CN113188806B - 一种适用于高压直喷天然气发动机的燃料喷射规律测量装置及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于高压直喷天然气发动机的燃料喷射规律测量装置及其测量方法。所述被测柴油天然气双燃料喷射器的燃油喷孔插入测试容腔，所述测气力传感器和测油力传感器插入测试容腔内并分别对准燃油喷孔，所述测试容腔内还插入背压压力传感器，所述被测柴油天然气双燃料喷射器通过高压油源提供燃油喷射压力，所述被测柴油天然气双燃料喷射器通过高压气源提供燃气喷射压力；所述安全阀安装在测试容腔的腔壁上；所述背压阀安装在测试容腔的腔壁上；所述泄压阀安装在测试容腔的内壁上。本发明提供一种新的适用于高压直喷天然气发动机的燃料喷射规律测量装置及其测量方法。

Description

一种适用于高压直喷天然气发动机的燃料喷射规律测量装置 及其测量方法

技术领域

本发明涉及燃料喷射规律，具体涉及一种适用于高压直喷天然气发动机的燃料喷射规律测量装置及其测量方法。

背景技术

柴油微引燃高压天然气缸内直喷发动机可以有效的提高充气效率，实现天然气的稀薄燃烧与分层燃烧，缓解天然气发动机的爆震问题，天然气代替了将近92％的柴油。在实现低甲烷值的同时具有较高的压缩比，进而提高发动机的热效率，使其可以与传统柴油机的功率输出相媲美。对于中低速双燃料发动机来说，充足的缸内体积使得在缸内同时布置两个或多个燃料喷射器成为可能，但是对于高功率密度的大型高速双燃料发动机有限的缸内体积对喷射器的外形结构以及性能提出十分严苛的要求。目前解决该问题的核心方案是使用双燃料喷射器，为解决缸内燃烧火焰的对称性问题以及优化柴油喷雾和气体射流的相互作用喷射器采用同心双轴针结构以及气孔和油孔交错布置的形式。柴油天然气双共轨独立喷射控制系统为发动机提供十分丰富的喷射策略，使得ECU可以根据不同的工况选取更为多样的MAP。

对于直喷式发动机来说，理解燃料喷射特性是理解缸内燃烧过程以及后续排放机理的前提。最常采用的喷射策略是将高压天然气喷入引燃柴油的火焰中进行燃烧做功，燃烧的始点通过控制引燃柴油的喷射正时来进行调节，天然气采用扩散燃烧方式以提高功率输出，因此天然气的喷射规律直接影响缸内燃烧过程进而影响发动机的输出功率。同时由于天然气较低的预混燃烧比例，导致发动机的PM排放量较高。在高负荷下PM的排放特性是人们关注的重点，调节柴油和天然气之间的相对喷射时间可以允许更多的天然气在点火之前进行预混，这种方法被Ehsan Faghani等人证实可以有效的减少PM的排放，由此增加的NOx排放可以通过EGR技术来缓解，因此精确标定喷射器的喷气正时是实现发动机燃烧精确控制，降低发动机排放的重要工作。

与此同时Pooyan Kheirkhah等人在分析了PM的形成原因之后提出主喷加后喷的喷射策略可以牺牲一定程度上燃料经济性已达到降低PM的效果，同时该喷射策略还可以减少未然碳氢的排放，因此需要明确两次喷射时第二次喷射喷气量的波动情况。否则不但不会对PM的排放有所缓解还会降低燃料利用率；2016年Radu Florea,Gary D等人表明HPDI的燃烧策略依赖于天然气的扩散燃烧，喷射器的喷射速率决定了燃气射流所具有的能量，通过可控的燃油压力来调节喷气压力，进而控制燃气和空气的混合程度，实现对燃烧速率的控制，因此喷射器在不同喷射压力下的喷气特性是提高发动机性能的重要数据库；喷气规律以及喷气量在相同工况不同循环间的波动率是衡量喷射器性能的重要因素。这种波动不但会对燃气射流的宏观结构产生十分明显的影响，而且会直接影响发动机的排放性能以及喷射策略的适用性。掌握喷射器循环间的波动率有助于指导喷射器新能的提升以及开发更为稳定的喷射策略。

