CN102144088B

CN102144088B - 用来分析高功率热能发动机中所使用的燃料喷射系统提供的步进式喷射流率的设备

Info

Publication number: CN102144088B
Application number: CN2009801345247A
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: 2009-07-21
Publication date: 2013-06-26
Anticipated expiration: 2029-07-21
Also published as: FR2935758B1; EP2324232A1; WO2010026322A1; CN102144088A; US8333110B2; JP2012502218A; FR2935758A1; US20110185800A1; CA2735534A1

Abstract

本发明涉及一种设备，该设备包括：用于测量恒定容积的第一腔室(3)，燃料被喷射到该第一腔室(3)中；与所述第一测量腔室(3)关联的压力传感器(5a，5b)和温度传感器(6)；以及位于所述第一测量腔室(3)下游的第二测量腔室(8)，从所述第一测量腔室(3)排放的燃料被输送到所述第二测量腔室(8)中。所述第二测量腔室(8)的容积根据活塞(11)的运动而变化，该活塞(11)的运动通过传感器(13)来测量。一个或多个可变容积的附加测量腔室(8a，8b，…8n)相连，且平行于所述第二测量腔室(8)并接收从所述第一测量腔室(3)排放的燃料，在这些不同腔室(8a，8b，…8n)中接收的容量被相加，从而达到用于一次喷射步骤所输送的总容积。本发明可用于高喷射流率。

Description

用来分析高功率热能发动机中所使用的燃料喷射系统提供的步进式喷射流率的设备

本发明涉及一种能够分析热能发动机中所使用的燃料喷射系统所提供的步进式喷射流率的设备。有关的喷射系统特别地位于那些装备柴油机中。这里所描述的本发明更特别地可应用于高功率发动机中所使用的喷射系统，从而这些喷射系统具有燃料高流量。

这样的测量设备已经是公知的，其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在其制造和安装期间进行调整和标准验证。这些测量设备与特定试验台结合使用，试验台的作用主要在于驱动喷射泵转动并在测试期间支承喷射系统的多种元件。由这些类型设备所进行的测量必须能准确地得知被喷射燃料容积数值以及喷射时间或角度。

为此，已经从也是本申请人的法国专利FR2795139A或其同族欧洲专利EP1187987B1中得知一种能够即时地分析热能发动机中所使用喷射系统所提供的步进式喷射流率的设备，该设备实质上特征在于两个测量腔室的结合。

因而，这里所提及的设备包括用于测量燃料被喷射所处的恒定容积腔室的第一腔室，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。

该设备还包括位于第一测量腔室下游的第二测量腔室，从第一测量腔室所排出的燃料被输送到第二测量腔室，依赖于活塞运动第二测量腔室的容积不同，其中，活塞的运动使用运动传感器来测量。

电子部分控制设备组件，所述部分也分析从不同传感器所接收的信息。

该设备的操作原理如下：

当设备准备执行测量时，即，当燃料处于两个测量腔室中并且在该第一测量腔室中具有预先设定的压力时，进行喷射。这导致第一测量腔室中压力的增加，其与所喷射燃料量、燃料特性、环境状况(尤其是温度和初始压力)、以及腔室的容积有关。在喷射结束时，第一测量腔室中所包含的燃料部分地排空到第二测量腔室中，第一测量腔室中的压力因而回到其初始设置的值并且该第一腔室随后准备接收新一轮喷射。到达第二测量腔室中的燃料通过推动活塞而导致该第二测量腔室容量增加。活塞的运动被测量，并且由于知道活塞的直径，电子部分的一部分计算出燃料的确切体积。该第二测量允许电子部分在任何时刻非常准确地校准第一测量腔室所完成的测量。

在上述专利文献中描述的设备的一个有利实施例中，通过电子部分的一部分控制的快速电子阀和排放设备被放置在两个测量腔室之间，以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喷射之前时其内所具有的压力。在这种情况下，电子部分还有利地包括补偿功能，使得能够考虑到在两次相继排空后第一测量腔室中的可能的压力差。

