CN103257216A - 一种燃料十六烷值的测量装置 - Google Patents

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本发明公开了一种燃料十六烷值的测量装置，包括定容燃烧弹弹体、容弹配气系统、容弹压力采集与数据分析系统、高压共轨燃料喷射及电子控制系统、容弹升温电加热和氢气点火系统以及喷油器水冷系统。本发明采用氢气燃烧的办法，通过容弹氢气、氧气和氮气配气的比例，控制弹内气体温度、密度和燃烧后的氧气浓度。本发明可以方便快捷的针对不同性质的燃料，完成容弹内不同温度、压力、氧浓度、密度等参数的调节，测量被测燃料自燃着火的滞燃期，并在相同条件下，通过不同十六烷值的标准燃料滞燃期与十六烷值的标定拟合关系，推算出被测燃料的十六烷值，对掌握压燃式发动机各种燃料的着火特性及燃料喷射控制策略等提供必要的技术参数。

Description

一种燃料十六烷值的测量装置
技术领域
本发明属于压燃发动机技术领域，涉及一种测量装置，尤其是一种燃料十六烷值(cetane number，简称CN)的测量装置。
背景技术
目前，世界范围内普遍使用的柴油燃料CN值测量方法均由ASTM/D613（1941年首次制订）发展而来（我国的标准为GB/T386），其方法是：调整十六烷值测定仪的压缩比，使被测燃料的滞燃期稳定在2.41ms；在该压缩比条件下，找到相同滞燃期的标准混合燃料，则标准混合燃料的CN值即为被测燃料的CN值。试验所使用的标准燃料为正十六烷和七甲基壬烷，并规定他们的CN值分别为100和15，标准混合燃料的CN值定义为标准燃料十六烷值与体积百分数乘积之和。该方法CN值测量范围为40～56。测试设备昂贵，操作复杂、耗时、耗材。
美国标准ASTM/D6890使用了一种定容弹装置，在2.137MPa，575℃的状态下，试验标准燃料CN值与滞燃期数据的对应关系，形成拟合公式。只需测量出被测燃料在该状态下对应的滞燃期，通过公式就可以计算燃料的CN值，称之为推算十六烷值。这种方法燃料CN值的测量范围在34～61单位（对应的滞燃期范围为6.4～3.3ms）。ASTM/D6890标准中的燃烧室容积约为0.2L，采用锥头柱尾的结构，以适应轴针式喷油器喷雾形状的要求；燃料喷射系统喷射压力低，故需要较高的温度压力，帮助雾化与混合；采用电加热方式，壁面温度最高。
现有技术中，燃料的十六烷值测定仪价格昂贵，使用操作复杂，对燃料的适应性及燃料的十六烷值测定范围有限制。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种燃料十六烷值的测量装置，其采用现代电控高压共轨燃料喷射系统，能够通过建立标准混合燃料的十六烷值与滞燃期的关系，推算被测量的柴油、二甲醚等压燃式发动机燃料的十六烷值（DCN）。
本发明的目的是通过以下技术方案来解决的：
这种燃料十六烷值的测量装置，包括定容燃烧弹弹体、容弹配气系统、容弹压力采集与数据分析系统、高压共轨燃料喷射及电子控制系统、容弹升温电加热和氢气点火系统以及喷油器水冷系统；
所述高压共轨燃料喷射及电子控制系统包括高压油泵、油轨、油轨压力传感器、压力调节阀，所述高压油泵、油轨和喷油器之间由高压油管相连，所述油轨压力传感器和压力调节阀设置在油轨两端；
所述容弹配气系统包括氢气瓶、氧气瓶、氮气瓶、压力变送器、真空泵、进气管、主管和支管，所述氢气瓶、氧气瓶、氮气瓶的出口分别通过压力调节阀和支管连接至主管，所述主管通过一根支管与进气管连通，所述进气管的一端连接到定容燃烧弹弹体内，进气管的另一端连接真空泵，所述压力变送器连接在主管上；
所述容弹压力采集与数据分析系统包括安装在定容燃烧弹弹体上的压电传感器，所述压电传感器的输出端连接有电荷放大器，所述电荷放大器输出端依次连接有数据采集仪和计算机；
所述容弹升温电加热和氢气点火系统包括设置在定容燃烧弹弹体内的火花塞，所述火花塞连接有点火电路，所述点火电路连接有时序控制电路，所述时序控制电路连接至计算机；
所述高压共轨燃料喷射及电子控制系统分别与高压油泵、油轨连接和时序电路连接；
所述喷油器水冷系统由包围喷油器的冷却水腔、进出水管、水泵和水箱组成；
所述定容燃烧弹弹体内安装有热电偶，所述热电偶外接数字显示器，再通过数据采集仪连接到计算机。
上述定容燃烧弹弹体结构形状为Ф100×100mm圆柱体，弹体内安装加热器，顶端中央布置电控五孔喷油器，喷孔直径为0.18mm。
在上述容弹配气系统中，与定容燃烧弹弹体连接的进气管上，在与主管接点的前后管段上分别安装有一阀门；所述压力变送器的接管处设置有一阀门。
本发明具有以下有益效果：
本发明的燃料十六烷值的测量装置可以方便快捷的针对不同性质的燃料，完成容弹内不同温度、压力、氧浓度、密度等参数的调节，测量被测燃料自燃着火的滞燃期，并在相同条件下，通过不同十六烷值的标准燃料滞燃期与十六烷值的标定拟合关系，推算出被测燃料的十六烷值，对掌握压燃式发动机各种燃料的着火特性及燃料喷射控制策略等提供必要的技术参数。
