噴孔流量系數(shù)精確測(cè)量方法研究

杜慧勇，郭 川，劉 松，劉建新，王站成，徐 斌

（河南科技大學(xué)車輛與動(dòng)力工程學(xué)院，河南 洛陽(yáng) 471003）

燃油噴射系統(tǒng)是發(fā)動(dòng)機(jī)極為關(guān)鍵的部件。燃燒過(guò)程對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、排放性有決定性影響，而燃燒過(guò)程又很大程度上取決于燃油噴霧質(zhì)量，所以，發(fā)動(dòng)機(jī)噴霧質(zhì)量對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)整體性能有決定性的影響。噴油嘴噴孔的流量系數(shù)是評(píng)定噴油嘴質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)，直接影響燃油的噴霧特性，所以精確地測(cè)量噴油嘴的流量系數(shù)非常重要。影響流量系數(shù)的主要因素有噴油嘴的結(jié)構(gòu)參數(shù)、盛油槽壓力［1］及環(huán)境背壓［2－4］。

通常，流量系數(shù)是在噴油過(guò)程結(jié)束后，利用測(cè)得的噴油量通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到，此種方法稱為靜態(tài)測(cè)量方法［5］。用靜態(tài)測(cè)量方法來(lái)計(jì)算電控噴油器流量系數(shù)時(shí)，流量系數(shù)會(huì)隨著噴油持續(xù)期的增大而增大，原因是噴油器針閥在打開(kāi)與關(guān)閉過(guò)程中，噴孔的有效流通面積會(huì)減小，從而測(cè)量的噴油量會(huì)減小。噴油持續(xù)期越短，針閥開(kāi)啟和關(guān)閉所占總時(shí)長(zhǎng)的比例就越大，計(jì)算出的流量系數(shù)就越不準(zhǔn)確。雖然針閥開(kāi)啟和關(guān)閉時(shí)間很短，一般在100μs左右，但是對(duì)于小脈寬噴油，針閥開(kāi)啟和關(guān)閉對(duì)流動(dòng)性的影響就不可忽略。

本研究提出一種新的動(dòng)態(tài)精確測(cè)量噴油嘴流量系數(shù)的方法，消除了針閥開(kāi)啟與關(guān)閉過(guò)程對(duì)流量系數(shù)的影響。通過(guò)試驗(yàn)計(jì)算出了在不同噴油壓力和不同背壓下噴油嘴的流量系數(shù)，分析了在噴油嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)不變的情況下噴油壓力與背壓對(duì)流量系數(shù)的影響及原因。由于在現(xiàn)有試驗(yàn)條件下盛油槽壓力難以測(cè)量，故認(rèn)為共軌管內(nèi)壓力即為噴油壓力［6］。在此基礎(chǔ)上繪制了柴油的等噴油量曲線，更為直觀地示出了不同噴油壓力下等體積柴油的噴霧情況。

1 試驗(yàn)設(shè)備

圖1示出試驗(yàn)所采用的EFS8246單次噴射儀結(jié)構(gòu)，該噴射儀是通過(guò)噴射燃油引起的盛油腔內(nèi)測(cè)量活塞位移來(lái)對(duì)油量進(jìn)行測(cè)量。在噴射過(guò)程中，排油控制電磁閥保持關(guān)閉，燃油噴入可變?nèi)莘e的盛油腔內(nèi)，沖擊測(cè)量活塞使之克服彈簧力和背壓向下運(yùn)動(dòng)，活塞的位移即反映了瞬時(shí)噴油量的大小。測(cè)量結(jié)束后，排油控制電磁閥打開(kāi)，在復(fù)位彈簧力的作用下，將盛油腔內(nèi)的被測(cè)量燃油經(jīng)排油閥排出。系統(tǒng)還可以根據(jù)活塞的位移信號(hào)微分出活塞速率，能間接反映噴油速率。EFS8246單次噴射儀測(cè)量精度在滿量程0～600 mm3時(shí)，測(cè)量精度能達(dá)到0.6 mm3（1%）。

試驗(yàn)采用EFS8246單次噴射儀對(duì)噴油量進(jìn)行測(cè)量，采用WaveBook／512對(duì)單次噴射儀的測(cè)量活塞位移信號(hào)進(jìn)行采集。本研究中，噴油器為Bosch電控噴油器，噴油嘴為P系列單孔油嘴，長(zhǎng)徑比為0.65／0.13。

2 流量系數(shù)動(dòng)態(tài)計(jì)算方法

2.1 流量系數(shù)動(dòng)態(tài)計(jì)算方法

傳統(tǒng)的流量系數(shù)計(jì)算方法是采用經(jīng)驗(yàn)公式（1）［7］：

式中：μ為噴孔流量系數(shù)；Q為噴孔流量；A為噴孔幾何流通面積；g為重力加速度；p1噴孔入口壓力；p0為噴孔出口背壓；ρf為燃油密度。

在傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)公式中，噴孔的流量是通過(guò)測(cè)量整個(gè)噴射過(guò)程的噴油量來(lái)計(jì)算得到，但在整個(gè)噴射過(guò)程中，針閥的開(kāi)啟和關(guān)閉會(huì)影響噴油量的測(cè)量，因此，采用整段噴射的噴油量來(lái)計(jì)算流量系數(shù)是不準(zhǔn)確的，尤其在噴油持續(xù)期較小時(shí)誤差更大。

