CN113217200B - 一种直喷氢内燃机氢气喷射测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直喷氢内燃机氢气喷射测试装置及方法，该装置包括：氢气供应模块、氢气喷射模块及控制模块；所述氢气喷射模块包括：氢气质量流量计、氢气轨道、瞬态压力传感器、稳态压力传感器、氢气喷嘴及喷嘴接头；所述氢气供应模块通过供气管路与氢气轨道的进气端连通，所述氢气供应模块用于给氢气喷射模块提供氢气；所述氢气轨道的出气端为两个以上，分别通过喷嘴接头与两个以上氢气喷嘴一一对应连通；所述瞬态压力传感器和稳态压力传感器分别安装在氢气轨道上；所述供气管路上安装有氢气质量流量计；本发明能够测试并验证直喷氢内燃机的供氢和喷氢能力，优选出一致性较好的喷嘴组合，计算直喷氢内燃机各缸差异性。

Description

一种直喷氢内燃机氢气喷射测试装置及方法

技术领域

本发明属于缸内直喷氢内燃机及氢气喷射技术领域，具体涉及一种直喷氢内燃机氢气喷射测试装置及方法。

背景技术

氢气是一种清洁燃料，其碳排放为零。燃氢内燃机具有很好的排放特性，燃烧后只产生氮氧化物和水，稀混合气燃烧时氮氧化物也可降低到比其他燃料低得多的水平，因此是比较理想的“绿色”燃料。近年来世界各国也都在积极致力于氢内燃机和汽车的开发。

氢内燃机按进气组织方式主要分两种：进气道喷射和缸内直喷。相比于进气道喷射，缸内直喷氢内燃机采用高压喷射的方式，通过多个直喷氢气喷嘴单独向各缸内射入氢气，从而解决了氢气占据缸内体积的问题，避免了早燃和回火的风险，可以大幅提升氢内燃机的动力性。随着内燃机的功率提升，对氢气供应和喷射的需求也愈加强烈。相比于进气道喷射，在高转速、大负荷工况，缸内直喷的喷射压力大约是其20倍，氢气流量是其5倍，因此对于氢气喷射系统的流量和一致性要求也越来越高。

但是，直喷氢气喷嘴的流量特性对喷射压力、电子控制条件都比较敏感，不同喷嘴间流量不一致性会导致内燃机运转时各缸差异性较大，从而影响整机工作的稳定性。为保证大流量下喷嘴前端喷射压力稳定，喷嘴前端还需配置一个氢气轨道，由于空间的限制，氢气轨道的体积不能过大，多个喷嘴同时喷射也会相互造成影响。此外，由于氢气分子小，氢气喷嘴装配在内燃机上不可避免的存在一些泄漏问题，其泄漏量也很难估计，停机后的氢气会持续泄漏进入密封的气缸内，带来的安全风险也亟需规避。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种直喷氢内燃机氢气喷射测试装置及方法，用于测试高压氢气喷嘴的流量特性、一致性；能够测试并验证直喷氢内燃机的供氢和喷氢能力，优选出一致性较好的喷嘴组合，计算直喷氢内燃机各缸差异性；还能够测试供氢模块的密封特性并对安全性进行评估计算。

本发明是通过下述技术方案实现的：

一种直喷氢内燃机氢气喷射测试装置，包括：氢气供应模块、氢气喷射模块及控制模块；

所述氢气喷射模块包括：氢气质量流量计、氢气轨道、瞬态压力传感器、稳态压力传感器、氢气喷嘴及喷嘴接头；

所述氢气供应模块通过供气管路与氢气轨道的进气端连通，所述氢气供应模块用于给氢气喷射模块提供氢气；所述氢气轨道的出气端为两个以上，分别通过喷嘴接头与两个以上氢气喷嘴一一对应连通；

所述瞬态压力传感器和稳态压力传感器分别安装在氢气轨道上，所述瞬态压力传感器用于测量氢气轨道内的瞬态压力；所述稳态压力传感器用于测量氢气轨道内的稳态压力；

所述供气管路上安装有氢气质量流量计；所述氢气质量流量计用于测量通过供气管路进入到氢气轨道内氢气流量；

所述控制模块用于调节所述供气管内的压力及控制氢气喷嘴的喷射。

进一步的，所述氢气供应模块包括：高压储氢瓶、过滤器、一级球阀、一级减压阀、二级减压阀、三通阀、单向放空阀及二级球阀；

所述高压储氢瓶的出口端通过供气管路与所述氢气轨道的进气端连接；

所述供气管路上沿从高压储氢瓶到氢气轨道的方向顺序安装有过滤器、一级球阀、一级减压阀、二级减压阀、三通阀、二级球阀及氢气质量流量计；所述三通阀的第三端通过管路与所述单向放空阀连接。