附图说明
图1为本发明的容弹法十六烷值测试系统布置框图；
图2为滞燃期的数据处理图；
图3为二甲醚和柴油推算十六烷值的比较图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
本发明容弹式燃料十六烷值测量装置系统构成如图1所示，由定容燃烧弹弹体、容弹配气系统、容弹压力采集与数据分析系统、高压共轨燃料系统、燃料喷射控制系统、容弹升温电加热和氢气点火系统、压力传感器和喷油器水冷系统等组成。高压共轨燃料喷射及电子控制系统包括高压油泵、油轨、油轨压力传感器、压力调节阀，所述高压油泵、油轨和喷油器之间由高压油管相连，油轨压力传感器和压力调节阀设置在油轨两端。容弹配气系统包括氢气瓶、氧气瓶、氮气瓶、压力变送器、真空泵、进气管、主管和支管，所述氢气瓶、氧气瓶、氮气瓶的出口分别通过压力调节阀和支管连接至主管，主管通过一根支管与进气管连通，进气管的一端连接到定容燃烧弹弹体内，进气管的另一端连接真空泵，压力变送器连接在主管上；容弹压力采集与数据分析系统包括安装在定容燃烧弹弹体上的压电传感器，压电传感器的输出端连接有电荷放大器，电荷放大器输出端依次连接有数据采集仪和计算机；容弹升温电加热和氢气点火系统包括设置在定容燃烧弹弹体内的火花塞，火花塞连接有点火电路，点火电路连接有时序控制电路，时序控制电路连接至计算机。高压共轨燃料喷射及电子控制系统分别与高压油泵、油轨连接和时序电路连接；喷油器水冷系统由包围喷油器的冷却水腔、进出水管、水泵和水箱组成；定容燃烧弹弹体内安装有热电偶，热电偶外接数字显示器，再通过数据采集仪连接到计算机。
在本发明的最佳实施例中，容弹结构形状为Ф100×100mm圆柱体，弹体内安装加热器，顶端中央布置电控5孔喷油器，喷孔直径为0.18mm，所采用的Bosch高压共轨喷油系统包括高压油泵、油轨、油轨压力传感器、压力调节阀等，高压油泵、油轨和喷油器之间由高压油管相连。
本发明采用氢气燃烧的办法，通过容弹氢气、氧气和氮气配气的比例，控制弹内气体温度、密度和燃烧后的氧气浓度。容弹配气前，先用真空泵抽气，压力降至50Pa以下，然后按照试验要求计算出氢气、氧气和氮气的比例，按照道尔顿分压定律，依次往容弹中充入氮气、氢气和氧气，容弹压力通过压力变速器由数字压力表显示。氢气点火，记录容弹压力随时间的变化曲线，形成标定曲线，并计算容弹温度，掌握点火后达到容弹设定温度的时间。
高压油泵工作，燃油共轨压力升高至高于喷射压力设定值，油泵停止工作，记录油轨压力随时间的变化曲线，掌握降至喷射压力设定值的时间。
通过上述标定建立的共轨系统燃料泄漏速度和容弹内氢气燃烧过后气体温度压力下降变化时序关系。
试验测量时，计算机和冷却系统工作，依据上述建立的时序关系，通过电控单元依次触发火花塞点火和控制电控喷油器进行燃油喷射，采集容弹压力数据，求取滞燃期的时间。试验重复。
图2所示为一次滞燃期的求取过程，红色虚线为无燃料喷射燃烧的标定曲线，实线为本次试验容弹压力曲线（为显著起见，图中使用与t0时刻的压差）。其中t0为燃料喷射驱动信号触发时刻，t1时刻燃料喷出喷孔，此时弹内气体温度因燃料蒸发而下降。滞燃期定义为容弹压力因燃料蒸发而降低（t1—t2），因燃料燃烧重新回到燃料喷射时刻的压力(t2—t3)所经历的时间(τig)。滞燃期又可细分为物理滞燃期和化学滞燃期。t1时刻单纯标定复杂，但在数据处理上也不容易找准，从而造成一定的误差。实际上以喷油器喷射驱动时刻t0计算，τ0相对是比较固定的，标准燃料和被测燃料的τ0变化较小，误差也比求取t1时刻的小。
为测定一种燃料的十六烷值，首先由正十六烷和七甲基壬烷按不同比例混合，试验建立不同十六烷值的标准混合燃料的十六烷值与滞燃期的拟合公式，然后测量被测燃料在相同容弹状态下的滞燃期，代入上述拟合公式，求取被测燃料的十六烷值，即燃料推算的十六烷值。
表1列出了2种容弹气体密度和温度状态下测定的滞燃期，以及由标准混合燃料十六烷值推算出的二甲醚十六烷值数据。可见，二甲醚燃料的十六烷值约为64.5，推算的二甲醚十六烷值变动在2～3个单位之间。
表1二甲醚的滞燃期和推算的十六烷值
Figure BDA00003189103700061
图3是在上述6种状态下测量的市售0#柴油和二甲醚燃料的推算十六烷值的结果。柴油推算十六烷值比较集中，其最高值为45.72，最低值为43.97，平均值为44.75，变化范围为1.75个十六烷值单位，结果较二甲醚的稳定。
显然，二甲醚因为容易雾化，喷射贯穿距离受气体密度影响较大。高密度时二甲醚不易扩散与空气形成可燃混合气，因而滞燃期变长，使推算十六烷值降低。二甲醚的汽化潜热大，低温环境使DCN降低。

