CN114810447B - 一种有相变的氨燃料瞬态喷射过程中气液两相占比测试装置及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种有相变的氨燃料瞬态喷射过程中气液两相占比测试装置，氨燃料通过氨燃料加压泵将燃料输送到氨燃料共轨管，并通过燃料喷射器进行燃烧喷射；通过力传感器测量得到氨燃料喷射时产生的冲击力，根据冲击力数值计算得到氨燃料气液两相总的喷射量；通过测试容腔上安装的压力传感器测量得到的燃料喷射前后容腔内压力变化的数值，计算得到氨燃料喷射时气相燃料的喷射量；根据得到的氨燃料气液两相总的喷射量以及气相燃料的喷射量，得到氨燃料中液相燃料的喷射量，进而得到气液两相燃料的占比；本发明的测试方法解决了氨燃料瞬态喷射特性不可知的问题；并且所用装置结构简单，能够快速得到氨燃料中气液两相燃料的占比。

Description

一种有相变的氨燃料瞬态喷射过程中气液两相占比测试装置 及测试方法

技术领域

本发明属于动力机械领域，具体地，涉及一种有相变的氨燃料瞬态喷射过程中气液两相占比测试装置及测试方法。

背景技术

随着能源危机与环境问题的日益严峻，目前能源行业的科研人员越来越关注清洁替代燃料的利用与开发。目前，内燃机最常用、最大规模使用的燃料是由石油提炼得到的汽油和柴油，地球储量巨大的石油资源不断的推动着内燃机的发展。汽油和柴油能量密度高、廉价易得、容易保存、运输方便，这些是它们成为内燃机动力来源的主要原因。因此到目前为止，汽车发动机的运转主要使用的柴油和汽油，这两种燃料都是通过石油裂解产生的，随着经济的快速发展，石油的使用量不断增大，石油又是不可再生能源，长此以往，石油资源的枯竭可以预见，而能源危机对全球经济的影响不言而喻。化石燃料带来的污染还没解决，却又产生了新的问题，上世纪70年代开始世界上大部分地区的石油价格呈现暴涨趋势，引发了严重的燃油经济危机。由于一方面需要考虑控制排气污染，另一方面还要保证汽车的动力性，使得改进燃油的经济性变得更加困难。综上所述，发动机使用的化石燃料不仅造成空气污染，威胁人们的身心健康，又有不可持续性等一系列问题，全球能源需要转型。

氨燃烧时不会产生温室气体以及颗粒物，是十分理想的零碳排放燃料。另外，由于氨的含氢量高，是一种非常有前景的绿色能源载体和储氢媒介。因此在节能减排和绿色发展的背景下，氨燃料是目前十分理想的内燃机替代燃料。然而，其汽化潜热高，与目前的应用燃料相比，氨的汽化潜热最高，若氨以液态喷入气缸，氨在汽化过程中吸收热量，会导致缸内温度明显下降，会降低燃烧温度，所以氨燃料气态进入到气缸中是可行的解决方案。其次是氨燃料的最低点火能量高，其点火能量是所有燃料中最高的，所以氨成功点火需要火花塞点燃或者利用其它燃料微引燃的方式。

与所有内燃机燃烧形式相同，氨燃料发动机的燃料喷射过程是发动机缸内能够稳定燃烧做功的前提，也是影响发动机功率及热效率的最重要因素之一。但是经过研究发现，目前氨燃料电控喷射系统燃料喷射特性不清楚，这直接导致发动机后续的燃烧过程不可知，同时也无法实现精确控制。另外由于氨燃料在常温下为气体状态，而在使用时常以液态的形式存在发动机的燃料系统中，同时，由于燃料固有的物理性质，在氨燃料的喷射过程中受到压力、温度的影响必然存在相变过程。这使得所有的传统燃料喷射特性测试方法无法满足氨燃料的测试。因此本发明提出一种有相变的瞬态喷射过程气液两相占比测试方法，旨在解决氨燃料瞬态喷射特性不可知的问题。

发明内容

本发明结合氨燃料发动机的燃料系统结构特征及燃料固有的物理性质，针对实际发动机外部燃料供给及内部燃料喷射特性的测试需求，提出了一种有相变的氨燃料瞬态喷射过程中气液两相占比测试装置及测试方法。

