一种高压天然气喷射器标定装置及其方法
【专利摘要】本发明属于内燃机研究领域的一种高压天然气喷射器标定装置及其方法，包括计算机、喷射器控制系统ECU、天然气喷射器、标定组件和供气系统；天然气喷射器的一端通过高压金属软管与供气系统的天然气罐相连，另一端通过夹具安装于标定组件上，标定装置整体密封，ECU控制天然气喷射器的开关，本发明通过测定天然气喷射器工作一定时间内装置中气体的压力变化值，进而计算出该喷射器单次喷射的气体量，为天然气发动机的开发提供了重要的实验数据；本发明设计中的标定组件采用一种组合式的方法，可以根据需求任意组装，灵活性强；本发明设计的高压天然气标定装置，通过合理的结构设计与精密的加工，使得装置的气密性、安全性得到了保证。
【专利说明】
一种高压天然气喷射器标定装置及其方法
技术领域
[0001]本发明属于内燃机研究领域，具体涉及一种高压天然气喷射器标定装置及其方法。
【背景技术】
[0002]随着全球能源危机和环境污染日益严重。解决柴油机尾气污染问题的有效方法是使用替代燃料，包括生物质燃料，LPG和天然气等。页岩气作为一种天然气，它可以解决人类至少未来50年的能源问题。据美国能源情报署估计，中国页岩气的储量比美国还大，约占全球总储量的20%，位列世界第一。由此可见，天然气的应用在未来将极具发展前景。
[0003]天然气发动机具有明显的经济效益，和优异的环保性能，使其成为国内外众多研究学者关注的焦点。在发动机研发过程中需要进行很多试验，其中天然气喷射器的标定就是最主要的实验之一。为了更精准，更便捷地测量喷射器的喷射量，国内外很多公司和科研机构基于不同原理发明了很多不同测试方法和仪器。德国Ritter公司生产的气体流量计，能够直接对管路中的气体进行测量。该流量计在低压气体管路中应用广泛，但对于压力达至IJ10-30MPa的高压气体，必须使用特殊的流量计，其成本极高。申请号为201510528149.1的专利提出了一种温度压力可调的气体流量标定方法，该方法通过多级调压装置，以及加热器和冷凝器实现压力温度的连续可调，并分别测量各个工况下的累积流量，以实现不同温度压力下的气体流量标定，该方法适用于工业低压恒定气体输送管道中的气体流量标定，无法对高压气体喷射器的间歇性射流进行标定。在文献(FUEL ,160(2015 )24-34)中，ImanErfan等人在天然气喷射射流特性的实验研究中，通过将天然气罐放置于一台电子天平上，测出实验前后天然气的质量减少量，并根据喷射次数，计算出天然气喷射器的单次喷射量，该方法操作简单，但误差大，且需要高精度的电子天平。因此，在不影响天然气发动机研发进程的情况下，设计一种低成本、高效率、更加精准和便捷的气体喷射器标定方法和装置是很有必要的。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是针对上述问题提供一种高压天然气喷射器标定装置及其方法，可以更加简单精确地对天然气喷射器的喷射量进行标定。
[0005]本发明的技术方案是:一种高压天然气喷射器标定装置，包括计算机、喷射器控制系统ECU、天然气喷射器、标定组件和供气系统；
[0006]所述标定组件包括天然气喷射器安装座、第一三通件、圆柱形容器、第二三通件、第二阀门、压力传感器安装座和第一压力传感器；
[0007]所述天然气喷射器的一端与供气系统连接，另一端通过夹具与所述天然气喷射器安装座的一端连接，天然气喷射器安装座的另一端与第一三通件的第一端口连接;所述第一三通件的第三端口通过第二转接头与圆柱形容器的一端连接，圆柱形容器的另一端通过第三转接头与所述第二三通件的第一端口连接，第二三通件的第二端口通过第四转接头与压力传感器安装座连接，所述第一压力传感器安装在压力传感器安装座上，所述第二三通件的第三端口与第二阀门的一端连接；
