农用单缸柴油机喷醇器流量特性试验研究*

张美娟，陈梓含，王忠，陈晟闽

(1. 无锡职业技术学院汽车与交通学院，江苏无锡，214121； 2. 江苏大学汽车与交通工程学院，江苏镇江，212013)

0 引言

单缸柴油机是小型农机具和植保机械的主导动力，在我国农村地区有着广泛的应用。甲醇是一种清洁替代燃料，柴油机掺烧甲醇，可以有效降低NOx和碳烟排放，实现农用单缸柴油机燃料多样化、低排放的目的[1-2]。单缸柴油机采用甲醇气道电控喷射方式，掺烧甲醇过程中，甲醇的喷射压力、甲醇温度会发生变化，使得每循环喷醇量会有较大变化，从而改变了柴油机甲醇的掺烧比。柴油机采用甲醇/柴油双燃料模式，燃料比例对柴油机的动力、经济和排放性能有很大的影响[3-4]。

目前国内外针对不同喷射压力和燃油温度对循环流量影响研究，更多集中在柴油、汽油上，杜慧勇等[5]开展了喷油压力和喷油脉宽对喷油器流量系数的影响，以动量法测量喷油规律，通过流动损失理论方法分析流量系数变化规律，研究发现喷油压力直接影响最大流量系数；王军等[6]分析流体传热特征，提出了确定基准温度的方法，推导出喷油量和喷油压力的修正量计算公式；雷威等[7]测得不同喷油压力下动态流量，发现喷油压力对动态流量曲线形态影响不大，流量特性影响主要体现在线性段；Salvador等[8]建立一维电磁阀喷油器模型，通过设定密度、压力、可压缩性和弹性模量等参数，分析燃油温度对喷射过程和喷射量影响，结果表明不同燃油温度喷油器流量系数最大相差达6%。从上述研究可以发现，喷射压力和燃油温度直接影响着喷射器循环流量。当前研究更多采用的是仿真以及流体理论计算方式，推导计算喷射压力和燃油温度对循环喷油量的修正值，方法复杂且实际修正误差较大。考虑农用单缸柴油机循环喷醇量修正方法的实用性，提出在试验数据基础上，以曲线拟合和插值计算的数值方法来修正喷醇量，实现不同条件下单缸柴油机循环喷醇量补偿修正。

本文开展了不同喷醇压力、甲醇温度喷醇器流量特性试验，测量不同喷射压力和甲醇温度喷醇器流量，分析了喷醇器流量特性规律，采用数值分析的方法，提出循环喷醇量修正方法，为农用单缸柴油机不同环境条件中掺烧甲醇，制定循环喷醇量控制策略提供参考。

1 试验系统及方案

1.1 影响循环喷醇量的因素分析

影响循环喷醇量的因素较多，本文选取喷醇脉宽、喷射压力、甲醇温度、喷醇频率、喷醇次数作为本次试验的因素选择。

试验研究采用多因素试验设计，试验因素与水平的选取如表1所示，其中，喷醇脉宽、喷射压力、喷醇频率根据发动机的需求，取低、中、高3种状态，甲醇温度和喷醇次数根据试验可达的条件，在其范围内均匀分布取三水平。

表1 多因素与水平表Tab. 1 Multi factor and level table

根据表1进行多因素试验，通过极差分析，归纳出多因素权重系数分析表2。

表2 多因素权重系数分析表Tab. 2 Multi factor weight coefficient analysis

表2中权重系数的大小能够直观反映各因素对循环喷醇量影响的主次顺序，权重系数越大，对循环喷醇量的影响越大。由表2可知，喷醇脉宽、喷射压力对循环喷醇量影响最大，甲醇温度对循环喷醇量影响次之，喷醇频率对循环喷醇量影响较小，喷醇次数对循环喷醇量几乎没有影响。