本发明通过以下技术方案实现：

一种有相变的氨燃料瞬态喷射过程中气液两相占比测试装置：

所述测试装置具体包括燃料喷射器(1)、氨燃料共轨管(2)、氨燃料加压泵(3)、氨燃料钢瓶(4)、力传感器(5)、温度传感器(6)、容腔气体出口(7)、容腔气体入口(8)和压力传感器(9)；

所述燃料喷射器(1)安装于测试容腔上；

所述氨燃料钢瓶(4)内的氨燃料通过氨燃料加压泵(3)将氨燃料输送到氨燃料共轨管(2)，并通过燃料喷射器(1)进行燃烧喷射；

所述力传感器(5)测量燃料喷射时产生的冲击力；

所述温度传感器(6)安装在测试容腔上，用于测量燃料喷射前后容腔内的温度变化；

所述容腔气体出口(7)和容腔气体入口(8)用于测试容腔的气体交换；

所述压力传感器(9)安装在测试容腔上，用于测量燃料喷射前后容腔内的压力变化。

进一步地，所述力传感器(5)与燃料喷射器(1)对应设置，使得燃料喷射时的燃烧物能够完全撞击在力传感器上。

一种有相变的氨燃料瞬态喷射过程中气液两相占比测试方法：

所述方法具体包括以下步骤：

步骤一：所述氨燃料钢瓶(4)内的氨燃料通过氨燃料加压泵(3)将氨燃料输送到氨燃料共轨管(2)，并通过燃料喷射器(1)进行燃烧喷射；

步骤二：通过力传感器(5)测量得到氨燃料喷射时产生的冲击力，根据冲击力数值计算得到氨燃料气液两相总的喷射量；

步骤三：通过测试容腔上安装的压力传感器(9)测量得到的燃料喷射前后容腔内压力变化的数值，计算得到氨燃料喷射时气相燃料的喷射量；

步骤四：根据步骤二和步骤三得到的氨燃料气液两相总的喷射量以及气相燃料的喷射量，得到氨燃料中液相燃料的喷射量，进而得到气液两相燃料的占比。

进一步地，通过力传感器(5)测量得到氨燃料喷射时产生的冲击力来测试燃料的质量流率，由动量定理可知：

F_t·t＝mv_t (1)

推得：

在喷孔和挡板之间的燃料喷雾有质量守恒：

联立可知：

F_t＝ρ·v_t·v₀·A₀ (4)

同时喷孔处燃料速度和挡板出燃料速度相等，因此：

v_t＝v₀ (5)

则有冲击力信号与燃料喷射规律的数学关系式为：

即击打在挡板上的氨燃料气液两相总喷射量的关系式为：

密度由气相和液相燃料的密度共同换算得到，其计算关系式为：

ρ＝ρ_L·η_L+ρ_G·(1-η_L) (8)

其中：F_t为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料质量流率；m为击打在挡板上的氨燃料气液两相总喷射量；v_t为燃料到达挡板时的速度大小；v₀为燃料在喷孔出口处的速度大小；ρ为燃料的密度；ρ_L为液相燃料的密度；ρ_G为气相燃料的密度；η_L为液相燃料的比例；A₀为喷孔的面积，n为喷孔数。

进一步地，利用测试容腔上安装的压力传感器(9)测量得到的燃料喷射前后容腔内压力变化的数值，根据理想气体状态方程计算得到氨燃料喷射时的气相燃料量，所用理想气体状态方程如式9所示：

因此，可以将测量得到的容腔内燃料喷射前后的压力带入式9得到容腔内燃料喷射前后的气体质量变化，即为气相燃料的喷射量：

由上可得液相燃料的喷射量m_L为

m_L＝m-m_G＝m-Δm (11)

因此，氨燃料瞬态喷射相变过程中气液两相燃料比例为：

一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述任一项所述方法的步骤。

一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时实现上述任一项所述方法的步骤。

本发明有益效果

氨燃料喷射时存在相变过程，这使得所有的传统燃料喷射特性测试方法无法满足氨燃料的测试，本发明的测试方法解决了氨燃料瞬态喷射特性不可知的问题；

本发明测试方法所用装置结构简单，能够快速得到氨燃料中气液两相燃料的占比。

附图说明

图1为本发明中燃料气液两相占比测试装置结构示意图；

图2为本发明中燃料喷射过程容腔内压力变化示意图；

图3为本发明中喷射过程气液两相占比测试方法流程图。

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。

结合图1至图3。

一种有相变的氨燃料瞬态喷射过程中气液两相占比测试装置：

所述测试装置如图1所示，具体包括燃料喷射器(1)、氨燃料共轨管(2)、氨燃料加压泵(3)、氨燃料钢瓶(4)、力传感器(5)、温度传感器(6)、容腔气体出口(7)、容腔气体入口(8)和压力传感器(9)；