解決上述問(wèn)題的最好辦法是測(cè)量針閥的升程，選取針閥在最大升程處的流量來(lái)計(jì)算流量系數(shù)，這樣就消除了針閥開(kāi)啟和關(guān)閉對(duì)燃油流動(dòng)的影響。但測(cè)量電控噴油器針閥升程很困難。為此，設(shè)計(jì)了1種動(dòng)態(tài)測(cè)量方法：采集單次噴射儀的活塞升程信號(hào)，在Dislab軟件中對(duì)活塞升程信號(hào)進(jìn)行處理，根據(jù)噴油脈寬盡可能選取線性度好的一段升程信號(hào)，并將之視為針閥完全開(kāi)啟階段，活塞的升程即為噴油持續(xù)期。選擇1個(gè)時(shí)間長(zhǎng)度T（精度能達(dá)到10μs）（見(jiàn)圖2），該時(shí)間段所對(duì)應(yīng)的縱坐標(biāo)的變化即為單次噴射儀活塞的位移（滿量程時(shí)20 V對(duì)應(yīng)5 000μs），由活塞直徑（130μm）可以得到活塞的截面積，從而可得到T時(shí)間段內(nèi)噴出燃油的體積，進(jìn)而算出流量Q，將Q代入式（1）可得出噴油器針閥完全開(kāi)啟階段的流量系數(shù)。

2.2 T的選取

為了確定時(shí)間長(zhǎng)度T的取值對(duì)流量系數(shù)計(jì)算結(jié)果的影響，本研究分別取T為固定值300μs、噴油持續(xù)期的30%和50%進(jìn)行測(cè)量計(jì)算，并將由動(dòng)態(tài)計(jì)算方法得到的流量系數(shù)與傳統(tǒng)靜態(tài)計(jì)算方法得到的流量系數(shù)進(jìn)行比較。圖3示出在100 MPa噴油壓力、不同噴油脈寬下由兩種計(jì)算方法得到的柴油流量系數(shù)的比較。從圖中可看出，傳統(tǒng)靜態(tài)計(jì)算方法不能消除針閥打開(kāi)與關(guān)閉對(duì)噴油量的影響，所以隨著噴油脈寬的增大，流量系數(shù)逐漸增大。而采用動(dòng)態(tài)計(jì)算方法基本消除了針閥開(kāi)啟和關(guān)閉對(duì)流量系數(shù)計(jì)算的影響，計(jì)算出的流量系數(shù)比較穩(wěn)定。當(dāng)T選取噴油持續(xù)期的30%時(shí)，所測(cè)得的流量系數(shù)最穩(wěn)定、波動(dòng)最小。

3 噴油壓力及背壓對(duì)流量系數(shù)的影響

以下研究仍選用P系列單孔噴油嘴，燃油為柴油。在背壓為0、噴油脈寬為800μs、不同噴油壓力條件下，利用上述測(cè)量與計(jì)算方法得出的噴油嘴流量系數(shù)見(jiàn)表1。

表1 不同噴油壓力下的噴油嘴流量系數(shù)

由表1發(fā)現(xiàn)，流量系數(shù)隨著噴油壓力的增大先增大后減小。發(fā)生這種現(xiàn)象的原因可能是噴油壓力增大，燃油所具有的能量增大，其受自身黏度的影響減弱，流動(dòng)性能增強(qiáng)；但隨著噴油壓力繼續(xù)增大，噴孔內(nèi)的燃油出現(xiàn)氣穴現(xiàn)象，影響了實(shí)際噴油量，從而使流量系數(shù)變小。

圖4示出在噴油脈寬為1 000μs時(shí)噴油壓力和噴油背壓對(duì)噴油量的影響。從中可看出，噴油量隨著噴油壓力的增大而增大，但超過(guò)100 MPa后，噴油量的增加變緩。為噴射環(huán)境提供1 MPa，2 MPa和3 MPa的背壓之后，噴油量有所下降，但下降值很小，而且隨著背壓的增大，降幅減小。

4 等噴油量曲線的繪制

測(cè)量了50，80，90，100，110 MPa噴油壓力下，500，600，700，800，900，1 000μs噴油持續(xù)期時(shí)的噴油量，用Matlab中的contour函數(shù)繪制了柴油的等噴油量曲線（見(jiàn)圖5）。

圖中每條曲線上的噴油量都相等，因此可以通過(guò)此圖在保證相同噴油量的前提下，調(diào)整噴油持續(xù)期來(lái)滿足不同的噴油壓力，便于進(jìn)行在不同噴油壓力下同等體積柴油噴霧情況的比較，也可作為在相同噴嘴下對(duì)其他燃料噴霧性能進(jìn)行標(biāo)定時(shí)的參考。

5 結(jié)論

a）在噴油過(guò)程中，尤其是小脈寬噴油時(shí)，針閥開(kāi)啟和關(guān)閉會(huì)影響噴孔的有效流通面積，隨著噴油持續(xù)期的增大，采用傳統(tǒng)方法計(jì)算出的流量系數(shù)會(huì)由于開(kāi)啟和關(guān)閉所占總時(shí)長(zhǎng)比例減小而增大；

b）通過(guò)采集單次噴射儀中測(cè)量活塞升程信號(hào)，計(jì)算出了針閥完全開(kāi)啟時(shí)柴油在不同噴油壓力下的流量系數(shù)，發(fā)現(xiàn)隨著噴油壓力的增大，流量系數(shù)會(huì)隨之先增大后再減小；

c）通過(guò)測(cè)量不同噴油壓力和不同噴油持續(xù)期下的噴油量，繪制了柴油的等噴油量曲線，可以更直觀地觀察其流通性能。

［1］ 鄭金寶，繆雪龍，洪建海，等.共軌系統(tǒng)電磁噴油器盛油槽壓力測(cè)量與分析［J］.內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2012（1）：86－90.

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