术语“燃料”，这里用来限定设备中所使用的流体，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，或优选的具有接近于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精确地提供喷射的“形式”，同时具有可变容积的第二测量腔室能够测量被喷射的燃料量。电子部分中所进行的处理能够通过另一次测量的质量来弥补每次测量的偏差。

以上所述的现有设备更特别地适于输送通常达到100升/小时的少量或普通量的燃料的喷射器。

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，需要能够步进式地执行即时的喷射流率测量，以用于更高的喷射流率。

为了实现简单地类似于以上所述的已知设备的更大测量设备的生产，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期间执行压力增加的即时测量，这在简单地增加尺寸以使其适合于更高喷射流率方面不存在技术困难。不同于前面的实施例，其不是传统的小于1升的容积，而是容易提供具有更高值的容积，以适于喷射泵和/或测试中常见的喷射器。该容积的值被确定，以在单个喷射期间在第一测量腔室中获得几巴或数十巴的典型压力增加，这导致该腔室的容积通常有几升或数十升，而并不限于这些值。因而，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。该容积的产生实际上仍然简单，并且不会产生任何特别的技术问题。可能潜在地涉及制造相对厚并因此沉重的部件，这是由于必须经得起可能通常来说高达200巴的内部压力，但是这些状况或需求对于这里所考虑类型的器械并非少见。而且，由于其涉及制造没有活动部件或其它专用元件的恒定容积腔室，从而该部分并不昂贵而且特别牢固，而无关于其内部容积。

然而，考虑到具有内部活塞的第二可变容积测量腔室，困难增加了，因为该腔室必须满足非常严格的技术要求，主要要求为：

-活塞在限定了测量腔室的圆筒中必须完全地可滑动，而没有锁定或漏气，同时该腔室的总体温度通常保持相对低，典型地在40到70℃之间，但是对于具有非常高压力，典型地大于2000巴的现代喷射系统来说喷射器鼻端处的即时温度是高的，并且可能超过200℃。

-活塞必须尽可能地轻，以迅速对由测量腔室中燃料排空所导致的容积变化作出反应，这导致活塞具有中空构造并且具有非常薄的壁厚。

-然而，由限定测量腔室的圆筒以及可滑动地安装在该圆筒中的活塞所形成的组件必须非常牢固以经得起大量的燃料喷射循环，从而随着活塞的运动而填充/排空所述测量腔室，而不造成损坏。

活塞通常制成其直径在10到35毫米之间，并且具有1到10毫米之间的冲程，其相应于大约80到10000mm³之间的单位测量容积。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直径的活塞时制造困难会增加。特别地，为了使得设备并且尤其是该设备的第二测量腔室适用于更高喷射流率或容积，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这里所考虑类型的解决方案，其适用于通常大于100升/分钟的高喷射流率，同时保持经济性。

为此，本发明涉及一种能够分析热能发动机中使用的燃料喷射系统提供的步进式喷射流率的设备，该设备以已知的方式包括：

-用于测量恒定容积的第一腔室，燃料被喷射到该第一腔室中，所述第一测量腔室关联有压力传感器和温度传感器，以用于分别测量所述第一测量腔室中的压力和温度；

-至少部分地排空所述第一测量腔室的装置；

-位于所述第一测量腔室下游的第二测量腔室，从所述第一测量腔室排放的燃料被输送到所述第二测量腔室中，所述第二测量腔室的容积根据活塞的运动而变化，该活塞的运动使用运动传感器来测量；

-控制该设备并分析从这些传感器接收的信息的电子部分，使得所述第一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在喷射前的压力被恢复；

根据本发明的设备的本质特征在于，该设备还包括至少一个附加测量腔室，该附加测量腔室的容积根据活塞的运动而变化，其中，所述活塞的运动使用运动传感器来测量；所述附加测量腔室安装在所述第一测量腔室的下游，并平行于所述第二测量腔室，使得从所述第一测量腔室排放的燃料被接收在所述第二测量腔室和/或所述或每个附加测量腔室中，电子部分被设置以为每一轮喷射测量由所述第二测量腔室和所述附加测量腔室所接收的容量，并对此容量进行相加，从而获得与用于一次喷射步骤所输送的燃料量相对应的总容积。

