燃氣共軌噴射器流體力學(xué)特性試驗探究

同濟大學(xué)　鄧鈺才　黃思怡　馮　良

燃氣共軌噴射器流體力學(xué)特性試驗探究

同濟大學(xué)鄧鈺才黃思怡馮良

車用燃氣多點順序噴射系統(tǒng)是天然氣汽車的關(guān)鍵技術(shù)之一。為了優(yōu)化天然氣汽車噴射系統(tǒng)，本文通過搭建汽車燃氣順序噴射系統(tǒng)用噴射器試驗臺，試驗測試了不同工況下噴射器的流量特性及各噴口的流量一致性、均勻性等,為以后的燃氣共軌噴射器的設(shè)計提供指導(dǎo)。

燃氣噴射器順序噴射流體力學(xué)特性

近年來，天然氣工業(yè)的發(fā)展促使了國家對天然氣行業(yè)的投資并且推動了相關(guān)項目的發(fā)展和基礎(chǔ)工程的建設(shè)。天然氣汽車的發(fā)展作為天然氣應(yīng)用重要的一部分，因其能替代石油的使用、降低環(huán)境污染、符合低碳經(jīng)濟的發(fā)展趨勢的優(yōu)勢，其發(fā)展符合國情并且前景廣闊。目前國內(nèi)使用的噴射器大部分為國外進口，國內(nèi)的自主產(chǎn)品較少，技術(shù)相對落后，產(chǎn)品的質(zhì)量與國外產(chǎn)品相比存在較大差距。國內(nèi)生產(chǎn)企業(yè)不能掌握噴射器生產(chǎn)制造的核心技術(shù)，成為我國燃氣噴射器技術(shù)發(fā)展的主要障礙。本文主要研究多點順序噴射系統(tǒng)，通過試驗結(jié)果對以后的噴射系統(tǒng)提供指導(dǎo)建議。

1　車用多點順序燃氣噴射器結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1車用多點順序燃氣噴射器的結(jié)構(gòu)

車用燃氣噴射器的平面結(jié)構(gòu)示意圖和外觀圖如圖1、圖2所示。

圖1　噴射器結(jié)構(gòu)示意

圖2　噴射器外觀

燃氣共軌噴射器是為方便燃氣汽車安裝，把多個燃氣噴射器固定在統(tǒng)一的燃氣分配架上，共軌是指一個所謂公共管道的小的儲氣管，軌中壓力保持幾乎恒定，且時刻準備為各個噴射器供氣，并便于與噴射器一起對燃氣噴射過程優(yōu)化。

1.2車用多點順序燃氣噴射器的工作原理

燃氣多點順序系統(tǒng)由燃氣共軌噴射器、壓力和溫度傳感器、儲氣瓶、加壓器、燃氣ECU(Electronic Control Unit即電子控制單元)等組成(見圖3)，其工作原理如下：燃氣從儲氣瓶中流出，經(jīng)過減壓器減壓，以一定的壓力供應(yīng)給燃氣共軌噴射器，噴射器在燃氣ECU的控制下，開啟關(guān)閉閥芯，完成噴射。燃氣ECU以即時采集的汽油噴射時間為基礎(chǔ)，計算出適用于燃氣為燃料的噴射時間，燃氣ECU把汽油噴射執(zhí)行命令翻譯成適用于燃氣噴射的控制命令，原車汽油ECU繼續(xù)管理發(fā)動機的工作。燃氣ECU采集轉(zhuǎn)速及通過噴射器模擬器處理汽油噴射信號，獲得燃氣共軌噴射器的噴射觸發(fā)時間、噴射時間(脈寬)、以及脈沖頻率，同時燃氣ECU檢測燃氣的溫度、燃氣壓力(壓差)、尾氣氧含量及顯示氣量。

圖3　燃氣多點順序系統(tǒng)

2　燃氣共軌噴射器的試驗分析

2.1試驗系統(tǒng)概述

根據(jù)本文選用的車用燃氣順序噴射系統(tǒng)的應(yīng)用特點，設(shè)計并搭建該系統(tǒng)的測試試驗平臺，選用了符合本系統(tǒng)特點的軟件設(shè)備及硬件設(shè)備。系統(tǒng)流程圖如圖4所示。試驗采用的工質(zhì)為壓縮空氣，圖中虛線表示數(shù)據(jù)采集和控制信號的傳遞。

圖4　系統(tǒng)流程

本試驗利用OSCAR-N MINI SAS 型電控系統(tǒng)，此系統(tǒng)是市場上最小的基于微處理器的氣體噴射的電控系統(tǒng)，實現(xiàn)噴射器的驅(qū)動控制。采用容積式膜式流量表計量噴射器噴射流量，由于噴射器每次噴射的流量較小，為方便計量采用多次噴射。

