農(nóng)用單缸柴油機(jī)噴醇器流量特性試驗(yàn)研究*

張美娟，陳梓含，王忠，陳晟閩

(1. 無(wú)錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車與交通學(xué)院，江蘇無(wú)錫，214121； 2. 江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江，212013)

0 引言

單缸柴油機(jī)是小型農(nóng)機(jī)具和植保機(jī)械的主導(dǎo)動(dòng)力，在我國(guó)農(nóng)村地區(qū)有著廣泛的應(yīng)用。甲醇是一種清潔替代燃料，柴油機(jī)摻燒甲醇，可以有效降低NOx和碳煙排放，實(shí)現(xiàn)農(nóng)用單缸柴油機(jī)燃料多樣化、低排放的目的[1-2]。單缸柴油機(jī)采用甲醇?xì)獾离娍貒娚浞绞?，摻燒甲醇過(guò)程中，甲醇的噴射壓力、甲醇溫度會(huì)發(fā)生變化，使得每循環(huán)噴醇量會(huì)有較大變化，從而改變了柴油機(jī)甲醇的摻燒比。柴油機(jī)采用甲醇/柴油雙燃料模式，燃料比例對(duì)柴油機(jī)的動(dòng)力、經(jīng)濟(jì)和排放性能有很大的影響[3-4]。

目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)不同噴射壓力和燃油溫度對(duì)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(duì)噴油器流量系數(shù)的影響，以動(dòng)量法測(cè)量噴油規(guī)律，通過(guò)流動(dòng)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(zhǔn)溫度的方法，推導(dǎo)出噴油量和噴油壓力的修正量計(jì)算公式；雷威等[7]測(cè)得不同噴油壓力下動(dòng)態(tài)流量，發(fā)現(xiàn)噴油壓力對(duì)動(dòng)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(guò)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(duì)噴射過(guò)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(dá)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(dāng)前研究更多采用的是仿真以及流體理論計(jì)算方式，推導(dǎo)計(jì)算噴射壓力和燃油溫度對(duì)循環(huán)噴油量的修正值，方法復(fù)雜且實(shí)際修正誤差較大?？紤]農(nóng)用單缸柴油機(jī)循環(huán)噴醇量修正方法的實(shí)用性，提出在試驗(yàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，以曲線擬合和插值計(jì)算的數(shù)值方法來(lái)修正噴醇量，實(shí)現(xiàn)不同條件下單缸柴油機(jī)循環(huán)噴醇量補(bǔ)償修正。

本文開展了不同噴醇?jí)毫?、甲醇溫度噴醇器流量特性試?yàn)，測(cè)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(jī)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(yàn)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(yàn)的因素選擇。

試驗(yàn)研究采用多因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)，試驗(yàn)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(dòng)機(jī)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(yàn)可達(dá)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(jìn)行多因素試驗(yàn)，通過(guò)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(duì)循環(huán)噴醇量影響的主次順序，權(quán)重系數(shù)越大，對(duì)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(duì)循環(huán)噴醇量影響最大，甲醇溫度對(duì)循環(huán)噴醇量影響次之，噴醇頻率對(duì)循環(huán)噴醇量影響較小，噴醇次數(shù)對(duì)循環(huán)噴醇量幾乎沒(méi)有影響。

1.2 試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)在噴醇器流量測(cè)量系統(tǒng)上進(jìn)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(jì)量裝置等組成。測(cè)量系統(tǒng)中，甲醇噴射ECU可設(shè)置噴醇脈寬和噴醇正時(shí)，精度分別為0.01 ms、0.1 ℃A，噴射頻率由單缸柴油機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)決定，所應(yīng)用的單缸柴油機(jī)為186F柴油機(jī)，其參數(shù)如表3所示。噴射壓力通過(guò)可調(diào)穩(wěn)壓電源調(diào)節(jié)醇泵驅(qū)動(dòng)電壓實(shí)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(yàn)過(guò)程噴射壓力恒定，壓力傳感器測(cè)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(jìn)行溫度控制，甲醇溫度在低溫到常溫之間，通過(guò)冷卻箱和保溫裝置提供試驗(yàn)所需甲醇溶液溫度，溫度傳感器測(cè)量誤差為±1%。噴醇器質(zhì)量流量采用容積法測(cè)量，計(jì)量裝置精度為0.01 mg。

圖1 噴醇器流量測(cè)量系統(tǒng)