发明内容

本发明提供一种适用于高压直喷天然气发动机的燃料喷射规律测量装置及其测量方法，用以解决对燃气射流的宏观结构产生十分明显的喷气规律以及喷气量在相同工况不同循环间的波动率的影响问题。

本发明通过以下技术方案实现：

一种适用于高压直喷天然气发动机的燃料喷射规律测量装置，所述测量装置包括被测柴油天然气双燃料喷射器1、高压油源2、高压气源3、测试容腔4、测气力传感器5、背压压力传感器6、测油力传感器7、安全阀8、背压阀9、泄压阀10和升压压力传感器11；

所述被测柴油天然气双燃料喷射器1的燃油喷孔插入测试容腔4，所述测气力传感器5和测油力传感器7插入测试容腔4内并分别对准燃油喷孔，所述测试容腔4内还插入背压压力传感器6和升压压力传感器11，高压油源2为被测柴油天然气双燃料喷射器1提供燃油喷射压力，高压气源3为被测柴油天然气双燃料喷射器1提供燃气喷射压力；

所述安全阀8、背压阀9和泄压阀10均安装在测试容腔4的腔壁上；所述安全阀8、背压阀9和泄压阀10依次串联。

一种适用于高压直喷天然气发动机的燃料喷射规律测量装置的测量方法，所述测量方法具体为，首先进行喷油器喷油规律，将所喷柴油进行压燃，再进行喷气点燃即燃气喷射规律测量。

进一步的，所述喷油器喷油规律具体为，

首先测试燃油击打在测油力传感器的信号；根据测试的油力信号，根据动量定理和质量守恒计算出喷油器喷油规律。

进一步的，所述计算出喷油器喷油规律具体为，

由动量定理可知：

F_d·t＝mv_d (1)

推得：

其中

为质量流率；

在喷孔和挡板之间的燃油喷雾有质量守恒：

由公式(2)与公式(3)联立可得：

F_d＝ρ·v_t·v₀·A₀ (4)

同时假设喷孔处燃油速度和挡板出燃油速度相等：

v_d＝v₀ (5)

根据公式(4)和公式(5)，推得测试力信号与喷油器喷油规律的数学关系式为：

其中F_d为测油力传感器测试所得的力信号数值；t为冲击力持续时间；

为击打在挡板上的燃油质量；v_d为燃油到达挡板时的速度大小；v₀为燃油在喷孔出口处的速度大小；ρ为燃油的密度；A₀为喷孔的面积。

进一步的，所述燃气喷射规律测量具体为，将测试容腔内部充入氮气作为测试介质气体；基于测试介质气体氮气和动量法，利用测气力传感器对喷气规律进行测试喷油器喷油规律。

进一步的，所述测气力传感器测得喷气质量即m_cycle，因此喷气规律

为，

其中m_cycle为喷射器一个循环的喷气质量；F_g为测气力传感器测得的力信号；

根据范德瓦尔方程得到如下关系：

其中a＝0.137，b＝3.86×10-5；P分别为气体喷射前后压力传感器的测量数值，V₀是气体的摩尔体积；R为气体常数；T为温度；

其中ΔV₀为喷射前后计算出来的摩尔体积差值，V为容腔体积，M为氮气的摩尔质量。

本发明的有益效果是：

由于发动机负荷以及工作状态的调节主要依靠燃料喷射过程的精准控制，因此该喷射器的喷气量、喷气规律直接影响发动机缸内的燃烧，排放过程；相同工况下多次喷射间的一致性则直接影响发动机工作过程中循环间的稳定性；喷射器的电磁以及液力延迟时间则会直接影响燃料的供给正时；同时为有效降低碳烟以及PM的排放，要求喷射器具有灵活的喷射持续期以实现天然气的多次喷射过程。