因此，创新点包括提供平行安装的两个或多个可变容积测量腔室，以替代单独的第二可变容积测量腔室。从第一测量腔室排出的燃料的总容积因此可以分布到两个或多个其它的测量腔室中，其每一个通过其活塞的运动来接收并测量部分容积；所有被测量的部分容积之和提供了每次步骤中所喷射的总容积。

结果，即使对于高喷射流率，通过增加平行安装的可变容积测量腔室，能够为所有这些腔室保持有限的尺寸，尤其是保持活塞的直径不超过期望的最大值。

根据本发明设备的一个实施例，电子部分被设置以同步地控制从第一测量腔室到第二测量腔室和附加测量腔室、换句话说到所有可变容积测量腔室的排放。所有这些测量腔室的燃料输送因此是同时的，而且部分容积的测量结果之和相应于用于一次喷射步骤的总容积。从设备的操作示意图来看，该实施例具有简化的优点。

根据本发明设备的另一实施例，电子部分被设置以分别地并且尤其是相继地控制从第一测量腔室到第二测量腔室和附加测量腔室、换句话说到不同可变容积测量腔室的排放。由于每一可变容积腔室必须分别控制，该其它控制模式控制起设备来稍微复杂；然而，其具有调整从第一测量腔室流出的优点，可变容积测量腔室中的一些接收流体、而另一些已经处于排放过程。

在该设备的最简化设计中，第二测量腔室和附加测量腔室是完全相同的，并且具体地具有相同的最大容量、以及与活塞截面对应的相同截面。

然而，有利地，在第二测量腔室和附加测量腔室之中，存有至少一个相比其它测量腔室来说具有更大容量的测量腔室、以及至少一个相比其它测量腔室来说具有更小容量的测量腔室，因而存有至少两个具有不同容量、尤其是不同截面的测量腔室，所述电子部分被设置用来根据每次步骤中被喷射的燃料的单位量来控制这些测量腔室中的一者和/或另一者。如将被理解的，具有更大容量并且尤其是具有更大截面的测量腔室具有相当有限的绝对测量精度，同时具有更小容量并且尤其是具有更小截面的测量腔室具有高的绝对测量精度。因而，当所喷射量小时该设备具有高的绝对测量精度，同时保持测量大的喷射量的可能性。该设备因此趋向于实现其中相对精度大体上保持恒定的测量，这对于具有高测量动态(即，能够精确地测量少量以及大量)的任何测量装置或设备来说是期望的优点。在眼前的情况中，其能够非常正确地，即以约千分之一的绝对精度的最大数值范围，测量在每次喷射步骤中介于100mm³到100,000mm³之间的喷射量。

应当注意到，由于其与多个可变容积测量腔室结合的使用原理，本发明的设备不仅能够测量比可变容积单腔室设备更高的喷射流率，也能够测量更高喷射频率的喷射流率，这与所设置的测量腔室的数量成比例。

换句话说，根据本发明的配置非常有利，这是由于以下事实：通过控制软件参数的简单调整，其能够测量更高喷射频率下的更高喷射流率，而不需对要设备构造进行改变。这使得本发明主题的该设备尤其是适于具有真实喷射系统的特征，该系统实际上在低发动机转速和低单位量的情况下步进式地喷射较大单位量、并且随着发动机转速增加而频率更高地喷射。

参照作为示例描述的用于分析燃料喷射系统提供的步进式喷射流率的设备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：

仅有的附图非常概略地示出了根据本发明的用于测量被喷射燃料量的设备的机械部分。

该仅有的附图示出了喷射器1，其喷射嘴2位于为恒定容积腔室的第一测量腔室3中。第一测量腔室3在使用中被填充有流体，该流体具有接近于燃料的液压特性、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设置在设备内。

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部件。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)的静态部件。

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。该腔室被制成圆筒10，圆筒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16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。

