鄒 斌，劉應(yīng)超，鄭 灝，顏伏伍

(1.武漢理工大學(xué) 汽車工程學(xué)院，湖北 武漢430070;2.現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點實驗室，湖北 武漢430070)

目前，世界范圍內(nèi)的石油資源緊張促進(jìn)了對車用代用燃料的深入研究［1-2］。由此帶來的對氣體燃料在車用氣體發(fā)動機(jī)上的適應(yīng)性研究也日趨重要［3］。針對提高氣體燃料的車用適應(yīng)性問題，通過掌握燃?xì)鈬娮靽娪吞匦?，實現(xiàn)氣體發(fā)動機(jī)電控單元中噴氣MAP 的準(zhǔn)確標(biāo)定尤為重要［4］。但是，根據(jù)國內(nèi)外文獻(xiàn)，除少數(shù)針對氫氣噴嘴的測量裝置外，尚未有廣泛適用于燃?xì)鈬娮靻未螄娚淞康某墒鞙y量技術(shù)或裝置［5］。研究中，已有學(xué)者采用多級流量計并聯(lián)測量方法直接獲得噴氣流量［6］。但由于噴嘴工作時流量范圍廣，該方法在實際值處于流量計量程下限附近水平時產(chǎn)生較大測量誤差，相對誤差較大，不宜采用。

為填補(bǔ)該領(lǐng)域技術(shù)空白，筆者通過分析現(xiàn)有燃?xì)鈬娮炝髁刻匦詼y試方法，提出了一種基于排水稱重原理的氣體流量特性測試方法，并建立了相應(yīng)的測量及控制平臺，通過對某液化石油氣發(fā)動機(jī)燃?xì)鈬娮靽姎饬髁繙y量驗證該方法的有效性。

1 燃?xì)鈬娮炝髁繙y量原理

1.1 燃?xì)鈬娮旒傲髁繙y量特點

燃?xì)鈬娮焓菤怏w發(fā)動機(jī)中實現(xiàn)氣體燃料定量噴射的重要部件。其工作特點是根據(jù)發(fā)動機(jī)不同工況對燃料供給量的需求，在毫秒級時間內(nèi)向進(jìn)氣道或氣缸內(nèi)噴射相應(yīng)體積氣體燃料。根據(jù)開發(fā)經(jīng)驗，燃?xì)鈬娮焖鑷姎鈺r間范圍約為0 ～30 ms，氣體體積流量范圍約為5 ～150 L/min［7-8］。

進(jìn)行燃?xì)鈬娮炝髁繙y量時，需獲得燃?xì)鈬娮炖硐肓髁俊⒚}寬流量，以及噴嘴流量特性曲線。其中，理想流量指噴嘴全開時的噴氣體積流量，即噴嘴開啟時間等于噴氣周期;脈寬流量指以一定噴氣脈寬噴氣后，噴嘴在一個噴氣周期內(nèi)的噴氣體積;噴嘴流量特性曲線特指一個周期內(nèi)，不同噴氣脈寬所對應(yīng)的噴氣體積曲線［9］。就氣體發(fā)動機(jī)噴氣MAP 標(biāo)定，重點關(guān)注燃?xì)鈬娮炝髁刻匦郧€。

1.2 測量方法及原理

圖1 排水稱重測量方法原理圖

筆者提出的排水稱重測量方法原理如圖1 所示。測量時，通過抽氣管抽氣使氣體采集容器(集氣腔)內(nèi)充水，之后噴嘴通過噴氣管開始噴氣。噴嘴噴氣時排出集氣腔內(nèi)的水，水槽中的水面由溢水管保持恒定。同時電子秤的示數(shù)發(fā)生變化，根據(jù)噴氣前后電子秤的示數(shù)差值計算噴氣所排出水的質(zhì)量，經(jīng)換算得到集氣腔內(nèi)收集的氣體體積。噴嘴的單次噴射體積較小，需連續(xù)噴射多次(使噴氣總體積接近集氣腔實際容積)再稱量，最后取平均計算實際的單次噴氣量。測量裝置的簡化力學(xué)模型如圖2 所示。

