專利名稱：一種用于標定燃氣噴嘴流量特性的設備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于標定燃氣噴嘴的流量特性的設備，特別是用于標定氫氣噴嘴
的流量特性的設備。
背景技術：
隨著石油能源的逐漸枯竭，現(xiàn)行能源結構面臨著根本的變革。由于目前汽車的能 源消費占世界能源消費總量已達四分之一，未來汽車的數(shù)量仍會繼續(xù)增加，使得代用燃料 越來越引起人們的關注；另外以石油為原料制得的汽油和柴油在燃燒時會產(chǎn)生CO， HC和 (A，對人類生存環(huán)境造成極大危害，這些都進一步促進了代用燃料的開發(fā)和利用。氣體燃 料如壓縮天然氣CNG、液化天然氣LND、液化石油氣LPG、氫氣H2等由于其物理、化學特性能 夠有效改善石油能源難以克服的弱點，在車船用內(nèi)燃機、發(fā)電機組等能源動力裝置中已經(jīng) 得到廣泛的應用。 氣體燃料噴嘴作為氣體燃料能源動力裝置的關鍵部件，其流量特性對能源動力裝 置性能影響顯著，尤其對要求混合氣濃度范圍寬廣，且精確控制氣體燃料供給量的動力裝 置，如氫燃料內(nèi)燃機等需要明確不同供氫壓力、不同噴氫持續(xù)期對應的氫氣噴射量，以確保 全工況下燃料供應精確合理，從而實現(xiàn)對氫燃料內(nèi)燃機的精確控制。 根據(jù)氣體燃料噴嘴流量特性可知，當小于某一噴射持續(xù)期t。時噴嘴流量不穩(wěn)定 (如圖1所示)，造成其使用過程中無法精確控制較短噴射持續(xù)期下對應的氣體流量，導致 系統(tǒng)工作不穩(wěn)定。然而目前對燃氣噴嘴流量進行測定的裝置較少且不完善，不能準確測定 噴嘴在較短噴射持續(xù)期下對應的氣體流量，限制了燃氣噴嘴的流量利用范圍，造成一定程 度上的資源浪費。鑒于上述情況，對于氣體燃料噴嘴流量特性進行標定的測試設備的開發(fā) 具有十分重要的意義。因此本發(fā)明提出了一種用于標定氫氣噴嘴流量特性的設備，對氫氣 噴嘴流量特性進行全面標定并確定其最佳工作區(qū)域，實現(xiàn)對氫內(nèi)燃機燃料供應的精確控 制，從而為氫氣噴嘴的選型和應用提供精準的依據(jù)，具有重大實用價值。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種用于標定燃氣噴嘴流量特性的設備，特別是用于標定氫 氣噴嘴的流量特性的設備。此裝置可以設定燃氣噴嘴噴射次數(shù)及相應的噴射持續(xù)期，全面 標定噴嘴流量特性，全面標定噴嘴流量特性并確定其最佳工作區(qū)域，同時可以實現(xiàn)對驅動 電路、程序進行優(yōu)化設計，得到適合該燃氣噴嘴的最佳驅動電流，使噴嘴保持最佳工作狀 態(tài)。 為了實現(xiàn)本發(fā)明的目的，本發(fā)明提出了一種用于標定燃氣噴嘴流量特性的設備， 特別是用于標定氫氣噴嘴的流量特性的設備。所述裝置包括用于提供燃氣的燃氣源；用 于對來自燃氣源的燃氣進行減壓的減壓裝置；用于對來自減壓裝置的燃氣進行穩(wěn)壓的穩(wěn)壓 裝置；用于對來自穩(wěn)壓裝置的燃氣進行壓力檢測的第一壓力檢測裝置；用于對由待標定的 噴嘴噴射出的燃氣進行收集和體積測量的集氣裝置；用于對集氣裝置內(nèi)的燃氣進行壓力檢測的第二壓力檢測裝置；以及控制系統(tǒng)，所述控制系統(tǒng)包括流量特性標定裝置，用于標定
