試論出口壓力對(duì)柴油噴油器流量特性影響的實(shí)驗(yàn)研究

趙志勇 靳峰 鄧剛 孫曉飛 劉海霞

摘要：為了實(shí)現(xiàn)對(duì)柴油噴油器油量的精確化、高效化控制，現(xiàn)針對(duì)該噴油器流量特性的影響因素，現(xiàn)設(shè)計(jì)一款用于測(cè)量柴油噴油器流量特性的試驗(yàn)系統(tǒng)。然后，以“柴油噴油器”為試驗(yàn)對(duì)象，在不同出口壓力脈沖下，對(duì)柴油噴油器的循環(huán)噴油量進(jìn)行測(cè)量，并借MATLAH多項(xiàng)式，對(duì)動(dòng)態(tài)流量特性曲線進(jìn)行擬合，并精確地計(jì)算出該噴油器所對(duì)應(yīng)的動(dòng)態(tài)流量范圍，接著，在不同出口壓力下，對(duì)相應(yīng)的動(dòng)態(tài)流量特性和靜態(tài)流量特性進(jìn)行科學(xué)測(cè)量，從而分析出出口壓力對(duì)柴油噴油器流量特性的影響規(guī)律，以實(shí)現(xiàn)對(duì)該噴油器噴油量的科學(xué)控制。

Abstract： In order to realize the accurate and efficient control of fuel quantity of diesel injector， an experimental system for measuring the flow characteristics of diesel injector is designed according to the influencing factors of the flow characteristics of the injector. Then， taking the "diesel injector" as the test object， the circulating fuel injection quantity of the diesel injector is measured under different outlet pressure pulses， the dynamic flow characteristic curve is fitted by matlah polynomial， and the corresponding dynamic flow range of the injector is accurately calculated. Then， under different outlet pressures， The corresponding dynamic flow characteristics and static flow characteristics are measured scientifically， so as to analyze the influence law of outlet pressure on the flow characteristics of diesel injector， so as to realize the scientific control of fuel injection quantity of the injector.

關(guān)鍵詞：出口壓力;電控噴油器;柴油機(jī)

Key words： outlet pressure;electronically controlled fuel injector;diesel engine

中圖分類號(hào)：TK421+.43? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）24-0048-03

0? 引言

噴油器作為柴油機(jī)電控制燃油噴射系統(tǒng)的重要組成部分，其流量特性以及運(yùn)行性能是否合理，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的排放性能產(chǎn)生了直接性的影響，為此，通過設(shè)計(jì)和應(yīng)用用于測(cè)量柴油噴油器流量特性的試驗(yàn)系統(tǒng)，并在不同出口壓力下，分別精確測(cè)量相應(yīng)的動(dòng)態(tài)流量特性和靜態(tài)流量特性，從而快速找出出口壓力對(duì)柴油噴油器流量特性的影響規(guī)律，為后期科學(xué)調(diào)節(jié)和控制柴油噴油器的噴油量提供重要的依據(jù)和參考。

1? 試驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)建

1.1 總體設(shè)計(jì)方案

本文所設(shè)計(jì)的用于測(cè)量柴油噴油器流量特性的試驗(yàn)系統(tǒng)主要包含以下兩大功能模塊，一個(gè)是靜態(tài)流量測(cè)量功能，另一個(gè)是動(dòng)態(tài)流量測(cè)試功能。該試驗(yàn)系統(tǒng)主要包含以下四個(gè)子系統(tǒng)：①油路系統(tǒng)。油路系統(tǒng)主要包含油箱、進(jìn)油共軌、流量計(jì)等組成部分，主要用于向柴油噴油器提供相應(yīng)的噴射介質(zhì)[1]。其中，油箱在具體的運(yùn)用中，主要借助油泵，向增壓罐內(nèi)注入一定量的噴射介質(zhì)，然后，借助噴射介質(zhì)，向進(jìn)油共軌內(nèi)壓入相應(yīng)的高壓氣體。

