燃气喷射速率的测量装置及方法
技术领域
本发明实施例涉及车辆发动机技术领域，尤其涉及一种燃气喷射量的测量 装置及方法。
背景技术
在天然气发动机中，缸内直喷技术可有效提高进气效率，供气特性稳定， 改善发动机动力性、经济性和排放特性，因此缸内直喷技术渐渐地受到重视。 在采用高压直喷的燃气系统中，喷射量和喷射波形(喷射速率)影响着燃烧特 性，且对发动机控制系统的开发有着重要的影响。掌握实际进气道内的燃气喷 射过程有利于直喷技术的利用和发展，从而进一步解决天然气发动机功率不足 的问题，提高发动机的燃油经济性。
在燃料电池中，氢气喷射器用于燃料电池的进堆瞬态流量计量，从而控制 燃料电池的输出特性。因此喷射速率的准确性会直接影响燃料电池的性能。
发明内容
本发明实施例提供一种燃气喷射速率的测量装置及方法，以实现准确的测 量燃气喷射速率。
第一方面，本发明实施例提供了一种燃气喷射速率的测量装置，其特征在 于，包括：喷射器、垫片、测试管道、第一压力传感器、第二压力传感器、隔 热材料、测量单元及控制驱动单元；
所述喷射器用于将燃气喷射至所述测试管道中；所述垫片介于所述喷射器 和所述测试管道之间，外部施加压力将所述喷射器、所述垫片及所述测试管道 挤压至一起；
所述测试管道包括扰动区前、第一扰动区、第二扰动区和扰动区后；所述 第一压力传感器和所述第二压力传感器设置于所述测试管道的扰动区后；所述 第一压力传感器用于测量所述测试管道内燃气的静态压强，所述第二压力传感 器用于测量所述测试管道内燃气的动态压强；
所述隔热材料包裹于所述测试管道外部；所述测量单元通过导线与所述测 试管道相连，用于测量所述测试管道的电阻；所述控制驱动单元用于控制所述 喷射器的喷射周期及喷射脉宽。。
第二方面，本发明实施例还提供了一种燃气喷射速率的测量方法，其特征 在于，包括：
获取测试管道内燃气的静态压强、静态密度及扰动区后处的第一动态压强；
根据所述静态压强、所述静态密度及所述第一动态压强计算燃气的流速；
获取所述测试管道内燃气的动态密度；
根据所述流速、动态密度及所述测试管道的截面积计算燃气的喷射速率。
本发明实施例提供的燃气喷射速率的测量装置，包括：喷射器、垫片、测 试管道、第一压力传感器、第二压力传感器、隔热材料、测量单元及控制驱动 单元；喷射器用于将燃气喷射至测试管道中；垫片介于喷射器和测试管道之间， 外部施加压力将喷射器、垫片及测试管道挤压至一起；测试管道包括扰动区前、 第一扰动区、第二扰动区和扰动区后；第一压力传感器和第二压力传感器设置 于测试管道的扰动区后；第一压力传感器用于测量测试管道内燃气的静态压强， 第二压力传感器用于测量测试管道内燃气的动态压强；隔热材料包裹于测试管 道外部；测量单元通过导线与测试管道相连，用于测量测试管道的电阻；控制 驱动单元用于控制喷射器的喷射周期及喷射脉宽。可以实现准确的测量燃气喷 射速率。
附图说明
图1是本发明实施例一中的一种燃气喷射速率的测量装置的结构示意图 图；
图2是本发明实施例二中的一种燃气喷射速率的测量方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此 处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需 要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结 构。
实施例一
图1为本发明实施例一提供的一种燃气喷射速率的测量装置的结构示意图 图，本实施例可适用于对车辆发动机中燃气喷射速率的测量，如图1所示，该 装置包括：喷射器101、垫片102、测试管道103、隔热材料104、第一压力传 感器105、第二压力传感器106、测量单元107及控制驱动单元108。
