共轨喷油器温升测量实验教学与实践

赵建辉，杜敬涛，刘友，王贵新

（哈尔滨工程大学 动力与能源工程学院，黑龙江哈尔滨 150001）

《中共中央关于制定国民经济和社会发展第十四个五年规划和二〇三五年远景目标的建议》指出，要进一步增强高校学科设置的针对性，推进基础学科高层次人才培养模式改革[1]。我国高等教育的发展需求在“十四五”规划的推进中逐渐显现。在“十四五”时期新兴经济快速发展的背景下[2]，社会对工程专业人才的培养提出了更高要求，现代化产业和高质量经济发展要求高等院校培养工程实践能力强、创新能力强、具备国际竞争力的高素质“新工科”人才[3,4]。因此，对工科专业现有的培养方案、教学模式进行与时俱进的改革与创新成为高校课程改革的重点工作[5]。

测试技术课程作为一门动力工程类专业的必修课，有偏向实践的课程属性，应科学合理地规划实验课程体系[6]，在常规实验教学的基础上拓展思路和方法，使晦涩难懂、概念抽象的理论知识教学得到延伸与巩固[7]。新的实验教学改革能够助力“船舶与海洋工程”“热能与动力工程”和“轮机工程”等典型的实践性和创新性要求非常强的工科专业培养更高水平的人才[8]，与多个学科领域密切交叉，与工程类多产业部门紧密融合，推动高新技术进步和国民经济发展[9]。本着科研与教学相结合的理念，为使教学内容紧跟科技发展[10,11]，本文以共轨喷油器温升效应为测试目标进行实验教学分析，针对传统热电偶和新型红外热像仪两种不同的温度测量方法开展实验研究，通过喷油器热效应评价指标探索了不同测试方法的准确性。该项实验教学内容拓宽了实验教学道路，突破了原来传统的测试实验教学模式。

1 共轨喷油器温升测量实验装置

为开展共轨喷油器喷嘴处温升的实验教学，实验对象选用Bosch CRIN-2高压共轨喷油器，为测量喷嘴处燃油的温度，加工了一个与喷油器喷嘴外形参数相匹配的集油腔（外径18 mm，内径7 mm，长度50 mm）。喷嘴头部插入到集油腔内，并作密封处理，保证燃油不会通过喷嘴和集油腔间的接触面泄露。在集油腔上加工了两个孔，一个位于集油腔壁面上的回油孔，它和回油油管连接，从喷孔喷射的燃油通过集油腔、回油孔、回油油管进入油箱；另一个孔位于集油腔的底部，是温度传感器的安装孔，温度传感器和该孔通过螺纹连接，并作密封处理。从喷孔喷射出的燃油具有一定的动量，为保证温度传感器使用安全，在把集油腔插到喷嘴上时，保证温度传感器的头部距离喷嘴头部约20 mm（经过反复实验得出，此距离保证温度传感器受到的燃油冲击较小，不影响传感器的使用）。

实验中选择PT100热电阻温度传感器（测量范围50 ℃～200 ℃，误差 ±1 ℃）进行燃油温度的测量。为测量喷油器工作时进入喷油器的燃油初始温度，在喷油器入口处安装有Kistler 4067传感器（温度范围为20 ℃～120 ℃，误差 ±1 ℃）。为了测量喷油器的壁面温度，采用带有珠状头部的K型热电偶（温度测量范围-50 ℃～ 300 ℃，最大误差±1 ℃）。

在教学环节中，由于并没有分析过采用红外热像仪测量温度的准确性，因此同时采用K型热电偶和热像仪同时测量喷油器壁面的温度，以评估不同测量方法的准确性。喷油器体表面测温点主要选取的是喷油器内部各关键部位所对应的壁面位置，控制室处回油节流孔壁面为测量点1，控制室处对应的壁面位置作为测量点2，喷嘴壁面处选取集油腔壁面处作为测量点3，喷孔对应的喷嘴壁面位置作为测量点4。

图1所示为搭建的高压共轨喷油器温升测量系统，该系统包括高压油泵试验台、改造后的Bosch CRIN2共轨喷油器、红外式热成像仪、温度传感器、二次显示仪表和计算机等。系统中高压油泵试验台可以提供最大180 MPa的喷油压力，可以驱动不同类型的高压共轨喷油器，油箱内燃油温度通过电子调温装置控制，温度范围为20 ℃-40 ℃，温度控制精度±2 ℃。

图1 高压共轨喷油器温升测试系统

2 测量原理及方法

实验采用的PT100热电阻温度传感器是利用半导体的电阻值随温度变化而变化的原理来进行温度的测量[12]；K型热电偶内部存在不同材质的热电偶蕊和测温电偶丝，当所测壁面温度升高时，热电偶的热端会收热温升，导致与另一端产生温差，构成的回路中产生热电势，之后通过转换器将电动势转换成温度信号[13,14]；而红外热成像仪的测温原理较为复杂，热像仪具有高清温感摄像头，用于拍摄目标物的正面平面辐射热图，目标物表面的不同热辐射会形成不同的热分布场[15]。为便于关注目标区域的温度值，开发的热感监测软件可以采用框架标注所关注的测温点，同时为了便于区分不同目标区域温度的值，采用高颜色对比度渲染平面辐射热像图，从而可以通过规定颜色饱和度来确定并输出被目标物对应位置的温度值[16]。