Claims (3)

1.一种燃料十六烷值的测量装置，其特征在于，包括定容燃烧弹弹体、容弹配气系统、容弹压力采集与数据分析系统、高压共轨燃料喷射及电子控制系统、容弹升温电加热和氢气点火系统以及喷油器水冷系统；
所述高压共轨燃料喷射及电子控制系统包括高压油泵、油轨、油轨压力传感器、压力调节阀，所述高压油泵、油轨和喷油器之间由高压油管相连，所述油轨压力传感器和压力调节阀设置在油轨两端；
所述容弹配气系统包括氢气瓶、氧气瓶、氮气瓶、压力变送器、真空泵、进气管、主管和支管，所述氢气瓶、氧气瓶、氮气瓶的出口分别通过压力调节阀和支管连接至主管，所述主管通过一根支管与进气管连通，所述进气管的一端连接到定容燃烧弹弹体内，进气管的另一端连接真空泵，所述压力变送器连接在主管上；
所述容弹压力采集与数据分析系统包括安装在定容燃烧弹弹体上的压电传感器，所述压电传感器的输出端连接有电荷放大器，所述电荷放大器输出端依次连接有数据采集仪和计算机；
所述容弹升温电加热和氢气点火系统包括设置在定容燃烧弹弹体内的火花塞，所述火花塞连接有点火电路，所述点火电路连接有时序控制电路，所述时序控制电路连接至计算机；
所述高压共轨燃料喷射及电子控制系统分别与高压油泵、油轨连接和时序电路连接；
所述喷油器水冷系统由包围喷油器的冷却水腔、进出水管、水泵和水箱组成；
所述定容燃烧弹弹体内安装有热电偶，所述热电偶外接数字显示器，再通过数据采集仪连接到计算机。
2.根据权利要求1所述的燃料十六烷值的测量装置，其特征在于，所述定容燃烧弹弹体结构形状为Ф100×100mm圆柱体，弹体内安装加热器，顶端中央布置电控五孔喷油器，喷孔直径为0.18mm。
3.根据权利要求1所述的燃料十六烷值的测量装置，其特征在于，在所述容弹配气系统中，与定容燃烧弹弹体连接的进气管上，在与主管接点的前后管段上分别安装有一阀门；所述压力变送器的接管处设置有一阀门。
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