杜慧勇，郭 川，劉 松，劉建新，王站成，徐 斌

（河南科技大學車輛與動力工程學院，河南 洛陽 471003）

燃油噴射系統(tǒng)是發(fā)動機極為關鍵的部件。燃燒過程對發(fā)動機動力性、經(jīng)濟性、排放性有決定性影響，而燃燒過程又很大程度上取決于燃油噴霧質(zhì)量，所以，發(fā)動機噴霧質(zhì)量對發(fā)動機整體性能有決定性的影響。噴油嘴噴孔的流量系數(shù)是評定噴油嘴質(zhì)量的一個重要指標，直接影響燃油的噴霧特性，所以精確地測量噴油嘴的流量系數(shù)非常重要。影響流量系數(shù)的主要因素有噴油嘴的結(jié)構(gòu)參數(shù)、盛油槽壓力［1］及環(huán)境背壓［2－4］。

通常，流量系數(shù)是在噴油過程結(jié)束后，利用測得的噴油量通過經(jīng)驗公式計算得到，此種方法稱為靜態(tài)測量方法［5］。用靜態(tài)測量方法來計算電控噴油器流量系數(shù)時，流量系數(shù)會隨著噴油持續(xù)期的增大而增大，原因是噴油器針閥在打開與關閉過程中，噴孔的有效流通面積會減小，從而測量的噴油量會減小。噴油持續(xù)期越短，針閥開啟和關閉所占總時長的比例就越大，計算出的流量系數(shù)就越不準確。雖然針閥開啟和關閉時間很短，一般在100μs左右，但是對于小脈寬噴油，針閥開啟和關閉對流動性的影響就不可忽略。

本研究提出一種新的動態(tài)精確測量噴油嘴流量系數(shù)的方法，消除了針閥開啟與關閉過程對流量系數(shù)的影響。通過試驗計算出了在不同噴油壓力和不同背壓下噴油嘴的流量系數(shù)，分析了在噴油嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)不變的情況下噴油壓力與背壓對流量系數(shù)的影響及原因。由于在現(xiàn)有試驗條件下盛油槽壓力難以測量，故認為共軌管內(nèi)壓力即為噴油壓力［6］。在此基礎上繪制了柴油的等噴油量曲線，更為直觀地示出了不同噴油壓力下等體積柴油的噴霧情況。

1 試驗設備

圖1示出試驗所采用的EFS8246單次噴射儀結(jié)構(gòu)，該噴射儀是通過噴射燃油引起的盛油腔內(nèi)測量活塞位移來對油量進行測量。在噴射過程中，排油控制電磁閥保持關閉，燃油噴入可變?nèi)莘e的盛油腔內(nèi)，沖擊測量活塞使之克服彈簧力和背壓向下運動，活塞的位移即反映了瞬時噴油量的大小。測量結(jié)束后，排油控制電磁閥打開，在復位彈簧力的作用下，將盛油腔內(nèi)的被測量燃油經(jīng)排油閥排出。系統(tǒng)還可以根據(jù)活塞的位移信號微分出活塞速率，能間接反映噴油速率。EFS8246單次噴射儀測量精度在滿量程0～600 mm3時，測量精度能達到0.6 mm3（1%）。

試驗采用EFS8246單次噴射儀對噴油量進行測量，采用WaveBook／512對單次噴射儀的測量活塞位移信號進行采集。本研究中，噴油器為Bosch電控噴油器，噴油嘴為P系列單孔油嘴，長徑比為0.65／0.13。

2 流量系數(shù)動態(tài)計算方法

2.1 流量系數(shù)動態(tài)計算方法

傳統(tǒng)的流量系數(shù)計算方法是采用經(jīng)驗公式（1）［7］：

式中：μ為噴孔流量系數(shù)；Q為噴孔流量；A為噴孔幾何流通面積；g為重力加速度；p1噴孔入口壓力；p0為噴孔出口背壓；ρf為燃油密度。

在傳統(tǒng)經(jīng)驗公式中，噴孔的流量是通過測量整個噴射過程的噴油量來計算得到，但在整個噴射過程中，針閥的開啟和關閉會影響噴油量的測量，因此，采用整段噴射的噴油量來計算流量系數(shù)是不準確的，尤其在噴油持續(xù)期較小時誤差更大。

解決上述問題的最好辦法是測量針閥的升程，選取針閥在最大升程處的流量來計算流量系數(shù)，這樣就消除了針閥開啟和關閉對燃油流動的影響。但測量電控噴油器針閥升程很困難。為此，設計了1種動態(tài)測量方法：采集單次噴射儀的活塞升程信號，在Dislab軟件中對活塞升程信號進行處理，根據(jù)噴油脈寬盡可能選取線性度好的一段升程信號，并將之視為針閥完全開啟階段，活塞的升程即為噴油持續(xù)期。選擇1個時間長度T（精度能達到10μs）（見圖2），該時間段所對應的縱坐標的變化即為單次噴射儀活塞的位移（滿量程時20 V對應5 000μs），由活塞直徑（130μm）可以得到活塞的截面積，從而可得到T時間段內(nèi)噴出燃油的體積，進而算出流量Q，將Q代入式（1）可得出噴油器針閥完全開啟階段的流量系數(shù)。

