噴孔流量系數(shù)精確測量方法研究

杜慧勇，郭 川，劉 松，劉建新，王站成，徐 斌

（河南科技大學車輛與動力工程學院，河南 洛陽 471003）

燃油噴射系統(tǒng)是發(fā)動機極為關鍵的部件。燃燒過程對發(fā)動機動力性、經(jīng)濟性、排放性有決定性影響，而燃燒過程又很大程度上取決于燃油噴霧質量，所以，發(fā)動機噴霧質量對發(fā)動機整體性能有決定性的影響。噴油嘴噴孔的流量系數(shù)是評定噴油嘴質量的一個重要指標，直接影響燃油的噴霧特性，所以精確地測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構參數(shù)、盛油槽壓力［1］及環(huán)境背壓［2－4］。

通常，流量系數(shù)是在噴油過程結束后，利用測得的噴油量通過經(jīng)驗公式計算得到，此種方法稱為靜態(tài)測量方法［5］。用靜態(tài)測量方法來計算電控噴油器流量系數(shù)時，流量系數(shù)會隨著噴油持續(xù)期的增大而增大，原因是噴油器針閥在打開與關閉過程中，噴孔的有效流通面積會減小，從而測量的噴油量會減小。噴油持續(xù)期越短，針閥開啟和關閉所占總時長的比例就越大，計算出的流量系數(shù)就越不準確。雖然針閥開啟和關閉時間很短，一般在100μs左右，但是對于小脈寬噴油，針閥開啟和關閉對流動性的影響就不可忽略。

本研究提出一種新的動態(tài)精確測量噴油嘴流量系數(shù)的方法，消除了針閥開啟與關閉過程對流量系數(shù)的影響。通過試驗計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)，分析了在噴油嘴結構參數(shù)不變的情況下噴油壓力與背壓對流量系數(shù)的影響及原因。由于在現(xiàn)有試驗條件下盛油槽壓力難以測量，故認為共軌管內壓力即為噴油壓力［6］。在此基礎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 試驗設備

圖1示出試驗所采用的EFS8246單次噴射儀結構，該噴射儀是通過噴射燃油引起的盛油腔內測量活塞位移來對油量進行測量。在噴射過程中，排油控制電磁閥保持關閉，燃油噴入可變容積的盛油腔內，沖擊測量活塞使之克服彈簧力和背壓向下運動，活塞的位移即反映了瞬時噴油量的大小。測量結束后，排油控制電磁閥打開，在復位彈簧力的作用下，將盛油腔內的被測量燃油經(jīng)排油閥排出。系統(tǒng)還可以根據(jù)活塞的位移信號微分出活塞速率，能間接反映噴油速率。EFS8246單次噴射儀測量精度在滿量程0～600 mm3時，測量精度能達到0.6 mm3（1%）。

試驗采用EFS8246單次噴射儀對噴油量進行測量，采用WaveBook／512對單次噴射儀的測量活塞位移信號進行采集。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，長徑比為0.65／0.13。

2 流量系數(shù)動態(tài)計算方法

2.1 流量系數(shù)動態(tài)計算方法

傳統(tǒng)的流量系數(shù)計算方法是采用經(jīng)驗公式（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)驗公式中，噴孔的流量是通過測量整個噴射過程的噴油量來計算得到，但在整個噴射過程中，針閥的開啟和關閉會影響噴油量的測量，因此，采用整段噴射的噴油量來計算流量系數(shù)是不準確的，尤其在噴油持續(xù)期較小時誤差更大。

解決上述問題的最好辦法是測量針閥的升程，選取針閥在最大升程處的流量來計算流量系數(shù)，這樣就消除了針閥開啟和關閉對燃油流動的影響。但測量電控噴油器針閥升程很困難。為此，設計了1種動態(tài)測量方法：采集單次噴射儀的活塞升程信號，在Dislab軟件中對活塞升程信號進行處理，根據(jù)噴油脈寬盡可能選取線性度好的一段升程信號，并將之視為針閥完全開啟階段，活塞的升程即為噴油持續(xù)期。選擇1個時間長度T（精度能達到10μs）（見圖2），該時間段所對應的縱坐標的變化即為單次噴射儀活塞的位移（滿量程時20 V對應5 000μs），由活塞直徑（130μm）可以得到活塞的截面積，從而可得到T時間段內噴出燃油的體積，進而算出流量Q，將Q代入式（1）可得出噴油器針閥完全開啟階段的流量系數(shù)。

2.2 T的選取

為了確定時間長度T的取值對流量系數(shù)計算結果的影響，本研究分別取T為固定值300μs、噴油持續(xù)期的30%和50%進行測量計算，并將由動態(tài)計算方法得到的流量系數(shù)與傳統(tǒng)靜態(tài)計算方法得到的流量系數(shù)進行比較。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)計算方法不能消除針閥打開與關閉對噴油量的影響，所以隨著噴油脈寬的增大，流量系數(shù)逐漸增大。而采用動態(tài)計算方法基本消除了針閥開啟和關閉對流量系數(shù)計算的影響，計算出的流量系數(shù)比較穩(wěn)定。當T選取噴油持續(xù)期的30%時，所測得的流量系數(shù)最穩(wěn)定、波動最小。

3 噴油壓力及背壓對流量系數(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，利用上述測量與計算方法得出的噴油嘴流量系數(shù)見表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，流動性能增強；但隨著噴油壓力繼續(xù)增大，噴孔內的燃油出現(xiàn)氣穴現(xiàn)象，影響了實際噴油量，從而使流量系數(shù)變小。

圖4示出在噴油脈寬為1 000μs時噴油壓力和噴油背壓對噴油量的影響。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（見圖5）。

圖中每條曲線上的噴油量都相等，因此可以通過此圖在保證相同噴油量的前提下，調整噴油持續(xù)期來滿足不同的噴油壓力，便于進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其他燃料噴霧性能進行標定時的參考。

5 結論

a）在噴油過程中，尤其是小脈寬噴油時，針閥開啟和關閉會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)方法計算出的流量系數(shù)會由于開啟和關閉所占總時長比例減小而增大；

b）通過采集單次噴射儀中測量活塞升程信號，計算出了針閥完全開啟時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)會隨之先增大后再減??；

c）通過測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量與分析［J］.內燃機學報，2012（1）：86－90.

［2］ 夏興蘭，許 喆，郭立新，等.影響噴油嘴流量系數(shù)關鍵參數(shù)的研究［C］／／中國內燃機學會燃燒節(jié)能凈化分會2010年學術年會.［出版地不祥］：［出版者不祥］，2010：157－163.

［3］ 張宗杰，徐 波，楊瑞龍，等.柴油機噴油器中針閥的碰撞與運動軌跡研究［J］.華中科技大學學報：自然科學版，2006（3）：75－78.

［4］ 李勁松，韓恒信.提高噴油嘴流量系數(shù)的探討［J］.柴油機設計與制造，2003（3）：33－35.

［5］ 周龍保，劉巽俊，高宗英.內燃機學［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2005：157.

［6］ Hiro Hiroyasu.Enhancement of the Atomization of a Liquid Jet by Cavitation in a Nozzle Hole［J］.Atomization and Sprays，2001：125－137.

［7］ 劉建新，杜慧勇，李 民，等.柴油機噴油嘴準動態(tài)噴孔流量系數(shù)研究［J］.農(nóng)業(yè)機械學報，2002（3）：32－34.