噴嘴的流量隨噴射持續(xù)期和噴射壓力的變化特性；以及噴嘴驅動電流確定裝置，用于確定
噴嘴的驅動電流特性并基于噴嘴電磁閥的響應特性確定適合該燃氣噴嘴的驅動電流，使噴
嘴保持最佳工作狀態(tài)。本發(fā)明可以針對各種不同的燃氣噴嘴進行流量特性的標定，確定其
最佳工作區(qū)域同時優(yōu)化其驅動特性，為燃氣噴嘴的選型和應用提供精準的依據(jù)。 優(yōu)選的是，所述流量特性標定裝置是電子控制單元，所述電子控制單元可以設定
燃氣噴嘴的噴射次數(shù)及及相應的噴射持續(xù)期，以及所述噴嘴驅動電流確定裝置包括電流卡
鉗，用 于檢測噴嘴驅動電流。 優(yōu)選的是，所述燃氣噴射裝置包括與所述調壓裝置通過管路相連的燃氣穩(wěn)壓腔和 與燃氣穩(wěn)壓腔相連的燃氣噴嘴，用于將穩(wěn)壓腔中的燃氣在目標噴射壓力下噴射到燃氣裝置 中。 優(yōu)選的是，所述流量檢測裝置包括安裝在穩(wěn)壓裝置后的氣體流量傳感器，用于對 標定測定的噴嘴流量進行驗證，以及用于根據(jù)所述噴嘴的流量系數(shù)對氣體流量傳感器進行 標定的裝置。 優(yōu)選的是，所述第一和第二壓力檢測裝置是瞬態(tài)壓力傳感器，所述設備還包括數(shù) 據(jù)采集裝置，用于采集瞬態(tài)壓力傳感器的信號，及顯示和分析相應壓力信號的燃燒分析儀； 以及所述流量特性標定裝置基于標定的噴嘴幾何結構尺寸和標定的噴嘴流量特性數(shù)據(jù)得 到不同條件下噴嘴的流量系數(shù)。 優(yōu)選的是，所述燃氣源包括高壓儲氣瓶，所述減壓裝置包括燃氣減壓閥，所述穩(wěn)壓 裝置包括穩(wěn)壓腔。 優(yōu)選的是，所述流量特性標定裝置根據(jù)噴嘴允許工作壓力范圍，選定某一目標噴
射壓力及噴射次數(shù)，變化噴射持續(xù)期，標定噴嘴在此燃料供給壓力下的流量特性；改變目標
噴射壓力，重復上述標定過程，從而可以得到不同燃料供給壓力下噴嘴流量特性。 優(yōu)選的是，所述可控制系統(tǒng)還包括計算機，在標定過程中，計算機實時比較燃氣噴
射目標壓力值與檢測值，及時輸出修正指令信號調節(jié)燃氣減壓閥實現(xiàn)對燃氣壓力的閉環(huán)控
制，以保證燃氣噴射壓力維持恒定。
圖1顯示了燃氣噴嘴噴射持續(xù)期小于某一時間t0時噴嘴流量不穩(wěn)定，因此有必要 對噴嘴在小脈寬下工作時流量進行準確的測定。 圖2顯示了在不同供氫壓力(由al增加至a6)下噴嘴流量隨脈寬的變化規(guī)律，可 知供氫壓力增加噴嘴流量隨脈寬逐漸增大。 圖3顯示了不同噴氫持續(xù)期(由al增加至a3)，噴嘴流量隨供氫壓力的變化規(guī)律， 可知噴氫持續(xù)期增加噴嘴流量隨供氫壓力逐漸增大。 圖4顯示了實驗工作過程中噴嘴上、下游即氫氣穩(wěn)壓腔和集氣裝置內(nèi)壓力的變化 規(guī)律，壓力變動周期與噴嘴噴射頻率相同。 圖5顯示了通過對驅動電路、程序進行優(yōu)化設計，得到的a、 b、 c、 d四種不同燃氣 噴嘴驅動電流特性。 圖6顯示了氫氣噴嘴流量特性的設備。
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圖7顯示了氫氣噴嘴流量特性標定設備的功能模塊圖。
