试论出口压力对柴油喷油器流量特性影响的实验研究

赵志勇 靳峰 邓刚 孙晓飞 刘海霞

摘要：为了实现对柴油喷油器油量的精确化、高效化控制，现针对该喷油器流量特性的影响因素，现设计一款用于测量柴油喷油器流量特性的试验系统。然后，以“柴油喷油器”为试验对象，在不同出口压力脉冲下，对柴油喷油器的循环喷油量进行测量，并借MATLAH多项式，对动态流量特性曲线进行拟合，并精确地计算出该喷油器所对应的动态流量范围，接着，在不同出口压力下，对相应的动态流量特性和静态流量特性进行科学测量，从而分析出出口压力对柴油喷油器流量特性的影响规律，以实现对该喷油器喷油量的科学控制。

Abstract： In order to realize the accurate and efficient control of fuel quantity of diesel injector， an experimental system for measuring the flow characteristics of diesel injector is designed according to the influencing factors of the flow characteristics of the injector. Then， taking the "diesel injector" as the test object， the circulating fuel injection quantity of the diesel injector is measured under different outlet pressure pulses， the dynamic flow characteristic curve is fitted by matlah polynomial， and the corresponding dynamic flow range of the injector is accurately calculated. Then， under different outlet pressures， The corresponding dynamic flow characteristics and static flow characteristics are measured scientifically， so as to analyze the influence law of outlet pressure on the flow characteristics of diesel injector， so as to realize the scientific control of fuel injection quantity of the injector.

關键词：出口压力;电控喷油器;柴油机

Key words： outlet pressure;electronically controlled fuel injector;diesel engine

中图分类号：TK421+.43                                   文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）24-0048-03

0  引言

喷油器作为柴油机电控制燃油喷射系统的重要组成部分，其流量特性以及运行性能是否合理，对发动机的排放性能产生了直接性的影响，为此，通过设计和应用用于测量柴油喷油器流量特性的试验系统，并在不同出口压力下，分别精确测量相应的动态流量特性和静态流量特性，从而快速找出出口压力对柴油喷油器流量特性的影响规律，为后期科学调节和控制柴油喷油器的喷油量提供重要的依据和参考。

1  试验系统构建

1.1 总体设计方案

本文所设计的用于测量柴油喷油器流量特性的试验系统主要包含以下两大功能模块，一个是静态流量测量功能，另一个是动态流量测试功能。该试验系统主要包含以下四个子系统：①油路系统。油路系统主要包含油箱、进油共轨、流量计等组成部分，主要用于向柴油喷油器提供相应的喷射介质[1]。其中，油箱在具体的运用中，主要借助油泵，向增压罐内注入一定量的喷射介质，然后，借助喷射介质，向进油共轨内压入相应的高压气体。

②气路系统。气路系统主要是由气压表、启动单向阀和可变行程气压缸等部分组成，主要用于对系统干燥性能测试以及喷油介质的注入。气泵通过借助气体压缩功能，可以科学调节和控制电气比例，从而实现对增压罐内气体压力的实时监测和控制，以达到间接性调节和控制喷射介质的目的。此外，通过利用气压表，可以将气体通入到柴油喷油器内，为进一步提高柴油喷油器的干燥效果打下坚实的基础。

③电控系统。电控系统主要是由以下几个部分组成，分别是PLC、喷油器驱动系统、压力传感器、通电磁阀和脉冲计数器。该子系统主要用于对整个试验系统运行状态的实时控制以及相关数据的全面采集。通过将PLC、压力传感器和电磁比例阀进行充分结合[2]，可以形成系统、完整的闭环控制装置，通过利用该装置，可以实现对出口压力的科学调节和控制。此外，脉冲计数器主要用于对流量计所测量的脉冲个数的采集和存储，通过将其安全、可靠地传输于上位机，然后，采用相关运算方式，精确地计算出最终的流量值。总之，喷油器驱动系统在控制和调整柴油喷油器工运行状态方面发挥出重要作用[3]。

④软件系统。软件系统主要是由以下几个部分组成，分别是上位机、PLC。通过利用喷油器驱动系统，可以采用过RS232通信方式，完成对该试验系统人机交互界面的设计和开发，为用户带来良好的使用体验。总之，针对该试验系统的开发技术和运行流程，设计出如图1所示的喷油器流量特性在线测试系统测控方案。