②氣路系統(tǒng)。氣路系統(tǒng)主要是由氣壓表、啟動(dòng)單向閥和可變行程氣壓缸等部分組成，主要用于對(duì)系統(tǒng)干燥性能測(cè)試以及噴油介質(zhì)的注入。氣泵通過借助氣體壓縮功能，可以科學(xué)調(diào)節(jié)和控制電氣比例，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)增壓罐內(nèi)氣體壓力的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制，以達(dá)到間接性調(diào)節(jié)和控制噴射介質(zhì)的目的。此外，通過利用氣壓表，可以將氣體通入到柴油噴油器內(nèi)，為進(jìn)一步提高柴油噴油器的干燥效果打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

③電控系統(tǒng)。電控系統(tǒng)主要是由以下幾個(gè)部分組成，分別是PLC、噴油器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、壓力傳感器、通電磁閥和脈沖計(jì)數(shù)器。該子系統(tǒng)主要用于對(duì)整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)控制以及相關(guān)數(shù)據(jù)的全面采集。通過將PLC、壓力傳感器和電磁比例閥進(jìn)行充分結(jié)合[2]，可以形成系統(tǒng)、完整的閉環(huán)控制裝置，通過利用該裝置，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)出口壓力的科學(xué)調(diào)節(jié)和控制。此外，脈沖計(jì)數(shù)器主要用于對(duì)流量計(jì)所測(cè)量的脈沖個(gè)數(shù)的采集和存儲(chǔ)，通過將其安全、可靠地傳輸于上位機(jī)，然后，采用相關(guān)運(yùn)算方式，精確地計(jì)算出最終的流量值。總之，噴油器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在控制和調(diào)整柴油噴油器工運(yùn)行狀態(tài)方面發(fā)揮出重要作用[3]。

④軟件系統(tǒng)。軟件系統(tǒng)主要是由以下幾個(gè)部分組成，分別是上位機(jī)、PLC。通過利用噴油器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，可以采用過RS232通信方式，完成對(duì)該試驗(yàn)系統(tǒng)人機(jī)交互界面的設(shè)計(jì)和開發(fā)，為用戶帶來良好的使用體驗(yàn)。總之，針對(duì)該試驗(yàn)系統(tǒng)的開發(fā)技術(shù)和運(yùn)行流程，設(shè)計(jì)出如圖1所示的噴油器流量特性在線測(cè)試系統(tǒng)測(cè)控方案。

1.2 系統(tǒng)方案工作原理

系統(tǒng)方案在實(shí)際工作期間，主要涉及到了以下兩種組成部分，一個(gè)是機(jī)械部分，另一個(gè)是控制部分，為了更好地認(rèn)識(shí)和理解系統(tǒng)方案的工作原理，現(xiàn)對(duì)這兩個(gè)組成部分進(jìn)行詳細(xì)介紹。

1.2.1 機(jī)械部分

通過借助電動(dòng)燃油泵，向增壓罐內(nèi)通入一定量的測(cè)試介質(zhì)，便于后期試驗(yàn)工作的有效開展，同時(shí)，還要利用壓氣體，向增壓罐內(nèi)注入一定量的測(cè)試液[4]，然后，利用油液分離器，對(duì)其進(jìn)行分離處理，在此基礎(chǔ)上，通過使用流量計(jì)，對(duì)最終的處理結(jié)果進(jìn)行測(cè)量和整理，為后期試驗(yàn)結(jié)果的優(yōu)化提供重要的依據(jù)和參考。另外，還要利用柴油噴油器噴出功能，借助回油軌，將測(cè)試介質(zhì)通入到指定的油箱內(nèi)。此外，為了降低系統(tǒng)運(yùn)行壓力，確保系統(tǒng)能夠穩(wěn)定、可靠、安全地運(yùn)行，技術(shù)人員需要將借助電氣比例閥，PLC和壓力傳感器進(jìn)行有效組合，時(shí)期結(jié)合為統(tǒng)一的穩(wěn)壓模塊，經(jīng)過試驗(yàn)充分證明了在整個(gè)測(cè)試期間，通過將柴油噴油器的出口壓力波動(dòng)范圍設(shè)置在-0.2～0.2kPa之間，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)出口壓力波動(dòng)幅度的有效控制和緩解。