进一步的，所述控制模块包括：电脑和控制器；

所述控制器分别与所述二级减压阀、氢气质量流量计、瞬态压力传感器、稳态压力传感器及氢气喷嘴电性连接，用于接收氢气质量流量计测量的氢气流量值、所述瞬态压力传感器测量的瞬态压力值及所述稳态压力传感器测量的稳态压力值，并发送给电脑进行显示，并根据上述氢气流量值、瞬态压力值及稳态压力值，通过电脑给控制器发送指令，所述控制器根据接收到的指令控制二级减压阀及对应的氢气喷嘴工作。

进一步的，所述氢气喷射模块还包括：下挡片、丝杆及上挡片；

两个以上所述喷嘴接头通过上挡片连接为一体；两个以上所述氢气喷嘴通过下挡片连接为一体；所述上挡片和下挡片通过两个以上丝杆连接为一体。

进一步的，所述测试方法的具体步骤如下：

步骤1，对安装在所述测试装置上的氢气喷嘴进行单独驱动喷射，通过氢气质量流量计测量每个氢气喷嘴的氢气流量值，并通过格拉布斯检验方法检测控制模块的控制信号和氢气喷嘴是否损坏；

步骤2，利用区间估计的方法估计氢气喷嘴的氢气流量平均值，计算氢气喷嘴的氢气流量平均值的置信区间，并选出氢气流量值在所述置信区间内的设定个数的氢气喷嘴，所述设定个数为与待进行模拟的直喷氢内燃机的缸数相同；并将所选的氢气喷嘴替换安装在所述测试装置上；

步骤3，对装配在氢气轨道上的氢气喷嘴按直喷氢内燃机各缸的点火顺序间歇循环喷射，测量氢气轨道内的压力波动率，验证氢气轨道的设计是否满足工作流量需求；

步骤4，将氢气轨道充至最高喷射压力后静置设定时间后，记录氢气轨道静置前后的压力，计算氢气喷嘴的泄漏速率及评估氢气喷嘴的密封性。

进一步的，步骤1的具体流程如下：

步骤1-1，计算待模拟的直喷氢内燃机的氢气喷嘴在一次循环内喷射的氢气质量m_H和在最高功率时的最大喷射脉宽t_max及最高喷射频率f_max，计算公式如下：

式中，H_u为氢气的热值；η_et为有效热效率；P_e为直喷氢内燃机的额定功率；n为直喷氢内燃机的额定转速；

式中，P_i为参考喷射压力；V_i为在参考喷射压力P_i下的喷嘴流量特性；P_max为直喷氢内燃机的最高供氢压力；

步骤1-2，通过稳态压力传感器测量的氢气轨道内的稳态压力P₁，并通过控制模块调节氢气轨道内的压力，使得所述稳态压力P₁＝P_max；

步骤1-3,在待进行氢气喷射测试的n_i个氢气喷嘴中，将氢气喷嘴安装在所述测试装置上；通过控制模块依次对每个氢气喷嘴进行单独控制，使得每个氢气喷嘴的喷射脉宽均为最大喷射脉宽t_max，喷射频率为最高喷射频率f_max；

步骤1-4，氢气喷嘴依次单独进行氢气喷射，分别记录氢气质量流量计的氢气流量值Q_x，得到n_i个氢气喷嘴的氢气流量值Q_x，分别为

步骤1-5，对所有氢气喷嘴的氢气流量值Q_x进行格拉布斯检验，若检验结果出现可疑值，依次检查控制模块给氢气喷嘴的控制信号是否正常无干扰，控制模块的控制器是否工作正常，氢气喷嘴是否有损坏，并对发现的问题进行维修或更换，直至检验结果无可疑值出现。

进一步的，步骤2的具体流程如下：

步骤2-1，由于氢气喷嘴的流量特性满足正态分布，利用区间估计的方法估计氢气喷嘴的氢气流量平均值，计算氢气喷嘴的氢气流量平均值的置信区间，该置信区间的置信度为99％，计算公式如下：

式中，

为n_i只氢气喷嘴的氢气流量值Q_x的平均值，即

的平均值；s为n_i只氢气喷嘴的氢气流量值Q_x的标准差，即

的标准差，t_α/2(n_i-1)为t分布的分度数，1-为置信度，置信度等于0.99；

步骤2-2，在n_i只氢气喷嘴中，选择设定个数的氢气流量值Q_x在所述置信区间内的氢气喷嘴，并安装在所述测试装置上，再次进行单独喷射，分别记录所选的氢气喷嘴的氢气流量值Q_选；

步骤2-3，计算所选四个的氢气喷嘴的喷射流量不均匀系数CoV_Q，计算公式如下：

式中，

为所选的氢气喷嘴的氢气流量值Q_选的平均值；s_Q为所选的氢气喷嘴的氢气流量值Q_选的标准差；

若CoV_Q小于或等于1％，表示所选的氢气喷嘴的喷射流量一致；若CoV_Q大于1％，表示所选的氢气喷嘴的喷射流量相差大，则重新在n_i只氢气喷嘴中，选择设定个数的氢气流量值Q_x在所述置信区间内的氢气喷嘴，重复步骤2-2到步骤2-3，直到所选的氢气喷嘴的CoV_Q小于或等于1％。