具體實施例方式
附圖6，7顯示了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的用于標定氫氣噴嘴流量特性的測試 系統(tǒng)及功能模塊圖，該系統(tǒng)包括存儲氫的氫源l，來自氫氣源1的高壓氫氣經(jīng)過減壓閥2減 壓后進入氫氣穩(wěn)壓腔3，從氫氣穩(wěn)壓腔流出的低壓氫氣經(jīng)氫氣流量傳感器最終到達氫氣噴 嘴8前端。壓力檢測及數(shù)據(jù)采集裝置利用壓力傳感器4a將穩(wěn)壓腔的氫氣壓力值顯示在示 波器上，標定過程中計算機13實時比較氫氣噴射目標壓力值與檢測值，及時輸出修正指令 信號調節(jié)氫氣減壓閥實現(xiàn)對氫氣壓力的閉環(huán)控制。系統(tǒng)還包括對由噴嘴噴射出的氣體進行 收集并進行體積測量的集氣裝置10，同時利用集氣裝置10內(nèi)安置的壓力傳感器4b將噴嘴 背壓顯示在示波器上，用于分析其對噴嘴流量特性的影響。所述系統(tǒng)還包括控制該待標定 的燃氣噴嘴進行標定測試的控制單元5，該控制單元可以設定氫氣噴嘴噴射次數(shù)及相應的 噴射持續(xù)期，全面標定噴嘴流量特性，同時利用電流卡鉗7檢測噴嘴驅動電流，通過分析噴 嘴電磁閥的響應特性對驅動電路、程序進行優(yōu)化設計，可以得到適合該燃氣噴嘴的最佳驅 動電流，使噴嘴保持最佳工作狀態(tài)，如圖5所示不同驅動電流特性曲線曲線a，b表示驅動 噴嘴開啟電流峰值與使保持噴嘴開啟狀態(tài)電流幅值相同，曲線a較曲線b于噴嘴開啟、關閉 時電流響應速度較快；曲線c表示保持噴嘴開啟狀態(tài)電流幅值小于開啟電流峰值，實現(xiàn)大 電流保證噴嘴及時開啟，小電流維持開啟狀態(tài)；曲線d表示驅動電流無保持過程，電流形式 簡單，僅有增大和減小過程。另外，該系統(tǒng)還包括一組提供從氫源1到氫氣噴嘴8的管路。
整個系統(tǒng)的工作過程是首先根據(jù)噴嘴允許工作壓力范圍，選定某一目標噴射壓 力，由計算機13輸出控制指令信號調節(jié)氫氣減壓閥2將穩(wěn)壓腔3內(nèi)氫氣壓力調至目標值， 同時利用穩(wěn)壓腔后安置的壓力傳感器4a檢測氫氣壓力，顯示并記錄在燃燒分析儀上(示波 器)，實驗過程中計算機實時比較氫氣噴射目標壓力值與檢測值，及時輸出修正指令信號調 節(jié)氫氣減壓閥實現(xiàn)對氫氣壓力的閉環(huán)控制，保證減壓閥后氫氣壓力維持恒定；利用穩(wěn)壓腔 后安置的氣體流量傳感器檢測氫氣流量，用于驗證燃氣噴嘴流量設備的精度。然后利用計 算機通過電子控制單元5設定燃氣噴嘴的噴射次數(shù)及相應的噴射持續(xù)期，啟動噴射按鈕， 氫氣即通過燃氣噴嘴進入集氣裝置10并將等體積的水排出至水槽11中，集氣裝置10收集 并測定噴嘴噴射出的氫氣體積，從而可以得到該噴射壓力、噴射持續(xù)期對應的氫氣流量，開 啟放氣閥9可將氫氣由集氣裝置內(nèi)排出。變化噴射持續(xù)期進而得到該目標噴射壓力下的氫 噴嘴流量特性。改變目標噴射壓力，重復上述標定過程，從而可以得到固定供氫壓力，噴嘴 流量特性隨噴射持續(xù)期的變化規(guī)律(如圖2所示)及固定噴射持續(xù)期，噴嘴流量特性隨供 氫壓力的變化規(guī)律(如圖3所示)。水槽中水量過多時可通過放水閥12排出。
