CN116335818B - 一种氢气发动机喷嘴流量测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种氢气发动机喷嘴流量测量装置，包括储氢容器、设在储氢容器口部的阀门、通过管路与阀门连接的稳压腔；还包括通过管路与稳压腔连接的氢气喷嘴，所述氢气喷嘴安装在一封闭水槽的上端，在所述封闭水槽的上端还安装有注水阀、放水阀、放气阀和温度压力采集单元，所述温度压力采集单元和氢气喷嘴与控制***电连接。还涉及一种氢气发动机喷嘴流量测量方法。其结构简单，便于安装方便，测量结果准确，操作过程安全、高效，能够解决氢发动机氢喷嘴喷射流量测量问题，为发动机开发提供氢气喷嘴的流量数据。

Description

一种氢气发动机喷嘴流量测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及发动机性能测量，具体涉及一种氢气发动机喷嘴流量测量装置及测量方法。

背景技术

CN 107100762A公开了“一种氢气燃料发动机的氢气喷嘴”，包括喷嘴上部、喷嘴下部喷口段和供氢管路，喷嘴上部设有氢气聚集腔，喷嘴的供氢管路与氢气聚集腔连接。在发动机开发过程中，燃烧***CFD仿真是关键的开发方式，需要使用喷油器喷油速率曲线作为仿真模型重要的输入参数。但因为多数喷油器供应商都不具备该项测量能力，不能提供相关测量参数，能够开展汽油机的喷油器流量测量的公司并不多。

随着氢发动机开发和应用，氢喷嘴流量的测量成为氢发动机开发过程中的一件棘手的事情。首先，国内外开展氢发动机的厂家和机构并不多，更没有开发氢喷嘴流量测量装置的公司。另外，从氢气的物理特性分析，由于氢气分子小，很容易泄漏且易燃。氢喷嘴的流量测量就无法采用汽油喷嘴的方式进行。

氢内燃机开发过程中，氢气喷嘴的流量数据对于产品部门开发氢喷嘴、CFD部门进行喷嘴性能评估及缸内燃烧的计算均有重要作用。鉴于氢喷嘴流量数据对发动机开发的重要性，迫切需要开发一种先进、高效的氢喷嘴流量测量方法和装置。

CN 206593861U公开了“一种能通用的天然气发动机喷嘴流量测量装置”，包括压缩空气罐、多功能稳压腔、原始燃气喷嘴、过渡件、稳压电源、控制器和流量计。多功能稳压腔包括可拆卸连接的上腔和下腔，上腔设有上稳压腔、流量计接口、过渡件上接口和燃气喷嘴一上接口；下腔设有下稳压腔、进气接口、过渡件下接口和燃气喷嘴一下接口；过渡件内设有放置槽、进气管道和出气管道。控制器的一端与稳压电源相连接，控制器的另一端依次与原始燃气喷嘴一和原始燃气喷嘴二可拆卸式电连接。其能在发动机离线状态下，通过模拟信号驱动燃气喷嘴，利用流量计测量燃气喷嘴的流量，而且通用性强，能够用于多种燃气喷嘴流量状态的评定。该专利文献公开的技术方案不失为所属技术领域的一种有益的尝试。

发明内容

本发明的目的是提供一种氢气发动机喷嘴流量测量装置，其结构简单，便于安装方便，测量结果准确，操作过程安全、高效，能够解决氢发动机氢喷嘴喷射流量测量问题，为开发发动机提供氢气喷嘴的流量数据。本发明还提供一种氢气发动机喷嘴流量测量方法。

从氢气的物理性质看，氢气极难溶解于水，1升水只能溶解0.01819升氢气，这就让我们可以采用排水集气的方法，通过排出水的质量除以水的密度，就可以求出水的体积，这个体积就等于喷嘴在单位时间内喷出的氢气的体积。该种方法，从氢气难溶于水的物理性质出发，开创性的采用排水集气的方法，测量氢气喷嘴的喷氢流量。

排水集气法测量原理：若向一充满某液体的集气瓶中逆向通入不易溶于该液体，且不会与该液体发生化学反应的气体。则可将其中的液体排出，并使容器内充满该气体，(利用压强的原理)依据这一原理便可直接利用集气瓶通过排出某些液体来收集气体。

本发明是在上述排水集气法的原理和试验的基础上作出的。

所述的一种氢气发动机喷嘴流量测量装置，包括储氢容器、设在储氢容器口部的阀门、通过管路与阀门连接的稳压腔；还包括通过管路与稳压腔连接的氢气喷嘴，所述氢气喷嘴安装在一封闭水槽的上端，在所述封闭水槽的上端还安装有注水阀、放水阀、放气阀和温度压力采集单元，所述温度压力采集单元与控制***电连接。