根据本发明，附加测量腔室8a、8b、…8n安装在第一测量腔室3的下游，并位于平行于包括第二测量腔室8的流路分支的流路分支中。每一附加测量腔室8a、8b、…8n也是可变容积腔室，其用圆筒10a、10b、…10n制成，在其中滑动安装有活塞11a、11b、…11n，活塞的运动由运动传感器13a、13b、…13n探测。

在每一个这样的流路分支上，在第一测量腔室3的输出7和相应的附加测量腔室8a、8b、…8n之间放置有电子阀9a、9b、…9n。所有的流路分支的各自的排空通道15a、15b、…15n每一个都包括排放电子阀16a、16b、…16n，并且这些排空通道15a、15b、…15n彼此交汇并和排出通道15交汇以将流体带回到储流器4。

该设备以未示出的方式还包括电子部分，其控制设备的组装并分析从不同传感器所接收的信息。具体地，该电子部分：

-控制电子阀9、9a、9b、…9n以将来自第一测量腔室3的出口7的流体导向其它测量腔室8、8a、8b、…8n中的一个或另一个；

-控制与这些其它测量腔室8、8a、8b、…8n关联的排放电子阀16、16a、16b、…16n，以排放这些腔室并将流体返回到储流器4；

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

-接收并处理由相应运动传感器13、13a、13b、…13n传送的其它测量腔室8、8a、8b、…8n的活塞11、11a、11b、…11n的运动信号。

在该设备的使用期间，为了填充第一测量腔室3，使用泵(未示出)将流体泵到储流器4中。填充该第一测量腔室3的流体具有初始地等于预定设置值的压力。严格来说，测量随后可以开始，按照以下所描述的过程：

喷射器1通过喷嘴2执行流体喷射到第一测量腔室3中。由于转换器5a和5b，压力、尤其是第一测量腔室3中的压力增加随后被测量，这使得能够确定所喷射流体喷射流率关于时间的曲线，可能地话，根据传感器6所探测的温度进行校整。当该第一测量腔室3中的压力不再增加时，推断出喷射完成。

电子阀9、9a、9b、…9n随后或者同步地、或者分别地并且尤其是相继地打开，以将流体从第一测量腔室3向其它测量腔室8、8a、8b、…8n输送。伴随着相应活塞11、11a、11b、…11n的运动，这些测量腔室8、8a、8b、…8n的容积因此增加。运动传感器13、13a、13b、…13n测量活塞11、11a、11b、…11n的各自运动。

活塞11、11a、11b、…11n的每一运动都对应着相应测量腔室8、8a、8b、…8n的容积变化。电子部分确定该容积变化，根据诸如转换器14的温度传感器所提供的信号来校正该容积变化。而且，电子部分对不同测量腔室8、8a、8b、…8n限定的部分流体体积进行相加，以获得总容积，其对应于已经喷射到第一测量腔室3中的流体量。

电子部分还控制不同的排放电子阀16、16a、16b、…16n以将流体带回到储流器4中并允许活塞11、11a、11b、…11n返回到其初始位置，同时第一测量腔室3中的压力返回到其初始设置值。新一轮喷射随后可以发生在该第一测量腔室3中，诸如此类。

根据喷射流率、以及通过电子阀9、9a、9b、…9n的适应性控制，该设备可以或者使用所有可变容积测量腔室8、8a、8b、…8n来操作、或者仅使用这些测量腔室中的一些来操作。

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。

以下不背离本发明的范围：

-改变设备的构造细节；

-提供无论什么数量的平行安装的可变容积测量腔室；

-提供并非全部相同的测量腔室，该测量腔室具有相互不同的容量，以及至少一个更大容量测量腔室和至少一个更小容量测量腔室；

-提供稍微不同的操作，尤其是对于可变容积测量腔室的一个或多个、提供两次或多次部分填充/排空循环以用来测量每一喷射步骤所喷射的燃料量，并且部分容积测量结果的相加因而完成，其使设备能够适用于甚至更高喷射流率，而在可变容积测量腔室方面不增加的设备的尺寸。