1.2.2 控制部分

通過利用上位機(jī)，可以將串口、噴油器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以及流量計(jì)進(jìn)行有效地連接，使其結(jié)合為統(tǒng)一的整體，在此基礎(chǔ)上，借助相應(yīng)的功能模塊，將模量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器于壓力傳感器進(jìn)行有效連接，在此基礎(chǔ)上，采用串聯(lián)的方式，使得液位傳感器和干燥裝置科學(xué)相連。同時(shí)，在測(cè)定流量期間，主要借助流量計(jì)，根據(jù)所輸出的脈沖信號(hào)，對(duì)計(jì)數(shù)電路機(jī)進(jìn)行拖動(dòng)處理，以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)碼參數(shù)設(shè)置相關(guān)信息的采集和整理，便于其他人員的查看和調(diào)用。此外，還要借助上位機(jī)的相關(guān)功能，對(duì)相應(yīng)的數(shù)字量進(jìn)行識(shí)別、記錄和匯總，然后，利用流量計(jì)，將單位介質(zhì)體積所對(duì)應(yīng)的流量進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和整理，為后期全面地記錄和統(tǒng)計(jì)流量計(jì)所傳輸?shù)碾娒}沖數(shù)量提供重要的依據(jù)和參考。

2  試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

2.1 動(dòng)態(tài)流量測(cè)試方案

動(dòng)態(tài)流量主要是指柴油噴油器在所設(shè)定的噴油脈寬下，所使用的燃油量，為了繪制出完整、系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)流量特性曲線，技術(shù)人員在對(duì)柴油噴油器進(jìn)行測(cè)試期間，要科學(xué)調(diào)節(jié)和控制該噴油器的分辨率，然后，在所設(shè)置的分辨率范圍內(nèi)，將噴油脈寬增量設(shè)置為0.2ms，以確保該噴油器流量測(cè)量結(jié)果的精確性和真實(shí)性。此外，在試驗(yàn)期間，需要將測(cè)試周期設(shè)置為10ms，然后選用PLC控制單元，并將其工作電壓和驅(qū)動(dòng)電壓分別設(shè)置為24V、12V，另外，還要將柴油噴油器出口處的油壓設(shè)置在299.9～300.1kPa，具體測(cè)試方案內(nèi)容如下：①將噴油脈寬和噴射次數(shù)分別設(shè)置為5ms、500次，以確保預(yù)噴射工作落實(shí)到位。②當(dāng)噴油脈寬達(dá)到10ms時(shí)，不同的脈寬范圍，所對(duì)應(yīng)的增量也存在一定的差異，例如：當(dāng)寬為0～2ms時(shí)，增量為0.2ms;當(dāng)寬為2～10ms增量為2ms。同時(shí)，各個(gè)采樣點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的噴射次數(shù)達(dá)到了1000次。③當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓為12V時(shí)，將出口壓力依次設(shè)置為200kPa、250kPa、350kPa和400kPa。

2.2 靜態(tài)流量測(cè)試方案

靜態(tài)流量測(cè)試方案內(nèi)容為：首先，將靜態(tài)流量特性測(cè)試周期和脈寬分別設(shè)置為9ms、5ms，然后，采用驅(qū)動(dòng)電壓的方式，將預(yù)噴射次數(shù)設(shè)置為999次，并將噴油器的開啟狀態(tài)維持在10s以上，對(duì)相應(yīng)的脈沖數(shù)量進(jìn)行讀取，按照這種方式，完成對(duì)噴油量的精確測(cè)試。然后，在不同的出口壓力下設(shè)置5組不同的試驗(yàn)，然后，計(jì)算相應(yīng)的平均值。