进一步，在所述阀门与稳压腔的连接管路中设有限压阀；在所述稳压腔与氢气喷嘴的连接管路中设有调压阀。

进一步，所述封闭水槽呈“U”形，左边为A部、右边为B部。

进一步，所述氢气喷嘴安装在封闭水槽的A部上端的中间部位。

进一步，所述注水阀安装在封闭水槽的B部上端中间偏左的部位。

进一步，所述放水阀安装在封闭水槽的B部上端中间偏右的部位。

进一步，所述放气阀安装在封闭水槽的A部上端中间偏左的部位。

进一步，所述温度压力采集单元安装在封闭水槽的A部上端中间偏右的部位。

进一步，安装在封闭水槽的A部上端中间部位的氢气喷嘴与所述控制***电连接。

本发明所述的一种氢气发动机喷嘴流量测量方法，在上述氢气发动机喷嘴流量测量装置上进行，包括以下步骤：

第一步，检查测量装置气密性；测量开启前，先打开放水阀和放气阀；再打开注水阀，向U形的封闭水槽中注水，直至放水阀和放气阀中有水流出；然后，依次关闭注水阀、放水阀和放气阀；

第二步，向U形的封闭水槽喷入氢气；先打开放水阀，再打开储氢容器的阀门，给管路中通入高压氢气；氢气通过限压阀限压后，压力降低到氢气喷嘴可以使用的压力范围，然后，进入稳压腔；降低压力后的氢气在通过稳压腔后，经调压阀进一步将压力精确调节到氢气喷嘴的工作压力后，通过管路输送给氢气喷嘴；氢气喷嘴在接收到喷射信号后，就开始往U形的封闭水槽内部喷入氢气；当U形封闭水槽A部内冲入一定量的氢气后，就会有水从中流出；

第三步，开始测量；放水阀(流出一部分水后，待U形的封闭水槽A部内充入的氢气稳定后，即可以正式开始测量；测量过程中，喷嘴需要进行三轮喷射，每轮喷射次数限定为10次，分别用三个烧杯接取三轮喷射过程中排出的水，称重并记录数据；三轮水的质量取平均后，再除以，就可以得到一轮次喷射过程中排出的水的质量；试验过程中氢气的温度和压力通过温度压力采集单元进行监测。采集到的压力、温度参数通过数采控制***进行采集和处理、储存；

第四步：余气收集；测量完毕，打开放气阀将测量中产生的氢气放出，通过容器进行收集；

第五步：数据处理；

测量中排出水的质量Q(g)：

通过以下公式求出这部分水的体积，该体积就等于单次氢气喷嘴喷射的氢气体积；

Q＝ρ*V

式中：

Q—为水的质量，单位g；

ρ—为水的密度，单位g/cm3；

V—为排开水的体积，单位cm3。

本发明的有益效果：

由于在排水集气法的原理和试验的基础上作出的氢气发动机喷嘴流量测量装置，具有结构简单，便于安装方便，测量结果准确，操作过程安全、高效的优点；解决了氢发动机氢喷嘴喷射流量的测量问题，为发动机开发提供氢气喷嘴的流量数据。

附图说明

图1是排水集气法测量装置的原理示意图；

图2是本发明的结构示意图。

图中(标记指代的技术特征)：

图中(标记指代的技术特征)：

1—铁架台，2—酒精灯、3—试管，4—高锰酸钾、5—试管塞，6—试管夹，7—导气管，8—集气瓶，9—水槽；

20—储氢容器，21—阀门，22—限压阀，23—稳压腔，24—调压阀，25—氢气喷嘴，26—封闭水槽，27—注水阀，28—放水阀，29—放气阀；

30—控制***，31—温度压力采集单元。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的技术方案作详细阐述。

参见图1所示的排水集气法的试验装置：先在试管3底部装入适量的高锰酸钾4及其它反应物，再用带有导气管7的试管塞5堵住试管3的管口；然后，将试管3用试管夹6固定在铁架台1上，并使试管3的管口倾斜向下一定角度，以防止试验过程中产生的水流到试管的底部，而导致试管炸裂；再将导气管7的一端固定在试管塞5上、另一端伸入装满水的集气瓶8内，将集气瓶倒扣在水槽9中；最后，将酒精灯2放置在铁架台1上，点燃酒精灯2，用酒精灯外焰均匀加热试管3的底部，试管中的化学物质反应后产生氧气，氧气通过导气管7，进入到集气瓶8中。由于氧气不溶于水，随着氧气的不断产生，集气瓶8中的水不断被排除出去，流到水槽9中，待到集气瓶8快要收集满氧气，即可以熄灭酒精灯，从而获得了一瓶纯净的氧气。