进一步的，步骤3的具体流程如下：

步骤3-1，通过控制模块控制最终所选的氢气喷嘴按直喷氢内燃机各缸的点火顺序间歇循环喷射，以模拟直喷氢内燃机工作时的喷射情况，且所述四个氢气喷嘴的喷射脉宽为t_max，喷射频率为f_max，氢气喷嘴之间的喷射间隔为t_i，

步骤3-2，通过瞬态压力传感器测量步骤3-1下的氢气轨道内的瞬态压力，进而得到氢气轨道内的压力波动，计算氢气轨道内的压力波动率p_CoV，计算公式如下：

式中，p_max为喷射时氢气轨道内瞬态压力的波峰值；p_min为氢气轨道内瞬态压力的波谷值；P₁为氢气轨道的稳态压力值，且P₁＝P_max；

若p_CoV小于或等于3％，表示氢气轨道的结构和大小设计合理；若p_CoV大于3％，表示氢气轨道的结构和大小设计不合理，则需要优化氢气轨道的设计，直到p_CoV小于或等于3％。

进一步的，在步骤4中，计算氢气喷嘴的泄漏速率的方法如下：

步骤4-1，将氢气轨道的稳态压力P₁充至最高供氢压力P_max后，保持氢气喷射模块内压力不变，保压静置；保压静置时间t_静后，氢气轨道的稳态压力降至P₂，根据理想气体状态方程计算单个氢气喷嘴的泄漏速率R_V，计算公式如下：

式中，V_rail为氢气轨道的体积；R为氢气的理想气体常数；T为氢气轨道的热力学温度；

步骤4-2，根据单个氢气喷嘴的泄漏速率R_V，计算单个氢气喷嘴的一次循环内的循环泄漏率R_L，计算公式如下：

进一步的，在步骤4中，评估氢气喷嘴的密封性的方法如下：

依据单个氢气喷嘴的泄漏速率R_V，计算安全时间t_safe，来评估氢气喷嘴的密封性，计算公式如下：

式中，

为环境温度下氢气密度；V_cylinder为直喷氢内燃机的单个气缸容积；

在t_safe时间内，氢气喷嘴的氢气泄漏不会带来安全隐患；当时间超过t_safe后，氢气喷嘴的氢气泄漏会带来安全隐患。

有益效果：

(1)本发明用于直喷氢内燃机的喷射系统独立测试装置，可以模拟氢气喷嘴安装于直喷氢内燃机缸盖时的机械结构和全套供氢系统，来进行氢气喷射测试，测量氢气喷嘴的流量特性；可以检测氢气喷嘴及控制模块的可靠性；测试高压氢气喷嘴的流量特性、一致性；优选出一致性较好的喷嘴组合，计算直喷氢内燃机各缸差异性；经过氢气喷射测试后，所选的氢气喷嘴及设计的氢气轨道组成的氢气喷射模块，可以最大程度的保证直喷氢内燃机各缸均匀性、瞬态响应特性和安全性，同时保证氢气喷射模块的供应能满足直喷氢内燃机高转速、大功率的需求。

(2)本发明可以在不装配至直喷氢内燃机时模拟直喷氢内燃机的氢气供应系统和氢气喷射系统，需要在氢气使用安全、通风好的环境开展氢气喷射测试，从而避免了大量氢气喷入狭小密闭的气缸内，引发爆炸的安全问题，且本发明还可以测试氢气供应模块的密封特性并对安全性进行评估计算。

(3)本发明的氢气喷射测试方法可以对测试装置的设计合理性、氢气喷嘴的流量特性、一致性及泄漏性进行定量检测；该测试方法包括以下步骤：1)对氢气喷嘴单独驱动喷射，通过格拉布斯检验方法检测控制信号和氢气喷嘴质量，找出已经损坏的氢气喷嘴或控制器；2)对多只氢气喷嘴的流量值进行区间估计，选出一致性好的氢气喷嘴，从而保证直喷氢内燃机工作时的各缸均匀性；并计算各氢气喷嘴的流量不一致性；3)对装配在氢气轨道上的所有氢气喷嘴同时喷射测试，测量氢气轨道内的压力波动率，验证氢气轨道设计是否满足工作流量需求；4)将氢气轨道充至最高喷射压力后静置一段时间，记录氢气轨道静置前后的压力，计算氢气喷嘴泄漏率并计算、评估喷嘴的安全风险。因此，利用氢气喷射测试的结果可以检测直喷氢内燃机的整套氢气供应系统的可靠性、流量不一致性和泄漏特性，预测氢气供应系统的最大性能，为匹配直喷氢内燃机提供参考。

