共轨式发动机在线燃油消耗率测试系统和方法与流程

1.本发明涉及共轨式发动机在线燃油消耗率测试系统、方法，尤其涉及基于质量流量计的在线燃油消耗率测试系统、方法。


背景技术：

2.燃油消耗率是指发动机以1kw的功率工作1h的燃油消耗量，通常以每千瓦小时的耗油克数表示，即g/kwh。燃油消耗率是衡量发动机经济性的主要指标，是用户在选择发动机时，评价发动机工作特性的重要参考指标参数，因此发动机在研制或者出厂试验过程中，需要准确测量其燃油消耗率。
3.发动机燃油消耗率的测试方法通常采用称重法和质量流量法。称重法是采用高精度电子称重计，测量发动机在一定时间内消耗的实际质量，得到燃油消耗率，具有测量精度高、准确度高等优点。其工作原理是，利用电子称重计测量一定时间内的燃油变化量，其缺点是测量需要时间长，特别是针对大功率柴油机，设备体积较大，安装和应用不方便。目前在柴油机油耗测试方面主要采用该方法进行。
4.质量流量计法其主要工作原理是利用科里奥利力原理实现油耗的质量流量测试，其具有体积小、测量精度高、实时性好等优点。
5.公开日为“2010年3月24日”、公告号为“cn101676706a”、名称为“柴油机燃油消耗的测量装置及测量方法”的发明专利申请披露一种柴油机燃油消耗的测量装置，由燃油油柜—供油泵—第一质量流量计—循环泵—柴油机—燃油油柜组成一个大的燃油主回路。第一质量流量计输出的电信号通过导线送到燃油油耗仪。在燃油主回路中的燃油油柜与柴油机的燃油输出端之间的油管上安装一个第一阀门，柴油机的燃油输出端与循环泵的输入端通过一带有第二阀门的油路连通。在日常的柴油机燃油循环中，将第一阀门打开，将第二阀门关闭，燃油在大的燃油回路中循环；在需要进行测量的时候，将第一阀门关闭，第二阀门打开，流经第一质量流量计的燃油就是柴油机消耗的柴油量，因为柴油机的回油并没有循环到燃油油柜中，不存在质量流量计对其重复测量。然而该系统缺点是受燃油系统中的压力波动影响较大，这个压力波动会影响到油耗仪上，从而影响燃油消耗率测试的稳定性，也将导致无法通过油耗率反映发动机的工作状态，该系统应用在共轨式发动机上时该问题尤为突出。


技术实现要素：

6.本发明的一个目的是提供一种共轨式发动机在线燃油消耗率测试系统，其能稳定地在线测量燃油消耗率。
7.本发明的另一个目的在于提供一种共轨式发动机在线燃油消耗率测试方法。
8.一种共轨式发动机在线燃油消耗率测试系统，包括供油管路、喷油器回油管路、泵回油管路、发动机进油管路以及在所述供油管路中设置的质量流量计，该系统还包括稳压箱；所述稳压箱连接所述供油管路，用于接收所述供油管路供给的燃油；所述稳压箱还连接
所述喷油器回油管路和所述泵回油管路，用于接收所述喷油器回油管路和所述泵回油管路的回油；所述稳压箱还连接发动机进油管路，用于向共轨式发动机提供燃油；所述稳压箱设置有液位控制装置，所述液位控制装置根据所述稳压箱的液位高度反向相关地控制所述供油管路的供油量。
9.在一个或多个实施方式中，所述稳压箱设置透气口，箱体内压力设置为大气压。
10.在一个或多个实施方式中，所述液位控制装置包括阀门、浮球和连接件，所述浮球的浮动通过连接件带动阀门的阀芯，所述阀芯控制阀门的开度大小。
11.在一个或多个实施方式中，所述液位控制装置包括液位传感器和阀门，所述阀门的开度大小根据所述液位传感器的检测信号进行调节。
12.在一个或多个实施方式中，所述供油管路还连接高置油箱，所述高置油箱和所述稳压箱之间设置所述质量流量计。
13.在一个或多个实施方式中，所述供油管路还包括启停阀，设置在所述质量流量计和所述稳压箱之间，用于控制供油管路的启停。
14.一种共轨式发动机在线燃油消耗率测试方法，采用任一项述的共轨式发动机在线燃油消耗率测试系统，其包括以下步骤：
15.执行预备步骤，向该稳压箱供给燃油；
16.执行启动步骤，启动发动机，将发动机的回油引入到该稳压箱，且发动机的进油从该稳压箱输出，并持续地向该稳压箱供给燃油；