圖2 測量裝置的簡化力學(xué)模型

計算過程中所需變量說明如下：集氣腔外截面積為S，內(nèi)截面積為S1，集氣腔頂端距水槽水面高度為H，噴氣前集氣腔內(nèi)的水面高度為H1，集氣腔在水面下的高度為H2，集氣腔內(nèi)部頂端距水面的高度為H3，集氣腔內(nèi)氣體壓強(qiáng)為P1，溫度為T1，密度為ρ1。由靜力學(xué)分析可得，噴氣前集氣腔所受支點拉力F為：

式中：M為電子秤示數(shù);g為重力加速度;Fm為集氣腔的重力;Fa為集氣腔所受空氣的浮力;Fw為集氣腔所受水的浮力;Fam為集氣腔內(nèi)空氣的重力;Fwm為集氣腔內(nèi)水槽液面以上水的重力;ρw為水的密度;ρ0為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下空氣的密度。

噴氣后，溢水管使水槽水面保持不變，則高度H不變，采氣腔所受水和空氣的浮力不變。設(shè)此時集氣腔內(nèi)的水面高度為H'1，水面距集氣腔內(nèi)部頂端高度為H'3，集氣腔內(nèi)氣體體積為V2，壓強(qiáng)為P2，溫度為T2，密度為ρ2。則噴氣后集氣腔所受支點拉力F'為：

空氣密度遠(yuǎn)小于水的密度，忽略噴氣前后集氣腔內(nèi)空氣密度的變化，以標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下密度ρ0計算。由于H1-= - (H3-)，同時設(shè)ΔH=H1-，則噴氣前后電子秤示數(shù)差ΔM為：

從式(3)可以看出，電子稱的示數(shù)差值相當(dāng)于將排出的水替換成空氣的質(zhì)量，與集氣腔自重和所受浮力無關(guān)。式中M、M'可直接讀取，由式(3)可計算出ΔH。

集氣腔收集內(nèi)空間變化體積為：

ΔV為集氣腔內(nèi)氣體的體積變化，但由于噴氣前后集氣腔內(nèi)壓力發(fā)生改變，且均不為標(biāo)準(zhǔn)氣壓，因此需將該體積變化修正為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)的體積變化。設(shè)標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)大氣壓為P0，標(biāo)準(zhǔn)溫度為T0。由氣體狀態(tài)方程可得，噴氣前集氣腔內(nèi)氣體在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下體積為：

同理，噴氣后集氣腔內(nèi)氣體在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下體積為：

則在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，噴嘴的噴氣體積為：

式中：VInj為標(biāo)準(zhǔn)噴氣體積;P0、T0可查表求出;P1、P2和T1、T2可分別由壓力傳感器和溫度傳感器測出;ΔH可由式(3)計算得出;S3為固定的截面積，可直接測量計算。由于抽氣管位置固定，抽氣壓力不變，因此每次測量時集氣腔內(nèi)水面高度H1不變，則噴氣前集氣腔內(nèi)氣體體積V1不變，可測量計算。最后根據(jù)式(7)計算出噴嘴噴射氣體在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積。

2 燃?xì)鈬娮炝髁繙y量平臺

基于排水稱重測量方法建立的燃?xì)鈬娮炝髁繙y量平臺包括氣體供給系統(tǒng)、噴嘴驅(qū)動系統(tǒng)、抽氣泵水系統(tǒng)、水面調(diào)整系統(tǒng)和水量稱量系統(tǒng)等。其中氣體供給系統(tǒng)和噴嘴驅(qū)動系統(tǒng)主要用于實現(xiàn)對氣體供給和噴嘴噴射的控制;抽氣泵水系統(tǒng)、水面調(diào)整系統(tǒng)和水量稱量系統(tǒng)用于測量噴嘴噴射氣體量。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3 所示。

圖3 燃?xì)鈬娮炝髁繙y量平臺示意圖

2.1 氣體供給系統(tǒng)