因此掌握喷射器的喷气规律是掌握高压缸内直喷技术，优化天然气喷射策略，提高柴油微引燃高压缸内直喷天然气发动机性能不可回避的瓶颈性问题。

本发明基于此提出一种燃气喷射过程测试方法，从根本上解决了燃气喷射规律不可知的难题。

附图说明

图1本发明的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种适用于高压直喷天然气发动机的燃料喷射规律测量装置，所述测量装置包括被测柴油天然气双燃料喷射器1、高压油源2、高压气源3、测试容腔4、测气力传感器5、背压压力传感器6、测油力传感器7、安全阀8、背压阀9、泄压阀10和升压压力传感器11；

所述被测柴油天然气双燃料喷射器1的燃油喷孔插入测试容腔4，所述测气力传感器5和测油力传感器7插入测试容腔4内并分别对准燃油喷孔，所述测试容腔4内还插入背压压力传感器6，所述被测柴油天然气双燃料喷射器1通过高压油源2提供燃油喷射压力，所述被测柴油天然气双燃料喷射器1通过高压气源3提供燃气喷射压力；

所述安全阀8安装在测试容腔4的腔壁上，用于保证容腔压力在设定范围以下，防止传感器被压坏；

所述背压阀9安装在测试容腔4的腔壁上，用于设置测试容腔4内的背压；

所述泄压阀10安装在测试容腔4的内壁上，用于测试容腔4内的气体排空；

所述安全阀8、背压阀9和泄压阀10依次串联。

首先将柴油天然气双燃料喷射器1安装在测试容腔4上，然后安装测油力传感器7、测气力传感器5以及容腔压力传感器6，并按照图1连接安全阀8、被压阀9及溢流阀10，最后使高压油源2和高压气源3开始工作以提供燃料压力即可开始喷射过程测试。测试时首先向容腔内冲入预定压力的气体营造被压氛围。然后使能测油力传感器7、测气力传感器5以及容腔压力传感器6使之处于测试状态，最后激励双燃料喷射器1使之按照测试需求进行喷射即完成测试过程。

一种适用于高压直喷天然气发动机的燃料喷射规律测量装置的测量方法，所述测量方法具体为，首先进行喷油器喷油规律，将所喷柴油进行压燃，再进行喷气点燃即燃气喷射规律测量。

进一步的，所述喷油器喷油规律具体为，

首先测试燃油击打在测油力传感器的信号；根据测试的油力信号，根据动量定理和质量守恒计算出喷油器喷油规律。

进一步的，所述计算出喷油器喷油规律具体为，

由动量定理可知：

F_d·t＝mv_d (1)

推得：

在喷孔和挡板之间的燃油喷雾有质量守恒：

由公式(2)与公式(3)联立可得：

F_d＝ρ·v_t·v₀·A₀ (4)

同时假设喷孔处燃油速度和挡板出燃油速度相等：

v_d＝v₀ (5)

根据公式(4)和公式(5)，推得测试力信号与喷油器喷油规律的数学关系式为：

其中F_d为测油力传感器测试所得的力信号数值；t为冲击力持续时间；

为击打在挡板上的燃油质量；v_d为燃油到达挡板时的速度大小；v₀为燃油在喷孔出口处的速度大小；ρ为燃油的密度；A₀为喷孔的面积。

进一步的，所述燃气喷射规律测量具体为，将测试容腔内部充入氮气作为测试介质气体；基于测试介质气体氮气和动量法，利用测气力传感器对喷气规律进行测试喷油器喷油规律。

进一步的，所述测气力传感器测得喷气质量即m_cycle，因此喷气规律

为，

其中m_cycle为喷射器一个循环的喷气质量；F_g为测气力传感器测得的力信号；

根据范德瓦尔方程得到如下关系：

其中a＝0.137为氮气的范德瓦尔方程常数，b＝3.86×10-5为氮气的范德瓦尔方程常数；P分别为气体喷射前后压力传感器的测量数值，V₀是气体的摩尔体积；R为气体常数；T为温度；

