CN111828219A - 一种柴油机喷油规律的测量装置及其测量方法 - Google Patents

一种柴油机喷油规律的测量装置及其测量方法 Download PDF

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颜飞斌
钟汶君
袁起飞
何志霞
王谦
玄铁民
刘庆
相启龙
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Abstract

本发明公开了一种柴油机喷油规律的测量装置及其测量方法，包括喷油器总成、测量装置总成和连接装置，所述喷油器总成通过连接装置与测量装置总成固定连接；测量装置总成包括测量块本体、压力测量模块、流量测量模块和动量测量组件，所述测量块本体内部设有测量孔，所述压力测量模块和流量测量模块分别与测量孔连通；测量燃油的喷油速率时，喷油器总成直接与测量孔连通；测量燃油的喷雾动量时，喷油器总成喷射的喷雾动量通量通过动量测量组件作用于测量孔内的燃油。有益效果：本发明在长管法的基础上通过添加动量测量组件，并且调节喷油器总成位置而实现长管法与动量法测喷油规律，装置改动较少，节约成本，提高了试验效率。

Description

一种柴油机喷油规律的测量装置及其测量方法
技术领域
本发明涉及测量装置及其测量方法，特别涉及一种柴油机喷油规律的测量装置及其测量方法，属于内燃机测控技术领域。
背景技术
根据柴油机不同工况选择不同形式的喷油规律曲线，例如先缓后急型或先急后缓型，可以在改善柴油机动力性和经济性的同时，在降低排放、振动和噪声等之间获得最佳折中。喷油速率是发动机最重要的参数之一，直接影响发动机的燃烧和放热规律，进而影响其燃烧和放热的进程，因此对喷油器的喷油速率进行精确性的测量，对柴油机动力性能、机械效率、污染物的排放和噪声的测评至关重要。由于喷雾特性包括宏观特性和微观特性对燃油空气的混合过程具有重要影响，而其又极大的依赖于喷雾动量。因此，不管是对于燃油的雾化、蒸发与混合，还是对于柴油机最终的燃烧性能，喷油速率和喷雾动量均是非常重要的参数。基于喷雾动量对喷雾形成、发展和燃烧的实际意义及其测试的便利性，喷雾动量在柴油机研究的较多领域已得到广泛应用。
国内外测量喷油规律的方法分为基于定容积或压力的方法和基于直接或间接获取喷油量的方法。基于定容积或压力的方法和仪器有：容积压力法、博世长管法、压力升程法、单次喷射测量仪、动态声纳瞬时流量计。基于直接或间接获取喷油量的方法和仪器有：动量法、蜂孔转盘法、基于热电阻流量传感器、基于电荷传感器、基于激光多普勒测试仪、运用对孔分流装置。
长管法通过测量喷油器出口不远处的细长管内压力波动，来确定喷油规律的；长管法可迅速而准确的直接测出单次喷射的喷油规律波形，无须任何计算，当喷油器喷入直径一定且充满燃油的长管中，根据连续性原理，喷油器喷出随时间变化的燃油量，必然产生一个随时间而变化的速度，这个速度以压力波的形式从喷油器端以声速传向长管的另一端，当管子足够长时，则反射回来的压力波在喷油持续期内不至于叠加到喷油器端的初始压力波，即符合一维单行波的传播过程，可将表征喷射过程的各种参数与喷油规律波形同时测录下来，测得的喷油率随时间变化的曲线，即喷油器的喷油规律。只需测量长管内的燃油压力随时间的变化，即可算出所测喷油器的瞬时喷油速率。
动量法是指通过测量油束冲击压力传感器表面的冲击力，先利用动量定理计算传感器表面处的油束流量，进而由质量守恒定律推导出喷孔处的流量的方法。
由此可以看出，长管法侧重瞬时喷油速率的测量，动量法侧重油束喷雾动量的测量。由于在国内还没有生产喷油分析仪的厂家，所有的测量设备都靠进口，国外的设备结构复杂价格昂贵且交货周期长。现有长管法采用压电式压力传感器测压力的方式来测量瞬时喷油速率，动量法采用压电石英力传感器测力的方式喷雾动量，所用的传感器也并不是同一种类型，因此，国内外还没有可以测量瞬时喷油速率和喷雾动量的综合测量装置。国内有些单位或者是个人都对喷油规律测量装置进行过研究，基本都是单一规律的测量装置，且无法同时获取瞬时喷油速率和喷雾动量，往往需要多种装置搭建不同的台架来测量。