氣體供給系統(tǒng)用于提供壓力穩(wěn)定的氣體源?？紤]氣體燃料處理困難，測量平臺采用壓縮空氣作為氣源。如圖3 所示，該系統(tǒng)包括空壓機(jī)、穩(wěn)壓氣罐及減壓閥。工作過程中，空壓機(jī)壓力控制在500 ～900 kPa，穩(wěn)壓氣罐將氣體壓力穩(wěn)定在預(yù)設(shè)值，通過減壓閥將氣體壓力調(diào)整為噴嘴噴射壓力。

2.2 噴嘴驅(qū)動系統(tǒng)

噴嘴驅(qū)動系統(tǒng)用于控制噴嘴噴氣動作的執(zhí)行。由于噴嘴噴氣過程需噴嘴連續(xù)多次開啟和關(guān)閉，且時間精度要求高、工作電流大，筆者采用獨立噴氣驅(qū)動模塊控制噴氣過程。

圖4 為噴嘴驅(qū)動部分電路。其中，通過MC33810 芯片驅(qū)動場效應(yīng)管IRF540 實現(xiàn)噴嘴控制，并在上位機(jī)中實現(xiàn)噴氣周期、噴氣脈寬和噴氣次數(shù)等的設(shè)置。噴嘴噴氣控制程序界面圖如圖5所示。

圖4 噴嘴驅(qū)動部分電路

2.3 抽氣泵水系統(tǒng)

抽氣泵水系統(tǒng)用于將集氣腔抽成負(fù)壓使其充滿水，以實現(xiàn)排水測量。為了防止真空泵抽到水使其損壞，需在真空泵前設(shè)置一個除水器，以實現(xiàn)水氣分離，其結(jié)構(gòu)見圖3 中除水器部分。此外，由于抽氣時會將水槽內(nèi)的水抽到集氣腔內(nèi)，水槽內(nèi)水面會降低，此時需要水泵給水槽加水以保持水面穩(wěn)定。

圖5 噴嘴噴氣控制程序界面圖

2.4 水面調(diào)整系統(tǒng)

水槽的水面位置變化會嚴(yán)重影響電子秤的稱量結(jié)果，因此需要使水面位置保持恒定。如圖3所示，在抽氣過程中，水槽水面的下降要及時泵水，泵水時水面位置由溢水管控制;在噴氣過程中，集氣腔內(nèi)的水大量溢出，也需要將多余的水經(jīng)溢水管排出，以實現(xiàn)水面的恒定。

2.5 水量稱量系統(tǒng)

水量稱量系統(tǒng)用于稱量氣體所排出水的質(zhì)量。抽氣過程完成后，等待水面平穩(wěn)，電子秤示數(shù)穩(wěn)定后，記錄電子秤的示數(shù)。噴氣完成且水面平穩(wěn)后，再次記錄電子秤的示數(shù)。根據(jù)電子秤前后的示數(shù)計算排水質(zhì)量，由排水質(zhì)量根據(jù)式(7)計算出所噴氣體量。

3 測量及實驗驗證

3.1 測量流程

噴嘴流量測試平臺單次測量過程如圖6 所示。在實際測量時，需要通過多次重復(fù)測量減少測量誤差。

圖6 噴嘴流量測量過程

3.2 測量平臺自動化控制

噴嘴流量測試平臺可實現(xiàn)自動化控制。控制方法如下：水泵和真空泵由繼電器間接控制，采用PCI-8048 板卡和PS-037 轉(zhuǎn)接板直接驅(qū)動繼電器，傳感器數(shù)據(jù)用PCI-8333 板卡采集，電子秤示數(shù)用串口直接讀取解析。基于上述控制方法，采用VB 編寫噴嘴流量測試平臺自動化控制界面，如圖7 所示。

圖7 自動化控制界面圖

3.3 實驗驗證

由于未獲取燃?xì)鈬娮斓臉?biāo)準(zhǔn)流量特性曲線，該平臺通過對某型號的壓縮天然氣噴嘴進(jìn)行重復(fù)測量，根據(jù)不同測量數(shù)據(jù)間的誤差大小衡量測試平臺的穩(wěn)定性和有效性。測試條件如下：噴氣周期為20 ms、噴嘴供電電壓為12 V、氣罐壓力為500 kPa、噴氣壓力為150 kPa、噴氣時間為10 ms、每次測量噴氣次數(shù)為50 次，以及重復(fù)測量次數(shù)為15 次。測量結(jié)果如圖8 所示。