其中ΔV₀为喷射前后计算出来的摩尔体积差值，V为容腔体积，M为氮气的摩尔质量。

Claims (6)

1.一种适用于高压直喷天然气发动机的燃料喷射规律测量装置，其特征在于，所述测量装置包括被测柴油天然气双燃料喷射器(1)、高压油源(2)、高压气源(3)、测试容腔(4)、测气力传感器(5)、背压压力传感器(6)、测油力传感器(7)、安全阀(8)、背压阀(9)、泄压阀(10)和升压压力传感器(11)；

所述被测柴油天然气双燃料喷射器(1)的燃油喷孔插入测试容腔(4)，所述测气力传感器(5)和测油力传感器(7)插入测试容腔(4)内并分别对准燃油喷孔，所述测试容腔(4)内还插入背压压力传感器(6)和升压压力传感器(11)，高压油源(2)为被测柴油天然气双燃料喷射器(1)提供燃油喷射压力，高压气源(3)为被测柴油天然气双燃料喷射器(1)提供燃气喷射压力；

所述安全阀(8)、背压阀(9)和泄压阀(10)均安装在测试容腔(4)的腔壁上；所述安全阀(8)、背压阀(9)和泄压阀(10)依次串联。

2.根据权利要求1所述一种适用于高压直喷天然气发动机的燃料喷射规律测量装置的测量方法，其特征在于，所述测量方法具体为，首先进行喷油器喷油规律测量，将所喷柴油进行压燃，再进行喷气点燃即燃气喷射规律测量。

3.根据权利要求2所述一种适用于高压直喷天然气发动机的燃料喷射规律测量装置的测量方法，其特征在于，所述喷油器喷油规律具体为，

首先测试燃油击打在测油力传感器的信号；根据测试的油力信号，根据动量定理和质量守恒计算出喷油器喷油规律。

4.根据权利要求3所述一种适用于高压直喷天然气发动机的燃料喷射规律测量装置的测量方法，其特征在于，所述计算出喷油器喷油规律具体为，

由动量定理可知：

F_d·t＝mv_d (1)

推得：

其中

为质量流率；

在喷孔和挡板之间的燃油喷雾有质量守恒：

由公式(2)与公式(3)联立可得：

F_d＝ρ·v_t·v₀·A₀ (4)

同时假设喷孔处燃油速度和挡板处燃油速度相等：

v_d＝v₀ (5)

根据公式(4)和公式(5)，推得测试力信号与喷油器喷油规律的数学关系式为：

其中F_d为测油力传感器测试所得的力信号数值；t为冲击力持续时间；

为击打在挡板上的燃油质量；v_d为燃油到达挡板时的速度大小；v₀为燃油在喷孔出口处的速度大小；ρ为燃油的密度；A₀为喷孔的面积。

5.根据权利要求2所述一种适用于高压直喷天然气发动机的燃料喷射规律测量装置的测量方法，其特征在于，所述燃气喷射规律测量具体为，将测试容腔内部充入氮气作为测试介质气体；基于测试介质气体氮气和动量法，利用测气力传感器对喷气规律进行测试喷油器喷油规律。

6.根据权利要求5所述一种适用于高压直喷天然气发动机的燃料喷射规律测量装置的测量方法，其特征在于，所述测气力传感器测得喷气质量即m_cycle，因此喷气规律

为，

其中m_cycle为喷射器一个循环的喷气质量；F_g为测气力传感器测得的力信号；

根据范德瓦尔方程得到如下关系：

其中a＝0.137，b＝3.86×10^-5；P分别为气体喷射前后压力传感器的测量数值，V₀是气体的摩尔体积；R为气体常数；T为温度；

其中ΔV₀为喷射前后计算出来的摩尔体积差值，V为容腔体积，M为氮气的摩尔质量。

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