参见图2所示的一种氢气发动机喷嘴流量测量装置，包括储氢容器20、设在储氢容器口部的阀门21、通过管路与阀门21连接的稳压腔23；还包括通过管路与稳压腔23连接的氢气喷嘴25，所述氢气喷嘴25安装在一封闭水槽26的上端，在所述封闭水槽26的上端还安装有注水阀27、放水阀28、放气阀29和温度压力采集单元31，所述温度压力采集单元31与控制***30电连接。

在所述阀门21与稳压腔23的连接管路中设有限压阀22，限压阀的作用是对储氢容器中的高压氢气进行截流，以降低整个管路中气体的压力；在所述稳压腔23与氢气喷嘴25的连接管路中设有调压阀24。稳压腔的作用是缓冲气流和稳定管路内压力。

所述封闭水槽26呈“U”形，左边为A部、右边为B部。

所述氢气喷嘴25安装在封闭水槽26的A部上端的中间部位。

所述注水阀27安装在封闭水槽26的B部上端中间偏左的部位。

所述放水阀28安装在封闭水槽26的B部上端中间偏右的部位。

所述放气阀29安装在封闭水槽26的A部上端中间偏左的部位。

所述温度压力采集单元31安装在封闭水槽26的A部上端中间偏右的部位。

安装在封闭水槽26的A部上端中间部位的氢气喷嘴25与所述控制***30电连接。

本发明根据氢气不溶于水的物理性质，采用排水集气法进行氢气收集。不但原理浅显易懂，而且装置结构简单，容易加工、安装方便，整个测量过程安全、高效，可操作性强。该种试验装置主要包括储氢容器、稳压腔、管路、阀门、氢气喷嘴、封闭水槽、温度压力采集单元及控制***。通过阀门、管路和控制***，将氢气喷嘴在单位时间内喷出的氢气体积，通过排水法，以单位质量的水的形式体现出来，此时，排出的水的体积就等于氢气的体积。

本发明所述的一种氢气发动机喷嘴流量测量方法，在上述氢气发动机喷嘴流量测量装置上进行，包括以下步骤：

第一步，检查测量装置气密性；测量开启前，先打开放水阀28和放气阀29；再打开注水阀27，向U形的封闭水槽26中注水，直至放水阀28和放气阀29中有水流出；然后，依次关闭注水阀27、放水阀28和放气阀29；整个过程，必须保证除了放水阀和放气阀外，其余连接处均无水渗漏出来，以此可以确定U形的封闭水槽中已经没有残余空气存在，保证测量结果准确，操作安全；由于氢气很容易燃烧，危险性很大，所以气密性检查是必须首先完成的步骤。

第二步，向U形的封闭水槽喷入氢气；

先打开放水阀28，再打开储氢容器20的阀门21，给管路中通入高压氢气；氢气通过限压阀3限压后，压力降低到氢气喷嘴25可以使用的压力范围，然后，进入稳压腔23；由于氢气管路比较细，阀门的开关调节造成高压气体的波动比较严重，这个时候稳压腔就起到了缓冲气流和稳定管路内压力的作用。降低压力后的氢气在通过稳压腔23后，经调压阀24进一步将压力精确调节到氢气喷嘴25的工作压力后，通过管路输送给氢气喷嘴25。氢气喷嘴25在接收到喷射信号后，就开始往U形的封闭水槽26内部喷入氢气；当U形封闭水槽26A部内冲入一定量的氢气后，就会有水从中流出；

第三步，开始测量；放水阀28流出一部分水后，待U形的封闭水槽26A部内充入的氢气稳定后，即可以正式开始测量；测量过程中，喷嘴需要进行三轮喷射，每轮喷射次数限定为10次，分别用三个烧杯接取三轮喷射过程中排出的水，称重并记录数据；三轮水的质量取平均后，再除以10，就可以得到一轮次喷射过程中排出的水的质量；试验过程中氢气的温度和压力通过温度压力采集单元31进行监测。采集到的压力、温度参数通过数采控制***30进行采集和处理、储存；

