CN106762310A - 可连续调节压力和温度的燃油喷射模拟实验系统 - Google Patents

Abstract

一种可调节压力、温度的燃油喷射模拟系统控制方法，通过高压油泵和低压油泵实现高压供油模式和低压供油模式，进行供油，并利用硅油进行温控，使得能够模拟多种条件下燃油喷射的特性，特别是能够模拟极端条件下燃油喷射的特性。

Description

可连续调节压力和温度的燃油喷射模拟实验系统

技术领域

本发明属于燃油喷雾特性模拟测试领域，具体涉及真实模拟各种发动机在多种条件下喷嘴燃油喷射特性。

背景技术

目前国内应用定容弹研究喷雾特性比较少，且喷油管路和油泵借用现有发动机上结构，只能使用发动机原有设计喷油压力，喷油温度随着室温而确定，不能对比不同温度和压力情况下喷雾特性。另外，目前应用定容弹研究喷雾特性时，会考虑常用的一些工况条件，并且认为一些极端条件是不必考虑的，这样的偏见阻碍了本领域技术人员研究能够模拟极端条件的燃油喷射模拟系统。另外，虽然有一些研究开始开展可变压力或可变温度的研究，但是通常这些方案对于压力的变换采用不同的气体压力罐(例如高压气罐和低压气罐)向同一个压力泵输送气压，利用气体压力罐的不同压力来实现不同压力的燃油喷射。这种方案压力调节不连续，只能将燃油压力增加到有限的几个值，而不能连续调节燃油压力。同时，使用多个气体压力罐使得系统体积庞大，设计复杂。更重要的是由于使用同一个泵，因此压力可调节范围完全依赖于气体压力罐的压力范围，使得燃油压力可调范围非常有限。使得这种技术方案只能模拟有限的工况，不能满足各种工况条件下燃油喷射特性的研究。而且气泵通常只能在一定的压力范围内保持较高压力控制精度，因此使用单一气泵难以输出大压力范围，而且即使输出较大压力范围，也很难在大范围量程内全部达到较高的压力精度。而且，目前对于燃油温度的控制多使用水温调节装置。但由于水的物理特性，使得整个系统不能模拟低于0℃、高于100℃的工况环境。这使得系统模拟工况非常受限。

发明内容

本发明采用低压油泵和高压油泵提供高压燃油，通过采用一体机来调节燃油温度。在0-10MPa压力范围内可以采用低压油泵来进行增压，压力稳定，在10MPa-60MPa压力范围采用高压油泵进行增压，能够达到增压压力较高。另外设计一套能够耐高压管路提供燃油高压。通过冷热一体机和一套冷却管路，冷却介质温度达到-20-120℃范围，满足燃油温度在-10℃-100℃温度范围需求，同时在管路设计隔热层，保证温度稳定性。

本发明的技术方案

1、一种可调节压力和温度的燃油喷射模拟实验系统控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)设定需要模拟的喷油器喷射燃油的目标压力和目标温度；

(2)冷热一体机启动，调节冷热一体机媒介温度至目标温度，开关S5闭合，硅油进入热交换器和油箱，冷却或加热燃油；

(3)使得燃油保持目标温度一定时间，例如30分钟；

(4)根据燃油目标压力选择上述低压供油模式或高压供油模式进行供油，通过喷油器进行喷射，模拟喷油器喷油状态，进行喷雾特性研究；

低压供油模式为：开关S1闭合，连通气瓶中的高压气体，旋转第一压力调节阀至目标压力，高压气体通过第一压力调节阀进入低压油泵，使得燃油压力增加，闭合开关S3，油箱中低压油经过油滤器进入低压油泵，高压油从低压油泵出来经过滤清器进入热交换器进行调节温度，进而进入喷油器后喷出；

高压供油模式为：开关S2闭合，连通气瓶中的高压气体，旋转第二压力调节阀至目标压力，高压气体通过第二压力调节阀进入高压油泵，使得燃油压力大幅度增加，闭合开关S4，油箱中低压油经过油滤器进入高压油泵，高压油从高压油泵出来经过滤清器进入热交换器进行调节温度，进而进入喷油器后喷出；

