同濟(jì)大學(xué)　鄧鈺才　黃思怡　馮　良

燃?xì)夤曹墖娚淦髁黧w力學(xué)特性試驗(yàn)探究

同濟(jì)大學(xué)鄧鈺才黃思怡馮良

車用燃?xì)舛帱c(diǎn)順序噴射系統(tǒng)是天然氣汽車的關(guān)鍵技術(shù)之一。為了優(yōu)化天然氣汽車噴射系統(tǒng)，本文通過(guò)搭建汽車燃?xì)忭樞驀娚湎到y(tǒng)用噴射器試驗(yàn)臺(tái)，試驗(yàn)測(cè)試了不同工況下噴射器的流量特性及各噴口的流量一致性、均勻性等,為以后的燃?xì)夤曹墖娚淦鞯脑O(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

燃?xì)鈬娚淦黜樞驀娚淞黧w力學(xué)特性

近年來(lái)，天然氣工業(yè)的發(fā)展促使了國(guó)家對(duì)天然氣行業(yè)的投資并且推動(dòng)了相關(guān)項(xiàng)目的發(fā)展和基礎(chǔ)工程的建設(shè)。天然氣汽車的發(fā)展作為天然氣應(yīng)用重要的一部分，因其能替代石油的使用、降低環(huán)境污染、符合低碳經(jīng)濟(jì)的發(fā)展趨勢(shì)的優(yōu)勢(shì)，其發(fā)展符合國(guó)情并且前景廣闊。目前國(guó)內(nèi)使用的噴射器大部分為國(guó)外進(jìn)口，國(guó)內(nèi)的自主產(chǎn)品較少，技術(shù)相對(duì)落后，產(chǎn)品的質(zhì)量與國(guó)外產(chǎn)品相比存在較大差距。國(guó)內(nèi)生產(chǎn)企業(yè)不能掌握噴射器生產(chǎn)制造的核心技術(shù)，成為我國(guó)燃?xì)鈬娚淦骷夹g(shù)發(fā)展的主要障礙。本文主要研究多點(diǎn)順序噴射系統(tǒng)，通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)以后的噴射系統(tǒng)提供指導(dǎo)建議。

1　車用多點(diǎn)順序燃?xì)鈬娚淦鹘Y(jié)構(gòu)及工作原理

1.1車用多點(diǎn)順序燃?xì)鈬娚淦鞯慕Y(jié)構(gòu)

車用燃?xì)鈬娚淦鞯钠矫娼Y(jié)構(gòu)示意圖和外觀圖如圖1、圖2所示。

圖1　噴射器結(jié)構(gòu)示意

圖2　噴射器外觀

燃?xì)夤曹墖娚淦魇菫榉奖闳細(xì)馄嚢惭b，把多個(gè)燃?xì)鈬娚淦鞴潭ㄔ诮y(tǒng)一的燃?xì)夥峙浼苌?，共軌是指一個(gè)所謂公共管道的小的儲(chǔ)氣管，軌中壓力保持幾乎恒定，且時(shí)刻準(zhǔn)備為各個(gè)噴射器供氣，并便于與噴射器一起對(duì)燃?xì)鈬娚溥^(guò)程優(yōu)化。

1.2車用多點(diǎn)順序燃?xì)鈬娚淦鞯墓ぷ髟?/p>

燃?xì)舛帱c(diǎn)順序系統(tǒng)由燃?xì)夤曹墖娚淦鳌毫蜏囟葌鞲衅?、?chǔ)氣瓶、加壓器、燃?xì)釫CU(Electronic Control Unit即電子控制單元)等組成(見(jiàn)圖3)，其工作原理如下：燃?xì)鈴膬?chǔ)氣瓶中流出，經(jīng)過(guò)減壓器減壓，以一定的壓力供應(yīng)給燃?xì)夤曹墖娚淦?，噴射器在燃?xì)釫CU的控制下，開(kāi)啟關(guān)閉閥芯，完成噴射。燃?xì)釫CU以即時(shí)采集的汽油噴射時(shí)間為基礎(chǔ)，計(jì)算出適用于燃?xì)鉃槿剂系膰娚鋾r(shí)間，燃?xì)釫CU把汽油噴射執(zhí)行命令翻譯成適用于燃?xì)鈬娚涞目刂泼?，原車汽油ECU繼續(xù)管理發(fā)動(dòng)機(jī)的工作。燃?xì)釫CU采集轉(zhuǎn)速及通過(guò)噴射器模擬器處理汽油噴射信號(hào)，獲得燃?xì)夤曹墖娚淦鞯膰娚溆|發(fā)時(shí)間、噴射時(shí)間(脈寬)、以及脈沖頻率，同時(shí)燃?xì)釫CU檢測(cè)燃?xì)獾臏囟?、燃?xì)鈮毫?壓差)、尾氣氧含量及顯示氣量。