(4)本发明测试氢气喷嘴的密封性时可将氢气喷嘴顶端置于水槽中，通过观察拍摄氢气喷嘴顶端生成小气泡的速率快速判断氢气喷嘴的泄露率大小；利用测试泄漏的结果，可以对直喷氢内燃机估算循环氢气喷嘴流量的算法进行泄漏补偿，对因氢气喷嘴泄漏导致的安全问题进行计算和评估。

附图说明

图1为本发明的测试装置的结构组成图；

图2为本发明的氢气喷射模块的结构组成图；

图3为本发明的测试方法的流程图；

其中，1-高压储氢瓶，2-过滤器，3-一级球阀，4-一级减压阀，5-二级减压阀，6-三通阀，7-单向放空阀，8-二级球阀，9-氢气质量流量计，10-氢气轨道，11-瞬态压力传感器，12-稳态压力传感器，13-下螺母，14-下挡片，15-丝杆，16-氢气喷嘴，17-喷嘴接头，18-上挡片，19-上螺母。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本实施例提供了一种直喷氢内燃机氢气喷射测试装置，所述测试装置用于模拟直喷氢内燃机的氢气供应系统和氢气喷射系统；本实施例的直喷氢内燃机的缸数为四个，即设有四个氢气喷嘴；

所述测试装置包括：氢气供应模块、氢气喷射模块及控制模块；

参见附图1，所述氢气供应模块用于模拟直喷氢内燃机的氢气供应系统，包括：高压储氢瓶1、过滤器2、一级球阀3、一级减压阀4、二级减压阀5、三通阀6、单向放空阀7及二级球阀8；

所述氢气喷射模块用于模拟直喷氢内燃机的氢气喷射系统，包括：氢气质量流量计9、氢气轨道10、瞬态压力传感器11、稳态压力传感器12、下挡片14、丝杆15、氢气喷嘴16、喷嘴接头17及上挡片18；

所述控制模块包括：电脑21和控制器20；

所述氢气喷嘴16采用直喷氢内燃机的氢气喷嘴，且所述测试装置的氢气喷嘴16的个数与所述直喷氢内燃机的缸数相同，本实施例中，所述氢气喷嘴16的个数为四个；

所述高压储氢瓶1的出口端通过供气管路与所述氢气轨道10的进气端连接；所述氢气轨道10的出气端为四个，分别通过四个喷嘴接头17与四个氢气喷嘴16连接；

所述供气管路上沿从高压储氢瓶1到氢气轨道10的方向顺序安装有过滤器2、一级球阀3、一级减压阀4、二级减压阀5、三通阀6、二级球阀8及氢气质量流量计9；所述三通阀6的第三端通过管路与所述单向放空阀7连接；所述氢气质量流量计9用于测量通过供气管路进入到氢气轨道10内氢气流量，并将氢气流量值发送给所述控制模块；

所述瞬态压力传感器11和稳态压力传感器12分别安装在氢气轨道10上，所述瞬态压力传感器11用于测量氢气轨道10内的瞬态压力，并将瞬态压力值发送给所述控制模块；所述稳态压力传感器12用于测量氢气轨道10内的稳态压力，并将稳态压力值发送给所述控制模块；

所述控制器20分别与所述二级减压阀5、氢气质量流量计9、瞬态压力传感器11、稳态压力传感器12及氢气喷嘴16电性连接，用于接收所述氢气流量值、所述瞬态压力值及所述稳态压力值，并发送给电脑21进行显示，操作人员根据上述氢气流量值、瞬态压力值及稳态压力值，通过电脑21给控制器20发送指令，所述控制器20根据接收到的指令控制二级减压阀5及对应的氢气喷嘴16工作；

其中，参见附图2，四个所述喷嘴接头17通过上挡片18连接为一体；四个所述氢气喷嘴16通过下挡片14连接为一体；所述上挡片18和下挡片14通过两个以上丝杆15连接为一体，即丝杆15的一端穿过上挡片18后，通过上螺母19锁紧在上挡片18上，丝杆15的另一端穿过下挡片14后，通过下螺母13锁紧在下挡片14上；

所述喷嘴接头17为变径接头；喷嘴接头17的上端口设有外螺纹，并通过所述外螺纹与氢气轨道10的出气端密封连接；喷嘴接头17的下端口设有密封卡槽，所述下端口与所述氢气喷嘴16进行孔轴套接，且所述密封卡槽内安装有密封圈，通过密封圈实现喷嘴接头17与氢气喷嘴16的密封连接；所述喷嘴接头17的内腔作为氢气通道将所述氢气轨道10的内腔与所述氢气喷嘴16内腔连通，供高压氢气流通；

所述喷嘴接头17变径处的台阶面与上档片14抵触，氢气喷嘴16上的环形挡片与下挡片14抵触，所述上档片14和下挡片14限制了氢气喷嘴16的轴向位移，且上档片14和下挡片14之间通过丝杆15和上螺母19和下螺母13锁紧，保证喷嘴接头17与氢气喷嘴16的紧密连接；且上档片14和下挡片14限制了氢气喷嘴16的周向位移；