第四步：余气收集；测量完毕，打开放气阀29将测量中产生的氢气放出，通过容器进行收集；

第五步：数据处理；

用下表记录测量中排出水的质量Q(g)：

通过以下公式求出这部分水的体积，该体积就等于单次氢气喷嘴喷射的氢气体积。

Q＝ρ*V

式中：

Q—为水的质量，单位g；

ρ—为水的密度，单位g/cm3；

V—为排开水的体积，单位cm3。

Claims (7)

1.一种氢气发动机喷嘴流量测量装置，包括储氢容器（20）、设在储氢容器口部的阀门（21）、通过管路与阀门（21）连接的稳压腔（23），其特征是：还包括通过管路与稳压腔（23）连接的氢气喷嘴（25），所述氢气喷嘴（25）安装在一封闭水槽（26）的上端，在所述封闭水槽（26）的上端还安装有注水阀（27）、放水阀（28）、放气阀（29）和温度压力采集单元（31），所述温度压力采集单元（31）与控制***（30）电连接；

所述封闭水槽（26）呈“U”形，左边为A部、右边为B部；

所述注水阀（27）安装在封闭水槽（26）的B部上端中间偏左的部位；

所述放水阀（28）安装在封闭水槽（26）的B部上端中间偏右的部位。

2.根据权利要求1所述的氢气发动机喷嘴流量测量装置，其特征是：在所述阀门（21）与稳压腔（23）的连接管路中设有限压阀（22）；在所述稳压腔（23）与氢气喷嘴（25）的连接管路中设有调压阀（24）。

3.根据权利要求1所述的氢气发动机喷嘴流量测量装置，其特征是：所述氢气喷嘴（25）安装在封闭水槽（26）的A部上端的中间部位。

4.根据权利要求1所述的氢气发动机喷嘴流量测量装置，其特征是：所述放气阀（29）安装在封闭水槽（26）的A部上端中间偏左的部位。

5.根据权利要求4所述的氢气发动机喷嘴流量测量装置，其特征是：所述温度压力采集单元（31）安装在封闭水槽（26）的A部上端中间偏右的部位。

6.根据权利要求5所述的氢气发动机喷嘴流量测量装置，其特征是：安装在封闭水槽（26）的A部上端中间部位的氢气喷嘴（25）与所述控制***（30）电连接。

7.一种氢气发动机喷嘴流量测量方法，其特征是：在如权利要求6所述的氢气发动机喷嘴流量测量装置上进行，包括以下步骤：

第一步，检查测量装置气密性；测量开启前，先打开放水阀（28）和放气阀（29）；再打开注水阀（27），向U形的封闭水槽（26）中注水，直至放水阀（28）和放气阀（29）中有水流出；然后，依次关闭注水阀（27）、放水阀（28）和放气阀（29）；

第二步，向U形的封闭水槽喷入氢气；先打开放水阀（28），再打开储氢容器（20）的阀门（21），给管路中通入高压氢气；氢气通过限压阀（3）限压后，压力降低到氢气喷嘴（25）可以使用的压力范围，然后，进入稳压腔（23）；降低压力后的氢气在通过稳压腔（23）后，经调压阀（24）进一步将压力精确调节到氢气喷嘴（25）的工作压力后，通过管路输送给氢气喷嘴（25）；氢气喷嘴（25）在接收到喷射信号后，就开始往U形的封闭水槽（26）内部喷入氢气；当U形封闭水槽（26）A部内冲入一定量的氢气后，就会有水从中流出；

第三步，开始测量；放水阀（28）流出一部分水后，待U形的封闭水槽（26）A部内充入的氢气稳定后，即可以正式开始测量；

测量过程中，喷嘴需要进行三轮喷射，每轮喷射次数限定为10次，分别用三个烧杯接取三轮喷射过程中排出的水，称重并记录数据；三轮水的质量取平均后，再除以10，就可以得到一轮次喷射过程中排出的水的质量；试验过程中氢气的温度和压力通过温度压力采集单元（31）进行监测，采集到的压力、温度参数通过数采控制***（30）进行采集和处理、储存；

第四步：余气收集；测量完毕，打开放气阀（29）将测量中产生的氢气放出，通过容器进行收集；

第五步：数据处理；

测量中排出水的质量Q(g)：

通过以下公式求出这部分水的体积，该体积就等于单次氢气喷嘴喷射的氢气体积；

Q=ρ*V

式中：

Q—为水的质量，单位g；

ρ—为水的密度，单位g/cm3；

V—为排开水的体积，单位cm3。