由于燃氣噴嘴流量特性只與閥口節(jié)流面積，上下游壓比及流量系數(shù)有關，通過噴 嘴前后端安置的瞬態(tài)壓力傳感器4a和4b檢測到的上下游壓力(如圖4所示)可以計算壓 比，通過對噴嘴結構尺寸的分析可以計算閥口節(jié)流面積，因此利用實驗標定的噴嘴流量特 性數(shù)據(jù)可以求解不同條件下噴嘴的流量系數(shù)。由于氣體流量傳感器在被測氣體流量較小時 精度下降，不能準確測定對應氣體流量，利用上述條件下所得的流量系數(shù)可以反求流經(jīng)噴 嘴的氣體流量，如圖8所示，計算機13根據(jù)噴嘴前后壓力、閥口面積變化及上述所得的流量 系數(shù)計算流經(jīng)噴嘴的氣體流量，給出不同條件下的修正系數(shù)，從而有效修正了氣體流量傳
5感器在測量較小氣體流量時的精度，擴展了氣體流量傳感器精確的流量測試范圍。 本發(fā)明的優(yōu)點在于通過氫氣壓力調節(jié)裝置和檢測系統(tǒng)可以實現(xiàn)燃氣噴嘴精確、
穩(wěn)定的目標噴射壓力，通過流量特性標定裝置可以設定氫氣噴嘴的噴射次數(shù)及相應的噴射
持續(xù)期，全面標定噴嘴流量特性并確定其最佳工作區(qū)域，同時利用電流卡鉗檢測并記錄噴
嘴驅動電流特性，通過對驅動電流信號的分析及軟硬件的優(yōu)化設計，可以得到噴嘴最佳驅
動電流特性使噴嘴獲得最佳工作狀態(tài)。本發(fā)明可以針對各種不同的燃氣噴嘴進行流量特性
的標定，優(yōu)化驅動電流特性并確定其最佳工作區(qū)域，為燃氣噴嘴的選型和應用提供精準的依據(jù)。 盡管結合上述優(yōu)選實施例來描述了本發(fā)明，但是應該知道，本發(fā)明不局限于所公
開的氫氣噴嘴流量特性設備例，本發(fā)明還可以覆蓋各種改進和落入本發(fā)明要求保護的精神
實質和范圍內(nèi)(壓縮天然氣CNG、液化天然氣LND、液化石油氣LPG噴嘴流量特性設備等)
的等同布置。 附圖標記說明 1.高壓儲氣瓶，2.氫氣減壓閥，3.氫氣穩(wěn)壓腔，4a.瞬態(tài)壓力傳感器，4b.瞬態(tài)壓力 傳感器，5.電子控制單元，6.數(shù)據(jù)檢測及采集單元，7.電流卡鉗，8.氫氣噴嘴，9.放氣閥， 10.集氣裝置，ll.水槽，12.放水閥，13.計算機。
權利要求
一種用于標定燃氣噴嘴的流量特性的設備，所述設備包括用于提供燃氣的燃氣源；用于對來自燃氣源的燃氣進行減壓的減壓裝置；用于對來自減壓裝置的燃氣進行穩(wěn)壓的穩(wěn)壓裝置；用于對來自穩(wěn)壓裝置的燃氣進行壓力檢測的第一壓力檢測裝置；用于對由待標定的噴嘴噴射出的燃氣進行收集和體積測量的集氣裝置；用于對集氣裝置內(nèi)的燃氣進行壓力檢測的第二壓力檢測裝置；以及控制系統(tǒng)，所述控制系統(tǒng)包括流量特性標定裝置，用于標定噴嘴的流量隨噴射持續(xù)期和噴射壓力的變化特性；以及噴嘴驅動電流確定裝置，用于確定噴嘴的驅動電流特性并基于噴嘴電磁閥的響應特性確定適合該燃氣噴嘴的驅動電流。
2. 根據(jù)權利要求1所述的設備，其特征在于，所述流量特性標定裝置是電子控制單元，所述電子控制單元設定燃氣噴嘴的噴射次數(shù)及相應的噴射持續(xù)期，以及所述噴嘴驅動電流確定裝置包括電流卡鉗，用于檢測噴嘴驅動電流。