发明内容
发明目的：针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种能够测量瞬时喷油速率和喷雾动量的柴油机喷油规律的测量装置及其测量方法。
技术方案：一种柴油机喷油规律的测量装置，包括喷油器总成、测量装置总成和连接装置，所述喷油器总成通过连接装置与测量装置总成固定连接；测量装置总成包括测量块本体、压力测量模块、流量测量模块和动量测量组件，所述测量块本体内部设有测量孔，所述压力测量模块和流量测量模块分别与测量孔连通；测量燃油的喷油速率时，喷油器总成直接与测量孔连通；测量燃油的喷雾动量时，喷油器总成喷射的喷雾动量通量通过动量测量组件作用于测量孔内的燃油。本发明通过一套测量装置可以分别对瞬时喷油速率和喷雾动量进行测量，提高了试验效率，同时节约了成本。
优选项，为了准确的获得喷油规律，所述压力测量模块包括压力传感器和数据采集处理单元，所述压力传感器的测量端与测量孔内的燃油直接接触，所述压力传感器测得的数据传输给数据采集处理单元。所述数据采集处理单元包括电荷放大器、数据采集卡、数据处理芯片，压力传感器将采集压力信号经过电荷放大器传输给数据采集卡，数据采集卡将采集的数据传输至数据处理芯片，由数据处理芯片对采集的数据进行加工处理，最终获得喷油的规律。
优选项，为了准确的获得燃油的喷油速率采用长管法进行测量，所述流量测量模块包括与测量孔连通的细长管，所述细长管依次连接有节流阀、背压阀和量筒。通过调节节流阀流通面积来控制反射波数，这样可以提高测试的灵活性。
优选项，为了准确的获得燃油的喷雾动量，所述动量测量组件包括目标板和推杆，所述目标板固定在推杆一端，所述推杆另一端***测量孔内，喷油器总成的喷射端正对目标板中心。喷油器向目标板喷油，将喷雾动量通量传递给推杆，推杆作用于密闭油腔内的油液形成油液的压力，压力传感器和数据采集处理单元能够准确的获得燃油的喷雾动量。
优选项，为了进一步提高测量的准确性，所述目标板的直径大于推杆的直径。设推杆直径为D1，单位面积的推杆受到目标板的推挤力为P1，目标板直径为D2，单位面积的目标板受到喷油器喷射燃油的冲击力为P2，目标板直径D2与推杆直径D1的平方比为N，而N大于1，通过目标板和推杆的传递扩大作用将喷油器总成喷射的冲击压强放大，又根据密闭液体上的压强，能够大小不变地向各个方向传递，因此压力传感器所测的液体压强则放大了，按比例放大喷油器喷射的冲击压强有利于减少由于喷油器喷射的冲击力数值较小而导致的误差。见式1与式2所示：
Figure BDA0002552711700000031
Figure BDA0002552711700000032
由式1与式2计算得压力传感器测得的液压油压强等于单位面积推杆受到目标板的推挤力为P1，见式(3)所示：
Figure BDA0002552711700000033
为了进一步减小误差目标板和推杆采用密度低且具有一定强度的轻质材料。
优选项，为了方便喷油速率和喷雾动量模式之间的切换，所述连接装置包括压板法兰、连接螺栓、锁紧螺母和限位螺母，所述压板法兰上设有连接孔和卡槽；所述喷油器总成的外径上设有与卡槽配合的凹槽；所述连接螺栓一端与测量块本体固定连接，另一端贯穿连接孔与压板法兰连接；所述压板法兰位于锁紧螺母和限位螺母之间固定在连接螺栓上。通过连接装置能够方便调节喷油器总成与测量装置总成之间的位置度，方便喷油速率和喷雾动量模式之间的切换。
一种柴油机喷油规律的测量方法，包括以下步骤：
步骤一、搭建燃油的喷油速率测量台架；
步骤二、完成喷油速率测量；
步骤三、燃油的喷雾动量测量台架的改装；
步骤四、完成喷雾动量的测量；
步骤五、完成数据的采集与分析，获得燃柴油机喷油规律。
在长管法的基础上通过添加动量测量组件，并且调节喷油器总成位置而实现长管法与动量法测喷油规律，将动量法测力的方式改进为测压强方式从而仅需一种类型的压力传感器即压电式压力传感器，而不是长管法采用压电式压力传感器，动量法采用压电石英力传感器，装置改动较少，节约成本，能够得到瞬时喷油速率和喷雾动量数据。