[0008]所述计算机与喷射器控制系统ECU电连接，所述喷射器控制系统ECU与天然气喷射器电连接，所述计算机通过喷射器控制系统ECU控制天然气喷射器的开启，以及调节天然气喷射器的喷射脉宽和喷射频率。
[0009]上述方案中，所述供气系统包括天然气罐，所述天然气罐通过高压管路与所述天然气喷射器的一端连接;所述天然气喷射器与天然气罐之间连接高压管路中安装有第二压力传感器和温度传感器。
[0010]上述方案中，还包括氮气瓶，所述第一三通件的第二端口通过第一转接头与第一阀门的一端连接，所述第一阀门的另一端通过高压管路与氮气瓶连接。
[0011]上述方案中，所述夹具包括第一螺杆、第二螺杆、第一夹块、第二夹块、第三夹块、第三螺杆和第四螺杆;所述第一夹块和第二夹块为阶梯配合件，配合件安装在所述天然气喷射器的卡槽处，第三螺杆与第四螺杆分别从配合件的侧面通孔穿过由螺母紧固；所述天然气喷射器的一端安装于天然气喷射器安装座内，所述第三夹块置于天然气喷射器安装座的下面，第一螺杆与第二螺杆分别穿过第三夹块与第一夹块和第二夹块相对应的通孔并由螺母紧固。
[0012]—种根据所述的高压天然气喷射器标定装置的标定方法，包括以下步骤:
[0013]S1、将试验用的所述高压天然气喷射器标定装置安装连接；
[0014]S2、检查装置气密性；
[0015]S3、开启供气系统，使天然气管路中的气体压力与所述圆柱形容器中的压力分别达到实验值；
[0016]S4、通过计算机控制天然气喷射器开启，同时开始计时，并记录喷射一定时间At后圆形容器内压力值的变化量A P;
[0017]S5、根据要求改变实验条件，重复S4中步骤；
[0018]S6、将实验测量结果输入计算机中，计算出不同工况下天然气喷射器单次喷射的喷射量。
[0019]上述方案中，所述步骤S2具体为:关闭所述第二阀门，打开第一阀门，同时开启氮气瓶，氮气由高压管路进入圆柱形容器中，使圆柱形容器中的压力值达保持一定时间不下降，即气密性能良好。
[°02°]上述方案中，所述步骤S4具体为:所述计算机控制喷射器控制系统ECU调节天然气喷射器的喷射脉宽和喷射频率，在开启天然气喷射器的瞬间开始计时，监测第一压力传感器、并记录五分钟后的读数，再根据第一压力传感器的初始压力，计算出圆柱形容器内压力值的变化量A P。
[0021 ]上述方案中，所述步骤S5中的实验条件包括:天然气喷射器的喷射压力、喷射脉宽、喷射频率和圆柱形容器内的初始压力即背压。
[0022]上述方案中，所述步骤S6具体为:实验测出一定时间At内圆柱形容器中的压力值的变化量A P，以及气体的温度T，并采用注水法测量装置的体积V，计算出一定时间At内天然气喷射的质量m，再根据喷射次数计算出该喷射器单次喷射的天然气质量。
[0023]本发明的有益效果是:与现有技术相比，本发明通过设计一种高压天然气喷射器标定装置及其方法，实现了天然气喷射器单次喷射量的测量，为天然气发动机的开发提供了重要的实验数据;本发明设计中的标定组件采用一种组合式的方法，可以根据需求任意组装，灵活性强，如不同型号的天然气喷射器可以分别选用不同尺寸型号的圆柱形容器进行标定;本发明设计的高压天然气喷射器标定装置，通过实测可以承受1MPa以上的高压，不仅可以用于气体喷射器的标定，还可以用于研究环境压力对喷射器喷射量的影响；本发明设计的高压天然气标定装置，通过合理的结构设计与精密的加工，使得装置的气密性、安全性得到了保证。
