一种简易的气体发动机喷气规律测量系统及方法

1.本发明属于燃气发动机技术领域，具体涉及一种简易的气体发动机喷气规律测量系统及方法。


背景技术：

2.低碳燃料如天然气、氢气等发动机成为内燃机行业对碳达峰碳中和目标的重要渠道之一。面对燃气发动机高瞬态宽运转工况的要求，对喷气系统的喷气规律设计要求更加精确，如何低成本、高精度测量燃气喷气规律是开发气体燃料发动机的重要挑战之一。然而目前针对气体燃料发动机中气体喷气规律的研究大多用到的设备昂贵，流程复杂。


技术实现要素：

3.本发明目的在于提供一种简易的气体发动机喷气规律测量系统及方法，以解决缸内直喷燃气发动机研发过程中的喷气规律测量困难的问题。
4.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
5.一种简易的气体发动机喷气规律测量系统，包括喷气规律测量仪、喷气加压模块、定容室加压与泄压模块、定容室压力信号采集模块以及压力信号后处理模块；
6.喷气规律测量仪内部设置有定容室，喷气规律测量仪上设置有喷气阀，
7.喷气加压模块包括空气压缩机、高压气泵、测试气体高压气罐和喷气阀，通过空气压缩机产生的压力驱动高压气泵将测试气体高压气罐中的气体压缩至目标压力，达到目标压力后保持并等待喷气阀开启；
8.定容室加压与泄压模块用于对定容室加压或者泄压；
9.定容室压力信号采集模块包括第一压力传感器、第二压力传感器、电荷放大器和信号发生器，第一压力传感器和第二压力传感器设置在喷气规律测量仪上，定容室压力信号采集模块的信号发生器产生的驱动信号在开启喷气阀电磁阀的同时传递给压力电信号后处理模块的示波器；第一压力传感器和第二压力传感器将定容室内的压力波动转化成电容器载荷电流，信号放大器将电流信号按比例放大并转换成电压信号后传递给示波器，示波器同时呈现两个电压信号和一个驱动信号；
10.压力信号后处理模块包括示波器和上位机，示波器把接收的压力电信号和驱动信号传递给上位机，利用上位机对第一压力传感器和第二压力传感器获得的压力电信号进行平均处理，然后再进行滤波平滑处理后得到压力电信号的曲线，对压力电信号进行一阶微分处理后得到压力变化速率曲线乘上标定实验得出的压力变化速率与喷气质量流率之间的关系系数k即可得到实际喷气规律曲线。
11.本发明进一步的改进在于，喷气规律测量仪包括喷气规律测量仪主体，喷气规律测量仪主体内设置有定容室，喷气规律测量仪主体的顶部设置有喷气规律测量仪端盖和适配器。
12.本发明进一步的改进在于，喷气阀喷气在定容室引起的压力波动通过安装在喷气
规律测量仪主体上的第一压力传感器和第二压力传感器传递给定容室压力信号采集模块。
13.本发明进一步的改进在于，空气压缩机的出口处设置有气路截止阀。
14.本发明进一步的改进在于，高压气泵的出口处设置有压力表。
15.本发明进一步的改进在于，明进一步的改进在于，定容室加压与泄压模块包括背压高压气罐、第一减压阀、第二球阀、第一球阀和压力变送器；背压高压气罐产生的高压气体通过第一减压阀和第二球阀进入定容室并通过控制第一球阀控制泄压部分，在压力变送器达到目标压力并保持稳定后关闭第一球阀和第二球阀。
16.一种基于理想气体状态方程的喷气规律测量方法，该方法基于所述的一种简易的气体发动机喷气规律测量系统，包括以下步骤：
17.第一步，完成对定容室容积的测量，具体步骤如下：将测量仪主体和端盖装配完整；关闭第一球阀和第二球阀，将水经由喷气阀安装孔注入定容室直到水面与测量仪端盖下表面平齐；打开第一球阀，测量泄露水的体积；打开测量仪盖和适配器，将剩下的水取出测量体积并计入上述泄露的水的总量；重复定容室容积的测量过程并取水体积的算数平均值作为定容室的容积v；
18.第二步，完成对喷气规律测量仪的密封性测试，具体步骤如下：将测量仪以及测试的喷气阀安装完整，关闭第一球阀和第二球阀；打开背压高压气罐以及第一减压阀，打开第二球阀向定容室内充入适量气体，关闭第二球阀，等待十分钟直到压力变送器的示数稳定不再变化，即说明喷气规律测量仪密封型满足测试要求；打开第一球阀，排出定容室内高压气体；