17.执行测量步骤，利用质量流量计测量向该稳压箱供给的燃油量；以及
18.基于质量流量计的测量值计算共轨式发动机在线燃油消耗率。
19.根据本发明系统和方法，其具有以下优点：
20.由于共轨式发动机在线燃油消耗率测试系统采用了质量流量计测量发动机燃油消耗量，与传统称重法相比，体积小，易安装，改动量小；
21.与其他采用质量流量计的测试系统相比，通过稳压箱隔离质量流量计和泵回油、喷油器回油，无压力波动等影响，测试结果稳定，精度高，同时解决了共轨喷油器的回油温度的影响，保证了柴油机工作稳定性；
22.液位控制装置根据所述稳压箱的液位高度反向相关地控制所述供油管路的供油量，因此可实时在线监测发动机的燃油消耗率，瞬态响应特性强。
附图说明
23.本发明的上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变得更加明显，其中：
24.图1是根据一个或多个实施方式的共轨式发动机在线燃油消耗率测试系统的示意图。
25.图2是根据一个或多个实施方式的稳压箱的示意图。
26.图3是根据一个或多个实施方式的共轨式发动机在线燃油消耗率测试方法的示意图。
具体实施方式
27.下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，在以下的描述中阐述了更多的细节以便于充分理解本发明，但是本发明显然能够以多种不同于此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下根据实际应用情况作类似推广、演绎，因此不应以此具体实施例的内容限制本发明的保护范围。
28.需要注意的是，这些以及后续其他的附图均仅作为示例，其并非是按照等比例的条件绘制的，并且不应该以此作为对本发明实际要求的保护范围构成限制。
29.如图1所示，发动机的燃油供给系统一般包括一根发动机进油管路11和多个回油管路，如泵回油管路12、喷油器回油管路13等。如果发动机包括高压共轨系统15，则泵回油管路12还包括低压泵16的回油管路121和高压泵17的回油管路122。图1示出的实施方式以高压共轨燃油系统为例进行示意。随着发动机的性能指标越来越高，燃油系统的回油部分中，泵回油量逐渐变大，且波动量也逐渐增加。同时，喷油器14的回油也因为喷射压力的提高，导致回油温度高、回油含油气泡等问题。尤其是喷射压力达到100mpa以上的高压共轨燃油系统，其回油背压的大小，直接影响发动机的工作性能。
30.后述实施方式可以解决以下几个问题：
31.1)高低压油泵回油量大，喷油器回油压力周期性波动，引起通过质量流量计的压力波动。
32.对于高压共轨式燃油系统，总回油量达到供给量的60％以上。因此燃油消耗测试设备的稳定性受回油影响特别大。另外，柴油机工作时喷油器回油是周期性的，导致回油管路中也存在周期性的压力波动，这个压力波动会影响到质量流量计的计量，从而影响燃油消耗率测试的稳定性，也将导致无法借助于油耗率反映发动机的工作状态。
33.2)喷油器要求回油无背压，而质量流量计要求供油为正压，如何协调两者的矛盾并准确进行油耗测试也是需要解决的问题之一。
34.质量流量计要求供油为正压力，以保持质量流量计内充满燃油，才能保证测量结果的准确性和稳定性。而共轨式发动机的喷油器要求回油无背压，或者回油背压不能超过某一限值(通常低于3kpa)。如喷油器回油压力过大，将会影响喷油器的工作性能，使发动机燃油消耗率增大。
35.3)喷油器回油温度高，油温会影响柴油机性能，导致油耗数据波动。
36.共轨式发动机的喷油器利用燃油回油冷却喷油器体，喷油器回油温度较高，可达到70℃以上。而燃油温度的变化将影响柴油机的燃烧性能，从而导致油耗的变化，为了保证燃油消耗测试的准确度，应保证燃油温度的恒定。