1.2 系统方案工作原理

系统方案在实际工作期间，主要涉及到了以下两种组成部分，一个是机械部分，另一个是控制部分，为了更好地认识和理解系统方案的工作原理，现对这两个组成部分进行详细介绍。

1.2.1 机械部分

通过借助电动燃油泵，向增压罐内通入一定量的测试介质，便于后期试验工作的有效开展，同时，还要利用压气体，向增压罐内注入一定量的测试液[4]，然后，利用油液分离器，对其进行分离处理，在此基础上，通过使用流量计，对最终的处理结果进行测量和整理，为后期试验结果的优化提供重要的依据和参考。另外，还要利用柴油喷油器喷出功能，借助回油轨，将测试介质通入到指定的油箱内。此外，为了降低系统运行压力，确保系统能够稳定、可靠、安全地运行，技术人员需要将借助电气比例阀，PLC和压力传感器进行有效组合，时期结合为统一的稳压模块，经过试验充分证明了在整个测试期间，通过将柴油喷油器的出口压力波动范围设置在-0.2～0.2kPa之间，可以实现对出口压力波动幅度的有效控制和缓解。

1.2.2 控制部分

通过利用上位机，可以将串口、喷油器驱动系统以及流量计进行有效地连接，使其结合为统一的整体，在此基础上，借助相应的功能模块，将模量数据转换器于压力传感器进行有效连接，在此基础上，采用串联的方式，使得液位传感器和干燥装置科学相连。同时，在测定流量期间，主要借助流量计，根据所输出的脉冲信号，对计数电路机进行拖动处理，以实现对数码参数设置相关信息的采集和整理，便于其他人员的查看和调用。此外，还要借助上位机的相关功能，对相应的数字量进行识别、记录和汇总，然后，利用流量计，将单位介质体积所对应的流量进行实时采集和整理，为后期全面地记录和统计流量计所传输的电脉冲数量提供重要的依据和参考。

2  试验方案设计

2.1 动态流量测试方案

动态流量主要是指柴油喷油器在所设定的喷油脉宽下，所使用的燃油量，为了绘制出完整、系统的动态流量特性曲线，技术人员在对柴油喷油器进行测试期间，要科学调节和控制该喷油器的分辨率，然后，在所设置的分辨率范围内，将喷油脉宽增量设置为0.2ms，以确保该喷油器流量测量结果的精确性和真实性。此外，在试验期间，需要将测试周期设置为10ms，然后选用PLC控制单元，并将其工作电压和驱动电压分别设置为24V、12V，另外，还要将柴油喷油器出口处的油压设置在299.9～300.1kPa，具体测试方案内容如下：①将喷油脉宽和喷射次数分别设置为5ms、500次，以确保预喷射工作落实到位。②当喷油脉宽达到10ms时，不同的脉宽范围，所对应的增量也存在一定的差异，例如：当宽为0～2ms时，增量为0.2ms;当宽为2～10ms增量为2ms。同时，各个采样点所对应的喷射次数达到了1000次。③当驱动电压为12V时，将出口压力依次设置为200kPa、250kPa、350kPa和400kPa。

2.2 静态流量测试方案

静态流量测试方案内容为：首先，将静态流量特性测试周期和脉宽分别设置为9ms、5ms，然后，采用驱动电压的方式，将预喷射次数设置为999次，并将喷油器的开启状态维持在10s以上，对相应的脉冲数量进行读取，按照这种方式，完成对喷油量的精确测试。然后，在不同的出口压力下设置5组不同的试验，然后，计算相应的平均值。

3  试验数据处理及分析

3.1 正常喷油脉宽线性分析

300kPa条件下的动态流量曲线中当喷油脉宽范围在2～10ms时，柴油喷油器所对应的喷油量呈现出明显的正相关关系，完全符合柴油喷油器使用相关标准和要求。

此外，在这一喷油脉宽范围内，技术人员要采用最小二乘法，对线性关系进行拟合处理，从而得出如图2所示的动态流量特性拟合直线，该拟合直线方程为：

y=0.0033x-0.0026（1）

式（1）中y和x两个变量分别代表循环喷油器和喷油脉宽，同时，两者的单位分别是mL、ms。

在此基础上，为了进一步提高试验数据的精确性和真实性，技术人员要采用最小二乘法，对流量值进行精确计算，然后，将最终的计算结果与实际测量流量值进行对比和分析，从而求解出柴油喷油器所对应的动态流量线性偏差。此外，为了科学地调节和控制特定脉冲所对应的宽度以及喷射周期，需要根据最终统计的柴油喷油器动态流量计算结果，对实际流量值进行测量，然后，技术人员要严格按照柴油喷油器动态流量统计相关标准和要求，精确地计算出动态流量线性偏差实验结果。