1.2 试验系统

试验在喷醇器流量测量系统上进行，系统结构如图1所示，由甲醇喷射ECU、甲醇箱、醇泵、喷醇器、电加热器、温度传感器、压力表、甲醇质量流量计量装置等组成。测量系统中，甲醇喷射ECU可设置喷醇脉宽和喷醇正时，精度分别为0.01 ms、0.1 ℃A，喷射频率由单缸柴油机转速信号决定，所应用的单缸柴油机为186F柴油机，其参数如表3所示。喷射压力通过可调稳压电源调节醇泵驱动电压实现，喷射压力可调范围在200～800 kPa，醇轨上端装有压力传感器，保证试验过程喷射压力恒定，压力传感器测量误差±0.5%。甲醇输送管道中间装有5 kW防爆型电加热器和温度传感器，甲醇温度在常温至高温区间，采用电加热器进行温度控制，甲醇温度在低温到常温之间，通过冷却箱和保温装置提供试验所需甲醇溶液温度，温度传感器测量误差为±1%。喷醇器质量流量采用容积法测量，计量装置精度为0.01 mg。

图1 喷醇器流量测量系统

表3 186F柴油机主要参数表Tab. 3 Main parameters of 186F diesel engine

1.3 试验方案

依据农用单缸柴油机掺烧甲醇实际工况需求，选取甲醇喷射压力试验范围250～350 kPa，增量为25 kPa；甲醇温度试验范围在-10 ℃～50 ℃，增量为15 ℃；甲醇脉宽试验范围0～10 ms。由于喷油器在较小脉宽阶段存在非线性现象[9]，在0～2 ms增量为0.1 ms，在2～10 ms增量为1 ms。通过转速模拟信号发生器模拟柴油机转速1 800 r/min，固定喷射周期每分钟喷射900次。单缸柴油机甲醇每循环质量流量小，循环喷醇量通过多次测量取均值计算，试验所用甲醇为市面所售99.8%无水甲醇。参考GB/T 25363—2010电磁阀式喷油器总成试验方法，试验步骤如下。

1) 设置喷醇脉宽5 ms，喷醇器预喷1 min。

2) 甲醇温度设定为20 ℃，分别改变喷射压力为250、275、300、325、350 kPa，每一压力下喷射3 min，测量计算不同脉宽下喷醇器质量流量。

3) 喷醇压力设定为300 kPa，分别改变甲醇温度为-10 ℃、5 ℃、20 ℃、35 ℃、50 ℃，每一温度下喷射3 min，测量计算不同脉宽下喷醇器质量流量。

2 喷醇器流量特性试验

2.1 理论分析

喷醇器在理想状态下，依据质量守恒和伯努利方程，喷孔处流速vfuel和理论质量流量Mth大小如式(1)、式(2)所示。

(1)

(2)

式中：A——喷醇器喷孔面积；

ρfuel——甲醇密度；

ΔP——喷醇器前后喷射压力差。

流体通过喷嘴时，在喷孔几何形状和湍流摩擦涡流的作用下，实际的流体流量往往会小于理想情况[10]，因此引入流量系数Cd来表示喷醇器实际质量流量。Cd为通过喷孔实际质量流量与理论质量流量的比值，实际喷醇器质量流量

(3)

2.2 喷射压力

图2为甲醇温度在20 ℃时，不同喷射压力下喷醇器流量特性曲线。可以看到，各喷醇脉宽下，循环喷射量随喷射压力增大而增大，不同压力循环流量曲线变化趋势基本相同。从循环流量局部放大图可以看到，0～0.5 ms喷醇器质量流量为零，处于无效喷射阶段，这是由于初期喷醇脉宽较小，喷醇器电磁线圈产生的磁场力不足以打开针阀[14]，喷醇量为0。喷射压力对无效喷射持续时间基本没有影响。

当喷醇器针阀行程最大时，喷醇器完全打开，压力室喷射压力等于醇轨压力，当喷醇器针阀行程小于最大行程时，由于喷醇器针阀座节流孔的节流，压力室喷射压力小于醇轨压力。

喷醇脉宽大于0.5 ms小于1.5 ms时，喷醇器针阀升程小于最大升程，从针阀座节流孔流入压力室的流量较小，仅能弥补从喷醇器喷孔流出的流量，造成压力室内的喷射压力值低于醇轨压力值，且随着喷醇脉宽的增加，阀升针程增加，压力室内的喷射压力也变大。