3? 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理及分析

3.1 正常噴油脈寬線性分析

300kPa條件下的動(dòng)態(tài)流量曲線中當(dāng)噴油脈寬范圍在2～10ms時(shí)，柴油噴油器所對(duì)應(yīng)的噴油量呈現(xiàn)出明顯的正相關(guān)關(guān)系，完全符合柴油噴油器使用相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求。

此外，在這一噴油脈寬范圍內(nèi)，技術(shù)人員要采用最小二乘法，對(duì)線性關(guān)系進(jìn)行擬合處理，從而得出如圖2所示的動(dòng)態(tài)流量特性擬合直線，該擬合直線方程為：

y=0.0033x-0.0026（1）

式（1）中y和x兩個(gè)變量分別代表循環(huán)噴油器和噴油脈寬，同時(shí)，兩者的單位分別是mL、ms。

在此基礎(chǔ)上，為了進(jìn)一步提高試驗(yàn)數(shù)據(jù)的精確性和真實(shí)性，技術(shù)人員要采用最小二乘法，對(duì)流量值進(jìn)行精確計(jì)算，然后，將最終的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際測(cè)量流量值進(jìn)行對(duì)比和分析，從而求解出柴油噴油器所對(duì)應(yīng)的動(dòng)態(tài)流量線性偏差。此外，為了科學(xué)地調(diào)節(jié)和控制特定脈沖所對(duì)應(yīng)的寬度以及噴射周期，需要根據(jù)最終統(tǒng)計(jì)的柴油噴油器動(dòng)態(tài)流量計(jì)算結(jié)果，對(duì)實(shí)際流量值進(jìn)行測(cè)量，然后，技術(shù)人員要嚴(yán)格按照柴油噴油器動(dòng)態(tài)流量統(tǒng)計(jì)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求，精確地計(jì)算出動(dòng)態(tài)流量線性偏差實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

動(dòng)態(tài)流量線性偏差實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示，從圖3中可以看出，該曲線通過將流量偏差設(shè)置為5%，然后，將qmax（實(shí)際流量的最大值）與qmin（實(shí)際流量的最小值）進(jìn)行作商比值后，計(jì)算出流量偏差所對(duì)應(yīng)的真實(shí)數(shù)值，然后，將柴油噴油器科學(xué)設(shè)置在相應(yīng)的脈沖位置處，然后，將qmax（實(shí)際流量的最大值）與qmin（實(shí)際流量的最小值）分別物質(zhì)為最大動(dòng)態(tài)流量和最小動(dòng)態(tài)流量，在此基礎(chǔ)上，針對(duì)動(dòng)態(tài)流量所對(duì)應(yīng)的變化范圍，推導(dǎo)出計(jì)算動(dòng)態(tài)流量范圍的計(jì)算式，該計(jì)算式為：

DFR=qmax/qmin（2）

通過利用式（2）計(jì)算后，發(fā)現(xiàn)當(dāng)出口壓力為300kPa時(shí)，動(dòng)態(tài)流量達(dá)到了3.40。

3.2 出口壓力對(duì)動(dòng)態(tài)流量的影響

通過對(duì)出口壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制，并繪制出如圖4所示的不同出口壓力下的動(dòng)態(tài)流量曲線，從圖4中可以看出，當(dāng)出口壓力不斷增加時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)柴油噴油器所提供的噴油量呈現(xiàn)出不斷上升的趨勢(shì)，當(dāng)噴油脈寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過5ms時(shí)，噴油量的增加幅度會(huì)越來越明顯。

為了更好地對(duì)比在不同出口壓力下對(duì)應(yīng)的動(dòng)態(tài)流量變化范圍，技術(shù)人員要采用最小二乘法，對(duì)該曲線圖進(jìn)行擬合處理，從而得出不同出口壓力下的動(dòng)態(tài)流量特性擬合直線。