【附图说明】
[0024]图1为本发明一实施方式的结构示意图；
[0025]图2为本发明一实施方式装置三维结构示意图；
[0026]图3为本发明一实施方式夹具结构示意图；
[0027]图4为本发明一实施方式天然气喷射器标定方法流程图。
[0028]图中:1、计算机;2、喷射器控制系统E⑶;3、天然气喷射器;4、夹具;5、天然气喷射器安装座;6、第一三通件;7、第一转接头;8、第一阀门；9、高压金属软管；10、第二转接头；
11、圆柱形容器;12、第三转接头；13、第二三通件；14、压力传感器安装座；15、第一压力传感器；16、第四转接头；17、第二阀门；18、第二压力传感器；19、温度传感器;20、氮气瓶;21、天然气罐；22、第一螺杆；23、第二螺杆；24、螺母；25、第一夹块；26、第二夹块；27、第三夹块；28、第三螺杆;29、第四螺杆。
【具体实施方式】
[0029]下面结合附图【具体实施方式】对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于此。
[0030]图1和图2所示为本发明所述高压天然气喷射器标定装置的一种实施方式，所述高压天然气喷射器标定装置包括计算机1、喷射器控制系统ECU2、天然气喷射器3、标定组件、供气系统和氮气瓶20。
[0031]所述标定组件包括天然气喷射器安装座5、第一三通件6、圆柱形容器11、第二三通件13、第二阀门17、压力传感器安装座14和第一压力传感器15。所述供气系统包括天然气罐21。所述天然气喷射器3的一端通过高压金属软管9与天然气罐21连接，另一端通过夹具4与所述天然气喷射器安装座5的一端连接，天然气喷射器安装座5的另一端通过螺纹与第一三通件6的第一端口密封连接;所述第一三通件6的第二端口通过第一转接头7与第一阀门8的一端密封连接，所述第一阀门8的另一端通过高压管路与氮气瓶20连接;所述第一三通件6的第三端口通过第二转接头10与圆柱形容器11的一端密封连接，圆柱形容器11的另一端通过第三转接头12与所述第二三通件13的第一端口密封连接，第二三通件13的第二端口通过第四转接头16与压力传感器安装座14螺纹密封连接，所述第一压力传感器15与压力传感器安装座14通过螺纹密封连接，所述第一压力传感器15用于检测圆形容器内(11)的压力值，所述第二三通件13的第三端口与第二阀门17的一端密封连接，所述第二阀门(17)的另一端与排气管连接，实验结束后可将气体排出。
[0032]所述天然气喷射器3与天然气罐21之间连接高压管路中安装有第二压力传感器18和温度传感器19。所述第二压力传感器18和温度传感器19分别用于检测所述天然气喷射器3与天然气罐21之间连接高压管路的气体压力和气体温度。
[0033]所述计算机I与喷射器控制系统ECU2电连接，所述喷射器控制系统ECU2与天然气喷射器3电连接，所述计算机I通过喷射器控制系统ECU2控制天然气喷射器3的开启，以及调节天然气喷射器3的喷射脉宽和喷射频率。
[0034]如图3所示，所述夹具4包括第一螺杆22、第二螺杆23、第一夹块25、第二夹块26、第三夹块27、第三螺杆28和第四螺杆29;所述第一夹块25和第二夹块26为阶梯配合件，所述天然气喷射器3设有卡槽，配合件中部设有与所述卡槽配合的缺口，配合件通过所述缺口安装在所述天然气喷射器3的卡槽处，第三螺杆28与第四螺杆29分别从配合件的侧面通孔穿过由螺母紧固使其成为一个整体;所述天然气喷射器3的一端安装于天然气喷射器安装座5内，所述第三夹块27置于天然气喷射器安装座5的下面，第一螺杆22与第二螺杆23分别穿过第三夹块27与第一夹块25和第二夹块26相对应的通孔并由螺母24紧固，使得天然气喷射器3与天然气喷射器安装座5构成一个密封性能好的整体。
