、环境情况(尤其是温度和初始压力)以及腔室的容积相关。在喷射结束时，第一测量腔室内所含的燃料被部分排空到第二测量腔室，第一测量腔室内的压力因此被带回到其初始设定值，并且该第一测量腔室接着准备接收新一轮喷射。到达第二测量腔室的燃料通过活塞的推动而使得第二测量腔室内的容量增加。活塞的运动被测量，并且在知道活塞直径的情况下，电子部件的一部分计算燃料的准确体积。这种第二次测量允许电子部件在任何时刻非常精确地校整第一测量腔室完成的测量。

在上述专利文献中描述的该装置的一种有利实施例中，通过电子部件的一部分控制的快速电子阀和排放装置被安置在两个测量腔室之间，以便在喷射之后部分地排放第一测量腔室，直到该第一测量腔室恢复到所述喷射之前其内所具有的压力。在这种情况下，电子部件还有利地包括补偿功能，使得能够考虑到两次接连排空之后的第一测量腔室内的可能压力差。

术语“燃料”，这里用来限定装置内所使用的流体、特别是填充两个测量腔室的流体以及被喷射流体，其指代的是真正的燃料，或者优选的是具有接近燃料的液压性能但其燃点温度远远高于燃料的流体，从而能够使得着火和爆炸的风险最小化。

总的来说，具有恒定容积的第一测量腔室能够准确地提供喷射的“形式”，而具有可变容量的第二测量腔室能够测量被喷射的燃料量。电子部件内完成的处理过程能够通过另一次测量的质量来弥补每次测量的偏差。

以上所述的现有装置更特别地适用于输送通常高达100升/小时的少量或普通量的燃料。

为了开发类似于用来推进船只或驱动大型发电机的那些高功率喷射器和发动机，需要能够针对更大的喷射流率步进式地进行即时的喷射流率测量。

为此，大型测量装置的制造，简单地类似于以上所述的已知装置，其在制造第二测量腔室(即用来通过活塞的运动进行容积测量的可变容积腔室)方面面临许多困难。

对于第一测量腔室，其具有恒定容积，并在对已经填充流体的容积进行喷射的过程中进行压力增加的即时测量，在通过简单增加尺寸以使其适应较高喷射流率方面没有技术难度。不同于前面的实施例，其不是传统的小于1升的容积，而是容易提供具有较大数值的容积，以适用于测试中常见的喷射泵和/或喷射器。此容积的数值得到确定，从而在单个喷射过程中第一测量腔室内的压力通常增加几巴或几十巴，这使得此腔室的容积通常有几升或几十升，而不对这些数值进行限定。因此，如果需要，原理上使用更大容积来测量非常大的即时喷射流率不会有任何缺陷。实际上形成这种体积依然很简单，并不存在任何特别的技术问题。只可能涉及制造相对厚以及沉重的部件，这是由于这些部件必须经得起通常来说高达200巴的内部压力，但是这些情况或要求对于这里所涉及的类型的器械并非少见。此外，由于涉及制造没有活动部件或其它专用元件的恒定容积腔室，此部件的成本不会高，并且会特别牢固，而不考虑其内部容积。

但是，对于具有内部活塞的第二可变容量测量腔室，出现了难题，这是由于该腔室必须满足非常严格的技术要求，主要要求是：

-活塞在限定了测量腔室的缸内必须最佳地滑动，没有锁定或漏气，而此腔室的总体温度通常保持非常低，一般在40℃到70℃之间，但是对于具有通常大于2000巴的高压的现代喷射系统来说，喷射器鼻部的即时温度很高，会超过200℃。

-活塞必须尽可能轻，以便快速地反应于由测量腔室内燃料排空造成的体积变化，这会使得采用的活塞具有中空构造以及非常薄的壁厚。

-但是通过限定测量腔室的缸和滑动安装在缸内的活塞形成的组件必须非常牢固，以经得起大量的燃料反复喷射，因此通过活塞运动填充/排空所述测量腔室，而没有损坏。

活塞通常制成10到35毫米之间的直径，并且具有1到10毫米之间的行程，该行程与大约80到10000mm³之间的单一测量体积相对应。通常的经验是在试图制造具有小于10mm直径的活塞时以及在希望制造具有大于35mm直径的活塞时会增加制造困难。特别是，为了使得该装置、尤其是其第二测量腔室活塞适用于高喷射流率或大体积，活塞直径的增加并不是完满的解决方法。

本发明旨在避免这些困难，并且因此旨在提供一种所考虑的问题的解决方案，并且这种方法适用于通常大于100升/分钟的高喷射流率，同时保持经济性。

为此，本发明涉及一种使其能够分析热能发动机内所使用的燃料喷射系统提供的步进式喷射流率，该方法以已知的方式包括：

-将燃料喷射到第一恒定容积测量腔室；

-测量所述第一测量腔室内的压力和温度；

-向第二测量腔室至少部分地排放所述第一测量腔室，其中从所述第一测量腔室排出的燃料被输送到所述第二测量腔室，所述第二测量腔室具有根据活塞在此测量腔室内的运动而变化的容积；