工作原理：所述一级球阀3和二级球阀8处于打开状态，所述氢气从高压储氢瓶1释放后，首先通过过滤器2除去氢气内的杂质，然后顺序经过一级减压阀4和二级减压阀5减压至指定压力后，进入到氢气轨道10内；

在保证所述测试装置所处环境安全通风时，通过控制模块控制氢气喷嘴16模拟直喷氢内燃机的转速频率进行间歇喷射氢气，并在不同压力、不同脉宽下进行氢气喷射测试，测量氢气喷嘴16的流量特性；通过氢气质量流量计9记录不同压力、不同脉宽下的流量数据，通过瞬态压力传感器11记录对应的氢气轨道10内压力的波动变化率；所述氢气喷射测试结束后，关闭二级球阀8，对所述氢气喷射模块进行密封性测试；最后，打开二级球阀8，关闭一级球阀3，同时打开与三通阀6连接的单向放空阀7，排空所述测试装置内所有残留氢气，保证安全。

实施例2：

由于氢气分子小，喷射压力高，且氢气喷嘴16使用过程中无润滑，因此多只氢气喷嘴16之间的流量特性不一致较大，因此，需要在开放通风、周围无明火和可燃物的工作环境进行氢气喷射测试，测试氢气喷嘴16的流量特性，参见附图3，所述测试的具体步骤如下：

步骤一，计算待模拟的直喷氢内燃机的氢气喷嘴在一次循环内喷射的氢气质量m_H和在最高功率时的最大喷射脉宽t_max及最高喷射频率f_max，计算公式如下：

式中，m_H为一次循环内喷射的氢气质量，mg；H_u为氢气的热值，J/kg；η_et为有效热效率；P_e为直喷氢内燃机的额定功率，kW；n为直喷氢内燃机的额定转速，r/min；

式中，t_max为最大喷射脉宽，ms；m_H为一次循环内喷射的氢气质量，mg；P_i为参考喷射压力，MPa；V_i为在参考喷射压力P_i下的喷嘴流量特性，kg/h；P_max为直喷氢内燃机的最高供氢压力(以保证在最高功率处，直喷氢内燃机能够稳定运转)，MPa；

式中，f_max为氢气喷嘴的最高喷射频率，Hz；n为直喷氢内燃机的额定转速，r/min；

步骤二，通过稳态压力传感器12测量的氢气轨道10内的稳态压力P₁，并通过控制模块调节二级减压阀5的开度，使得所述稳态压力P₁＝最高供氢压力P_max；

步骤三，在待进行氢气喷射测试的n_i个氢气喷嘴16中，令每四个氢气喷嘴16为一组喷嘴，将第一组喷嘴安装在所述测试装置上；通过控制模块依次对每个氢气喷嘴16进行单独控制，使得每个氢气喷嘴16的喷射脉宽均为最大喷射脉宽t_max，喷射频率为最高喷射频率f_max；

步骤四，四个氢气喷嘴16依次单独进行氢气喷射，令四个氢气喷嘴16分别为1号喷嘴、2号喷嘴、3号喷嘴及4号喷嘴；此时，分别记录氢气质量流量计9的氢气流量值Q_x，单位为kg/h；其中x＝1时，表示1号喷嘴对应的氢气流量值Q₁；x＝2时，表示2号喷嘴对应的氢气流量值Q₂；x＝3时，表示3号喷嘴对应的氢气流量值Q₃；x＝4时，表示4号喷嘴对应的氢气流量值Q₄；

步骤五，对四个氢气喷嘴16的氢气流量值Q_x进行格拉布斯检验，具体方法参见GB/T6379.2-2004，若检验结果出现可疑值，依次检查控制模块给氢气喷嘴16的控制信号是否正常无干扰，控制模块的控制器20是否工作正常，氢气喷嘴16是否有损坏，并对发现的问题进行维修或更换，直至检验结果无可疑值出现；

步骤六，将第一组喷嘴从所述测试装置上拆下后，更换为第二组喷嘴，重复步骤二到步骤五，依次类推，得到n_i个氢气喷嘴16的氢气流量值Q_x，分别为

步骤七，由于氢气喷嘴16的流量特性与产品质量有关，因此氢气喷嘴16的流量特性满足正态分布，利用区间估计的方法估计氢气喷嘴16的氢气流量平均值，计算氢气喷嘴16的氢气流量平均值的置信区间，该置信区间的置信度为99％，计算公式如下：