优选项，所述搭建燃油的喷油速率测量台架包括喷油器总成的安装、压力测量模块的安装、流量测量模块的安装和排气四个步骤；
所述喷油器总成的安装时，所述喷油器总成的喷射端封闭式安装于测量孔内，通过连接装置将喷油器总成与测量装置总成固定连接；
压力测量模块的安装时，所述压力测量模块包括压力传感器和数据采集处理单元，所述压力传感器的测量端与测量孔内的燃油直接接触，所述压力传感器测得的数据传输给数据采集处理单元；
流量测量模块的安装时，所述流量测量模块包括与测量孔连通的细长管，所述细长管依次连接有节流阀、背压阀和量筒；
排气时，上述部件安装完成后测量孔内部与细长管形成密闭的燃油腔，喷油器总成向测量孔内注入燃油直至燃油腔内的空气排尽。
优选项，所述燃油的喷雾动量测量台架的改装包括动量测量组件的安装、排气和封闭油腔三个步骤；
所述动量测量组件的安装时，首先将喷油器总成从测量孔内移出，然后将动量测量组件封闭式安装于测量孔内，所述动量测量组件包括目标板和推杆，所述目标板固定在推杆一端，所述推杆另一端***测量孔内，喷油器总成的喷射端正对目标板中心；
排气时，首先去除动量测量组件与测量孔之间的密封，然后同时打开节流阀开度和背压阀，并且向测量孔不断注入燃油；
当空气排尽后封闭油腔，首先封闭动量测量组件与测量孔之间的间隙，然后关闭背压阀。
有益效果：本发明在长管法的基础上通过添加动量测量组件，并且调节喷油器总成位置而实现长管法与动量法测喷油规律，将动量法测力的方式改进为测压强方式从而仅需一种类型的压力传感器即压电式压力传感器，而不是长管法采用压电式压力传感器，动量法采用压电石英力传感器，装置改动较少，节约成本，提高了试验效率，能够得到瞬时喷油速率和喷雾动量数据。
附图说明
图1为本发明测量喷雾动量时的剖视图；
图2为本发明测量喷雾动量时的结构示意图；
图3为本发明测量喷雾速率时的剖视图；
图4为本发明测量喷雾速率时的结构示意图；
图5为本发明压板法兰的结构示意图；
图6为本发明喷油器总成的外部结构示意图；
图7为本发明的测量流程图。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
如图1-4所示，一种柴油机喷油规律的测量装置，包括喷油器总成1、测量装置总成2和连接装置3，所述喷油器总成1通过连接装置3与测量装置总成3固定连接；其特征在于：测量装置总成2包括测量块本体21、压力测量模块22、流量测量模块23和动量测量组件24，所述测量块本体21内部设有测量孔211，所述压力测量模块22和流量测量模块23分别与测量孔211连通；测量燃油的喷油速率时，喷油器总成1直接与测量孔211连通；测量燃油的喷雾动量时，喷油器总成1喷射的喷雾动量通量通过动量测量组件24作用于测量孔211内的燃油。
所述压力测量模块22包括压力传感器221和数据采集处理单元222，所述压力传感器221的测量端与测量孔211内的燃油直接接触，所述压力传感器221测得的数据传输给数据采集处理单元222。
所述流量测量模块23包括与测量孔211连通的细长管231，所述细长管231依次连接有节流阀232、背压阀233和量筒234。通过调节节流阀232流通面积来控制反射波数，这样可以提高测试的灵活性。
所述动量测量组件24包括目标板241和推杆242，所述目标板241固定在推杆242一端，所述推杆242另一端***测量孔211内，喷油器总成1的喷射端正对目标板241中心。所述目标板241的直径大于推杆242的直径。
设推杆242直径为D1，单位面积的推杆242受到目标板241的推挤力为P1，目标板241直径为D2，单位面积的目标板241受到喷油器喷射燃油的冲击力为P2，目标板直径D2与推杆242直径D1的平方比为N，而N大于1，通过目标板241和推杆242的传递扩大作用将喷油器总成喷射的冲击压强放大，又根据密闭液体上的压强，能够大小不变地向各个方向传递，因此压力传感器所测的液体压强则放大了，按比例放大喷油器喷射的冲击压强有利于减少由于喷油器喷射的冲击力数值较小而导致的误差。见式1与式2所示：