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

1.3 試驗(yàn)方案

依據(jù)農(nóng)用單缸柴油機(jī)摻燒甲醇實(shí)際工況需求，選取甲醇噴射壓力試驗(yàn)范圍250～350 kPa，增量為25 kPa；甲醇溫度試驗(yàn)范圍在-10 ℃～50 ℃，增量為15 ℃；甲醇脈寬試驗(yàn)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(guò)轉(zhuǎn)速模擬信號(hào)發(fā)生器模擬柴油機(jī)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(jī)甲醇每循環(huán)質(zhì)量流量小，循環(huán)噴醇量通過(guò)多次測(cè)量取均值計(jì)算，試驗(yàn)所用甲醇為市面所售99.8%無(wú)水甲醇。參考GB/T 25363—2010電磁閥式噴油器總成試驗(yàn)方法，試驗(yàn)步驟如下。

1) 設(shè)置噴醇脈寬5 ms，噴醇器預(yù)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(cè)量計(jì)算不同脈寬下噴醇器質(zhì)量流量。

3) 噴醇?jí)毫υO(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(cè)量計(jì)算不同脈寬下噴醇器質(zhì)量流量。

2 噴醇器流量特性試驗(yàn)

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(guò)噴嘴時(shí)，在噴孔幾何形狀和湍流摩擦渦流的作用下，實(shí)際的流體流量往往會(huì)小于理想情況[10]，因此引入流量系數(shù)Cd來(lái)表示噴醇器實(shí)際質(zhì)量流量。Cd為通過(guò)噴孔實(shí)際質(zhì)量流量與理論質(zhì)量流量的比值，實(shí)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(shí)，不同噴射壓力下噴醇器流量特性曲線?？梢钥吹剑鲊姶济}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(shì)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(wú)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(chǎng)力不足以打開針閥[14]，噴醇量為0。噴射壓力對(duì)無(wú)效噴射持續(xù)時(shí)間基本沒(méi)有影響。

當(dāng)噴醇器針閥行程最大時(shí)，噴醇器完全打開，壓力室噴射壓力等于醇軌壓力，當(dāng)噴醇器針閥行程小于最大行程時(shí)，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(shí)，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(bǔ)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(xué)角度來(lái)看，當(dāng)噴醇器結(jié)構(gòu)一定時(shí)，單次通過(guò)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(jìn)氣壓力；

d——噴醇時(shí)間。

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

所以，無(wú)效噴射階段結(jié)束后，循環(huán)噴射量急劇增大，由于針閥運(yùn)動(dòng)的慣性、磁路系統(tǒng)磁滯損耗，針閥的運(yùn)動(dòng)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(shí)，針閥升程達(dá)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(dá)到醇軌壓力值，隨著時(shí)間的增加，最大噴油速率保持不變，噴射壓力與進(jìn)氣壓力差為一個(gè)定值，則循環(huán)噴醇量與噴醇時(shí)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(shì)，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?？梢钥吹剑h(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(duì)噴醇器循環(huán)流量影響作用，說(shuō)明噴醇器低壓噴射下，甲醇溫度的提高使黏性力減弱，流動(dòng)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(duì)質(zhì)量流量的影響作用比甲醇密度對(duì)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(zhǎng)，由于脈寬較小，此階段甲醇溫度的提升對(duì)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(zhǎng)，甲醇溫度每增長(zhǎng)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(bǔ)償修正

3.1 基準(zhǔn)參數(shù)確定

從噴醇器流量特性試驗(yàn)可以看出，噴射壓力和甲醇溫度變化直接影響柴油機(jī)循環(huán)噴醇量。為了避免農(nóng)用單缸柴油機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，噴醇?jí)毫图状紲囟葘?duì)循環(huán)噴醇量的改變，需要對(duì)柴油機(jī)甲醇摻燒MAP中的目標(biāo)甲醇噴射量進(jìn)行補(bǔ)償修正。柴油機(jī)摻燒甲醇MAP通常是以轉(zhuǎn)速和負(fù)荷為二維坐標(biāo)，在固定噴射壓力和溫度條件下試驗(yàn)標(biāo)定得出，標(biāo)定試驗(yàn)中的壓力和溫度為基準(zhǔn)參數(shù)[15-18]。噴醇量修正是在基準(zhǔn)參數(shù)對(duì)應(yīng)的MAP上進(jìn)行，因此，在進(jìn)行修正試驗(yàn)前需要確定甲醇噴射壓力和甲醇溫度的基準(zhǔn)參數(shù)數(shù)值。