喷射器101用于将燃气喷射至测试管道103中；垫片102介于喷射器101 和测试管道103之间，外部施加压力将喷射器101、垫片102及测试管道103 挤压至一起。测试管道103包括扰动区前、第一扰动区、第二扰动区和扰动区 后。第一压力传感器105和第二压力传感器106设置于测试管道的扰动区后； 第一压力传感器105用于测量测试管道103内燃气的静态压强，第二压力传感 器106用于测量测试管道内燃气的动态压强。隔热材料104包裹于测试管道外 部，用于减小测试管道103与外界的能量交换；测量单元107通过导线与测试 管道103相连，用于测量测试管道103的电阻；控制驱动单元108用于控制喷 射器的喷射周期及喷射脉宽。
可选的，还包括：第三压力传感器109；第三压力传感器109设置于测试 管道103的第一扰动区中，用于测量第一扰动区中燃气的动态压强。第三压力 传感器109为压电式传感器。
可选的，所述喷射器101可以为台阶状喷射器或者轴针式喷射器；头部形 状为带喷孔的球头。
可选的，第一压力传感器105为压阻式传感器；第二压力传感器106为压 电式传感器。这是由于压阻式传感器测量静压较为准确，但是时间响应不足， 而压电式传感器则相反，测量的静压并不准确而测量压力的相对波动较为准确。
本实施例提供的燃气喷射速率的测量装置，包括：喷射器、垫片、测试管 道、第一压力传感器、第二压力传感器、隔热材料、测量单元及控制驱动单元； 喷射器用于将燃气喷射至测试管道中；垫片介于喷射器和测试管道之间，外部 施加压力将喷射器、垫片及测试管道挤压至一起；测试管道包括扰动区前、第 一扰动区、第二扰动区和扰动区后；第一压力传感器和第二压力传感器设置于 测试管道的扰动区后；第一压力传感器用于测量测试管道内燃气的静态压强， 第二压力传感器用于测量测试管道内燃气的动态压强；隔热材料包裹于测试管 道外部；测量单元通过导线与测试管道相连，用于测量测试管道的电阻；控制驱动单元用于控制喷射器的喷射周期及喷射脉宽。可以实现准确的测量燃气喷 射速率。
实施例二
图2为本发明实施例一提供的一种燃气喷射速率的测量方法的流程图，如 图2所示，该方法包括如下步骤：
步骤210，获取测试管道内燃气的静态压强、静态密度及扰动区后处的第 一动态压强。
其中，静态压强可以理解为燃气没有喷射时的压强，可以由设置于扰动区 后的第一压力传感器检测获得。第一动态压强可以理解为燃气喷射过程中的压 强，可以由设置于扰动区后的第二传感器实时检测。静态密度可以理解为燃气 没有喷射时的密度。
具体的，获取测试管道内燃气的静态密度的过程可以是：确定测试管道内 燃气的平均温度；对平均温度及静态压强进行热力学参数插值获得静态密度。
本实施例中，确定测试管道内燃气的平均温度的方式可以是：测试管道由 高纯密度金属制作而成，首先将测试管道放置于恒温水浴之中，通过改变恒温 水浴的温度获取测试管道平均温度与电阻之间的关系：
在获得平均温度及静态压强后，对平均温度和静态压强根据热力学参数表 插值计算获得静态密度。
步骤220，根据静态压强、静态密度及第一动态压强计算燃气的流速。
具体的，根据静态压强、静态密度及第一动态压强按照如下公式计算燃气 的流速：
本实施例中，涉及的参数包括：测试管道的截面积A，测试管道内气体的 流速u，声速c，压强P，密度ρ，温度T。燃气流速计算公式的推导过程如下： 喷射开始前测试管道内充满静止气体，扰动区前为喷嘴在内的微小距离，在此 区域内喷射气体形成。喷射开始后气体在第一扰动区内以微弱的速度du向前移 动，第一扰动区可以被认为是由喷射器喷出的气体形成的空气活塞，而此空气 活塞在第二扰动区和扰动区后的交界面处进行力的传递，推动管内原有的气体 向前传递，在dt时间内气体喷射产生的扰动传播距离为c·dt。在第二扰动区内， 状态参数为：空气扰动速度为du，压强为p+dp，密度为ρ+dρ，温度为T+dT， 在扰动区后(波后)，u＝0，压力为p，密度为ρ，温度为T。
在第一扰动区和第二扰动区内的气体质量，在扰动区前为ρc·dt·A，在扰 动区后为(ρ+dρ)·(c-du)·dt·A，根据质量守恒定律有：
ρc·dt·A＝(ρ+dρ)·(c-du)·dt·A(1)
将式(1)中的二项式看作无穷小，则有：
du＝c·dρ/ρ (2)
根据动量定律，扰动区内的气体，在dt前后的动量变化等于收到的合外力 的冲量，扰动前动量为0，扰动后动量为ρc·dt·A·du，而扰动区内气体在dt 时间内受到的合外力为Adp，则有：