Figure BDA0002552711700000051
Figure BDA0002552711700000052
由式1与式2计算得压力传感器测得的液压油压强等于单位面积的推杆242受到目标板241的推挤力为P1，见式(3)所示：
Figure BDA0002552711700000053
为了进一步减小误差目标板241和推杆242采用密度低且具有一定强度的轻质材料。
如图2、4、5和6所示，所述连接装置3包括压板法兰31、连接螺栓32、锁紧螺母33和限位螺母34，所述压板法兰31上设有连接孔311和卡槽312；所述喷油器总成1的外径上设有与卡槽312配合的凹槽11；所述连接螺栓32一端与测量块本体21固定连接，另一端贯穿连接孔311与压板法兰31连接；所述压板法兰31位于锁紧螺母33和限位螺母34之间固定在连接螺栓32上。通过连接装置3能够方便调节喷油器总成1与测量装置总成2之间的位置度，方便喷油速率和喷雾动量模式之间的切换。
如图7所示，一种柴油机喷油规律的测量方法，包括以下步骤：
步骤一、搭建燃油的喷油速率测量台架；
步骤二、完成喷油速率测量；
步骤三、燃油的喷雾动量测量台架的改装；
步骤四、完成喷雾动量的测量；
步骤五、完成数据的采集与分析，获得燃柴油机喷油规律。
所述步骤一中包括喷油器总成1的安装、压力测量模块22的安装、流量测量模块23的安装和排气四个步骤；
所述喷油器总成1的安装时，所述喷油器总成1的喷射端封闭式安装于测量孔211内，通过连接装置3将喷油器总成1与测量装置总成3固定连接；
压力测量模块22的安装时，所述压力测量模块22包括压力传感器221和数据采集处理单元222，所述压力传感器221的测量端与测量孔211内的燃油直接接触，所述压力传感器221测得的数据传输给数据采集处理单元222；
流量测量模块23的安装时，所述流量测量模块23包括与测量孔211连通的细长管231，所述细长管231依次连接有节流阀232、背压阀233和量筒234；
排气时，上述部件安装完成后测量孔211内部与细长管231形成密闭的燃油腔，喷油器总成1向测量孔211内注入燃油直至燃油腔内的空气排尽。
所述步骤三中燃油的喷雾动量测量台架的改装包括动量测量组件24的安装、排气和封闭油腔三个步骤；
所述动量测量组件24的安装时，首先将喷油器总成1从测量孔211内移出，然后将动量测量组件24封闭式安装于测量孔211内，所述动量测量组件24包括目标板241和推杆242，所述目标板241固定在推杆242一端，所述推杆242另一端***测量孔211内，喷油器总成1的喷射端正对目标板241中心；
排气时，首先去除动量测量组件24与测量孔211之间的密封，然后同时打开节流阀12开度和背压阀11，并且向测量孔211不断注入燃油；
当空气排尽后封闭油腔，首先封闭动量测量组件24与测量孔211之间的间隙，然后关闭背压阀233。
在长管法的基础上通过添加动量测量组件24，并且调节喷油器总成1位置而实现长管法与动量法测喷油规律，将动量法测力的方式改进为测压强方式从而仅需一种类型的压力传感器即压电式压力传感器，而不是长管法采用压电式压力传感器，动量法采用压电石英力传感器，装置改动较少，节约成本，能够得到瞬时喷油速率和喷雾动量数据。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种柴油机喷油规律的测量装置，包括喷油器总成(1)、测量装置总成(2)和连接装置(3)，所述喷油器总成(1)通过连接装置(3)与测量装置总成(3)固定连接；其特征在于：测量装置总成(2)包括测量块本体(21)、压力测量模块(22)、流量测量模块(23)和动量测量组件(24)，所述测量块本体(21)内部设有测量孔(211)，所述压力测量模块(22)和流量测量模块(23)分别与测量孔(211)连通；测量燃油的喷油速率时，喷油器总成(1)直接与测量孔(211)连通；测量燃油的喷雾动量时，喷油器总成(1)喷射的喷雾动量通量通过动量测量组件(24)作用于测量孔(211)内的燃油。
