高壓直噴噴射器噴射規(guī)律與針閥升程同場測試方法研究

摘要：提高直噴式發(fā)動機的效率及減小其排放，需要充分了解噴射器瞬態(tài)燃料的注入過程。為揭示高壓直噴（High Pressure Direct Injection，"HPDI）噴射器燃氣針閥的動態(tài)特性，文章通過多參數同場同時試驗，研究針閥運動特性及其影響規(guī)律。測試結果表明：氣體噴射壓力和噴射脈寬是影響針閥運動特性的主要因素；隨著噴射壓力的增大，燃氣針閥的提升速度增快；在相同的注入壓力下，隨著注入時間的增加，針閥的位移曲線由三角形變?yōu)樘菪危挥捎谌剂蠂娚溥^程中噴射器內部節(jié)流位置發(fā)生變化，噴射規(guī)律曲線與針閥運動曲線呈非線性對應關系。本研究結果可為HPDI噴射器的設計提供標定依據。

關鍵詞：高壓直噴；天然氣發(fā)動機；噴射器；針閥運動；測試方法

中圖分類號：TK422"""" 文獻標識碼：A""""" 文章編號：1674-0688（2024）03-0089-04

0 引言

柴油機燃油系統(tǒng)正向著高壓、高功率的方向發(fā)展，為了滿足排放法規(guī)的要求，考慮到漸進性減排及燃料成熟度等因素，研究人員通過優(yōu)化燃燒模式和噴射過程提高發(fā)動機的燃燒效率，并且采用低碳燃料替代傳統(tǒng)燃料，從源頭上減少碳排放［1］。HPDI技術是由Philip Hill博士的早期研究成果發(fā)展而來的，該技術采用高壓直噴燃料系統(tǒng)，在壓縮沖程中注入少量柴油作為引燃劑，柴油在天然氣未噴入氣缸前或天然氣噴射早期被壓燃，形成火核，啟動天然氣擴散燃燒［2-3］。因此，HPDI燃燒模式是預混柴油與擴散燃燒并存，并以主燃料天然氣的擴散燃燒為主燃燒機理。HPDI技術使天然氣發(fā)動機具有了更好的燃油經濟性，能夠實現高效率燃燒［4］。KASTENGREN等［5］的研究表明，相比進氣道噴射技術，HPDI技術顯著提高了充氣效率和燃燒均勻性，能進一步提高熱效率。商業(yè)化的HPDI天然氣發(fā)動機的熱效率超過本體柴油機，證明HPDI技術是充分發(fā)揮低碳燃料優(yōu)勢的關鍵。

目前，最先進的雙燃料噴射系統(tǒng)以雙燃料噴射器為最終端的執(zhí)行器，通過雙燃料噴嘴上分層噴孔實現雙燃料同軸交錯噴射，能夠適應小缸徑發(fā)動機緊湊的氣缸結構［6］。JUAN等［7］的研究證明，直噴式發(fā)動機燃料的瞬態(tài)噴射速率是影響缸內燃燒過程以及后續(xù)排放水平的重要因素之一。同時，KEISUKE等［8］提出研究針閥運動特性是研究燃料注入特性的重要要補充，有助于噴射器的優(yōu)化設計。然而，對于雙燃料噴射器來說，其內部具有復雜的氣動-液壓-電磁多物理場耦合驅動結構及特殊的同心雙軸針結構噴嘴，對于共軌式噴油器動態(tài)行為的研究無參考意義［9］。因此，開發(fā)用于測量燃料注入特性及針閥升程的測量系統(tǒng)，能更好地研究噴射器的工作特性，有助于HPDI技術的推廣。

本文針對HPDI噴射器燃氣針閥的外開式結構，提出一種非侵入式燃氣針閥運動特性的測試方法，該方法具有極高的空間分辨率，可實現燃氣針閥運動特性、燃氣瞬態(tài)注入速率以及燃料壓力波動特性的多參數測試。針對不同的噴射條件，分析針閥運動特性的影響機理；通過聯合測試發(fā)現了針閥運動與瞬態(tài)噴射速率的非線性關系以及控制燃油壓力對針閥運動速度的影響規(guī)律；揭示內部氣動-液壓流對針閥運動的耦合影響機理。本文的研究結果可為HPDI噴射器的設計提供標定依據，為充分發(fā)揮天然氣在內燃機領域的應用優(yōu)勢提供技術支持。