當(dāng)出口壓力不斷上升時(shí)，其擬合直線所對(duì)應(yīng)的斜率呈現(xiàn)出不斷上升的趨勢(shì)，也就是說柴油噴油器所對(duì)應(yīng)的噴油速率不斷上升。不同出口壓力下的動(dòng)態(tài)流量相關(guān)參數(shù)變化如表1所示。通過上述分析內(nèi)容，不難發(fā)現(xiàn)當(dāng)出口壓力不斷上升時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)柴油噴油器所提供的噴油量呈現(xiàn)出不斷上升的趨勢(shì)，通過分析和對(duì)比在不同出口壓力所對(duì)應(yīng)的動(dòng)態(tài)流量范圍，不難發(fā)現(xiàn)當(dāng)出口壓力達(dá)到了300kPa時(shí)，柴油噴油器所對(duì)應(yīng)的動(dòng)態(tài)流量變化幅度較大，當(dāng)出口壓力超過300kPa時(shí)，柴油噴油器所對(duì)應(yīng)的動(dòng)態(tài)流量變化幅度趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

3.3 噴油壓力對(duì)靜態(tài)流量的影響

靜態(tài)流量主要是指當(dāng)柴油噴油器處于全開放狀態(tài)時(shí)，燃油量隨著時(shí)間的不斷推移所對(duì)應(yīng)的變化狀態(tài)。與動(dòng)態(tài)流量特性擬合直線相比，兩者的斜率完全相同。此外，通過運(yùn)用流體力學(xué)相關(guān)知識(shí)，可以借助柴油噴油器，精確地計(jì)算出各個(gè)柴油噴油器所對(duì)應(yīng)的噴油量，噴油器的計(jì)算公式為：Gf=unFn·gdf（pf-pb）d1（3）

式（3）中的Gf、un、Fn、g、df、pf、pb、d1分別代表單次噴油量、噴油器的流量系數(shù)、噴油嘴的面積、重力加速度、燃料密度、燃料壓力、進(jìn)氣壓力和針閥打開時(shí)間。

式（3）充分展示了出口壓力與噴油量之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，技術(shù)人員通過根據(jù)這一數(shù)據(jù)關(guān)系，可以全面地分析和研究不同出口壓力下柴油噴油器靜態(tài)流量變化情況。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)中，在不同出口壓力下，通過開展相應(yīng)的噴油測(cè)試試驗(yàn)，并采用最小二乘法，繪制出不同噴油出口壓力下的靜態(tài)流量，該曲線與動(dòng)態(tài)流量特性擬合直線的斜率完全相同。

4? 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，通過本次試驗(yàn)，得到以下結(jié)論：

①對(duì)于出口壓力而言，其對(duì)柴油噴油器流量特性的影響規(guī)律如下：當(dāng)出口壓力不斷增加時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)所釋放的噴油量呈現(xiàn)出不斷上升的趨勢(shì)。

②在不同出口壓力下，動(dòng)態(tài)流量曲線形態(tài)波動(dòng)范圍較小，并沒有出現(xiàn)明顯的正相關(guān)關(guān)系，當(dāng)出口壓力超過300kPa時(shí)，動(dòng)態(tài)流量曲線變化趨勢(shì)區(qū)域穩(wěn)定。

③為了進(jìn)一步提高柴油噴油器的運(yùn)行性能，相關(guān)作業(yè)人員必須要加強(qiáng)對(duì)出口壓力的科學(xué)控制，一旦出口壓力過小，會(huì)對(duì)噴油器在單位時(shí)間內(nèi)所產(chǎn)生的噴油量嚴(yán)重不足。當(dāng)ECU在實(shí)際的運(yùn)行期間，為了最大限度地提高柴油噴油器的出口壓力，需要將出口壓力設(shè)置為300kPa，這是由于只有當(dāng)出口壓力達(dá)到300kPa時(shí)，柴油噴油器所對(duì)應(yīng)的動(dòng)態(tài)流量變化幅度比較明顯，從而更好地滿足柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行需求。

④在不同出口壓力下，柴油噴油器靜態(tài)流量波動(dòng)范圍較大，并出現(xiàn)明顯的正相關(guān)關(guān)系。

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