2.根据权利要求1所述的柴油机喷油规律的测量装置，其特征在于：所述压力测量模块(22)包括压力传感器(221)和数据采集处理单元(222)，所述压力传感器(221)的测量端与测量孔(211)内的燃油直接接触，所述压力传感器(221)测得的数据传输给数据采集处理单元(222)。
3.根据权利要求1所述的柴油机喷油规律的测量装置，其特征在于：所述流量测量模块(23)包括与测量孔(211)连通的细长管(231)，所述细长管(231)依次连接有节流阀(232)、背压阀(233)和量筒(234)。
4.根据权利要求1所述的柴油机喷油规律的测量装置，其特征在于：所述动量测量组件(24)包括目标板(241)和推杆(242)，所述目标板(241)固定在推杆(242)一端，所述推杆(242)另一端***测量孔(211)内，喷油器总成(1)的喷射端正对目标板(241)中心。
5.根据权利要求4所述的由柴油机喷油规律的测量装置，其特征在于：所述目标板(241)的直径大于推杆(242)的直径。
6.根据权利要求1所述的由柴油机喷油规律的测量装置，其特征在于：所述连接装置(3)包括压板法兰(31)、连接螺栓(32)、锁紧螺母(33)和限位螺母(34)，所述压板法兰(31)上设有连接孔(311)和卡槽(312)；所述喷油器总成(1)的外径上设有与卡槽(312)配合的凹槽(11)；所述连接螺栓(32)一端与测量块本体(21)固定连接，另一端贯穿连接孔(311)与压板法兰(31)连接；所述压板法兰(31)位于锁紧螺母(33)和限位螺母(34)之间固定在连接螺栓(32)上。
7.根据权利要求1所述的柴油机喷油规律的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、搭建燃油的喷油速率测量台架；
步骤二、完成喷油速率测量；
步骤三、燃油的喷雾动量测量台架的改装；
步骤四、完成喷雾动量的测量；
步骤五、完成数据的采集与分析，获得燃柴油机喷油规律。
8.根据权利要求7所述的柴油机喷油规律的测量方法，其特征在于：所述步骤一中包括喷油器总成(1)的安装、压力测量模块(22)的安装、流量测量模块(23)的安装和排气四个步骤；
所述喷油器总成(1)的安装时，所述喷油器总成(1)的喷射端封闭式安装于测量孔(211)内，通过连接装置(3)将喷油器总成(1)与测量装置总成(3)固定连接；
压力测量模块(22)的安装时，所述压力测量模块(22)包括压力传感器(221)和数据采集处理单元(222)，所述压力传感器(221)的测量端与测量孔(211)内的燃油直接接触，所述压力传感器(221)测得的数据传输给数据采集处理单元(222)；
流量测量模块(23)的安装时，所述流量测量模块(23)包括与测量孔(211)连通的细长管(231)，所述细长管(231)依次连接有节流阀(232)、背压阀(233)和量筒(234)；
排气时，上述部件安装完成后测量孔(211)内部与细长管(231)形成密闭的燃油腔，喷油器总成(1)向测量孔(211)内注入燃油直至燃油腔内的空气排尽。
9.根据权利要求8所述的柴油机喷油规律的测量方法，其特征在于：所述步骤三中燃油的喷雾动量测量台架的改装包括动量测量组件(24)的安装、排气和封闭油腔三个步骤；
所述动量测量组件(24)的安装时，首先将喷油器总成(1)从测量孔(211)内移出，然后将动量测量组件(24)封闭式安装于测量孔(211)内，所述动量测量组件(24)包括目标板(241)和推杆(242)，所述目标板(241)固定在推杆(242)一端，所述推杆(242)另一端***测量孔(211)内，喷油器总成(1)的喷射端正对目标板(241)中心；
排气时，首先去除动量测量组件(24)与测量孔(211)之间的密封，然后同时打开节流阀(12)开度和背压阀(11)，并且向测量孔(211)不断注入燃油；
当空气排尽后封闭油腔，首先封闭动量测量组件(24)与测量孔(211)之间的间隙，然后关闭背压阀(233)。
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