(5)观测喷油器喷射的燃油油雾。

进一步，在步骤(4)中还包括查看油温表和油压表，调节冷热一体机和压力调节阀，调至所需压力和温度。

进一步，低压油泵的压比为1∶1，高压油泵的压比为1∶80。

进一步，实验完成后，打开开关S1和S3，分别打开低压泄气阀和泄油阀进行泄气和泄油，或，打开开关S2和S4，分别打开高压泄气阀和泄油阀进行泄气和泄油。

进一步，根据重新设定的燃油目标压力和目标温度，重复步骤(2)～(6)。

一种可连续调节压力和温度的燃油喷射模拟实验系统，包括气路、硅油路和燃油路三部分；

气路包括气瓶，第一压力调节阀，第二压力调节阀，气路开关S1、S2。气瓶分别通过开关S1、S2与第一压力调节阀、第二压力调节阀连接；第一压力调节阀、第二压力调节阀分别与低压油泵、高压油泵连接，为它们提供合适压力的气体；

燃油路包括低压油泵，高压油泵，滤清器，热交换器，油压表，油温表，油箱，油滤器，泄油阀，喷油器，油路开关S3、S4；油箱通过油滤器分别与低压油泵、高压油泵连接，向两者提供待加压燃油；燃油经过低压油泵或高压油泵加压后成为高压燃油，分别由开关S3或S4控制，通过滤清器进入热交换器。热交换器的输入端连接有油压表，输出端连接有油温表，分别监控燃油压力和温度是否满足设计需要；热交换器输出端还与喷油器连接，符合压力和温度要求的燃油通过喷油器喷出，模拟发动机喷油进行实验；热交换器和喷油器之间还连接有泄油阀，用来在试验后排出燃油；

硅油路包括冷热一体机和开关S5；冷热一体机包括加热棒和压缩机，能够对硅油介质进行加热和冷却，冷热一体机通过硅油路开关S5与热交换器及油箱连接。

进一步，在第一压力调节阀和低压油泵之间具有低压泄气阀，在第二压力调节阀和高压油泵之间具有高压泄气阀，用于在实验结束后排出气路中的高压气体。

进一步，燃油路中设置隔热层。

进一步，所述系统用于模拟-30℃-120℃的工况环境下燃油喷射特性。

进一步，第一压力调节阀的压力调节范围0-10MPa；第二压力调节阀的压力调节范围0-1MPa。

本发明发明点

(1)本发明通过“高压油泵和低压油泵”双油泵结构，并对应设置不同调节范围的压力调节阀，使得低压状态系统压力稳定，同时高压油泵压比较大，同时保证了油压范围和压力精度。

(2)通过冷热一体机中硅油媒介，使得燃油温度调整范围广泛，比常见的水控温适用工况更广。

(3)能够同时连续地调节燃油的温度和压力，可模拟的状态更多。

(4)高压油泵和低压油泵采用高压气体驱动，更加方便安全。且只需要一个高压气罐，结构更紧凑。

(5)加热/冷却的硅油不仅提供给热交换器，同时还提供给油箱，提高热转换速度，简化了温控步骤，降低了温控流程。

(6)本发明是专门的模拟系统，与常见的发动机系统并不能等同。本发明模拟系统是为了能够模拟多种条件下发动机喷油特性，因此专门设置了相应的可变的喷油回路和温控回路。而通常的发动机系统是为了达到更好的性能而设置固定的油路和温度。与本发明发明目的、解决手段、技术效果均差异较大。

(7)根据申请人的研究，发现一些极端情况，例如温度低于-10℃，或高于110℃，这些工况虽然在实际发动机工作过程中并不会出现，但是对于极端条件下喷雾特性的研究有利于对于喷雾特性的深入研究，同时有利于对于极端工况下发动机喷雾特性的掌握。