-测量活塞在所述第二测量腔室内的运动；以及

-分析所述第一测量腔室内的压力和温度以及所述活塞在所述第二测量腔室内的运动；

从所述第一测量腔室到所述第二测量腔室的部分排放在喷射后被实施，直到所述第一测量腔室内的喷射之前的压力被恢复，

根据本发明的方法的本质特征在于，在每次喷射后从所述第一测量腔室到所述第二测量腔室的部分排放是连续地在多个阶段内被实施的，且所述第二测量腔室本身每次被排放，并且将对于所述第二测量腔室的每次填充/排空而通过所述活塞在所述第二测量腔室内的运动而获得的容量测量进行相加，从而得到与喷射器用于一次喷射步骤所输送的燃料量相对应的总体积。

因此，根据这里提供的解决方案，该装置的结构基本上没有变化(特别是对于第二测量腔室而言)，但是第二测量腔室的使用是不同的，并且对传感器提供的信息的处理方法也是不同的：

-在已知装置的操作(如上所述)中，在每次喷射步骤之后，第一测量腔室被部分排放(但是一次性地)到第二测量腔室内，接着一旦电子系统完成第一测量腔室内的压力和温度测量以及活塞在第二测量腔室内的运动测量(这在非常短时间内发生的)，第二测量腔室继而部分排放(但是这里也是一次性地)。被喷射燃料量的测量(对于被考虑的喷射步骤)接着可以进行，以便进行任何研究，并且该装置准备接收下一轮喷射步骤。

-根据本发明的方法，第一测量腔室在每次喷射步骤后在多个连续的阶段内排放。排放的流体量因此被分成几部分，并且电子系统能够将被喷射燃料的体积变现为部分测量的总和，并且每次测量与第二测量腔室的每次填充/排空循环过程中活塞的运动相对应。换言之，第二测量腔室的“小”容量被多次利用以测量被喷射到第一测量腔室内的“大”量燃料。

因此，本发明不用成比例地增加第二测量腔室，反而对于该测量腔室、尤其是对于其活塞，将其保持用于测量少量或中量的燃料的通常尺寸，也能够适用于高喷射流率。这里提出的解决方案基本上不造成该装置部件的任何附加成本，只是主要通过软件控制的操作以及信息处理方法使其不同。

作为示例，从第一测量腔室到第二测量腔室的部分排放可以被分成第二测量腔室的大约十次的连续的填充/排放循环。以此方式，通过进行十次连续的部分填充/排放循环，具有3000mm³容积的第二测量腔室将能够容易地测量与第一测量腔室的容积相对应30000mm³的流体体积。

根据本发明的方法特别适用于具有高喷射流率但是低喷射流率的燃料喷射系统，即，适用于具有低转动速度的热能发动机。虽然已知的装置用于通常可以在每次喷射步骤输送200mm³燃料并通常以高达每秒60次步骤操作的喷射系统(即，其转动速度可以达到每分钟7200转的四冲程发动机)，本发明的方法可典型地适用于在每次喷射步骤输送20000mm³燃料并通常以高达每秒2组操作的喷射系统。这里提到的数值只用来提供与真实和当前的情况和需求相对应的数量级，其无疑没有任何限制。

参考作为示例描述的根据本发明的喷射流率分析方法的实施例的示意附图，使用以下的描述来更好地理解本发明：

图1表示采用两个测量腔室的装置的简化视图；

图2是表示图1中装置的操作以及由此的根据本发明方法的进展的示意图。

图1示出了喷射器1，其喷嘴2位于作为恒定容积腔室的第一测量腔室3内。第一测量腔室3在使用中被填充有流体，该流体具有与燃料接近的液压特性，但是具有远高于燃料的燃点温度，使得着火和爆炸的风险最小化。流体也可以是喷射器1所使用的流体。流体的储流器4设置在装置内。

在所示实例中，第一测量腔室3有利地包括作为压力传感器的动态压力转换器5a和静态压力转换器5b。动态压力转换器5a，可以制成压电转换器的形式，其用来测量人们所寻求的高精确度(通常是0.001巴)以及快速响应的动态分量。静态压力转换器5b，可以制成压阻转换器的形式，其用来测量人们所寻求的大动态(通常从1-250巴)的静态分量。

第一测量腔室3还装备有快速响应温度传感器6。

第一测量腔室3包括出口7，出口7向第二测量腔室8定向，并因此位于(参照流体流通的方向)第一测量腔室3的下游。电子阀9安置在第一测量腔室3和第二测量腔室8之间。

第二测量腔室8是可变容积腔室。该腔室被制成缸10，缸10内滑动安装有受到弹簧12的推力的活塞11。活塞11的运动通过运动传感器13检测，该运动传感器13例如被制成感应传感器的形式。第二测量腔室8还关联有温度转换器14。

从第二测量腔室8出去的是排放通道15，通过排放电子阀16控制该排放通道15的打开和关闭，在排放电子阀的下游安置有止回阀17。排放通道15将流体带到所述的储流器4。