19.第三步，完成由理想气体状态方程计算喷气质量试验方法的准确性测试，具体步骤如下：续第二步，此时压力变送器显示的定容室压力即为环境压力p1；打开背压高压气罐连接的减压阀，打开第二球阀，根据需要向定容室内充入一定量的环境气体，等待压力变送器示数稳定，记录此时定容室压力p2；根据理想气体状态方程，在定容室内v，温度t已知，通过理想气体状态方程算出进入定容室内气体的质量即将第一球阀连接排水法管路，利用排水法测量定容室内排出的气体在环境气压下的体积；根据气体的密度算出排除气体质量m，结果显示m与δm相同，所以通过理想气体状态方程测量喷气质量是准确的；
20.第四步，进行喷气操作，具体操作步骤如下：续第三步，关闭第一球阀，打开第二球阀充入气体进入定容室；待定容室压力稳定，打开气路截止阀，打开测试气体高压气罐及第二减压阀，打开空气压缩机和高压气泵，控制高压气泵出口压力为指定压力并保持稳定；待喷气压力和定容室压力稳定后，根据预定的喷气条件由信号发生器传递驱动信号到喷气阀完成燃气喷气操作；
21.第五步，捕捉定容室内压力信号曲线，具体操作步骤如下：设置电荷放大器采集参数；经过电荷放大器的电信号传递到示波器上显示为电压信号；设置示波器参数将电压信号显示到示波器上；采集信号时，信号发生器传递给喷油器的驱动信号为触发信号，电压信号的上升沿为电压信号波形的起始端；
22.第六步，压力传感器采集的两个电压信号波形处理，具体操作步骤如下：根据喷气脉宽和电压信号的上升时间确定示波器采集的电压信号准确；将电压信号数据存储至上位
机，利用自己编写的算法对两个压力传感器的电压信号的数据进行平均处理，然后再用滤波、平滑和微分算法对电压信号曲线进行平滑滤波和一阶求导，获得处理后的电压波形以及电压的一阶导数波形；
23.第七步，计算实际喷气质量δm与电压信号上升幅值δv的关系系数k，即k＝δm/δv，具体操作步骤如下：已知的大多数喷气阀单次喷气质量较小，因此单次喷射后定容室内压力变化较小误差会比较大，在环境背压与喷气压力的比值小于临界压比时背压对喷气质量流率无影响，所以通过多次喷气进入定容室得到一个较大的喷气质量，计算得到单次喷气质量δm；δv即为电压信号的上升幅值；得到实际喷气质量δm与电压信号上升幅值δv的关系系数k，即k＝δm/δv；
24.第八步，获得实际喷气质量流率，具体步骤如下：将第六步获得的处理后的电压波形以及电压的一阶导数波形乘上第七步中获得的实际喷气质量与电压上升幅值的关系系数k，乘上系数k的电压波形即为实际喷气质量曲线，乘上系数k的电压的一阶导数的波形即为实际喷气质量流率曲线；
25.第九步，单次喷气测量完成后的设备维护方法，具体步骤如下：喷气阀单次喷射结束后缓慢打开第一球阀，将定容室内气体排出，泄压后再次向定容室内充气到指定压力，准备下一次测量。
26.相比于现有技术，本发明至少具有如下有益的技术效果：
27.(a)本发明详细阐述了一种能够准确测量不同的喷气压力和喷气脉宽下燃气喷气规律的测试系统，并且自行设计加工了喷气规律测量仪器，该喷气规律测量仪具有结构简单，体积小，密封性好，方便携带等特点，在使用过程中噪声小，抗震性好。
28.(b)本发明的喷气阀部分设计有适配器，在测试不同的喷气阀喷气规律时不需要拆开测量仪端盖与主体，在保证定容室容积不变的情况下可以保证整个喷气规律测量仪的密封性。
29.(c)本发明的供气系统使用大流量高压气泵，在喷气阀流量较大时仍然可以保证喷气压力稳定，因此可以测量大流量喷气阀的喷气规律。
30.(d)本发明的定容室测量部分用的是高精度的压力变送器，对比传统的指针式压力表具有量程大，精度高的优势。
31.(e)本发明的气路管道阀门连接均采用卡套式连接和锥面密封方式，在提高管路连接可靠性的同时便于零件的拆卸和更换。测量仪以及管路材料使用的316不锈钢可适用于弱腐蚀和酸碱性流体。
32.(f)本发明在信号采集部分使用的电荷放大器可以让示波器捕捉到微弱的定容室压力变化带来的电信号波动，保证测量结果的精度。