[0035]—种根据所述的高压天然气喷射器标定装置的标定方法，如图4所示，包括以下步骤:
[0036]S1、将试验用的所述高压天然气喷射器标定装置安装连接；
[0037]S2、检查装置气密性，在气密性良好的情况下，才可进行下一步实验；
[0038]S3、开启供气系统，监测第一压力传感器15和第二压力传感器18使天然气管路中的气体压力与所述圆柱形容器11中的压力分别达到实验值；
[0039]S4、通过计算机I控制天然气喷射器3开启，同时开始计时，并记录喷射五分钟后圆形容器内11压力值的变化量A P ；
[0040]S5、根据要求改变实验条件，如天然气的喷射压力、喷射脉宽、喷射频率、圆柱形容器内的初始压力，重复S4中步骤；
[0041]S6、将实验测量结果输入计算机I中，根据预设计算公式，计算出不同工况下天然气喷射器3单次喷射的喷射量。
[0042]所述步骤S2具体为:关闭所述第二阀门17，打开第一阀门8，同时开启氮气瓶20，氮气由高压管路进入圆柱形容器11中，使圆柱形容器11中的压力值达到6MPa，关闭第一阀门8，监测第一压力传感器15的读数，待读数稳定后能保持十分钟不下降，即气密性能良好。
[0043]所述步骤S4具体为:所述计算机I控制喷射器控制系统ECU2调节天然气喷射器3的喷射脉宽和喷射频率，在开启天然气喷射器3的瞬间开始计时，监测第一压力传感器15、并记录五分钟后的读数，再根据第一压力传感器15的初始压力，计算出圆柱形容器11内压力值的变化量A P。
[0044]所述步骤S5中的实验条件包括:天然气喷射器3的喷射压力、喷射脉宽、喷射频率和圆柱形容器内的初始压力。
[0045]所述步骤S6具体为:实验测出一定时间At内圆柱形容器11中的压力值的变化量A P，以及气体的温度T，并采用注水法测量装置的体积V，根据理想气体公式PV = nRT，得出η=(A P*V)/RT，R为气体常数，查表可得;再根据n=m/M，得出m=n*M，其中M为气体的摩尔质量，η为一定时间△ t内的天然气喷射量的摩尔数，m为一定时间△ t内天然气喷射的质量，求出m之后，再根据喷射次数计算出该喷射器单次喷射的天然气质量。
[0046]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。
【主权项】
1.一种高压天然气喷射器标定装置，其特征在于，包括计算机(1)、喷射器控制系统ECU(2)、天然气喷射器(3)、标定组件和供气系统； 所述标定组件包括天然气喷射器安装座(5)、第一三通件(6)、圆柱形容器(11)、第二三通件(13)、第二阀门(17)、压力传感器安装座(14)和第一压力传感器(15); 所述天然气喷射器(3)的一端与供气系统连接，另一端通过夹具(4)与所述天然气喷射器安装座(5)的一端连接，天然气喷射器安装座(5)的另一端与第一三通件(6)的第一端口连接;所述第一三通件(6)的第三端口通过第二转接头(1)与圆柱形容器(11)的一端连接，圆柱形容器(11)的另一端通过第三转接头(12)与所述第二三通件(13)的第一端口连接，第二三通件(13)的第二端口通过第四转接头(16)与压力传感器安装座(14)连接，所述第一压力传感器(15)安装在压力传感器安装座(14)上，所述第二三通件(13)的第三端口与第二阀门(17)的一端连接； 所述计算机(1)与喷射器控制系统ECU(2)电连接，所述喷射器控制系统ECU(2)与天然气喷射器(3)电连接，所述计算机(1)通过喷射器控制系统ECU(2)控制天然气喷射器(3)的开启，以及调节天然气喷射器(3)的喷射脉宽和喷射频率。