该装置还包括(以未示出的方式)控制该装置组件并分析从不同传感器接收的信息的电子部件。特别地、该电子部件：

-控制电子阀9以将来自第一测量腔室3的出口7的流体向第二测量腔室8引导；

-控制排放电子阀16以排放第二测量腔室8并将流体回流到储流器4；

-接收并处理通过与第一测量腔室3关联的传感器或转换器5a、5b和6发送的压力和温度测量信号；

-接收并处理通过相应的运动传感器13发送的第二测量腔室8的活塞11的运动信号。

在该装置的使用过程中，为了填充第一测量腔室3，使用泵(未示出)来将流体泵入到储流器4内。填充该第一测量腔室3的流体最初具有等于预定设定数值的压力Po。所述测量严格来说才能够接着根据下面描述的步骤开始：

喷射器1通过其喷嘴2将流体喷射入第一测量腔室3。由于转换器5a和5b，接着测量压力P(尤其是第一测量腔室3内的压力增加)，使得能够确定被喷射流体喷射流率相对于时间的曲线，可能的话根据传感器6检测的温度T进行校整。当第一测量腔室3内的压力不再增加时，可以推导出喷射完成。

电子阀9接着被首次打开，以将一定量的流体从第一测量腔室3向第二测量腔室8输送。因此，伴随着活塞11的运动，第一测量腔室3被部分排放，而第二测量腔室8的容量增加，此活塞11的运动通过运动传感器13测量。

接着，电子阀9被临时闭合，而电子阀16打开以排放第二测量腔室8，并因此将所述腔室8内所含的流体带至储流器4。

电子阀9接着被重新打开，伴随着活塞11的新一轮运动，以进行第一测量腔室3的新一轮部分排放以及第二测量腔室8的新一轮填充，该活塞11的新一轮运动同样通过传感器13测量，随后，通过打开电子阀16，第二测量腔室8再次排放。

同样的第二测量腔室8的填充/排放被再次重复多次，直到第一测量腔室3内的压力恢复到其初始设定数值Po。

活塞11的每次运动都对应于测量腔室8的容量变化。电子部件确定此容量变化，根据温度传感器(转换器14)提供的信号来修正该变化。此外，电子部件增加对于活塞11的连续运动而确定流体的部分体积V1、V2、...Vn，从而获得总体积，该总体积与已经喷射入第一测量腔室3的流体量相对应。

在操作阶段结束时，第一测量腔室3已经恢复到其初始压力，在第一测量腔室3中可以进行新一轮的喷射，第一测量腔室3将再次以多个阶段的形式部分排放到第二测量腔室8，诸如此类。

此操作通过图2的示意图表示，该示意图的连续线表示(从顶部到底部)喷射步骤：

-第一测量腔室3内的压力P的变化；

-电子阀9的打开时间T1；

-第二测量腔室8的容量V的变化；

-排放电子阀16的打开时间T2。

在未示出但具有类似的总体操作的一个变型中，放置在两个测量腔室3和8之间的电子阀9被静态压力调节器替代，该静态压力调节器从属于静态压力转换器6，由此可以在装置的制造过程中减小一定成本。

应该注意到，通过额外的温度传感器18，可以在其它不同地方测量并考虑温度，特别是在第一测量腔室3的上游，以在被喷射的流体被混合并因此与已包含在所述第一腔室3内的大部分流体的温度变得相同之前，来评价被喷射流体的温度的快速变化。

如所附权利要求书所限定那样，为了实施所述方法或者通过调整该方法的操作(特别是通过基于每次喷射步骤为第一测量腔室的每次排放来提供第二测量腔室的任意数量的连续填充/排放步骤)而作出的该装置的结构细节的改变，都不在本发明保护范围之外。

Claims

1.一种能够分析热能发动机内所使用的燃料喷射系统提供的步进式喷射流率的方法，该方法包括：

-将燃料喷射到恒定容积的第一测量腔室（3）；

-测量所述第一测量腔室（3）内的压力（P）和温度（T）；

-向第二测量腔室（8）至少部分地排放所述第一测量腔室（3），其中从所述第一测量腔室（3）排出的燃料被输送到所述第二测量腔室（8），所述第二测量腔室具有根据活塞（11）在该测量腔室（8）内的运动而变化的容积；

-测量活塞（11）在所述第二测量腔室（8）内的运动；以及

-分析所述第一测量腔室（3）内的压力（P）和温度（T）以及所述活塞（11）在所述第二测量腔室（8）内的运动；

从所述第一测量腔室（3）到所述第二测量腔室（8）的至少部分地排放在喷射后被实施，直到所述第一测量腔室（3）内的在喷射前的压力（Po）被恢复，

其特征在于，每次喷射后从所述第一测量腔室（3）到所述第二测量腔室（8）的至少部分地排放是连续地在多个阶段内被实施，且所述第二测量腔室（8）本身每次被排放；并且，将对于所述第二测量腔室的每次填充/排空而通过所述活塞（11）在所述第二测量腔室（8）内的运动而获得的容积测量进行相加，从而得到与喷射器（1）用于一次喷射步骤所输送的燃料量相对应的总体积。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，从所述第一测量腔室（3）到所述第二测量腔室（8）的至少部分地排放被分成所述第二测量腔室（8）的十次的连续的填充/排放循环。