本发明达到的技术效果

(1)本发明通过双油泵结构，低压状态系统压力稳定，同时高压油泵压比较大，能够实现较高压力，且大范围全量程内压力控制精度较高，使得整个测试系统的具有较高的适用性。

(2)本发明通过冷热一体机中硅油媒介，进行加热/冷却燃油，燃油温度调整范围广泛，同时能够满足低温实验要求。

(3)能够同时连续地调节燃油的温度和压力，使得系统适用性更强，能够模拟更多的工况。

(4)本发明将供油系统和冷却系统高度集成，结构紧凑，操作方便。

(5)高压油泵和低压油泵采用高压气体驱动，避免了电驱动带来的安全隐患，操作更加方便安全，节约能源。

(6)加热/冷却的硅油不仅提供给热交换器，同时还提供给油箱，实现了燃油的预加热/冷却，提高了热交换器中的热转换速度，提高了系统响应速度，简化了温度的控制方法。

(7)能够实现多种工况的模拟，特别是极端工况的模拟实验。

附图说明

图1为本发明示意图。

气瓶30，第一压力调节阀11，低压泄气阀12，低压油泵13，第二压力调节阀21，高压泄气阀22，高压油泵23，滤清器31，热交换器32，油压表33，油温表34，油箱35，油滤器36，泄油阀37，喷油器38，冷热一体机39，开关S1～S5

具体实施方式

可调节压力、温度的燃油喷射测试系统主要由气瓶30(例如内部气体压力为10-20MPa，特别为15MPa)，压力调节阀11(例如压力调节范围0-10MPa)，低压泄气阀12，低压油泵13(例如压比为1∶1)，压力调节阀21(例如压力调节范围0-1MPa)，高压泄气阀22，高压油泵23(例如压比为1∶80)，滤清器31，热交换器32，油压表33，油温表34，油箱35，油滤器36，泄油阀37，喷油器38，冷热一体机39，开关S1～S5组成。低压油泵由于压比较小，因此所以需要初始气压较大才能将燃油加压，对应压力调节阀11的最大调节范围应当比较大；而高压油泵由于压比较大，因此不需要过大的初始气压就可以将燃油加压，对应压力调节阀21的最大调节范围应当比较小。这样可以在保证输出压力满足要求的前提下，尽可能的提高调节精度。因此，需要根据系统需要选择最佳的调节阀，也是本发明的发明点之一。

整个系统根据介质为分别分成气路、硅油路和燃油路三大部分。

气路包括气瓶30，压力调节阀11，低压泄气阀12，压力调节阀21，高压泄气阀22，气路开关S1、S2。气瓶30分别通过开关S1、S2与压力调节阀11、压力调节阀21连接，由开关控制高压气体是否进入压力调节阀，从而控制是否使用低压油泵或高压油泵。压力调节阀11、压力调节阀21连接分别与低压油泵13、高压油泵23连接，为它们提供合适压力的气体。在压力调节阀11和低压油泵13之间具有低压泄气阀12，在压力调节阀21和高压油泵23之间具有高压泄气阀22，在实验结束后排出气路中的高压气体。通常本领域采用电机驱动泵进行对燃油加压，但这样需要较为复杂的传动装置，安装拆卸均不方便，而本发明实施例采用气动泵，只需要接入气体管道即可，不需要复杂的传动装置，使用更加方便。

燃油路包括低压油泵13，高压油泵23，滤清器31，热交换器32，油压表33，油温表34，油箱35，油滤器36，泄油阀37，喷油器38，油路开关S3、S4。油箱35通过油滤器36分别与低压油泵13，高压油泵23连接，向两者提供待加压燃油。燃油经过低压油泵13或高压油泵23加压后成为高压燃油，分别由开关S3或S4控制，通过滤清器31进入热交换器32。热交换器32的输入端连接有油压表33，输出端连接有油温表34，分别监控燃油压力和温度是否满足设计需要。热交换器输出端还与喷油器38连接，符合压力和温度要求的燃油通过喷油器喷出，模拟发动机喷油进行实验。热交换器32和喷油器之间还连接有泄油阀，用来在试验后排出燃油。