37.继续参照图1，共轨式发动机在线燃油消耗率测试系统包括供油管路2、喷油器回油管路13、泵回油管路12、发动机进油管路11以及在供油管路2中设置的质量流量计22。该测试系统还包括稳压箱3，一方面，稳压箱3连接供油管路2，用于接收供油管路2供给的燃油。另一方面，稳压箱3还连接喷油器回油管路13和泵回油管路12，用于分别接收喷油器回油管路13和泵回油管路12的回油。再一方面，稳压箱3还连接发动机进油管路11，用于向共轨式发动机1提供燃油。稳压箱3内设置有液位控制装置，液位控制装置根据稳压箱3的液位高度反向相关地控制供油管路2的供油量。
38.稳压箱3为箱式结构，提供容纳燃油的空间。供油管路2、喷油器回油管路13、泵回
油管路12、发动机进油管路11分别包括燃油管道以及燃油管道上配置的附件，附件可选地包括阀、冷却器、燃油滤器等。发动机进油管路11用于向发动机1供给燃油，发动机1例如为柴油发动机，特别是大型船舶动力发动机。喷油器回油管路13、泵回油管路12分别接收发动机1的喷油器回油和各类泵的回油。质量流量计22用于测量通过流量计的燃油的质量流量，包括但不限于这样的两类：一类是直接式，即直接输出质量流量；另一类为间接式或推导式，如应用超声流量计和密度计组合，对它们的输出再进行乘法运算以得出质量流量。液位控制装置将稳压箱3的液位高度与供油管路2的供油速度关联，如果液位变高，则供油速度降低，反之，若液位降低，则供油速度加大。在不同工况，燃油消耗率不同。例如在加速工况，燃油消耗率较高，稳压箱3内液位下降速度将增大，通过液位控制装置使得供油管2的供油速度增加；在减速工况，燃油消耗率较低，稳压箱3内液位下降速度变缓，通过液位控制装置使得供油管2的供油速度降低。液位控制装置根据工况的变化自动、动态地调整供油管2的供油速度。
39.由于液位控制装置的存在，发动机1一旦启动就开始消耗燃油，质量流量计22就有燃油通过，通过的燃油量就是消耗的燃油量，因此质量流量计测量的燃油量就是发动机1的实时或真实的燃油消耗量。由于稳压箱3将喷油器的回油隔离，因此喷油器的周期性波动相对质量流量计22的计量而言将被完全隔离，无法传导到稳压箱3的上游侧，同样地油泵回油导致的压力波动与质量流量计22隔离，质量流量计22可以稳定地进行测量。术语“上游”和“下游”是指相对于流体路径中的流体流动的相对方向。例如，“上游”是指流体从其流动的方向，“下游”是指流体向其流动的方向。
40.如图2所示，qj为发动机总的进机油量；qh1为喷油器回油量；qh2为高、低压油泵的回油量；q为发动机燃油消耗量，则：
41.q＝qj-qh1-qh2(kg/h)。
42.由此可以理解到，通过质量流量计22测量的质量流量实质上就是发动机燃油消耗率q，将质量流量计22测试得到的燃油消耗量数据，经过简单计算，即可获得实时准确的发动机燃油消耗率。
43.喷油器14的回油进口位置如图2所示，可以设置在液面310的上方，因此可以做到回油无背压，同时位于稳压箱3上游侧的质量流量计22在发动机1工作时始终有燃油通过，其供油为正压，通过稳压箱3协调了喷油器要求回油无背压，而质量流量计要求供油为正压的矛盾。喷油器回油温度可以通过新增加的燃油和泵回油降低，同时通过质量流量计22的燃油由于隔离于喷油器回油，因此燃油温度稳定，不存在喷油器回油温度高导致油耗数据波动的情况。
44.优选地，稳压箱3设置透气口，使得箱体内压力设置为大气压。通过透气口的设置，无论稳压箱3内液位的变化、油温的变化，稳压箱内始终保持为大气压，可以稳定发动机1的进油压力，消除回油波动和气泡。
45.图2示出了液位控制装置的一个实施方式。液位控制装置为浮球液位控制阀，包括阀门31、浮球32和连接件33，浮球32的浮动通过连接件33带动阀门31的阀芯，阀芯控制阀门31的开度大小，阀芯的一种设置方式是枢转设置，阀门31的开度大小与阀芯的转动角度有关。浮球32随液面310的变动而变动，当液面310降低，浮球32降低，浮球32通过连接件33带动阀门31的阀芯，使得阀门31的开度加大，增大燃油供给速度；反之，当液面310增大，浮球