从流体力学角度来看，当喷醇器结构一定时，单次通过喷醇器喷孔的喷醇量

(4)

式中：Qf——单次喷醇量；

μn——喷醇器的流量系数；

g——重力加速度；

Pf——压力室喷射压力；

Pb——进气压力；

d——喷醇时间。

根据式(4)所示，当喷醇器结构和甲醇温度一定时，循环喷醇量的大小不仅跟喷醇时间有关系，还跟压力室喷射压力与进气压力差有关。

所以，无效喷射阶段结束后，循环喷射量急剧增大，由于针阀运动的惯性、磁路系统磁滞损耗，针阀的运动将产生滞后现象，0.5～1.5 ms循环喷醇量随脉宽增大呈非线性增加。

(a) 喷醇器流量特性曲线

(b) 小脉宽阶段喷醇器流量特性曲线

喷醇脉宽大于等于1.5 ms时，针阀升程达到最大升程，喷醇器针阀完全开启，流经针阀座节流孔的流量大于流出喷油孔的流量，压力室的燃射压力达到醇轨压力值，随着时间的增加，最大喷油速率保持不变，喷射压力与进气压力差为一个定值，则循环喷醇量与喷醇时间呈线性关系。所以，1.5～10 ms脉宽区间，循环喷醇量随脉宽增大基本呈线性增加，喷射压力每提升25 kPa，循环流量平均提高4.8%，符合理论分析中喷醇器质量流量变化趋势，而在数值上有所差距。

2.3 甲醇温度

图3为喷射压力300 kPa下，不同甲醇温度喷醇器流量特性曲线。可以看到，循环喷醇量随甲醇温度的提高而增加。结合理论分析中甲醇温度对喷醇器循环流量影响作用，说明喷醇器低压喷射下，甲醇温度的提高使黏性力减弱，流动阻力减小，喷醇器流量系数变大。尽管甲醇温度的提升使甲醇密度下降，但流量系数对质量流量的影响作用比甲醇密度对质量流量的影响更显著，因此喷醇器质量流量随温度提升而增加[10]。喷射脉宽在0.5～1.5 ms区间，循环流量随脉宽增大非线性增长，由于脉宽较小，此阶段甲醇温度的提升对循环流量增幅不大。脉宽在1.5～10 ms阶段，循环喷醇量随着脉宽增加基本呈线性增长，甲醇温度每增长15 ℃，循环流量平均增加3.2%。

图3 300 kPa不同甲醇温度喷醇器流量特性曲线

3 喷醇量补偿修正

3.1 基准参数确定

从喷醇器流量特性试验可以看出，喷射压力和甲醇温度变化直接影响柴油机循环喷醇量。为了避免农用单缸柴油机运行过程中，喷醇压力和甲醇温度对循环喷醇量的改变，需要对柴油机甲醇掺烧MAP中的目标甲醇喷射量进行补偿修正。柴油机掺烧甲醇MAP通常是以转速和负荷为二维坐标，在固定喷射压力和温度条件下试验标定得出，标定试验中的压力和温度为基准参数[15-18]。喷醇量修正是在基准参数对应的MAP上进行，因此，在进行修正试验前需要确定甲醇喷射压力和甲醇温度的基准参数数值。

甲醇气道喷射压力须满足甲醇最大循环流量要求以及有较佳的雾化效果，同时不超过喷醇器机械性能要求，综合以上，选择喷射压力300 kPa为基准参数，修正范围±50 kPa。甲醇温度主要取决于环境温度，因此选择柴油机常见工作环境温度20 ℃作为基准参数，修正范围-10 ℃～50 ℃。

3.2 喷醇量修正计算

从理论分析中可以看到，采用理论计算方式，建立喷射压力、甲醇温度和循环流量之间准确的数学关系相对复杂。因此提出基于喷醇器流量特性试验数据，采用曲线拟合和插值计算方法，去实现喷醇量修正。对于近似线性阶段，采用最小二乘法，分别对不同喷射压力和甲醇温度在1.5～10 ms阶段的流量特性进行线性拟合，得到不同条件下各自线性方程，依据线性方程计算各脉宽下循环流量，通过插值方法去计算其它喷射压力、甲醇温度各脉宽下循环流量，最后和各条件下目标循环喷醇量对比，计算得到的20 ℃不同喷射压力喷醇量补偿脉谱、300 kPa不同甲醇温度喷醇量补偿脉谱如图4、图5所示。