在高压共轨喷油器温升测试系统试验台上安装有共轨喷油器夹具，目的是为了避免在高频工作下喷油器的强烈震动导致监测测温区域的偏移，因此在开始实验之前，必须将共轨喷油器紧固加紧在试验台架上。此外，PT100温度传感器通过螺纹连接在相应的喷嘴集油腔和控制室集油腔内，两个集油腔则通过光滑面配合旋拧在对应的共轨喷油器上，实验中将采用4个K型热电偶的珠状头部准确固定在响应的4个壁面测量位置处。在试验台外侧竖立红外热成像仪支架，并在合理范围内调整镜头的聚焦，使得所测的区域能够拍摄到清晰的热像分布图像，基于喷油器工作时长的考虑，设定热像仪每10 s拍摄一张喷油器壁面的温度分布图像。在开始实验时，对油箱内燃油的温度调整至设定值，通过输入共轨喷油器高速电磁阀的电流励磁信号，使喷油器开始连续工作，实验时长设定为一个小时，温度传感器和热像仪的温度显示在电子仪表显示屏和电脑屏幕上。在实验过程中，每个工况均进行三次重复实验，并对测量结果取平均值，保证实验结果测量的准确性。

3 实验误差分析与结果讨论

在进行喷油器温度测量实验研究时，由于每次实验时无法保证相同的环境温度，因此为排除环境温度造成测量结果不准确的影响，采用温升来描述燃油加热的程度，温升定义为温度传感器测量的温度减去喷油器入口处燃油初始温度。

图2所示为喷嘴处集油腔内燃油和喷油器壁面1-4测温点带标准差的瞬态温升曲线，可以看出瞬态温升随喷油器工作时间的变化规律是类似的，三次测量的实验数据分析得出，喷嘴处集油腔内燃油的瞬态温升偏差在时间为45min时有着较大差距，最小值为55.2 ℃，最大值为57.9 ℃，相差为2.7 ℃；壁面测温点1处的瞬态温升偏差在时间为25min时有着较大差距，最小值为18.3 ℃，最大值为20.7 ℃，相差为2.4 ℃；壁面测温点2处的瞬态温升偏差在时间为15min时有着较大差距，最小值为17.5 ℃，最大值为20 ℃，相差为2.5 ℃；同样，壁面测温点3处的瞬态温升偏差在时间为17min时有着较大差距，最小值为45.2 ℃，最大值为51 ℃，相差为5.8 ℃；壁面测温点4处的瞬态温升偏差在时间为23min时有着较大差距，最小值为57 ℃，最大值为61 ℃，相差为4 ℃。从以上分析可以得出，壁面测温点1温升的标准偏差最大值为0.9，壁面测温点2温升标准偏差最大值为0.8，壁面测温点3的温升标准偏差最大值为3.7，喷嘴壁面测温点4温升的标准偏差最大值为1.6。由上述结果可以看出，三次实验测量下喷嘴处集油腔内燃油温升、喷油器壁面温度最大差距较小，温升偏差在实验测量误差允许范围之内，三次温升计算结果整体上一致性较好。

图2 带标准偏差的温升数据曲线

共轨喷油器温升过程可以分成三个发展阶段：温升快速增加，温升缓慢增加，温升趋于稳定。产生上述现象的原因在于，在共轨喷油器工作初始阶段，高压燃油通过节流孔后迅速生热，所以燃油温升迅速增大，在喷油器继续工作时，一部分热量会用于加热喷嘴和集油腔金属，以及热量同时通过金属壁面向环境散热，这导致出现了燃油温升增加程度减小，随着喷油器工作时间继续增加，对金属壁面的加热和对环境的散热逐渐增大，大约在喷油器工作时间30min之后基本达到了热稳定，即燃油生热和散热处于动态平衡。

此外还可以看到，集油腔内燃油瞬态温升的变化规律和其对应的外壁面3点是相同的，并且外壁面温升始终小于集油腔内部燃油温升，但两者相差不大，这是因为，一方面温度通过集油腔传递，在接触热传递过程中存在一定的热量损失，另一方面，集油腔外壁面会向环境进行热辐射，从而使得外壁面的温度低于腔内燃油的温度。

4 喷油器温升测量手段评价

图3 所示为采用温度传感器和红外热像仪测量的3点和4点壁面温度随喷油器工作时间变化的比较，可以看到，虽然在曲线变化规律方面，两种不同测量手段测得的温升基本规律相同，但对于同一壁面测温点，传感器测出的温升要大于热像仪测量的温升，热像仪测得的数据要更低。例如，对于测量点3，在温升达到稳定时，红外热像仪测得的稳态温升为44.9 ℃，而热电偶传感器测得的温升为55.4 ℃，两种测量方式测量的温升相差10.5 ℃，从整体曲线上来看，热像仪在各个喷油器工作时间点测得的温升均较低。这是由于热像仪的镜头在接收热辐射的过程中容易受到很多因素的干扰，例如实验过程中的外部光源、被测物体壁面的粗糙度、环境温度和镜面折射等因素，导致在不同的测量环境和被测物体下，即使是相同温度也会测量出不同的数值。因此，采用温度传感器进行喷油器壁面温度的测量较为准确，能够用于实验教学。

图3 喷嘴壁面热像仪和传感器测量温升数值对比

5 结语

共轨喷油器在多循环工作条件下，喷油器控制室和喷嘴处燃油温度明显升高，其热效应会影响喷射特性，因此，工作状态下共轨喷油器温度的测量是测试技术实验教学环节的重点。实验教学的最终目的是培养学生科学创新的思维方式，通过实验可以加强学生对测试系统架构和测试方式的认识、理解。通过多角度多方式的实验教学环节将学到的理论知识进行延伸与巩固。学生可通过试验台来进行测试测量实验，对被测试参数进行采集、处理和分析等自主判断测试方法的可行性，进一步锻炼提升学生的实践能力和创新能力。今后测试技术类课程实验将继续在课程体系、教学模式等方面进一步改革和完善，培养出适应新时代社会、经济和产业发展需要的高等教育人才。