2.2測試方案

測試1：調(diào)節(jié)調(diào)壓器出口為0.1 MPa，調(diào)節(jié)仿真器設(shè)定轉(zhuǎn)速為r=3 500 rpm，測試在不同脈寬下，噴射量為10 L時所需要的時間t，經(jīng)計算獲得特定孔徑下隨脈寬變化下的噴射流量變化。

單位時間內(nèi)的噴氣次數(shù)n相當于發(fā)動機轉(zhuǎn)速r，即n=r，也就是60 s噴射器噴射的次數(shù)n。根據(jù)噴射10 L所用時間t(s)，可計算出總共噴射的次數(shù)N，計算在不同噴射時間(脈寬)噴射一次的噴射量q。

其中：

噴射一次噴射的量：

測試2：調(diào)節(jié)調(diào)壓器出口為0.1 MPa，調(diào)節(jié)仿真器設(shè)定轉(zhuǎn)速為r=3 500 rpm，設(shè)定脈寬為10 ms，每次驅(qū)動一個噴嘴噴射，依次測試噴口out1、out2、out3、out4。噴射量為5 L時所需要的時間t，為減小測試誤差，使各噴口分別噴射20次，記錄數(shù)據(jù)，獲得各噴嘴的流量特性。

在發(fā)動機轉(zhuǎn)速為r，每分鐘噴射器噴射總次數(shù)n=r，設(shè)置每次只驅(qū)動一個噴射器噴口進行噴射動作，并設(shè)置噴射脈寬為10 ms，測量各噴口噴射5 L時，所用的時間t，按下式計算各噴口每次噴射量。為減小試驗誤差，提高精確度，每個噴嘴進行20次獨立噴射。

其中：

噴射一次的噴射量：

四噴嘴(out1、out2、out3、out4)20次平均噴射量：

四噴嘴噴射總體噴射量：

2.3測試結(jié)果

測試1：整理試驗測試數(shù)據(jù)獲得共軌噴射器啟閉1次的噴射量隨脈寬的變化圖，如圖5所示。由試驗得知：在相同實驗條件，同一噴射器，相同噴嘴尺寸，相同進出口壓差下，噴射器每啟閉1次(噴射1次)，所噴射的氣體量與脈寬(噴射時間)成正比。

圖6　共軌噴射器啟閉1次的噴射量隨脈寬的變化

測試2：對噴射器四個噴口依次進行單獨驅(qū)動，設(shè)定脈寬為10 ms、每個噴口進行20次記錄，并計算每個噴口噴射量的平均值，見圖6~圖9。

圖6　out1噴射量平均值

圖7　out2噴射量平均值

圖8　out3噴射量平均值

圖9　out4噴射量平均值

由上圖6~圖9可知，各噴口在脈寬為10 ms時的平均噴射量不同，為對比比較各噴口平均噴射量的大小，得到圖10。

圖10　脈寬10 ms四噴口噴射一次平均值

由圖10可知，噴射器out4噴射量最大，out2噴射量最小，其次為out1和out3噴口。為更清晰描述噴口噴射量的差異性，計算四噴口的總體平均值，將各噴口的平均值與總體平均值進行比較，得出下圖11。

圖11　各噴口噴射量與四噴口總體平均噴射量對比

由上圖可知，在相同脈寬、相同工作條件下，噴射器四噴口一致性有不小差異，out4 噴射量偏離總平均值比較大，且大于平均值，其余三噴口噴射量比總平均值小。這說明這4個噴口的瞬時噴射量并不均勻，因此燃氣噴入的效率與均勻性更好的噴射器相比肯定會有所下降，同情況下會消耗更多的燃氣。

3　結(jié)語

本文通過搭建車用燃氣順序噴射系統(tǒng)用噴射器測試平臺，利用OSCAR-N MINISAS順序燃氣噴射系統(tǒng)，模擬了燃氣汽車發(fā)動機的不同工況，并且相應(yīng)的對噴射器進行驅(qū)動，收集流量等數(shù)據(jù)，通過試驗對流量特性與四噴口的一致性分析，驗證了噴射器噴射有效性及均勻性。該試驗臺也可用于其它噴射器的測試，其測試功能也可進一步擴展。

由以上各圖可知，本燃氣共軌噴射器的out1~out4噴口穩(wěn)定時刻的速度場差異性較高，四個噴口之間的流速與流量缺乏均勻性和一致性。這就為以后的燃氣共軌噴射器的結(jié)構(gòu)設(shè)計提出了更高的要求，希望在以后的燃氣共軌噴射器的結(jié)構(gòu)設(shè)計和氣流均勻性和一致性方面能產(chǎn)生較大的提升。

Research on Hydrodynamic Characteristics of Gas sequential injection

Tongji UniversityDeng yucaiHuang SiyiFeng Liang

The CNG sequential injection system is one of the most important keys to vehicle development. Through building the CNG sequential injection system test-bed to optimize the injection system of the natural gas vehicle, this article analyzes, in different conditions, the flow performance, consistency and homogeneity of each injector. It provides guidance for future sequential injector design.

gas injector, sequential injection, hydrodynamic characteristics