3. 根據(jù)權利要求1所述的設備，其特征在于，所述燃氣噴射裝置包括與所述調壓裝置通過管路相連的燃氣穩(wěn)壓腔和與燃氣穩(wěn)壓腔相連的燃氣噴嘴，用于將穩(wěn)壓腔中的燃氣在目標噴射壓力下噴射到集氣裝置中。
4. 根據(jù)權利要求1所述的設備，其特征在于，所述第一和第二壓力檢測裝置是瞬態(tài)壓力傳感器，所述設備還包括數(shù)據(jù)采集裝置，用于采集瞬態(tài)壓力傳感器的信號，及顯示和分析相應壓力信號的燃燒分析儀；以及所述流量特性標定裝置基于標定的噴嘴幾何結構尺寸和標定的噴嘴流量特性數(shù)據(jù)得到不同條件下噴嘴的流量系數(shù)。
5. 根據(jù)權利要求4所述的設備，其特征在于，所述設備還包括用于對來自穩(wěn)壓裝置的燃氣進行流量檢測的流量檢測裝置，所述流量檢測裝置包括安裝在穩(wěn)壓裝置后的氣體流量傳感器，用于對標定測定的噴嘴流量進行驗證，以及用于根據(jù)所述噴嘴的流量系數(shù)對氣體流量傳感器進行標定的裝置。
6. 根據(jù)權利要求1所述的設備，其特征在于，所述燃氣源包括高壓儲氣瓶，所述減壓裝置包括燃氣減壓閥，所述穩(wěn)壓裝置包括穩(wěn)壓腔。
7. 根據(jù)權利要求l-6之所述的設備，其特征在于，所述流量特性標定裝置根據(jù)噴嘴允許工作壓力范圍，選定某一 目標噴射壓力及相應噴射次數(shù)，變化噴射持續(xù)期，標定噴嘴在此燃料供給壓力下的流量特性；改變目標噴射壓力，重復上述標定過程，可以得到不同燃料供給壓力下噴嘴的流量特性。
8. 根據(jù)權利要求7之所述的設備，其特征在于，所述可控制系統(tǒng)還包括計算機，在標定過程中，計算機實時比較燃氣噴射目標壓力值與檢測值，及時輸出修正指令信號調節(jié)燃氣減壓閥實現(xiàn)對燃氣壓力的閉環(huán)控制，以保證燃氣噴射壓力維持恒定。
9. 根據(jù)權利要求l-6之所述的設備，其特征在于，所述燃氣是氫氣、壓縮天然氣、瓦斯氣及其它可燃氣體燃料。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于標定燃氣噴嘴流量特性的設備。所述設備包括用于提供燃氣的燃氣源1；用于對來自燃氣源的燃氣進行減壓的減壓裝置2；用于對來自減壓裝置的燃氣進行穩(wěn)壓的穩(wěn)壓裝置3；用于對由待標定的噴嘴8噴射出的燃氣進行收集和體積測量的集氣裝置10；用于噴嘴前后端壓力進行檢測的壓力檢測的裝置4a、4b；以及控制系統(tǒng)6，所述控制系統(tǒng)包括流量特性標定裝置，用于標定噴嘴的流量隨噴射持續(xù)期和噴射壓力的變化特性；用于確定噴嘴的驅動電流特性并基于噴嘴電磁閥的響應特性確定適合該燃氣噴嘴的驅動電流。本發(fā)明可以針對各種不同的燃氣噴嘴進行流量特性的標定，確定其最佳工作區(qū)域同時優(yōu)化其驅動特性，為燃氣噴嘴的選型和應用提供精準的依據(jù)。
文檔編號F02M21/02GK101705884SQ20091023744
公開日2010年5月12日 申請日期2009年11月6日 優(yōu)先權日2009年11月6日
發(fā)明者劉福水, 孫柏剛, 張冬生 申請人:北京理工大學