33.(g)本发明原理和装置简单，操作方便，可重复性强，具有很强的实用性。
附图说明
34.图1为本发明喷气规律测量系统的结构示意图。
35.图2为本发明喷气规律测量仪装配爆炸图。
36.附图标记说明：
37.1-空气压缩机，2-气路截止阀，3-高压气泵，4-压力表，5-喷气阀，6-适配器，7-喷
气规律测量仪端盖，8-喷气规律测量仪主体，9-压力变送器，10-第一压力传感器，11-第二压力传感器，12-第一球阀，13-第二球阀，14-第一减压阀，15-背压高压气罐，16-第二减压阀，17-测试气体高压气罐，18-电荷放大器，19-示波器，20-信号发生器，21-上位机。
具体实施方式
38.下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
39.遵从上述技术方案，如图1和图2所示，本实施例给出一种简易的气体发动机喷气规律测量系统及方法，用于不同种类及不同工况下喷气阀的喷气规律测量，并对多次喷气过程中的不同阶段有良好的响应效果。
40.本发明一种简易的气体发动机喷气规律测量系统，主要功能模块包括喷气规律测量仪、喷气加压模块、定容室加压与泄压模块、定容室压力信号采集模块以及压力信号后处理模块。
41.喷气规律测量仪是整套系统的主体部分，包括喷气规律测量仪主体8、喷气规律测量仪端盖7和适配器6。喷气过程由安装在喷气规律测量仪上的喷气阀5完成，喷气阀5喷气在定容室引起的压力波动通过安装在喷气规律测量仪主体8上的第一压力传感器10和第二压力传感器11传递给定容室压力信号采集模块。
42.喷气加压模块包括空气压缩机1、气路截止阀2、高压气泵3、压力表4、测试气体高压气罐17、第二减压阀16和喷气阀5。喷气加压模块通过空气压缩机1产生的压力驱动高压气泵3将测试气体高压气罐17中的气体压缩至目标压力，达到目标压力后保持并等待喷气阀5开启。
43.定容室加压与泄压模块包括背压高压气罐15、第一减压阀14、第二球阀13、第一球阀12和压力变送器9。背压高压气罐15产生的高压气体通过第一减压阀14和第二球阀13进入定容室并通过控制第一球阀12控制泄压部分，在压力变送器9达到目标压力并保持稳定后关闭第一球阀12和第二球阀13。
44.定容室压力信号采集模块包括第一压力传感器10、第二压力传感器11、电荷放大器18和信号发生器20。定容室压力信号采集模块的信号发生器20产生的驱动信号在开启喷气阀5电磁阀的同时会传递给示波器19；第一压力传感器10和第二压力传感器11将定容室内的压力波动转化成电容器载荷电流，信号放大器17将电流信号按比例放大并转换成电压信号后传递给示波器19，示波器19同时呈现两个电压信号和一个驱动信号。
45.压力电信号后处理模块包括示波器19和上位机21。示波器19把接收的压力电信号和驱动信号传递给上位机21，利用上位机21对第一压力传感器10和第二压力传感器11获得的压力电信号进行平均处理，然后再进行滤波平滑处理后可以得到压力电信号的曲线，对压力电信号进行一阶微分处理后得到压力变化速率曲线乘上标定实验得出的压力变化速率与喷气质量流率之间的关系系数k即可得到实际喷气规律曲线。
46.本发明提供的一种简易的气体发动机喷气规律测量方法，包括以下步骤：
47.分别完成对喷气加压模块、定容室加压与泄压模块、定容室压力信号采集模块以及压力信号后处理模块的安装连接，气路的阀门保持闭合。
48.进行定容室容积标定：将喷气规律测量仪主体8和喷气规律测量仪端盖7装配完整；关闭第一球阀12和第二球阀13，利用医用注射器将水经由喷气阀安装孔注入定容室直到水面与喷气规律测量仪端盖7下表面平齐；打开第一球阀12，测量泄露水的体积；拆开测量仪端盖，将剩下的水用针筒取出测量体积并计入上述泄露的水的总量；重复定容室容积的测量过程并取水体积的算数平均值作为定容室的容积v。