式中，

为n_i只氢气喷嘴16的氢气流量值Q_x的平均值，即

的平均值；s为n_i只氢气喷嘴16的氢气流量值Q_x的标准差，即

的标准差，t_α/2(n_i-1)为t分布的分度数，1-α为置信度，置信度等于0.99；

步骤八，在n_i只氢气喷嘴16中，选择四个氢气流量值Q_x在所述置信区间内的氢气喷嘴16(该四个氢气喷嘴16的流量特性的一致性高，可以保证直喷氢内燃机各缸工作的均匀性)，并安装在所述测试装置上，再次进行单独喷射(喷射脉宽为最大喷射脉宽t_max，喷射频率为最高喷射频率f_max)，分别记录所选四个氢气喷嘴16的氢气流量值Q_选，即Q_选1，Q_选2，Q_选3，Q_选4；

步骤九，计算所选四个的氢气喷嘴16的喷射流量不均匀系数CoV_Q，计算公式如下：

式中，CoV_Q为喷射流量不均匀系数，％；

为所选四个氢气喷嘴16的氢气流量值Q_选的平均值，即Q_选1、Q_选2、Q_选3、Q_选4的平均值；s_Q为所选四个氢气喷嘴16的氢气流量值Q_选的标准差，Q_选1、Q_选2、Q_选3、Q_选4的标准差；

若CoV_Q小于或等于1％，表示所选四个的氢气喷嘴16的喷射流量基本一致；若CoV_Q大于1％，表示所选四个的氢气喷嘴16的喷射流量相差较大，则重新在n_i只氢气喷嘴16中，选择四个氢气流量值Q_x在所述置信区间内的氢气喷嘴16，重复步骤八到步骤九，直到所选的四个的氢气喷嘴16的CoV_Q小于或等于1％；

步骤十，通过控制模块控制最终所选的四个氢气喷嘴16按直喷氢内燃机各缸的点火顺序间歇循环喷射，以模拟直喷氢内燃机工作时的喷射情况，且所述四个氢气喷嘴16的喷射脉宽为t_max，喷射频率为f_max，氢气喷嘴16之间的喷射间隔为t_i，

其中，t_i单位为ms，n为直喷氢内燃机的额定转速，r/min；

步骤十一，通过瞬态压力传感器11测量步骤十下的氢气轨道10内的瞬态压力，进而得到氢气轨道10内的压力波动，计算氢气轨道10内的压力波动率p_CoV，计算公式如下：

式中，p_max为喷射时氢气轨道10内瞬态压力的波峰值，MPa；p_min为氢气轨道10内瞬态压力的波谷值，MPa；P₁为氢气轨道10的稳态压力值，且P₁＝最高供氢压力P_max，MPa；

若p_CoV小于或等于3％，表示氢气轨道10的结构和大小设计合理，可以稳定大流量氢气喷射时的前端压力；若p_CoV大于3％，表示氢气轨道10的结构和大小设计不合理，则需要优化氢气轨道10的设计，直到p_CoV小于或等于3％；

至此，完成氢气喷射测试，即氢气喷嘴16的流量特性测试；经过氢气喷嘴16的流量特性测试后，所选的氢气喷嘴16及设计的氢气轨道10组成的氢气喷射模块，可以最大程度的保证直喷氢内燃机各缸均匀性、瞬态响应特性和安全性，同时保证氢气喷射模块的供应能满足直喷氢内燃机高转速、大功率的需求。

步骤十二，由于氢气分子小，氢气喷嘴16的头部会有泄露，因此，需要对所述氢气喷射模块进行密封性测试，即测试氢气喷嘴16的泄露率，具体步骤如下：

步骤12-1，将氢气轨道10的稳态压力P₁充至最高供氢压力P_max后，关闭二级球阀8，保持氢气喷射模块内压力不变，保压静置；静置过程中可将氢气喷嘴16的头部浸入水槽中，观察氢气喷嘴16的头部是否有小气泡产生，从直观上可通过小气泡产生的速率来判断氢气喷嘴16泄露的速率，即氢气喷嘴16的泄露率大小；保压静置时间t_静(单位s)后，氢气轨道10的稳态压力降至P₂(单位MPa)，根据理想气体状态方程计算单个氢气喷嘴16的泄漏速率R_V，计算公式如下：

式中，R_V为单个氢气喷嘴16的泄漏速率，mg/s；V_rail为氢气轨道10的体积，L；R为氢气的理想气体常数，J/(kg·K)；T为氢气轨道10的热力学温度，K；

步骤12-2，根据单个氢气喷嘴16的泄漏速率R_V，计算单个氢气喷嘴16的一次循环内的循环泄漏率R_L，计算公式如下：

式中，n为直喷氢内燃机的额定转速，r/min；m_H为一次循环内喷射的氢气质量，mg；循环泄露率R_L代表单个氢气喷嘴16的一次循环喷射中，有R_L比例的氢气流量是不受所述测试装置控制的，若测试装置中需要估计氢气喷嘴16的流量，需要加上R_L的泄漏流量作为补偿。