1 測試原理

采用動量法或容積法雖然能夠完成液體燃料噴射速率的測量工作，但是由于高壓氣體射流慣量小，在到達沖擊力傳感器之前會發(fā)生明顯的動量損失，因此動量法無法直接測量燃氣的噴射速率；而基于容積法原理測試容腔內部壓力變化率及計算燃氣噴射速率的方法的瞬態(tài)性能較差，在高背壓環(huán)境下其信號質量較差，需要十分復雜的信號調理過程，而且采用此方法時，壓力傳感器的設置位置、測試容腔的形狀都會影響測試精度。因此，本研究采取組合應用動量法和容積法的測試方法獲取燃氣噴射速率。

首先，基于容積法原理，利用范德爾方程實現燃氣噴射時噴氣量的精確測試。范德爾方程如下：

[（P+aV20）（V0-b）=RT]"""""" （1）

燃氣噴射引起容腔內部氣體比體積的變化，根據公式（2）可計算得到噴氣量：

[mcyc=VMV01-VMV02]""""""""""""""""""""""" （2）

采用動量法能夠獲取信號質量好的噴射速率軌跡形狀，如公式（3）所示：

[m（t）∝F（t）]""""""""" （3）

因此，通過將容積法得到的噴氣量校準動量法得到的噴射速率曲線，能夠實現噴射速率的定量測試，其計算公式如下：

[m（t）=mcycF（t）dt×F（t）]"""" （4）

需要注意的是，噴射器燃氣噴孔為同軸對稱且其噴射錐角相同，因此可以采用動量法測量噴嘴內單個噴孔的噴氣規(guī)律。本研究采用的針閥測試方法沒有破壞噴射器的內部結構，針閥下部燃氣壓力腔及控制腔容積均未發(fā)生變化，其測試結果更接近實際噴射過程。

為消除傳感器在實際測試環(huán)境中產生的漂移及誤差，在進行測試前，需要對傳感器進行標定。位移傳感器標定裝置如圖1所示，標定裝置由精密平移千分尺、金屬檢測平面、位置傳感器、固定支架組成。在進行標定時，手動旋轉千分尺，使檢測平面緊貼探頭表面，標記為0點位置；旋轉千分尺，移動檢測平面，使其遠離傳感器探頭。記錄傳感器探頭與檢測平面的距離與傳感器電壓信號的對應關系，位移傳感器標定結果見圖2。從圖2可以看出，位移傳感器在針閥運動的范圍內具有很好的線性度，并且經過5次重復標定后，各個標定點的信號誤差均不超過0.5%，說明經過標定的傳感器具有較高的精度。

2 測試系統(tǒng)

測試系統(tǒng)結構示意圖如圖3所示，為確保實驗臺與實際發(fā)動機的燃料系統(tǒng)相同，本研究直接采用實際發(fā)動機的雙軌結構。測試系統(tǒng)主要包括燃氣供給系統(tǒng)、燃油供給系統(tǒng)、噴射器、力傳感器以及用于循環(huán)噴氣量的背壓傳感器和溫度傳感器。此外，為探究噴射過程中柴油和天然氣的壓力變化情況，在噴射器入口處分別安裝2個夾持式的高響應壓力傳感器。測試對象選擇具有同心雙軸針結構的噴射器，內部針閥控制引燃柴油的噴射過程，外部針閥控制主燃料天然氣的噴射過程；噴射器采用燃油燃氣雙共軌技術，即可以實現高壓柴油和天然氣的耦合噴射，也可以實現柴油和天然氣燃料的獨立噴射，適用于高速發(fā)動機。

3 測試結果與討論

3.1 針閥升程與噴射規(guī)律的對應關系

圖4為噴射規(guī)律曲線和針閥運動曲線的對應關系，從圖中可以發(fā)現，針閥運動曲線與噴射規(guī)律曲線不是線性對應關系。△T1為針閥開始上提到燃氣由噴孔噴出的時間間隔，其產生的原因是針閥節(jié)流面的流通面積過小時，燃氣無法從針閥節(jié)流面通過，并且當節(jié)流面的流通面積足夠，燃氣順利通過時，節(jié)流面到燃氣噴孔也會存在時間間隔。△T2為燃氣停止噴出到針閥完全落座的時間間隔，其產生原因與△T1相同。在針閥上提過程中，噴射規(guī)律曲線呈現2種不同的趨勢。其中，在第一階段，隨著針閥的上提，針閥與針閥底座的密封面逐漸開啟，針閥密封面的節(jié)流作用占據主導，噴射速率隨著針閥的上行逐漸提升。在第二階段，針閥已經上提到較高的位置，燃氣流動的節(jié)流面此時從針閥密封面位置轉移到噴孔處，噴射速率的上升速度減緩；并且，隨著針閥的繼續(xù)上提，燃氣的有效流通面積幾乎不發(fā)生改變。因此，噴射速率隨著針閥的繼續(xù)上提基本不發(fā)生改變。

