農(nóng)用單缸柴油機噴醇器流量特性試驗研究*

張美娟，陳梓含，王忠，陳晟閩

(1. 無錫職業(yè)技術(shù)學院汽車與交通學院，江蘇無錫，214121； 2. 江蘇大學汽車與交通工程學院，江蘇鎮(zhèn)江，212013)

0 引言

單缸柴油機是小型農(nóng)機具和植保機械的主導動力，在我國農(nóng)村地區(qū)有著廣泛的應用。甲醇是一種清潔替代燃料，柴油機摻燒甲醇，可以有效降低NOx和碳煙排放，實現(xiàn)農(nóng)用單缸柴油機燃料多樣化、低排放的目的[1-2]。單缸柴油機采用甲醇氣道電控噴射方式，摻燒甲醇過程中，甲醇的噴射壓力、甲醇溫度會發(fā)生變化，使得每循環(huán)噴醇量會有較大變化，從而改變了柴油機甲醇的摻燒比。柴油機采用甲醇/柴油雙燃料模式，燃料比例對柴油機的動力、經(jīng)濟和排放性能有很大的影響[3-4]。

目前國內(nèi)外針對不同噴射壓力和燃油溫度對循環(huán)流量影響研究，更多集中在柴油、汽油上，杜慧勇等[5]開展了噴油壓力和噴油脈寬對噴油器流量系數(shù)的影響，以動量法測量噴油規(guī)律，通過流動損失理論方法分析流量系數(shù)變化規(guī)律，研究發(fā)現(xiàn)噴油壓力直接影響最大流量系數(shù)；王軍等[6]分析流體傳熱特征，提出了確定基準溫度的方法，推導出噴油量和噴油壓力的修正量計算公式；雷威等[7]測得不同噴油壓力下動態(tài)流量，發(fā)現(xiàn)噴油壓力對動態(tài)流量曲線形態(tài)影響不大，流量特性影響主要體現(xiàn)在線性段；Salvador等[8]建立一維電磁閥噴油器模型，通過設(shè)定密度、壓力、可壓縮性和彈性模量等參數(shù)，分析燃油溫度對噴射過程和噴射量影響，結(jié)果表明不同燃油溫度噴油器流量系數(shù)最大相差達6%。從上述研究可以發(fā)現(xiàn)，噴射壓力和燃油溫度直接影響著噴射器循環(huán)流量。當前研究更多采用的是仿真以及流體理論計算方式，推導計算噴射壓力和燃油溫度對循環(huán)噴油量的修正值，方法復雜且實際修正誤差較大。考慮農(nóng)用單缸柴油機循環(huán)噴醇量修正方法的實用性，提出在試驗數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，以曲線擬合和插值計算的數(shù)值方法來修正噴醇量，實現(xiàn)不同條件下單缸柴油機循環(huán)噴醇量補償修正。

本文開展了不同噴醇壓力、甲醇溫度噴醇器流量特性試驗，測量不同噴射壓力和甲醇溫度噴醇器流量，分析了噴醇器流量特性規(guī)律，采用數(shù)值分析的方法，提出循環(huán)噴醇量修正方法，為農(nóng)用單缸柴油機不同環(huán)境條件中摻燒甲醇，制定循環(huán)噴醇量控制策略提供參考。

1 試驗系統(tǒng)及方案

1.1 影響循環(huán)噴醇量的因素分析

影響循環(huán)噴醇量的因素較多，本文選取噴醇脈寬、噴射壓力、甲醇溫度、噴醇頻率、噴醇次數(shù)作為本次試驗的因素選擇。

試驗研究采用多因素試驗設(shè)計，試驗因素與水平的選取如表1所示，其中，噴醇脈寬、噴射壓力、噴醇頻率根據(jù)發(fā)動機的需求，取低、中、高3種狀態(tài)，甲醇溫度和噴醇次數(shù)根據(jù)試驗可達的條件，在其范圍內(nèi)均勻分布取三水平。