所述燃料喷射器(1)安装于测试容腔上；

所述氨燃料钢瓶(4)内的氨燃料通过氨燃料加压泵(3)将氨燃料输送到氨燃料共轨管(2)，并通过燃料喷射器(1)进行燃烧喷射；

所述力传感器(5)测量燃料喷射时产生的冲击力来测试燃料的质量流率；

所述温度传感器(6)安装在测试容腔上，用于测量燃料喷射前后容腔内的温度变化；

所述容腔气体出口(7)和容腔气体入口(8)用于测试容腔的气体交换；

所述压力传感器(9)安装在测试容腔上，用于测量燃料喷射前后容腔内的压力变化。

所述力传感器(5)与燃料喷射器(1)对应设置，在安装时需要注意力传感器的安装角度，使得燃料喷射时的燃烧物能够完全撞击在力传感器上。从而提高测量精确度。同时如图2所示。

一种有相变的氨燃料瞬态喷射过程中气液两相占比测试方法：

所述方法具体包括以下步骤：

步骤一：所述氨燃料钢瓶(4)内的氨燃料通过氨燃料加压泵(3)将氨燃料输送到氨燃料共轨管(2)，并通过燃料喷射器(1)进行燃烧喷射；

步骤二：通过力传感器(5)测量得到氨燃料喷射时产生的冲击力，根据冲击力数值计算得到氨燃料气液两相总的喷射量；

步骤三：通过测试容腔上安装的压力传感器(9)测量得到的燃料喷射前后容腔内压力变化的数值，计算得到氨燃料喷射时气相燃料的喷射量；

步骤四：根据步骤二和步骤三得到的氨燃料气液两相总的喷射量以及气相燃料的喷射量，得到氨燃料中液相燃料的喷射量，进而得到气液两相燃料的占比。

通过力传感器(5)测量得到氨燃料喷射时产生的冲击力来测试燃料的质量流率，是获取燃料喷射规律的有效方法。由动量定理可知：

F_t·t＝mv_t (1)

推得：

/>

在喷孔和挡板之间的燃料喷雾有质量守恒：

联立可知：

F_t＝ρ·v_t·v₀·A₀ (4)

同时喷孔处燃料速度和挡板出燃料速度相等，因此：

v_t＝v₀ (5)

则有冲击力信号与燃料喷射规律的数学关系式为：

即击打在挡板上的氨燃料气液两相总喷射量的关系式为：

此外，需要注意的是氨燃料由于自身理化性质，在喷射时受到温度、压力变化的影响而存在相变，因此以上公式在计算是所用的密度不再是单一相的密度，密度由气相和液相燃料的密度共同换算得到，其计算关系式为：

ρ＝ρ_L·η_L+ρ_G·(1-η_L) (8)

其中：F_t为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料质量流率；m为击打在挡板上的氨燃料气液两相总喷射量；v_t为燃料到达挡板时的速度大小；v₀为燃料在喷孔出口处的速度大小；ρ为燃料的密度；ρ_L为液相燃料的密度；ρ_G为气相燃料的密度；η_L为液相燃料的比例；A₀为喷孔的面积，n为喷孔数。

根据以上计算关系式可以得到氨燃料气液两相的总喷射量，为了得到氨燃料喷射相变后气液两相各自的比例，本发明采用测量容器内压力变化来得到气相燃料的喷射量，进而便可以得出液相燃料的喷射量。

利用测试容腔上安装的压力传感器(9)测量得到的燃料喷射前后容腔内压力变化的数值，根据理想气体状态方程计算得到氨燃料喷射时的气相燃料量，所用理想气体状态方程如式9所示：

因此，可以将测量得到的容腔内燃料喷射前后的压力带入式9得到容腔内燃料喷射前后的气体质量变化，即为气相燃料的喷射量：

由上可得液相燃料的喷射量m_L为

m_L＝m-m_G＝m-Δm (11)