硅油路包括冷热一体机39和开关S5。冷热一体机39包括加热棒和压缩机，能够对硅油介质进行加热和冷却，冷热一体机39通过硅油路开关S5与热交换器32连接。加热或冷却的硅油在开关S5的控制下进入热交换器对其中的燃油进行加热或冷却。当燃油目标温度T1与燃油的初始温度(环境温度)T0之间的关系满足|T1-T0|＞10℃时，冷热一体机39对硅油加热或制冷至T1温度，在将加热/冷却的硅油提供给热交换器32的同时，将硅油提供给油箱35，对其中燃油进行预加热或预冷却，使得整个管道被预加热或预冷却至T1温度，并且达到T1温度后保持20-60分钟后再进行测试(保持时间较短会导致系统温度不稳定，影响实验准确性；保持时间较长会造成成本上升；经过大量实验，优选为30分钟)，从而提高热交换器中的温度交换速度，同时可以简化硅油温度控制方法。例如，燃油目标温度为100℃，而环境温度只为20°(时，如果仅将100℃的硅油提供给热交换器32，由于燃油的初始温度和目标温度相差较大，热交换器32难以在短时间内将燃油加热到100℃。在这种情况下，需要将硅油的温度提高，才能保证其能够在热交换器32中将燃油加热到100℃。但具体硅油应该控制在多少温度才能正好将燃油加热到100℃需要较为复杂的算法和控制方法，过高或过低均无法达到目标温度。本发明为解决这个技术问题，使用冷热一体机39对硅油加热或制冷至燃油的目标温度T1，并同时将硅油提供给热交换器32和油箱35，使得整个系统管道的燃油被预热或预冷至目标温度T1。这样无论目标温度是多少，只要按照目标温度设置控制冷热一体机39，使其将硅油加热或冷却至目标温度即可，不需要任何复杂的算法和控制方法，这也是本发明的发明点之一。如果温差小于10℃也可以只将硅油提供给热交换器，这样可以节约硅油用量。因此对于10℃这个点的温度选择，是申请人在大量实验中总结出来的，平衡了效果和成本的考虑，也是发明点之一。为了能够在预热/预冷后保持燃油温度不变，在燃油管道中设置隔热层，节能环保同时能够提高温度控制的响应速度。

低压油泵和高压油泵靠气瓶内高压气体进行驱动，给喷油器提供所需压力高压油。冷热一体机提供相应温度硅油介质分别冷却油箱和管路中的燃油，调整燃油温度至目标温度。在管路中设置油压表和油温表监控燃油温度和压力。

硅油的凝点较低且理化特性比较稳定，能够在-30℃-120℃范围进行调节，在较低温度下硅油仍有很好的流动性燃油温度调节范围广泛能到满足较低温度要求。例如在我国东北地区严寒状态下，汽车在冷启动的情况时，燃油温度可能达到-20℃。如果采用水或其它物质作为热交换媒介，将会导致结冰而无法模拟上述情况下的喷油的特性，而本发明采用硅油作为热交换媒介，则可以解决这个问题。再例如，发动机气缸内部温度通常较高，达到400℃以上，因此通常喷油器周边的缸套上需要设置冷却装置，保证喷嘴内的燃油温度不至于过高。但如果冷却装置损坏，则喷油器温度会升高从而使得喷射的燃油温度较高，例如达到120℃。这种情况下如果使用水作为热交换媒介，那么由于水的沸点为100℃而导致系统无法正常工作。而为了能够模拟这种工况条件下喷油器的喷油状态。因此，采用硅油能够模拟多种工况条件。而现有技术通常没有考虑过于极端的情况，模拟的工况条件相对较少，但这些工况条件也是有实际意义的。