49.对喷气规律测量仪进行密封性测试：将喷气规律测量仪以及喷气阀5安装完整，关闭第一球阀12和第二球阀13；打开背压高压气罐15以及第一减压阀14，打开第二球阀13向定容室内充入适量气体，关闭第二球阀，等待压力变送器的示数稳定不再变化即说明喷气规律测量仪密封型满足测试要求；打开第一球阀12，排出定容室内高压气体；重复向定容室充入气体和排除气体的操作，保证定容室内气体为背压气体；重复五次后关闭第一球阀12和第二球阀13，保持定容室内有一定压力。
50.完成由理想气体状态方程计算喷气质量试验方法的准确性测试：此时压力变送器9显示的定容室压力p1，此时定容室内气体质量为m1；缓慢打开背压高压气罐15，打开第一减压阀14，打开第二球阀13，根据需要向定容室内充入一定量的背压气体，等待压力变送器9示数稳定，记录此时定容室压力p2，此时的定容室内气体质量为m2；根据理想气体状态方程，描述定容室气体的初始状态的公式为式(1)：
[0051][0052]
充气后假设定容室温度不变，描述充气后定容室内气体状态的公式(2)：
[0053][0054]
结合公式(1)和公式(2)可以得到：
[0055][0056]
其中：v为定容室体积，m为测试气体和定容室背压气体的摩尔质量，r为气体常数，t为环境温度即室温，δm即为充入气体的质量。
[0057]
将第一球阀12连接排水法管路，缓慢打开第一球阀12，直到压力变送器示数降为p1利用排水法测量定容室内排出的气体在环境气压下的体积；根据气体的密度算出排除气体质量m，m与δm相同可以证明以理想气体状态方程为理论基础来测量喷气质量的方法是可行的。
[0058]
进行喷气操作：关闭第一球阀12，打开第二球阀13充入一定量气体进入定容室；待定容室压力稳定，打开气路截止阀，打开测试气体高压气罐17及第二减压阀16，打开空气压缩机1和高压气泵3，控制高压气泵3出口压力即压力表4的显示压力为指定压力并保持稳定；待连接喷气阀的气路压力和定容室压力稳定后，根据预定的喷气条件由信号发生器20传递驱动信号到喷气阀5完成燃气喷气操作，同时信号发生器20产生的驱动信号将传递到示波器19上。
[0059]
捕捉定容室内压力信号曲线：设置电荷放大器18的采集参数；经过电荷放大器18
的电流信号被转换为放大的电压信号传递到示波器19上；此时，示波器19将同时显示两个电压信号和一个驱动信号。
[0060]
压力传感器采集的两个电压信号处理：根据喷气脉宽和电压信号的上升时间确定示波器19采集的电压信号准确；将两个电压信号数据存储至上位机21，利用自编算法先对两个电压信号进行平均处理，随后对平均处理后的电压信号再进行滤波、平滑和微分处理，获得处理后的电压波形以及电压的一阶导数波形。
[0061]
计算实际喷气质量δm与电压信号上升幅值δv的关系系数k,即k＝δm/δv，具体操作步骤如下：
[0062]
已知的大多数喷气阀单次喷气质量较小，因此单次喷射后定容室内压力变化较小误差会比较大，在环境背压与喷气压力的比值小于临界压比时背压对喷气质量流率无影响，所以可以通过多次喷气进入定容室可以得到一个较大的喷气质量，计算得到单次喷气质量δm；δv即为电压信号的上升幅值；可以得到实际喷气质量δm与电压信号上升幅值δv的关系系数k，即k＝δm/δv。
[0063]
获得实际喷气质量流率：将获得的处理后的电压波形以及电压信号的一阶导数波形乘上实际喷气质量与电压上升幅值的关系系数k后分别得出实际喷气质量变化曲线和实际喷气质量流率曲线。
[0064]
单次喷气测量完成后的设备维护方法：喷气阀单次喷射结束后缓慢打开第一球阀，将定容室内气体排出，泄压后再次向定容室内充气到指定压力，准备下一次测量。待所有测量完成后，打开第一球阀12，关闭第二球阀13，拆卸适配器6和喷气阀，关闭空气压缩机1，关闭气路截止阀2，关闭测试气体高压气罐17，关闭第二减压阀16关闭背压高压气罐15，关闭第一减压阀14，关闭高压气泵3并排除泵中的气体直到压力表4示数为0，拆除喷气规律测量仪端盖7，拆卸压力变送器9和第一压力传感器10及第二压力传感器11妥善保存，结束实验。
[0065]
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。