步骤十三，直喷氢内燃机在实际使用过程中，在直喷氢内燃机停机的情况下，如果未能及时排空管路中的氢气，会有一部分氢气通过氢气喷嘴16泄露而进入密闭的气缸，当浓度积累至氢气的爆炸极限4％时，会造成安全隐患；因此，依据单个氢气喷嘴16的泄漏速率R_V，计算安全时间t_safe，来评估氢气喷嘴16的密封性，计算公式如下：

式中，t_safe为安全时间，h；

为环境温度下氢气密度，g/L；V_cylinder为直喷氢内燃机的单个气缸容积，L；

在t_safe时间内，氢气喷嘴16的氢气泄漏不会带来安全隐患；当时间超过t_safe后，氢气喷嘴16的氢气泄漏会带来安全隐患，因此，需要避免直喷氢内燃机的各缸缸内出现明火和热点，并通过直喷氢内燃机的倒拖换气，将缸内的氢气排出，防止爆炸。

本实施例1和2是针对直列四缸内燃机开发的测试装置和方法，但对于其他缸数及布置形式的直喷氢内燃机依旧适用。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种直喷氢内燃机氢气喷射测试方法，基于一种直喷氢内燃机氢气喷射测试装置，所述测试装置，包括：氢气供应模块、氢气喷射模块及控制模块；

所述氢气喷射模块包括：氢气质量流量计(9)、氢气轨道(10)、瞬态压力传感器(11)、稳态压力传感器(12)、氢气喷嘴(16)及喷嘴接头(17)；

所述氢气供应模块通过供气管路与氢气轨道(10)的进气端连通，所述氢气供应模块用于给氢气喷射模块提供氢气；所述氢气轨道(10)的出气端为两个以上，分别通过喷嘴接头(17)与两个以上氢气喷嘴(16)一一对应连通；

所述瞬态压力传感器(11)和稳态压力传感器(12)分别安装在氢气轨道(10)上，所述瞬态压力传感器(11)用于测量氢气轨道(10)内的瞬态压力；所述稳态压力传感器(12)用于测量氢气轨道(10)内的稳态压力；

所述供气管路上安装有氢气质量流量计(9)；所述氢气质量流量计(9)用于测量通过供气管路进入到氢气轨道(10)内氢气流量；

所述控制模块用于调节所述供气管内的压力及控制氢气喷嘴(16)的喷射；

其特征在于，所述测试方法的具体步骤如下：

步骤1，对安装在所述测试装置上的氢气喷嘴(16)进行单独驱动喷射，通过氢气质量流量计(9)测量每个氢气喷嘴(16)的氢气流量值，并通过格拉布斯检验方法检测控制模块的控制信号和氢气喷嘴(16)是否损坏；

步骤2，利用区间估计的方法估计氢气喷嘴(16)的氢气流量平均值，计算氢气喷嘴(16)的氢气流量平均值的置信区间，并选出氢气流量值在所述置信区间内的设定个数的氢气喷嘴(16)，所述设定个数为与待进行模拟的直喷氢内燃机的缸数相同；并将所选的氢气喷嘴(16)替换安装在所述测试装置上；

步骤3，对装配在氢气轨道(10)上的氢气喷嘴(16)按直喷氢内燃机各缸的点火顺序间歇循环喷射，测量氢气轨道(10)内的压力波动率，验证氢气轨道(10)的设计是否满足工作流量需求；

步骤4，将氢气轨道(10)充至最高喷射压力后静置设定时间后，记录氢气轨道(10)静置前后的压力，计算氢气喷嘴(16)的泄漏速率及评估氢气喷嘴(16)的密封性。

2.如权利要求1所述的一种直喷氢内燃机氢气喷射测试方法，其特征在于，步骤1的具体流程如下：

步骤1-1，计算待模拟的直喷氢内燃机的氢气喷嘴在一次循环内喷射的氢气质量m_H和在最高功率时的最大喷射脉宽t_max及最高喷射频率f_max，计算公式如下：

式中，H_u为氢气的热值；η_et为有效热效率；P_e为直喷氢内燃机的额定功率；n为直喷氢内燃机的额定转速；

式中，P_i为参考喷射压力；V_i为在参考喷射压力P_i下的喷嘴流量特性；P_max为直喷氢内燃机的最高供氢压力；

步骤1-2，通过稳态压力传感器(12)测量的氢气轨道(10)内的稳态压力P₁，并通过控制模块调节氢气轨道(10)内的压力，使得所述稳态压力P₁＝P_max；

步骤1-3，在待进行氢气喷射测试的n_i个氢气喷嘴(16)中，将氢气喷嘴(16)安装在所述测试装置上；通过控制模块依次对每个氢气喷嘴(16)进行单独控制，使得每个氢气喷嘴(16)的喷射脉宽均为最大喷射脉宽t_max，喷射频率为最高喷射频率f_max；