表1 多因素與水平表Tab. 1 Multi factor and level table

根據(jù)表1進行多因素試驗，通過極差分析，歸納出多因素權(quán)重系數(shù)分析表2。

表2 多因素權(quán)重系數(shù)分析表Tab. 2 Multi factor weight coefficient analysis

表2中權(quán)重系數(shù)的大小能夠直觀反映各因素對循環(huán)噴醇量影響的主次順序，權(quán)重系數(shù)越大，對循環(huán)噴醇量的影響越大。由表2可知，噴醇脈寬、噴射壓力對循環(huán)噴醇量影響最大，甲醇溫度對循環(huán)噴醇量影響次之，噴醇頻率對循環(huán)噴醇量影響較小，噴醇次數(shù)對循環(huán)噴醇量幾乎沒有影響。

1.2 試驗系統(tǒng)

試驗在噴醇器流量測量系統(tǒng)上進行，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，由甲醇噴射ECU、甲醇箱、醇泵、噴醇器、電加熱器、溫度傳感器、壓力表、甲醇質(zhì)量流量計量裝置等組成。測量系統(tǒng)中，甲醇噴射ECU可設(shè)置噴醇脈寬和噴醇正時，精度分別為0.01 ms、0.1 ℃A，噴射頻率由單缸柴油機轉(zhuǎn)速信號決定，所應用的單缸柴油機為186F柴油機，其參數(shù)如表3所示。噴射壓力通過可調(diào)穩(wěn)壓電源調(diào)節(jié)醇泵驅(qū)動電壓實現(xiàn)，噴射壓力可調(diào)范圍在200～800 kPa，醇軌上端裝有壓力傳感器，保證試驗過程噴射壓力恒定，壓力傳感器測量誤差±0.5%。甲醇輸送管道中間裝有5 kW防爆型電加熱器和溫度傳感器，甲醇溫度在常溫至高溫區(qū)間，采用電加熱器進行溫度控制，甲醇溫度在低溫到常溫之間，通過冷卻箱和保溫裝置提供試驗所需甲醇溶液溫度，溫度傳感器測量誤差為±1%。噴醇器質(zhì)量流量采用容積法測量，計量裝置精度為0.01 mg。

圖1 噴醇器流量測量系統(tǒng)

表3 186F柴油機主要參數(shù)表Tab. 3 Main parameters of 186F diesel engine

1.3 試驗方案

依據(jù)農(nóng)用單缸柴油機摻燒甲醇實際工況需求，選取甲醇噴射壓力試驗范圍250～350 kPa，增量為25 kPa；甲醇溫度試驗范圍在-10 ℃～50 ℃，增量為15 ℃；甲醇脈寬試驗范圍0～10 ms。由于噴油器在較小脈寬階段存在非線性現(xiàn)象[9]，在0～2 ms增量為0.1 ms，在2～10 ms增量為1 ms。通過轉(zhuǎn)速模擬信號發(fā)生器模擬柴油機轉(zhuǎn)速1 800 r/min，固定噴射周期每分鐘噴射900次。單缸柴油機甲醇每循環(huán)質(zhì)量流量小，循環(huán)噴醇量通過多次測量取均值計算，試驗所用甲醇為市面所售99.8%無水甲醇。參考GB/T 25363—2010電磁閥式噴油器總成試驗方法，試驗步驟如下。

1) 設(shè)置噴醇脈寬5 ms，噴醇器預噴1 min。

2) 甲醇溫度設(shè)定為20 ℃，分別改變噴射壓力為250、275、300、325、350 kPa，每一壓力下噴射3 min，測量計算不同脈寬下噴醇器質(zhì)量流量。

3) 噴醇壓力設(shè)定為300 kPa，分別改變甲醇溫度為-10 ℃、5 ℃、20 ℃、35 ℃、50 ℃，每一溫度下噴射3 min，測量計算不同脈寬下噴醇器質(zhì)量流量。