2.根据权利要求1所述的高压天然气喷射器标定装置，其特征在于，所述供气系统包括天然气罐(21)，所述天然气罐(21)通过高压管路与所述天然气喷射器(3)的一端连接;所述天然气喷射器(3)与天然气罐(21)之间连接高压管路中安装有第二压力传感器(18)和温度传感器(19)。3.根据权利要求1所述的高压天然气喷射器标定装置，其特征在于，还包括氮气瓶(20)，所述第一三通件(6)的第二端口通过第一转接头(7)与第一阀门(8)的一端连接，所述第一阀门(8)的另一端通过高压管路与氮气瓶(20)连接。4.根据权利要求1所述的高压天然气喷射器标定装置，其特征在于，所述夹具(4)包括第一螺杆(22)、第二螺杆(23)、第一夹块(25)、第二夹块(26)、第三夹块(27)、第三螺杆(28)和第四螺杆(29);所述第一夹块(25)和第二夹块(26)为阶梯配合件，配合件安装在所述天然气喷射器(3)的卡槽处，第三螺杆(28)与第四螺杆(29)分别从配合件的侧面通孔穿过由螺母紧固；所述天然气喷射器(3)的一端安装于天然气喷射器安装座(5)内，所述第三夹块(27)置于天然气喷射器安装座(5)的下面，第一螺杆(22)与第二螺杆(23)分别穿过第三夹块(27)与第一夹块(25)和第二夹块(26)相对应的通孔并由螺母紧固。5.—种根据权利要求1所述的高压天然气喷射器标定装置的标定方法，其特征在于，包括以下步骤: S1、将试验用的所述高压天然气喷射器标定装置安装连接； S2、检查装置气密性； S3、开启供气系统，使天然气管路中的气体压力与所述圆柱形容器(11)中的压力分别达到实验值；S4、通过计算机(I)控制天然气喷射器(3)开启，同时开始计时，并记录喷射一定时间At后圆形容器内(11)压力值的变化量ΔΡ; S5、根据要求改变实验条件，重复S4中步骤；S6、将实验测量结果输入计算机(I)中，计算出不同工况下天然气喷射器(3)单次喷射的喷射量。6.根据权利要求5所述的标定方法，其特征在于，所述步骤S2具体为:关闭所述第二阀门(17)，打开第一阀门(8)，同时开启氮气瓶(20)，氮气由高压管路进入圆柱形容器(11)中，使圆柱形容器(11)中的压力值达保持一定时间不下降，即气密性能良好。7.根据权利要求5所述的标定方法，其特征在于，所述步骤S4具体为:所述计算机(I)控制喷射器控制系统ECU (2)调节天然气喷射器(3)的喷射脉宽和喷射频率，在开启天然气喷射器(3)的瞬间开始计时，监测第一压力传感器(15)、并记录五分钟后的读数，再根据第一压力传感器(15)的初始压力，计算出圆柱形容器(11)内压力值的变化量△ P。8.根据权利要求5所述的标定方法，其特征在于，所述步骤S5中的实验条件包括:天然气喷射器(3)的喷射压力、喷射脉宽、喷射频率和圆柱形容器内的初始压力。9.根据权利要求5所述的标定方法，其特征在于，所述步骤S6具体为:实验测出一定时间A t内圆柱形容器(11)中的压力值的变化量△ P，以及气体的温度T，并采用注水法测量装置的体积V，计算出一定时间△ t内天然气喷射的质量m，再根据喷射次数计算出该喷射器单次喷射的天然气质量。
【文档编号】F02M65/00GK105863920SQ201610202122
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年3月31日
【发明人】谭小强, 邵长胜, 王谦, 何志霞, 韩丹
【申请人】江苏大学