ρc·dt·A·du＝A·dp·dt (3)
整理得：du＝dp/ρc(4)
将式(4)代入式(2)得到：
在实际过程中由于气体的可压缩性和喷射率的变化，ρ和c都随时间变化， 因此式(4)可改写为：
du＝dp/(ρ(t)c(t))(6)
式(5)可改写为：
微弱波动在传播过程中的扰动速度du和温度变化dT都是非常微小的，故 可以认为声波的传播过程是可逆的绝热过程，即等熵过程，则存在关系式：
p/ρκ＝常数 (8)
则有：p(t)/ρ(t)κ＝p0/ρ0κ(9)
整理得：
对式(8)求导可得：
dp/dρ＝κ(p/ρ)＝κ·RT (11)
其中R为摩尔气体常数。
则有：c(t)＝(κ·(p(t)/ρ(t)))1/2＝(κ·RT(t))1/2 (12)
通常情况下，温度传感器的时间响应为秒级而气体喷射器要求的时间响应 为毫秒级甚至更低，因此在具体实施过程中，只能够使用高响应的压力传感器 来测量才能够达到响应的要求。因此式(12)在本例中采用如下公式：
c(t)＝(κ·(p(t)/ρ(t)))1/2(13)
将式(13)和式(10)代入式(6)得：
将式(14)按时间积分可得：
当t＝0时，p(t)＝p0，u(t)＝0,则有：
整理得：
式(17)即为燃气流速的计算公式。
步骤230，获取测试管道内燃气的动态密度。
可选的，获取测试管道内的动态密度的方式可以是：根据静态压强、静态 密度及第一动态压强按照如下公式计算燃气的动态密度：
可选的，获取测试管道内燃气的动态密度的方式还可以是：根据流速及第 一动态压强按照如下公式计算第一动态密度：
其中，第二动态压强可以是由位于第一扰动区中的第三压力传感器测量得 到的。
具体的，第一动态密度和第二动态密度计算公式的推导过程如下：根据扰 动区前和第一扰动区的能量守恒可得：
其中，h1是扰动区前的焓，u1是扰动区前的流速，h2是第一扰动区的焓， u2是第一扰动区的流速。
式(18)可改写为：
T0是喷射开始前的气体平均温度。对第一扰动区中的压强和第一动态密度 进一步整理得到：
整理得：
式(21)为第一动态密度的计算公式。
根据式(11)有：
则第二动态密度的计算公式为：
则最终的动态密度的计算公式为：
步骤240，根据流速、动态密度及测试管道的截面积计算燃气的喷射速率。
具体的，根据流速、动态密度及测试管道的截面积根据如下公式计算燃气 的喷射速率：
其中，A为测试管道的截面积，d为测试管道的直径。
将公式(10)和公式(17)代入公式(25)得到喷射速率的一种计算公式：
将公式(17)和公式(24)代入公式(25)得到喷射速率的另一种计算公 式：
可选的，在根据流速、动态密度及测试管道的截面积计算燃气的喷射速率 之后，还包括如下步骤：获取燃气喷射的时间段；根据时间段和喷射速率计算 燃气在时间段内的喷射量。其中，时间段包括初始时刻和结束时刻。
具体的，喷射量可以按照如下公式计算：
本实施例的技术方案，首先获取测试管道内燃气的静态压强、静态密度及 扰动区后处的第一动态压强，然后根据静态压强、静态密度及第一动态压强计 算燃气的流速，再然后获取测试管道内燃气的动态密度，最后根据流速、动态 密度及测试管道的截面积计算燃气的喷射速率。可以准确的测量燃气喷射速率。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员 会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进 行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽 然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以 上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例， 而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。