2 噴醇器流量特性試驗

2.1 理論分析

噴醇器在理想狀態(tài)下，依據(jù)質(zhì)量守恒和伯努利方程，噴孔處流速vfuel和理論質(zhì)量流量Mth大小如式(1)、式(2)所示。

(1)

(2)

式中：A——噴醇器噴孔面積；

ρfuel——甲醇密度；

ΔP——噴醇器前后噴射壓力差。

流體通過噴嘴時，在噴孔幾何形狀和湍流摩擦渦流的作用下，實際的流體流量往往會小于理想情況[10]，因此引入流量系數(shù)Cd來表示噴醇器實際質(zhì)量流量。Cd為通過噴孔實際質(zhì)量流量與理論質(zhì)量流量的比值，實際噴醇器質(zhì)量流量

(3)

2.2 噴射壓力

圖2為甲醇溫度在20 ℃時，不同噴射壓力下噴醇器流量特性曲線。可以看到，各噴醇脈寬下，循環(huán)噴射量隨噴射壓力增大而增大，不同壓力循環(huán)流量曲線變化趨勢基本相同。從循環(huán)流量局部放大圖可以看到，0～0.5 ms噴醇器質(zhì)量流量為零，處于無效噴射階段，這是由于初期噴醇脈寬較小，噴醇器電磁線圈產(chǎn)生的磁場力不足以打開針閥[14]，噴醇量為0。噴射壓力對無效噴射持續(xù)時間基本沒有影響。

當噴醇器針閥行程最大時，噴醇器完全打開，壓力室噴射壓力等于醇軌壓力，當噴醇器針閥行程小于最大行程時，由于噴醇器針閥座節(jié)流孔的節(jié)流，壓力室噴射壓力小于醇軌壓力。

噴醇脈寬大于0.5 ms小于1.5 ms時，噴醇器針閥升程小于最大升程，從針閥座節(jié)流孔流入壓力室的流量較小，僅能彌補從噴醇器噴孔流出的流量，造成壓力室內(nèi)的噴射壓力值低于醇軌壓力值，且隨著噴醇脈寬的增加，閥升針程增加，壓力室內(nèi)的噴射壓力也變大。

從流體力學角度來看，當噴醇器結(jié)構(gòu)一定時，單次通過噴醇器噴孔的噴醇量

(4)

式中：Qf——單次噴醇量；

μn——噴醇器的流量系數(shù)；

g——重力加速度；

Pf——壓力室噴射壓力；

Pb——進氣壓力；

d——噴醇時間。

根據(jù)式(4)所示，當噴醇器結(jié)構(gòu)和甲醇溫度一定時，循環(huán)噴醇量的大小不僅跟噴醇時間有關(guān)系，還跟壓力室噴射壓力與進氣壓力差有關(guān)。

所以，無效噴射階段結(jié)束后，循環(huán)噴射量急劇增大，由于針閥運動的慣性、磁路系統(tǒng)磁滯損耗，針閥的運動將產(chǎn)生滯后現(xiàn)象，0.5～1.5 ms循環(huán)噴醇量隨脈寬增大呈非線性增加。

(a) 噴醇器流量特性曲線

(b) 小脈寬階段噴醇器流量特性曲線

噴醇脈寬大于等于1.5 ms時，針閥升程達到最大升程，噴醇器針閥完全開啟，流經(jīng)針閥座節(jié)流孔的流量大于流出噴油孔的流量，壓力室的燃射壓力達到醇軌壓力值，隨著時間的增加，最大噴油速率保持不變，噴射壓力與進氣壓力差為一個定值，則循環(huán)噴醇量與噴醇時間呈線性關(guān)系。所以，1.5～10 ms脈寬區(qū)間，循環(huán)噴醇量隨脈寬增大基本呈線性增加，噴射壓力每提升25 kPa，循環(huán)流量平均提高4.8%，符合理論分析中噴醇器質(zhì)量流量變化趨勢，而在數(shù)值上有所差距。