本发明的操作方式为：

低压供油模式：开关S1闭合，连通气瓶30中的高压气体，旋转压力调节阀11至目标压力，高压气体通过压力调节阀11进入低压油泵13，低压油泵13的压比为1∶1，从而使得燃油压力增加，闭合开关S3，油箱35中低压油经过油滤器36进入低压油泵13，高压油从低压油泵13出来经过滤清器31进入热交换器32进行调节温度，进而进入喷油器进行试验，查看油温表34和油压表33可以调节冷热一体机39和压力调节阀11，调至目标压力和温度，燃油经喷油器38喷出，进行实验。试验完成后，关闭开关S1和S3，分别打开低压泄气阀12和泄油阀37进行泄气和泄油。

高压供油模式：开关S2闭合，连通气瓶30中高压气体，旋转压力调节阀22至目标压力，高压气体压力调节阀22进入高压油泵23，高压油泵23的压比为1∶80，燃油压力大幅度增加，闭合开关S4，油箱35中低压油经过油滤器36进入高压油泵23，高压油从高压油泵23出来经过滤清器31进入热交换器32进行调节温度，进而进入喷油器进行试验，查看油温表34和油压表33可以调节冷热一体机39和压力调节阀22，调至目标压力和温度，燃油经喷油器38喷出，进行实验。试验完成后，关闭开关S2和S4，分别打开泄气阀22和泄油阀37进行泄气和泄油。

通常由于需要模拟的发动机不同，喷嘴不同，其喷出的燃油油压差别较大。本发明采用高压油和低压油泵协同工作，在0-10Mpa工作范围内采用低压泵，低压泵压力稳定控制精度高，能够精确模拟低压喷嘴喷射情况；在高于10Mpa采用高压泵，能达到较高压力，能够模拟高压喷嘴喷射情况。因此，能够适应各个压力下喷雾特性的研究，且能够维持稳定压力，提高系统稳定性和模拟精度，能够真实模拟各种类型发动机、各种喷油压力下的喷雾特性，使得系统的适用性较高。

在上述过程中，燃油温度调节通过如下方式实现：冷热一体机39启动，调节冷热一体机39媒介温度至目标温度，开关S5闭合，硅油进入热交换器32和油箱35冷却/加热燃油。硅油的凝点较低且理化特性比较稳定，能够在-30℃-120℃范围进行调节，在较低温度下硅油仍有很好的流动性燃油温度调节范围广泛能到满足较低温度要求。硅油是通过冷热一体机设备进行调节温度，在高温实验时，通过冷热一体机加热棒提高硅油温度，设定好目标硅油温度，硅油达到目标温度后，开关S5闭合，打开硅油管路，硅油通过油泵提供压力进入热交换器32加热燃油，提供燃油温度域场，使燃油达到需求温度。在进行低温试验时，设定需求硅油的目标温度后，冷热一体机39通过压缩机制冷，冷却硅油温度，硅油温度最低能达到-30℃，硅油达到目标温度后，开关S5闭合，打开硅油管路，硅油通过油泵提供压力进入热交换器32，冷却燃油进行试验。通过加热棒和压缩机对硅油介质进行加热和冷却，硅油在交换器中提供燃油恒温油域，调节燃油温度，能够快捷且准确的调节燃油温度，燃油温度调节范围广泛，能够充分满足燃油温度需求。

具体模拟喷油器喷射燃油的方法流程为：

(1)用户设定需要模拟的喷油器喷射燃油的目标压力和目标温度。也可以根据发动机及喷油器的型号及所处工况进行查表，获得待模拟的喷射燃油的目标压力和目标温度。可事先将多种发动机及喷油器型号及其所处不同工况条件下燃油的压力和温度制作成对应的数据表。这样可以方便用户直接选择，操作更加简单。

(2)冷热一体机启动，调节冷热一体机媒介温度至目标温度，开关S5闭合，硅油进入热交换器和油箱冷却或加热燃油；

(3)使得燃油保持目标温度后30分钟；

(4)根据燃油目标压力选择上述低压供油模式或高压供油模式进行供油，通过喷油器进行喷射，模拟喷油器喷油状态，进行喷雾特性研究。

与本发明相同或相似的技术方案均属于本发明权利保护范围之内。

Claims (10)