3.2 噴射壓力及噴射脈寬對針閥運動特性的影響

為充分覆蓋發(fā)動機噴射器的工作范圍，本研究設計了不同噴射壓力及噴射脈寬的測試工況（見表1），以探究噴射壓力及噴射脈寬對燃氣針閥運動特性的影響。

不同噴射脈寬條件下針閥運動及噴氣規(guī)律特性見圖5，隨著噴射脈寬的增長，針閥升程曲線與噴氣規(guī)律曲線均呈現從三角形變換到梯形的變化趨勢。這是由于當噴射脈寬較短時，針閥還未運動到最大限位處即開始落座，針閥運動曲線呈現三角形的趨勢；當噴射脈寬較長時，針閥有足夠的時間運動到最大限位處并在最大限位處保持一段時間，針閥的運動曲線呈現梯形的趨勢。

圖6為不同噴射壓力下的針閥運動形式，即短脈寬和長脈寬噴射條件下針閥的運動規(guī)律曲線。從圖6（a）中可以看出，在短脈寬（ET=0.8 ms）噴射條件下，隨著噴射壓力的增加，針閥的最大位移隨著噴射壓力的增大而增大，并且針閥的開啟持續(xù)時間同樣隨著噴射壓力的增大而增長。在圖6（b）所示的長脈寬（ET=3 ms）噴射條件下，隨著噴射壓力的提高，針閥的開啟速度增加，針閥運動到最大限位處所需要的時間變短。由此可知，噴射壓力對針閥的運動起到促進作用。

4 結論

為充分發(fā)揮天然氣在內燃機領域的應用優(yōu)勢，掌握HPDI噴射器針閥運動特性，本文針對不同的噴射條件，探究燃氣噴射過程中針閥的運動特性。通過多參數、同時空的測試，揭示噴射規(guī)律曲線受針閥運動特性的影響規(guī)律以及噴射壓力、噴射脈寬對針閥運動特性的影響，得出的結論如下。

（1）噴射規(guī)律曲線與針閥運動曲線呈非線性對應關系。由于噴嘴處氣體節(jié)流位置發(fā)生變化，所以在針閥上提過程中，質量流率的上升過程呈現不同的趨勢。在第一階段，節(jié)流位置出現在針閥密封面，隨著針閥的持續(xù)上提，氣體的有效流通面積增大，質量流率快速增大；在第二階段，有效流通面積受到針閥密封面與燃氣噴孔處的共同影響，隨著針閥的繼續(xù)上提，燃氣的有效流通面積幾乎不發(fā)生改變。因此，針閥運動曲線到達最大位置的時間點滯后于質量流率到達最大位置的時間點。

（2）噴射脈寬及噴射壓力是影響燃氣針閥運動的重要因素。隨著噴射脈寬的增長，針閥運動曲線逐漸從三角形變化為梯形，表明噴射壓力對燃氣針閥運動起到促進作用，具體體現為隨著噴射壓力的增大，針閥的上提速度加快。當噴射脈寬較短時，隨著噴射壓力的增加，燃氣針閥能夠達到的最大位置變大，噴射持續(xù)期增長；當噴射脈寬較長時，隨著噴射壓力的增大，燃氣針閥能夠更快地到達最大限位。

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*國家自然科學基金“循環(huán)可變噴油規(guī)律高壓共軌系統(tǒng)噴射性能研究”（52071106）。

【作者簡介】鄭忠偉，男，黑龍江安寧人，碩士，工程師，研究方向：柴油機電控高壓噴油技術；王順利，男，河北石家莊人，研究方向：柴油機電控高壓噴油技術；劉克為，男，黑龍江哈爾濱人，碩士，正高級工程師，研究方向：柴油機電控高壓噴油技術；王安林，男，黑龍江哈爾濱人，在讀碩士研究生，研究方向：柴油機電控高壓噴油技術；尹瑩，女，黑龍江哈爾濱人，在讀碩士研究生，研究方向：柴油機電控高壓噴油技術；董偉杰，男，安徽阜陽人，在讀碩士研究生，研究方向：柴油機電控高壓噴油技術。

【引用本文】鄭忠偉，王順利，劉克為，等.高壓直噴噴射器噴射規(guī)律與針閥升程同場測試方法研究［J］.企業(yè)科技與發(fā)展，2024（3）：89-92.