2.3 甲醇溫度

圖3為噴射壓力300 kPa下，不同甲醇溫度噴醇器流量特性曲線。可以看到，循環(huán)噴醇量隨甲醇溫度的提高而增加。結(jié)合理論分析中甲醇溫度對噴醇器循環(huán)流量影響作用，說明噴醇器低壓噴射下，甲醇溫度的提高使黏性力減弱，流動阻力減小，噴醇器流量系數(shù)變大。盡管甲醇溫度的提升使甲醇密度下降，但流量系數(shù)對質(zhì)量流量的影響作用比甲醇密度對質(zhì)量流量的影響更顯著，因此噴醇器質(zhì)量流量隨溫度提升而增加[10]。噴射脈寬在0.5～1.5 ms區(qū)間，循環(huán)流量隨脈寬增大非線性增長，由于脈寬較小，此階段甲醇溫度的提升對循環(huán)流量增幅不大。脈寬在1.5～10 ms階段，循環(huán)噴醇量隨著脈寬增加基本呈線性增長，甲醇溫度每增長15 ℃，循環(huán)流量平均增加3.2%。

圖3 300 kPa不同甲醇溫度噴醇器流量特性曲線

3 噴醇量補償修正

3.1 基準參數(shù)確定

從噴醇器流量特性試驗可以看出，噴射壓力和甲醇溫度變化直接影響柴油機循環(huán)噴醇量。為了避免農(nóng)用單缸柴油機運行過程中，噴醇壓力和甲醇溫度對循環(huán)噴醇量的改變，需要對柴油機甲醇摻燒MAP中的目標甲醇噴射量進行補償修正。柴油機摻燒甲醇MAP通常是以轉(zhuǎn)速和負荷為二維坐標，在固定噴射壓力和溫度條件下試驗標定得出，標定試驗中的壓力和溫度為基準參數(shù)[15-18]。噴醇量修正是在基準參數(shù)對應的MAP上進行，因此，在進行修正試驗前需要確定甲醇噴射壓力和甲醇溫度的基準參數(shù)數(shù)值。

甲醇氣道噴射壓力須滿足甲醇最大循環(huán)流量要求以及有較佳的霧化效果，同時不超過噴醇器機械性能要求，綜合以上，選擇噴射壓力300 kPa為基準參數(shù)，修正范圍±50 kPa。甲醇溫度主要取決于環(huán)境溫度，因此選擇柴油機常見工作環(huán)境溫度20 ℃作為基準參數(shù)，修正范圍-10 ℃～50 ℃。

3.2 噴醇量修正計算

從理論分析中可以看到，采用理論計算方式，建立噴射壓力、甲醇溫度和循環(huán)流量之間準確的數(shù)學關(guān)系相對復雜。因此提出基于噴醇器流量特性試驗數(shù)據(jù)，采用曲線擬合和插值計算方法，去實現(xiàn)噴醇量修正。對于近似線性階段，采用最小二乘法，分別對不同噴射壓力和甲醇溫度在1.5～10 ms階段的流量特性進行線性擬合，得到不同條件下各自線性方程，依據(jù)線性方程計算各脈寬下循環(huán)流量，通過插值方法去計算其它噴射壓力、甲醇溫度各脈寬下循環(huán)流量，最后和各條件下目標循環(huán)噴醇量對比，計算得到的20 ℃不同噴射壓力噴醇量補償脈譜、300 kPa不同甲醇溫度噴醇量補償脈譜如圖4、圖5所示。