动态流量线性偏差实验结果如图3所示，从图3中可以看出，该曲线通过将流量偏差设置为5%，然后，将qmax（实际流量的最大值）与qmin（实际流量的最小值）进行作商比值后，计算出流量偏差所对应的真实数值，然后，将柴油喷油器科学设置在相应的脉冲位置处，然后，将qmax（实际流量的最大值）与qmin（实际流量的最小值）分别物质为最大动态流量和最小动态流量，在此基础上，针对动态流量所对应的变化范围，推导出计算动态流量范围的计算式，该计算式为：

DFR=qmax/qmin（2）

通过利用式（2）计算后，发现当出口压力为300kPa时，动态流量达到了3.40。

3.2 出口压力对动态流量的影响

通过对出口压力进行调节和控制，并绘制出如图4所示的不同出口压力下的动态流量曲线，从图4中可以看出，当出口压力不断增加时，单位时间内柴油喷油器所提供的喷油量呈现出不断上升的趋勢，当喷油脉宽远远超过5ms时，喷油量的增加幅度会越来越明显。

为了更好地对比在不同出口压力下对应的动态流量变化范围，技术人员要采用最小二乘法，对该曲线图进行拟合处理，从而得出不同出口压力下的动态流量特性拟合直线。

当出口压力不断上升时，其拟合直线所对应的斜率呈现出不断上升的趋势，也就是说柴油喷油器所对应的喷油速率不断上升。不同出口压力下的动态流量相关参数变化如表1所示。通过上述分析内容，不难发现当出口压力不断上升时，单位时间内柴油喷油器所提供的喷油量呈现出不断上升的趋势，通过分析和对比在不同出口压力所对应的动态流量范围，不难发现当出口压力达到了300kPa时，柴油喷油器所对应的动态流量变化幅度较大，当出口压力超过300kPa时，柴油喷油器所对应的动态流量变化幅度趋于稳定状态。

3.3 喷油压力对静态流量的影响

静态流量主要是指当柴油喷油器处于全开放状态时，燃油量随着时间的不断推移所对应的变化状态。与动态流量特性拟合直线相比，两者的斜率完全相同。此外，通过运用流体力学相关知识，可以借助柴油喷油器，精确地计算出各个柴油喷油器所对应的喷油量，喷油器的计算公式为：Gf=unFn·gdf（pf-pb）d1（3）

式（3）中的Gf、un、Fn、g、df、pf、pb、d1分別代表单次喷油量、喷油器的流量系数、喷油嘴的面积、重力加速度、燃料密度、燃料压力、进气压力和针阀打开时间。

式（3）充分展示了出口压力与喷油量之间的数学关系，技术人员通过根据这一数据关系，可以全面地分析和研究不同出口压力下柴油喷油器静态流量变化情况。在整个实验中，在不同出口压力下，通过开展相应的喷油测试试验，并采用最小二乘法，绘制出不同喷油出口压力下的静态流量，该曲线与动态流量特性拟合直线的斜率完全相同。

4  结束语

综上所述，通过本次试验，得到以下结论：

①对于出口压力而言，其对柴油喷油器流量特性的影响规律如下：当出口压力不断增加时，单位时间内所释放的喷油量呈现出不断上升的趋势。

②在不同出口压力下，动态流量曲线形态波动范围较小，并没有出现明显的正相关关系，当出口压力超过300kPa时，动态流量曲线变化趋势区域稳定。

③为了进一步提高柴油喷油器的运行性能，相关作业人员必须要加强对出口压力的科学控制，一旦出口压力过小，会对喷油器在单位时间内所产生的喷油量严重不足。当ECU在实际的运行期间，为了最大限度地提高柴油喷油器的出口压力，需要将出口压力设置为300kPa，这是由于只有当出口压力达到300kPa时，柴油喷油器所对应的动态流量变化幅度比较明显，从而更好地满足柴油发动机的运行需求。

④在不同出口压力下，柴油喷油器静态流量波动范围较大，并出现明显的正相关关系。

参考文献：

[1]雷艳，高壮，仇滔，等.喷射压力对喷孔流量及内部空化的影响[J].哈尔滨工程大学学报，2018，39（5）：949-954.

[2]周立迎，周群，梁昱，等.循环喷油量对喷油器各孔喷油特性影响的模拟与试验研究[J].机械设计与制造，2019（9）：69-72，76.

[3]王永堂，陈明，吴少华，等.旋流式气液同轴式喷油器在加压空间中流量特性的试验研究[J].热能动力工程，2019，27（2）：212-217.

[4]S.KANG，W.CHO，C.BAE，等.250MPa喷油压力对轻型柴油机喷油器几何结构的影响[J].汽车与新动力，2019（1）：66-73.