甲醇?xì)獾绹娚鋲毫殱M足甲醇最大循環(huán)流量要求以及有較佳的霧化效果，同時(shí)不超過(guò)噴醇器機(jī)械性能要求，綜合以上，選擇噴射壓力300 kPa為基準(zhǔn)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(jī)常見工作環(huán)境溫度20 ℃作為基準(zhǔn)參數(shù)，修正范圍-10 ℃～50 ℃。

3.2 噴醇量修正計(jì)算

從理論分析中可以看到，采用理論計(jì)算方式，建立噴射壓力、甲醇溫度和循環(huán)流量之間準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)關(guān)系相對(duì)復(fù)雜。因此提出基于噴醇器流量特性試驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用曲線擬合和插值計(jì)算方法，去實(shí)現(xiàn)噴醇量修正。對(duì)于近似線性階段，采用最小二乘法，分別對(duì)不同噴射壓力和甲醇溫度在1.5～10 ms階段的流量特性進(jìn)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(jì)算各脈寬下循環(huán)流量，通過(guò)插值方法去計(jì)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(biāo)循環(huán)噴醇量對(duì)比，計(jì)算得到的20 ℃不同噴射壓力噴醇量補(bǔ)償脈譜、300 kPa不同甲醇溫度噴醇量補(bǔ)償脈譜如圖4、圖5所示。

圖4 20 ℃不同噴射壓力噴醇量補(bǔ)償脈譜

圖5 300 kPa不同甲醇溫度噴醇量補(bǔ)償脈譜

對(duì)于0.5～1.5 ms非線性階段，采用多項(xiàng)式對(duì)不同噴射壓力流量曲線進(jìn)行擬合，在小脈寬階段，由于甲醇溫度對(duì)循環(huán)噴醇量影響較小，因此不做修正。多項(xiàng)式擬合是基于最小二乘法進(jìn)行，要求所得的近似曲線能反映數(shù)據(jù)的基本趨勢(shì)，使求得的逼近函數(shù)與目標(biāo)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(xiàng)式擬合曲線及殘差，可以看到，二階、三階、四階多項(xiàng)式殘差分別為0.157、0.073、0.073，三階和四階多項(xiàng)式擬合準(zhǔn)確度更高，因此選擇四階多項(xiàng)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(jìn)行多項(xiàng)式擬合，得到各噴射壓力對(duì)應(yīng)的循環(huán)流量方程。通過(guò)插值計(jì)算其它噴射壓力下循環(huán)噴射量，最后和各條件下目標(biāo)循環(huán)噴醇量對(duì)比，計(jì)算得到的0.5～1.5 ms、20 ℃不同噴射壓力非線性段噴醇量補(bǔ)償脈譜如圖7所示。

(a) 循環(huán)噴醇量多項(xiàng)式擬合曲線

(b) 循環(huán)噴醇量多項(xiàng)式擬合殘差

圖7 20 ℃不同噴射壓力非線性段噴醇量補(bǔ)償脈譜

3.3 修正量驗(yàn)證

為了驗(yàn)證噴醇修正量準(zhǔn)確性，在噴醇器流量測(cè)量系統(tǒng)上進(jìn)行噴醇修正量驗(yàn)證試驗(yàn)。在基準(zhǔn)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(zhǔn)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(shí)測(cè)各工況下循環(huán)噴醇量，得到噴醇修正量。表4為基準(zhǔn)噴射壓力下，不同甲醇溫度噴醇修正量計(jì)算值與測(cè)試值對(duì)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(duì)誤差為8.7%。表5為基準(zhǔn)溫度下，不同噴射壓力噴醇修正量計(jì)算值與測(cè)試值對(duì)比，噴醇修正量最大修正誤差為10%，平均相對(duì)誤差為9.6%。試驗(yàn)結(jié)果顯示噴射壓力和甲醇溫度噴醇量修正值和測(cè)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(jìn)行單缸柴油機(jī)甲醇進(jìn)氣道噴射策略開發(fā)時(shí)，可以針對(duì)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(duì)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(duì)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(jī)實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，為了柴油機(jī)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(yàn)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(wú)效噴射階段，噴醇?jí)毫?duì)無(wú)效噴射時(shí)間基本沒(méi)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(shí)，循環(huán)流量隨脈寬增大基本呈線性增長(zhǎng)。

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(zhǎng)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(jì)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。