圖4 20 ℃不同噴射壓力噴醇量補償脈譜

圖5 300 kPa不同甲醇溫度噴醇量補償脈譜

對于0.5～1.5 ms非線性階段，采用多項式對不同噴射壓力流量曲線進行擬合，在小脈寬階段，由于甲醇溫度對循環(huán)噴醇量影響較小，因此不做修正。多項式擬合是基于最小二乘法進行，要求所得的近似曲線能反映數(shù)據(jù)的基本趨勢，使求得的逼近函數(shù)與目標函數(shù)從總體上偏差的平方和最小[19]。以噴射壓力300 kPa 為例，圖6為不同階數(shù)多項式擬合曲線及殘差，可以看到，二階、三階、四階多項式殘差分別為0.157、0.073、0.073，三階和四階多項式擬合準確度更高，因此選擇四階多項式方程作為300 kPa噴射壓力下噴醇器循環(huán)流量特性擬合曲線。依次將250、275、325、350 kPa噴射壓力循環(huán)流量曲線進行多項式擬合，得到各噴射壓力對應的循環(huán)流量方程。通過插值計算其它噴射壓力下循環(huán)噴射量，最后和各條件下目標循環(huán)噴醇量對比，計算得到的0.5～1.5 ms、20 ℃不同噴射壓力非線性段噴醇量補償脈譜如圖7所示。

(a) 循環(huán)噴醇量多項式擬合曲線

(b) 循環(huán)噴醇量多項式擬合殘差

圖7 20 ℃不同噴射壓力非線性段噴醇量補償脈譜

3.3 修正量驗證

為了驗證噴醇修正量準確性，在噴醇器流量測量系統(tǒng)上進行噴醇修正量驗證試驗。在基準噴射壓力300 kPa下，選取甲醇溫度-5 ℃和25 ℃，脈寬為2.4、4、6.2 ms這六組工況；在基準溫度20 ℃下，選取噴射壓力260 kPa和340 kPa，脈寬為1.2、6、8.5 ms六組工況，實測各工況下循環(huán)噴醇量，得到噴醇修正量。表4為基準噴射壓力下，不同甲醇溫度噴醇修正量計算值與測試值對比，從表4中可以看到，噴醇修正量隨脈寬增大而增大，噴醇修正量最大修正誤差為11.1%，平均相對誤差為8.7%。表5為基準溫度下，不同噴射壓力噴醇修正量計算值與測試值對比，噴醇修正量最大修正誤差為10%，平均相對誤差為9.6%。試驗結(jié)果顯示噴射壓力和甲醇溫度噴醇量修正值和測試值平均誤差都小于10%，所提出的修正方法是有效的。因此在進行單缸柴油機甲醇進氣道噴射策略開發(fā)時，可以針對甲醇溫度和甲醇噴射壓力變化加入修正函數(shù)，能夠有效提高甲醇循環(huán)噴醇量精度。

表4 不同甲醇溫度噴醇量修正量對比Tab. 4 Comparison of alcohol injection correction at different methanol temperatures

表5 不同噴射壓力噴醇量修正量對比Tab. 5 Comparison of alcohol injection correction amount under different injection pressure

4 結(jié)論

本文從農(nóng)用單缸柴油機實際應用出發(fā)，為了柴油機循環(huán)噴醇量不受噴射壓力和甲醇溫度的影響，開展了噴醇器流量特性試驗研究，得出以下結(jié)論。

1) 噴射脈寬在0～0.5 ms階段，噴醇器處于無效噴射階段，噴醇壓力對無效噴射時間基本沒有影響，0.5～1.5 ms階段循環(huán)流量隨脈寬增大呈非線性增加，脈寬大于1.5 ms時，循環(huán)流量隨脈寬增大基本呈線性增長。

2) 噴醇器質(zhì)量流量隨噴射壓力和甲醇溫度提升而增大，1.5～10 ms階段，噴射壓力每提升25 kPa，循環(huán)流量平均提高4.8%，甲醇溫度每增長15 ℃，循環(huán)流量平均提高3.2%。

3) 提出的最小二乘法和插值算法計算噴醇修正量方法，能夠?qū)崿F(xiàn)不同噴射壓力和甲醇溫度下噴醇量的有效修正。