圖8 噴嘴重復(fù)性測試數(shù)據(jù)

由測量結(jié)果可得，噴氣量最大值為21.14 ml，最小值為20.99 ml，平均值為21.04 ml，最大值、最小值分別偏離平均值0.46%、0.25%，誤差小于0.5%，結(jié)果一致性較好，說明測量方法可行，該測試平臺可進(jìn)行流量測量。

用測試平臺對某型號的LPG 噴嘴進(jìn)行脈寬流量測量，獲得其流量特性曲線。設(shè)置噴氣周期為20 ms，噴嘴供電電壓為12 V，氣罐壓力為500 kPa，噴氣壓力為150 kPa，噴射時間為3 ～17 ms，噴氣次數(shù)根據(jù)噴氣時間由300 次到40 次遞減，測量結(jié)果如圖9 所示。由圖9 流量特性曲線可以看出，在3 ～4 ms 時，噴嘴處于開啟過程中，其噴氣量和時間無線性關(guān)系，從4 ms 開始，噴氣量與噴氣時間成線性關(guān)系。測量結(jié)果符合噴嘴的流量特性，間接證明了測量方案的可行性。同時，該曲線可為發(fā)動機(jī)的標(biāo)定提供噴嘴噴氣脈寬數(shù)據(jù)。

圖9 某LPG 噴嘴流量特性曲線

4 結(jié)論

針對目前燃?xì)鈬娮炝髁刻匦詼y試精度普遍偏低的問題，提出了基于排水稱重原理的氣體流量特性測量方法及測量平臺。通過將該測量平臺應(yīng)用于某液化石油氣發(fā)動機(jī)燃?xì)鈬娮靽姎饬髁繙y量，成功獲取了燃?xì)鈬娮炝髁刻匦郧€。試驗證明，該測試方法原理簡單有效，測量平臺所獲測試數(shù)據(jù)相對誤差小于0.5%，適用于燃?xì)獍l(fā)動機(jī)標(biāo)定工作需求。

［1］孟欣. 新時代汽車節(jié)能技術(shù)探析［J］. 應(yīng)用能源技術(shù)，2010(5)：4 -7.

［2］OAKLEY A，ZHAO H，MA T，et al. Dilution effects on the controlled auto-ignition(CAI)combustion of hydrocarbon and alcohol fuels［R］.［S.l.］：［s.n.］，2001.

［3］陳宜亮，牟善祥. 國內(nèi)外氣體燃料發(fā)動機(jī)技術(shù)發(fā)展與展望［J］.柴油機(jī)，2003(4)：11 -13.

［4］丁曉亮，張幽彤，王軍.高壓共軌柴油機(jī)噴油器噴油特性研究［J］. 北京理工大學(xué)學(xué)報，2008，28(11)：970 -974.

［5］張冬生，孫柏剛，劉福水，等.氫燃料內(nèi)燃機(jī)噴嘴流量特性仿真與試驗研究［C］∥第五屆中國智能交通年會暨第六屆國際節(jié)能與新能源汽車創(chuàng)新發(fā)展論壇優(yōu)秀論文集.［S.l.］：［s.n.］，2009：1154-1159.

［6］張川，馬善偉，陳江平，等.電子膨脹閥節(jié)流機(jī)構(gòu)流量特性的實驗研究［J］. 上海交通大學(xué)學(xué)報，2006，40(2)：291 -296.

［7］馬凡華，陳仁哲，齊政亮，等.火花點火天然氣發(fā)動機(jī)起動階段HC 排放特性研究［J］. 內(nèi)燃機(jī)工程，2012(3)：10 -13.

［8］于秀敏，唐睿，楊世春，等.汽油機(jī)與LPG 發(fā)動機(jī)冷起動特性試驗［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2007(4)：4 -7.

［9］中華人民共和國工業(yè)和信息化部.QC/T 809 -2009車用燃?xì)鈬娮欤跰］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.