2.2 T的選取

為了確定時間長度T的取值對流量系數(shù)計算結(jié)果的影響，本研究分別取T為固定值300μs、噴油持續(xù)期的30%和50%進行測量計算，并將由動態(tài)計算方法得到的流量系數(shù)與傳統(tǒng)靜態(tài)計算方法得到的流量系數(shù)進行比較。圖3示出在100 MPa噴油壓力、不同噴油脈寬下由兩種計算方法得到的柴油流量系數(shù)的比較。從圖中可看出，傳統(tǒng)靜態(tài)計算方法不能消除針閥打開與關閉對噴油量的影響，所以隨著噴油脈寬的增大，流量系數(shù)逐漸增大。而采用動態(tài)計算方法基本消除了針閥開啟和關閉對流量系數(shù)計算的影響，計算出的流量系數(shù)比較穩(wěn)定。當T選取噴油持續(xù)期的30%時，所測得的流量系數(shù)最穩(wěn)定、波動最小。

3 噴油壓力及背壓對流量系數(shù)的影響

以下研究仍選用P系列單孔噴油嘴，燃油為柴油。在背壓為0、噴油脈寬為800μs、不同噴油壓力條件下，利用上述測量與計算方法得出的噴油嘴流量系數(shù)見表1。

表1 不同噴油壓力下的噴油嘴流量系數(shù)

由表1發(fā)現(xiàn)，流量系數(shù)隨著噴油壓力的增大先增大后減小。發(fā)生這種現(xiàn)象的原因可能是噴油壓力增大，燃油所具有的能量增大，其受自身黏度的影響減弱，流動性能增強；但隨著噴油壓力繼續(xù)增大，噴孔內(nèi)的燃油出現(xiàn)氣穴現(xiàn)象，影響了實際噴油量，從而使流量系數(shù)變小。

圖4示出在噴油脈寬為1 000μs時噴油壓力和噴油背壓對噴油量的影響。從中可看出，噴油量隨著噴油壓力的增大而增大，但超過100 MPa后，噴油量的增加變緩。為噴射環(huán)境提供1 MPa，2 MPa和3 MPa的背壓之后，噴油量有所下降，但下降值很小，而且隨著背壓的增大，降幅減小。

4 等噴油量曲線的繪制

測量了50，80，90，100，110 MPa噴油壓力下，500，600，700，800，900，1 000μs噴油持續(xù)期時的噴油量，用Matlab中的contour函數(shù)繪制了柴油的等噴油量曲線（見圖5）。

圖中每條曲線上的噴油量都相等，因此可以通過此圖在保證相同噴油量的前提下，調(diào)整噴油持續(xù)期來滿足不同的噴油壓力，便于進行在不同噴油壓力下同等體積柴油噴霧情況的比較，也可作為在相同噴嘴下對其他燃料噴霧性能進行標定時的參考。

5 結(jié)論

a）在噴油過程中，尤其是小脈寬噴油時，針閥開啟和關閉會影響噴孔的有效流通面積，隨著噴油持續(xù)期的增大，采用傳統(tǒng)方法計算出的流量系數(shù)會由于開啟和關閉所占總時長比例減小而增大；

b）通過采集單次噴射儀中測量活塞升程信號，計算出了針閥完全開啟時柴油在不同噴油壓力下的流量系數(shù)，發(fā)現(xiàn)隨著噴油壓力的增大，流量系數(shù)會隨之先增大后再減小；

c）通過測量不同噴油壓力和不同噴油持續(xù)期下的噴油量，繪制了柴油的等噴油量曲線，可以更直觀地觀察其流通性能。

［1］ 鄭金寶，繆雪龍，洪建海，等.共軌系統(tǒng)電磁噴油器盛油槽壓力測量與分析［J］.內(nèi)燃機學報，2012（1）：86－90.

［2］ 夏興蘭，許 喆，郭立新，等.影響噴油嘴流量系數(shù)關鍵參數(shù)的研究［C］／／中國內(nèi)燃機學會燃燒節(jié)能凈化分會2010年學術年會.［出版地不祥］：［出版者不祥］，2010：157－163.

［3］ 張宗杰，徐 波，楊瑞龍，等.柴油機噴油器中針閥的碰撞與運動軌跡研究［J］.華中科技大學學報：自然科學版，2006（3）：75－78.

［4］ 李勁松，韓恒信.提高噴油嘴流量系數(shù)的探討［J］.柴油機設計與制造，2003（3）：33－35.

［5］ 周龍保，劉巽俊，高宗英.內(nèi)燃機學［M］.北京：機械工業(yè)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］ 劉建新，杜慧勇，李 民，等.柴油機噴油嘴準動態(tài)噴孔流量系數(shù)研究［J］.農(nóng)業(yè)機械學報，2002（3）：32－34.