步骤1-4，氢气喷嘴(16)依次单独进行氢气喷射，分别记录氢气质量流量计(9)的氢气流量值Q_x，得到n_i个氢气喷嘴(16)的氢气流量值Q_x，分别为

步骤1-5，对所有氢气喷嘴(16)的氢气流量值Q_x进行格拉布斯检验，若检验结果出现可疑值，依次检查控制模块给氢气喷嘴(16)的控制信号是否正常无干扰，控制模块的控制器(20)是否工作正常，氢气喷嘴(16)是否有损坏，并对发现的问题进行维修或更换，直至检验结果无可疑值出现。

3.如权利要求2所述的一种直喷氢内燃机氢气喷射测试方法，其特征在于，步骤2的具体流程如下：

步骤2-1，由于氢气喷嘴(16)的流量特性满足正态分布，利用区间估计的方法估计氢气喷嘴(16)的氢气流量平均值，计算氢气喷嘴(16)的氢气流量平均值的置信区间，该置信区间的置信度为99％，计算公式如下：

式中，

为n_i只氢气喷嘴(16)的氢气流量值Q_x的平均值，即

的平均值；s为n_i只氢气喷嘴(16)的氢气流量值Q_x的标准差，即

的标准差，t_α/2(n_i-1)为t分布的分度数，1-α为置信度，置信度等于0.99；

步骤2-2，在n_i只氢气喷嘴(16)中，选择设定个数的氢气流量值Q_x在所述置信区间内的氢气喷嘴(16)，并安装在所述测试装置上，再次进行单独喷射，分别记录所选的氢气喷嘴(16)的氢气流量值Q_选；

步骤2-3，计算所选四个的氢气喷嘴(16)的喷射流量不均匀系数CoV_Q，计算公式如下：

式中，

为所选的氢气喷嘴(16)的氢气流量值Q_选的平均值；s_Q为所选的氢气喷嘴(16)的氢气流量值Q_选的标准差；

若CoV_Q小于或等于1％，表示所选的氢气喷嘴(16)的喷射流量一致；若CoV_Q大于1％，表示所选的氢气喷嘴(16)的喷射流量相差大，则重新在n_i只氢气喷嘴(16)中，选择设定个数的氢气流量值Q_x在所述置信区间内的氢气喷嘴(16)，重复步骤2-2到步骤2-3，直到所选的氢气喷嘴(16)的CoV_Q小于或等于1％。

4.如权利要求3所述的一种直喷氢内燃机氢气喷射测试方法，其特征在于，步骤3的具体流程如下：

步骤3-1，通过控制模块控制最终所选的氢气喷嘴(16)按直喷氢内燃机各缸的点火顺序间歇循环喷射，以模拟直喷氢内燃机工作时的喷射情况，且所述四个氢气喷嘴(16)的喷射脉宽为t_max，喷射频率为f_max，氢气喷嘴(16)之间的喷射间隔为t_i，

步骤3-2，通过瞬态压力传感器(11)测量步骤3-1下的氢气轨道(10)内的瞬态压力，进而得到氢气轨道(10)内的压力波动，计算氢气轨道(10)内的压力波动率p_CoV，计算公式如下：

式中，p_max为喷射时氢气轨道(10)内瞬态压力的波峰值；p_min为氢气轨道(10)内瞬态压力的波谷值；P₁为氢气轨道(10)的稳态压力值，且P₁＝P_max；

若p_CoV小于或等于3％，表示氢气轨道(10)的结构和大小设计合理；若p_CoV大于3％，表示氢气轨道(10)的结构和大小设计不合理，则需要优化氢气轨道(10)的设计，直到p_CoV小于或等于3％。

5.如权利要求4所述的一种直喷氢内燃机氢气喷射测试方法，其特征在于，在步骤4中，计算氢气喷嘴(16)的泄漏速率的方法如下：

步骤4-1，将氢气轨道(10)的稳态压力P₁充至最高供氢压力P_max后，保持氢气喷射模块内压力不变，保压静置；保压静置时间t_静后，氢气轨道(10)的稳态压力降至P₂，根据理想气体状态方程计算单个氢气喷嘴(16)的泄漏速率R_V，计算公式如下：

式中，V_rail为氢气轨道(10)的体积；R为氢气的理想气体常数；T为氢气轨道(10)的热力学温度；

步骤4-2，根据单个氢气喷嘴(16)的泄漏速率R_V，计算单个氢气喷嘴(16)的一次循环内的循环泄漏率R_L，计算公式如下：

6.如权利要求5所述的一种直喷氢内燃机氢气喷射测试方法，其特征在于，在步骤4中，评估氢气喷嘴(16)的密封性的方法如下：

依据单个氢气喷嘴(16)的泄漏速率R_V，计算安全时间t_safe，来评估氢气喷嘴(16)的密封性，计算公式如下：

式中，

为环境温度下氢气密度；V_cylinder为直喷氢内燃机的单个气缸容积；

在t_safe时间内，氢气喷嘴(16)的氢气泄漏不会带来安全隐患；当时间超过t_safe后，氢气喷嘴(16)的氢气泄漏会带来安全隐患。

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