图4 20 ℃不同喷射压力喷醇量补偿脉谱

图5 300 kPa不同甲醇温度喷醇量补偿脉谱

对于0.5～1.5 ms非线性阶段，采用多项式对不同喷射压力流量曲线进行拟合，在小脉宽阶段，由于甲醇温度对循环喷醇量影响较小，因此不做修正。多项式拟合是基于最小二乘法进行，要求所得的近似曲线能反映数据的基本趋势，使求得的逼近函数与目标函数从总体上偏差的平方和最小[19]。以喷射压力300 kPa 为例，图6为不同阶数多项式拟合曲线及残差，可以看到，二阶、三阶、四阶多项式残差分别为0.157、0.073、0.073，三阶和四阶多项式拟合准确度更高，因此选择四阶多项式方程作为300 kPa喷射压力下喷醇器循环流量特性拟合曲线。依次将250、275、325、350 kPa喷射压力循环流量曲线进行多项式拟合，得到各喷射压力对应的循环流量方程。通过插值计算其它喷射压力下循环喷射量，最后和各条件下目标循环喷醇量对比，计算得到的0.5～1.5 ms、20 ℃不同喷射压力非线性段喷醇量补偿脉谱如图7所示。

(a) 循环喷醇量多项式拟合曲线

(b) 循环喷醇量多项式拟合残差

图7 20 ℃不同喷射压力非线性段喷醇量补偿脉谱

3.3 修正量验证

为了验证喷醇修正量准确性，在喷醇器流量测量系统上进行喷醇修正量验证试验。在基准喷射压力300 kPa下，选取甲醇温度-5 ℃和25 ℃，脉宽为2.4、4、6.2 ms这六组工况；在基准温度20 ℃下，选取喷射压力260 kPa和340 kPa，脉宽为1.2、6、8.5 ms六组工况，实测各工况下循环喷醇量，得到喷醇修正量。表4为基准喷射压力下，不同甲醇温度喷醇修正量计算值与测试值对比，从表4中可以看到，喷醇修正量随脉宽增大而增大，喷醇修正量最大修正误差为11.1%，平均相对误差为8.7%。表5为基准温度下，不同喷射压力喷醇修正量计算值与测试值对比，喷醇修正量最大修正误差为10%，平均相对误差为9.6%。试验结果显示喷射压力和甲醇温度喷醇量修正值和测试值平均误差都小于10%，所提出的修正方法是有效的。因此在进行单缸柴油机甲醇进气道喷射策略开发时，可以针对甲醇温度和甲醇喷射压力变化加入修正函数，能够有效提高甲醇循环喷醇量精度。

表4 不同甲醇温度喷醇量修正量对比Tab. 4 Comparison of alcohol injection correction at different methanol temperatures

表5 不同喷射压力喷醇量修正量对比Tab. 5 Comparison of alcohol injection correction amount under different injection pressure

4 结论

本文从农用单缸柴油机实际应用出发，为了柴油机循环喷醇量不受喷射压力和甲醇温度的影响，开展了喷醇器流量特性试验研究，得出以下结论。

1) 喷射脉宽在0～0.5 ms阶段，喷醇器处于无效喷射阶段，喷醇压力对无效喷射时间基本没有影响，0.5～1.5 ms阶段循环流量随脉宽增大呈非线性增加，脉宽大于1.5 ms时，循环流量随脉宽增大基本呈线性增长。

2) 喷醇器质量流量随喷射压力和甲醇温度提升而增大，1.5～10 ms阶段，喷射压力每提升25 kPa，循环流量平均提高4.8%，甲醇温度每增长15 ℃，循环流量平均提高3.2%。

3) 提出的最小二乘法和插值算法计算喷醇修正量方法，能够实现不同喷射压力和甲醇温度下喷醇量的有效修正。