1.一种可连续调节压力和温度的燃油喷射模拟实验系统控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)设定需要模拟的喷油器喷射燃油的目标压力和目标温度；

(2)冷热一体机启动，调节冷热一体机媒介温度至目标温度，开关S5闭合，硅油进入热交换器和油箱，冷却或加热燃油；

(3)使得燃油保持目标温度一定时间，例如30分钟；

(4)根据燃油目标压力选择上述低压供油模式或高压供油模式进行供油，通过喷油器进行喷射，模拟喷油器喷油状态，进行喷雾特性研究；

低压供油模式为：开关S1闭合，连通气瓶中的高压气体，旋转第一压力调节阀至目标压力，高压气体通过第一压力调节阀进入低压油泵，使得燃油压力增加，闭合开关S3，油箱中低压油经过油滤器进入低压油泵，高压油从低压油泵出来经过滤清器进入热交换器进行调节温度，进而进入喷油器后喷出；

高压供油模式为：开关S2闭合，连通气瓶中的高压气体，旋转第二压力调节阀至目标压力，高压气体通过第二压力调节阀进入高压油泵，使得燃油压力大幅度增加，闭合开关S4，油箱中低压油经过油滤器进入高压油泵，高压油从高压油泵出来经过滤清器进入热交换器进行调节温度，进而进入喷油器后喷出；

(5)观测喷油器喷射的燃油油雾。

2.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于：在步骤(4)中还包括查看油温表和油压表，调节冷热一体机和压力调节阀，调至所需压力和温度。

3.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于：低压油泵的压比为1∶1，高压油泵的压比为1∶80。

4.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于：在步骤(5)之后还包括步骤(6)：实验完成后，打开开关S1和S3，分别打开低压泄气阀和泄油阀进行泄气和泄油，或，打开开关S2和S4，分别打开高压泄气阀和泄油阀进行泄气和泄油。

5.如权利要求4所述的控制方法，其特征在于：还包括步骤(7)：根据重新设定的燃油目标压力和目标温度，重复步骤(2)～(6)。

6.一种可连续调节压力和温度的燃油喷射模拟实验系统，其特征在于：

包括气路、硅油路和燃油路三部分；

气路包括气瓶，第一压力调节阀，第二压力调节阀，气路开关S1、S2。气瓶分别通过开关S1、S2与第一压力调节阀、第二压力调节阀连接；第一压力调节阀、第二压力调节阀分别与低压油泵、高压油泵连接，为它们提供合适压力的气体；

燃油路包括低压油泵，高压油泵，滤清器，热交换器，油压表，油温表，油箱，油滤器，泄油阀，喷油器，油路开关S3、S4；油箱通过油滤器分别与低压油泵、高压油泵连接，向两者提供待加压燃油；燃油经过低压油泵或高压油泵加压后成为高压燃油，分别由开关S3或S4控制，通过滤清器进入热交换器。热交换器的输入端连接有油压表，输出端连接有油温表，分别监控燃油压力和温度是否满足设计需要；热交换器输出端还与喷油器连接，符合压力和温度要求的燃油通过喷油器喷出，模拟发动机喷油进行实验；热交换器和喷油器之间还连接有泄油阀，用来在试验后排出燃油；

硅油路包括冷热一体机和开关S5；冷热一体机包括加热棒和压缩机，能够对硅油介质进行加热和冷却，冷热一体机通过硅油路开关S5与热交换器及油箱连接。

7.如权利要求6所述的模拟系统，其特征在于：在第一压力调节阀和低压油泵之间具有低压泄气阀，在第二压力调节阀和高压油泵之间具有高压泄气阀，用于在实验结束后排出气路中的高压气体。

8.如权利要求6所述的模拟系统，其特征在于：燃油路中设置隔热层。

9.如上述任一权利要求所述的模拟系统，其特征在于：所述系统用于模拟-30℃-120℃的工况环境下燃油喷射特性。

10.如上述任一权利要求所述的模拟系统，其特征在于：第一压力调节阀的压力调节范围0-10MPa；第二压力调节阀的压力调节范围0-1MPa。