32升高，浮球32通过连接件33带动阀门31的阀芯，使得阀门31的开度减小，减小燃油供给速度。
46.在另一实施方式中，液位控制装置包括液位传感器和阀门，阀门的开度大小根据液位传感器的检测信号进行调节。阀门可选地为伺服阀或比例阀。液位传感器用于检测液面310的高度，包括但不限于两类：一类为接触式，包括单法兰静压/双法兰差压液位变送器，浮球式液位变送器，磁性液位变送器，投入式液位变送器，电动内浮球液位变送器，电动浮筒液位变送器，电容式液位变送器，磁致伸缩液位变送器，伺服液位变送器等；第二类为非接触式，分为超声波液位变送器，雷达液位变送器等。
47.在图1示出的实施方式中，供油管路2还连接高置油箱21，高置油箱21和3稳压箱之间设置质量流量计22。高置油箱21的底部出口相对于质量流量计22高度为h，保证液位差h高度产生的供油压力p1，大于质量流量计22自身的压力损失δp，计算公式为p1＝ρ柴油
×g×
h＞δp，式中ρ柴油为柴油密度，g为重力加速度，油箱容积根据试验需求确定。在发动机试验场景下，采用高置油箱21可以向质量流量计22稳定地供应燃油。
48.继续参照图1，供油管路2还包括启停阀23，设置在质量流量计22和稳压箱3之间，用于控制供油管路2的启停。优选地，允可采用液位控制的电动阀门，实现自动功能。
49.继续参照图1，发动机进油管路11设置有燃油预供泵115、冷却器116和燃油过滤器117。燃油预供泵115在发动机启动前，给高压共轨系统15提供一定压力，起预供燃油作用；发动机1启动成功后，预供泵115根据需求，可以停止工作，通过旁通支路给发动机供油，也可以持续供油，提高供油压力。
50.冷却器116用于对发动机的进机燃油冷却，具备调温功能，布置在进油管路上。
51.燃油过滤器117用于过滤燃油杂质，保护共轨系统的喷油器部件，其通流能力与燃油预供泵115最大能力匹配。
52.结合图3，共轨式发动机在线燃油消耗率测试方法包括预备步骤41、启动步骤42和测量步骤43。
53.在预备步骤，向稳压箱3供给燃油，在稳压箱3的燃油量不超过或者低于一个设定量，该设定量由液位控制装置决定，当稳压箱3的液面达到该设定量对应的高度时，液位控制装置将控制供油管路停止供油。在预备步骤，质量流量计的测量数据不用作发动机的燃油消耗率测试数据。
54.在启动步骤42，启动发动机，将发动机的回油引入到该稳压箱，且发动机的进油从该稳压箱输出，并持续地向该稳压箱供给燃油。由于发动机的启动将消耗稳压箱3的燃油，致使稳压箱3的液面310下降，进而激发液位控制装置动作，控制供油管路2开始向稳压箱3供给燃油，然后持续向稳压箱3供给燃油，直到发动机停止。
55.在测量步骤43，利用质量流量计22测量向该稳压箱3供给的燃油量。测量步骤43可以与启动步骤42同步执行，或者延迟执行。
56.最后，基于质量流量计22的测量值计算共轨式发动机在线燃油消耗率。
57.以某型柴油机为例，验证所述燃油消耗率测试方法的稳定性。
58.(1)采用称重法，测量柴油机额定工况下燃油消耗率，取3次测量结果作为标准值；
59.(2)采用前述的燃油消耗率测试方法，在相同工况点测量3个结果，取得平均值；
60.(3)前述的燃油消耗率测试方法测试结果，与称重式测试结果对比，油耗测试结果
误差0.04％，满足燃油消耗测试需求。
61.以上详细参考本发明的实施例，其一个或多个示例在附图中示出。提供每个示例是为了解释本发明，而不是限制本发明。事实上，对于本领域技术人员来说显而易见的是，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，可以在本发明中进行各种修改和变化。因此，本发明旨在覆盖落入所附权利要求及其等同物的范围内的这些修改和变化。