喷孔流量系数精确测量方法研究

杜慧勇，郭 川，刘 松，刘建新，王站成，徐 斌

（河南科技大学车辆与动力工程学院，河南 洛阳 471003）

燃油喷射系统是发动机极为关键的部件。燃烧过程对发动机动力性、经济性、排放性有决定性影响，而燃烧过程又很大程度上取决于燃油喷雾质量，所以，发动机喷雾质量对发动机整体性能有决定性的影响。喷油嘴喷孔的流量系数是评定喷油嘴质量的一个重要指标，直接影响燃油的喷雾特性，所以精确地测量喷油嘴的流量系数非常重要。影响流量系数的主要因素有喷油嘴的结构参数、盛油槽压力［1］及环境背压［2－4］。

通常，流量系数是在喷油过程结束后，利用测得的喷油量通过经验公式计算得到，此种方法称为静态测量方法［5］。用静态测量方法来计算电控喷油器流量系数时，流量系数会随着喷油持续期的增大而增大，原因是喷油器针阀在打开与关闭过程中，喷孔的有效流通面积会减小，从而测量的喷油量会减小。喷油持续期越短，针阀开启和关闭所占总时长的比例就越大，计算出的流量系数就越不准确。虽然针阀开启和关闭时间很短，一般在100μs左右，但是对于小脉宽喷油，针阀开启和关闭对流动性的影响就不可忽略。

本研究提出一种新的动态精确测量喷油嘴流量系数的方法，消除了针阀开启与关闭过程对流量系数的影响。通过试验计算出了在不同喷油压力和不同背压下喷油嘴的流量系数，分析了在喷油嘴结构参数不变的情况下喷油压力与背压对流量系数的影响及原因。由于在现有试验条件下盛油槽压力难以测量，故认为共轨管内压力即为喷油压力［6］。在此基础上绘制了柴油的等喷油量曲线，更为直观地示出了不同喷油压力下等体积柴油的喷雾情况。

1 试验设备

图1示出试验所采用的EFS8246单次喷射仪结构，该喷射仪是通过喷射燃油引起的盛油腔内测量活塞位移来对油量进行测量。在喷射过程中，排油控制电磁阀保持关闭，燃油喷入可变容积的盛油腔内，冲击测量活塞使之克服弹簧力和背压向下运动，活塞的位移即反映了瞬时喷油量的大小。测量结束后，排油控制电磁阀打开，在复位弹簧力的作用下，将盛油腔内的被测量燃油经排油阀排出。系统还可以根据活塞的位移信号微分出活塞速率，能间接反映喷油速率。EFS8246单次喷射仪测量精度在满量程0～600 mm3时，测量精度能达到0.6 mm3（1%）。

试验采用EFS8246单次喷射仪对喷油量进行测量，采用WaveBook／512对单次喷射仪的测量活塞位移信号进行采集。本研究中，喷油器为Bosch电控喷油器，喷油嘴为P系列单孔油嘴，长径比为0.65／0.13。

2 流量系数动态计算方法

2.1 流量系数动态计算方法

传统的流量系数计算方法是采用经验公式（1）［7］：

式中：μ为喷孔流量系数；Q为喷孔流量；A为喷孔几何流通面积；g为重力加速度；p1喷孔入口压力；p0为喷孔出口背压；ρf为燃油密度。

在传统经验公式中，喷孔的流量是通过测量整个喷射过程的喷油量来计算得到，但在整个喷射过程中，针阀的开启和关闭会影响喷油量的测量，因此，采用整段喷射的喷油量来计算流量系数是不准确的，尤其在喷油持续期较小时误差更大。

解决上述问题的最好办法是测量针阀的升程，选取针阀在最大升程处的流量来计算流量系数，这样就消除了针阀开启和关闭对燃油流动的影响。但测量电控喷油器针阀升程很困难。为此，设计了1种动态测量方法：采集单次喷射仪的活塞升程信号，在Dislab软件中对活塞升程信号进行处理，根据喷油脉宽尽可能选取线性度好的一段升程信号，并将之视为针阀完全开启阶段，活塞的升程即为喷油持续期。选择1个时间长度T（精度能达到10μs）（见图2），该时间段所对应的纵坐标的变化即为单次喷射仪活塞的位移（满量程时20 V对应5 000μs），由活塞直径（130μm）可以得到活塞的截面积，从而可得到T时间段内喷出燃油的体积，进而算出流量Q，将Q代入式（1）可得出喷油器针阀完全开启阶段的流量系数。