因此，氨燃料瞬态喷射相变过程中气液两相燃料比例为：

一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述任一项所述方法的步骤。

一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时实现上述任一项所述方法的步骤。

以上对本发明所提出的一种有相变的氨燃料瞬态喷射过程中气液两相占比测试装置及测试方法，进行了详细介绍，对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (5)

1.一种有相变的氨燃料瞬态喷射过程中气液两相占比测试装置的测试方法，其特征在于：

所述测试装置具体包括燃料喷射器(1)、氨燃料共轨管(2)、氨燃料加压泵(3)、氨燃料钢瓶(4)、力传感器(5)、温度传感器(6)、容腔气体出口(7)、容腔气体入口(8)和压力传感器(9)；

所述燃料喷射器(1)安装于测试容腔上；

所述氨燃料钢瓶(4)内的氨燃料通过氨燃料加压泵(3)将氨燃料输送到氨燃料共轨管(2)，并通过燃料喷射器(1)进行燃烧喷射；

所述力传感器(5)测量燃料喷射时产生的冲击力；

所述温度传感器(6)安装在测试容腔上，用于测量燃料喷射前后容腔内的温度变化；

所述容腔气体出口(7)和容腔气体入口(8)用于测试容腔的气体交换；

所述压力传感器(9)安装在测试容腔上，用于测量燃料喷射前后容腔内的压力变化；

所述力传感器(5)与燃料喷射器(1)对应设置，使得燃料喷射时的燃烧物能够完全撞击在力传感器上；

所述方法具体包括以下步骤：

步骤一：所述氨燃料钢瓶(4)内的氨燃料通过氨燃料加压泵(3)将氨燃料输送到氨燃料共轨管(2)，并通过燃料喷射器(1)进行燃烧喷射；

步骤二：通过力传感器(5)测量得到氨燃料喷射时产生的冲击力，根据冲击力数值计算得到氨燃料气液两相总的喷射量；

步骤三：通过测试容腔上安装的压力传感器(9)测量得到的燃料喷射前后容腔内压力变化的数值，计算得到氨燃料喷射时气相燃料的喷射量；

步骤四：根据步骤二和步骤三得到的氨燃料气液两相总的喷射量以及气相燃料的喷射量，得到氨燃料中液相燃料的喷射量，进而得到气液两相燃料的占比。

2.根据权利要求1所述的测试方法，其特征在于：

通过力传感器(5)测量得到氨燃料喷射时产生的冲击力来测试燃料的质量流率，由动量定理可知：

F_t·t＝mv_t (1)

推得：

在喷孔和挡板之间的燃料喷雾有质量守恒：

联立可知：

F_t＝ρ·v_t·v₀·A₀ (4)

同时喷孔处燃料速度和挡板出燃料速度相等，因此：

v_t＝v₀ (5)

则有冲击力信号与燃料喷射规律的数学关系式为：

即击打在挡板上的氨燃料气液两相总喷射量的关系式为：

密度由气相和液相燃料的密度共同换算得到，其计算关系式为：

ρ＝ρ_L·η_L+ρ_G·(1-η_L) (8)

其中：F_t为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料质量流率；m为击打在挡板上的氨燃料气液两相总喷射量；v_t为燃料到达挡板时的速度大小；v₀为燃料在喷孔出口处的速度大小；ρ为燃料的密度；ρ_L为液相燃料的密度；ρ_G为气相燃料的密度；η_L为液相燃料的比例；A₀为喷孔的面积，n为喷孔数。

3.根据权利要求2所述的测试方法，其特征在于：

利用测试容腔上安装的压力传感器(9)测量得到的燃料喷射前后容腔内压力变化的数值，根据理想气体状态方程计算得到氨燃料喷射时的气相燃料量，所用理想气体状态方程如式9所示：

因此，可以将测量得到的容腔内燃料喷射前后的压力带入式9得到容腔内燃料喷射前后的气体质量变化，即为气相燃料的喷射量：

由上可得液相燃料的喷射量m_L为

因此，氨燃料瞬态喷射相变过程中气液两相燃料比例为：

4.一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至3任意一项所述方法的步骤。

5.一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，其特征在于，所述计算机指令被处理器执行时实现权利要求1至3任意一项所述方法的步骤。

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