Claims

1.一种能够分析热能发动机中使用的燃料喷射系统提供的步进式喷射流率的设备，该设备包括：

-用于测量恒定容积的第一测量腔室（3），燃料被喷射到该第一测量腔室（3）中，所述第一测量腔室（3）与压力传感器（5a，5b）和温度传感器（6）相关联，以用于分别测量所述第一测量腔室（3）中的压力和温度；

-至少部分地排空所述第一测量腔室（3）的装置（7，9）；

-位于所述第一测量腔室（3）下游的第二测量腔室（8），从所述第一测量腔室（3）排放的燃料被输送到所述第二测量腔室（8）中，所述第二测量腔室（8）的容积根据活塞（11）的运动而变化，该活塞（11）的运动使用运动传感器（13）来测量；

-控制该设备并分析从这些传感器接收的信息的电子部分，使得所述第一测量腔室（3）的部分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被恢复；

其特征在于，该设备还包括至少一个附加测量腔室（8a，8b，…8n），该至少一个附加测量腔室的容积根据活塞（11a，11b，…11n）的运动而变化，其中，所述活塞（11a，11b，…11n）的运动使用运动传感器（13a，13b，…13n）来测量；所述至少一个附加测量腔室（8a，8b，…8n）安装在所述第一测量腔室（3）的下游，并平行于所述第二测量腔室（8），使得从所述第一测量腔室（3）排放的燃料被接收在所述第二测量腔室（8）和/或所述每个附加测量腔室（8a，8b，…8n）中，所述电子部分被设置以测量并相加对于每一次喷射由所述第二测量腔室（8）和所述附加测量腔室（8a，8b，…8n）所接收的容量，从而获得与用于一次喷射步骤所输送的燃料量相对应的总容积。

2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述电子部分被设置以同步地控制从所述第一测量腔室（3）到所述第二测量腔室（8）和所述附加测量腔室（8a，8b，…8n）的排放，换句话说，所述电子部分被设置以同步地控制从所述第一测量腔室（3）到所有可变容积测量腔室的排放。

3.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述电子部分被设置以分别地控制从所述第一测量腔室（3）到所述第二测量腔室（8）和所述附加测量腔室（8a，8b，…8n）的排放，换句话说，所述电子部分被设置以分别地控制从所述第一测量腔室（3）到所有不同的可变容积测量腔室的排放。

4.根据权利要求3所述的设备，其特征在于，所述电子部分被设置以相继地控制从所述第一测量腔室（3）到所述第二测量腔室（8）和所述附加测量腔室（8a，8b，…8n）的排放，换句话说，所述电子部分被设置以相继地控制从所述第一测量腔室（3）到所有不同的可变容积测量腔室的排放。

5.根据权利要求1-4中任意一项所述的设备，其特征在于，所述第二测量腔室（8）和所述附加测量腔室（8a，8b，…8n）全部是相同的。

6.根据权利要求5所述的设备，其特征在于，所述第二测量腔室（8）和所述附加测量腔室（8a，8b，…8n）全部具有相同的最大容量，并且具有与活塞（11，11a，11b，…11n）的截面相应的相同截面。

7.根据权利要求1-4中任意一项所述的设备，其特征在于，在所述第二测量腔室（8）和所述附加测量腔室（8a，8b，…8n）之中，存有至少一个相比其它测量腔室来说具有更大容量的测量腔室、以及至少一个相比其它测量腔室来说具有更小容量的测量腔室，因而存有至少两个具有不同容量的测量腔室，所述电子部分被设置用来根据每次步骤中被喷射的燃料的单位量来控制这些测量腔室中的一者和/或另一者。

8.根据权利要求7所述的设备，其特征在于，在所述第二测量腔室（8）和所述附加测量腔室（8a，8b，…8n）之中，存有至少两个具有不同容量且不同截面的测量腔室。

9.根据权利要求1-4中任意一项所述的设备，其特征在于，与恒定容积的所述第一测量腔室（3）关联的所述压力传感器包括动态压力转换器（5a）和静态压力转换器（5b）。