2.2 T的选取

为了确定时间长度T的取值对流量系数计算结果的影响，本研究分别取T为固定值300μs、喷油持续期的30%和50%进行测量计算，并将由动态计算方法得到的流量系数与传统静态计算方法得到的流量系数进行比较。图3示出在100 MPa喷油压力、不同喷油脉宽下由两种计算方法得到的柴油流量系数的比较。从图中可看出，传统静态计算方法不能消除针阀打开与关闭对喷油量的影响，所以随着喷油脉宽的增大，流量系数逐渐增大。而采用动态计算方法基本消除了针阀开启和关闭对流量系数计算的影响，计算出的流量系数比较稳定。当T选取喷油持续期的30%时，所测得的流量系数最稳定、波动最小。

3 喷油压力及背压对流量系数的影响

以下研究仍选用P系列单孔喷油嘴，燃油为柴油。在背压为0、喷油脉宽为800μs、不同喷油压力条件下，利用上述测量与计算方法得出的喷油嘴流量系数见表1。

表1 不同喷油压力下的喷油嘴流量系数

由表1发现，流量系数随着喷油压力的增大先增大后减小。发生这种现象的原因可能是喷油压力增大，燃油所具有的能量增大，其受自身黏度的影响减弱，流动性能增强；但随着喷油压力继续增大，喷孔内的燃油出现气穴现象，影响了实际喷油量，从而使流量系数变小。

图4示出在喷油脉宽为1 000μs时喷油压力和喷油背压对喷油量的影响。从中可看出，喷油量随着喷油压力的增大而增大，但超过100 MPa后，喷油量的增加变缓。为喷射环境提供1 MPa，2 MPa和3 MPa的背压之后，喷油量有所下降，但下降值很小，而且随着背压的增大，降幅减小。

4 等喷油量曲线的绘制

测量了50，80，90，100，110 MPa喷油压力下，500，600，700，800，900，1 000μs喷油持续期时的喷油量，用Matlab中的contour函数绘制了柴油的等喷油量曲线（见图5）。

图中每条曲线上的喷油量都相等，因此可以通过此图在保证相同喷油量的前提下，调整喷油持续期来满足不同的喷油压力，便于进行在不同喷油压力下同等体积柴油喷雾情况的比较，也可作为在相同喷嘴下对其他燃料喷雾性能进行标定时的参考。

5 结论

a）在喷油过程中，尤其是小脉宽喷油时，针阀开启和关闭会影响喷孔的有效流通面积，随着喷油持续期的增大，采用传统方法计算出的流量系数会由于开启和关闭所占总时长比例减小而增大；

b）通过采集单次喷射仪中测量活塞升程信号，计算出了针阀完全开启时柴油在不同喷油压力下的流量系数，发现随着喷油压力的增大，流量系数会随之先增大后再减小；

c）通过测量不同喷油压力和不同喷油持续期下的喷油量，绘制了柴油的等喷油量曲线，可以更直观地观察其流通性能。

［1］ 郑金宝，缪雪龙，洪建海，等.共轨系统电磁喷油器盛油槽压力测量与分析［J］.内燃机学报，2012（1）：86－90.

［2］ 夏兴兰，许 喆，郭立新，等.影响喷油嘴流量系数关键参数的研究［C］／／中国内燃机学会燃烧节能净化分会2010年学术年会.［出版地不祥］：［出版者不祥］，2010：157－163.

［3］ 张宗杰，徐 波，杨瑞龙，等.柴油机喷油器中针阀的碰撞与运动轨迹研究［J］.华中科技大学学报：自然科学版，2006（3）：75－78.

［4］ 李劲松，韩恒信.提高喷油嘴流量系数的探讨［J］.柴油机设计与制造，2003（3）：33－35.

［5］ 周龙保，刘巽俊，高宗英.内燃机学［M］.北京：机械工业出版社，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］ 刘建新，杜慧勇，李 民，等.柴油机喷油嘴准动态喷孔流量系数研究［J］.农业机械学报，2002（3）：32－34.