圖3　燃?xì)舛帱c(diǎn)順序系統(tǒng)

2　燃?xì)夤曹墖娚淦鞯脑囼?yàn)分析

2.1試驗(yàn)系統(tǒng)概述

根據(jù)本文選用的車用燃?xì)忭樞驀娚湎到y(tǒng)的應(yīng)用特點(diǎn)，設(shè)計(jì)并搭建該系統(tǒng)的測(cè)試試驗(yàn)平臺(tái)，選用了符合本系統(tǒng)特點(diǎn)的軟件設(shè)備及硬件設(shè)備。系統(tǒng)流程圖如圖4所示。試驗(yàn)采用的工質(zhì)為壓縮空氣，圖中虛線表示數(shù)據(jù)采集和控制信號(hào)的傳遞。

圖4　系統(tǒng)流程

本試驗(yàn)利用OSCAR-N MINI SAS 型電控系統(tǒng)，此系統(tǒng)是市場(chǎng)上最小的基于微處理器的氣體噴射的電控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)噴射器的驅(qū)動(dòng)控制。采用容積式膜式流量表計(jì)量噴射器噴射流量，由于噴射器每次噴射的流量較小，為方便計(jì)量采用多次噴射。

2.2測(cè)試方案

測(cè)試1：調(diào)節(jié)調(diào)壓器出口為0.1 MPa，調(diào)節(jié)仿真器設(shè)定轉(zhuǎn)速為r=3 500 rpm，測(cè)試在不同脈寬下，噴射量為10 L時(shí)所需要的時(shí)間t，經(jīng)計(jì)算獲得特定孔徑下隨脈寬變化下的噴射流量變化。

單位時(shí)間內(nèi)的噴氣次數(shù)n相當(dāng)于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速r，即n=r，也就是60 s噴射器噴射的次數(shù)n。根據(jù)噴射10 L所用時(shí)間t(s)，可計(jì)算出總共噴射的次數(shù)N，計(jì)算在不同噴射時(shí)間(脈寬)噴射一次的噴射量q。

其中：

噴射一次噴射的量：

測(cè)試2：調(diào)節(jié)調(diào)壓器出口為0.1 MPa，調(diào)節(jié)仿真器設(shè)定轉(zhuǎn)速為r=3 500 rpm，設(shè)定脈寬為10 ms，每次驅(qū)動(dòng)一個(gè)噴嘴噴射，依次測(cè)試噴口out1、out2、out3、out4。噴射量為5 L時(shí)所需要的時(shí)間t，為減小測(cè)試誤差，使各噴口分別噴射20次，記錄數(shù)據(jù)，獲得各噴嘴的流量特性。

在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為r，每分鐘噴射器噴射總次數(shù)n=r，設(shè)置每次只驅(qū)動(dòng)一個(gè)噴射器噴口進(jìn)行噴射動(dòng)作，并設(shè)置噴射脈寬為10 ms，測(cè)量各噴口噴射5 L時(shí)，所用的時(shí)間t，按下式計(jì)算各噴口每次噴射量。為減小試驗(yàn)誤差，提高精確度，每個(gè)噴嘴進(jìn)行20次獨(dú)立噴射。

其中：

噴射一次的噴射量：

四噴嘴(out1、out2、out3、out4)20次平均噴射量：

四噴嘴噴射總體噴射量：

2.3測(cè)試結(jié)果

測(cè)試1：整理試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)獲得共軌噴射器啟閉1次的噴射量隨脈寬的變化圖，如圖5所示。由試驗(yàn)得知：在相同實(shí)驗(yàn)條件，同一噴射器，相同噴嘴尺寸，相同進(jìn)出口壓差下，噴射器每啟閉1次(噴射1次)，所噴射的氣體量與脈寬(噴射時(shí)間)成正比。

圖6　共軌噴射器啟閉1次的噴射量隨脈寬的變化

測(cè)試2：對(duì)噴射器四個(gè)噴口依次進(jìn)行單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，設(shè)定脈寬為10 ms、每個(gè)噴口進(jìn)行20次記錄，并計(jì)算每個(gè)噴口噴射量的平均值，見(jiàn)圖6~圖9。

圖6　out1噴射量平均值

圖7　out2噴射量平均值

圖8　out3噴射量平均值

圖9　out4噴射量平均值

由上圖6~圖9可知，各噴口在脈寬為10 ms時(shí)的平均噴射量不同，為對(duì)比比較各噴口平均噴射量的大小，得到圖10。

圖10　脈寬10 ms四噴口噴射一次平均值

由圖10可知，噴射器out4噴射量最大，out2噴射量最小，其次為out1和out3噴口。為更清晰描述噴口噴射量的差異性，計(jì)算四噴口的總體平均值，將各噴口的平均值與總體平均值進(jìn)行比較，得出下圖11。

圖11　各噴口噴射量與四噴口總體平均噴射量對(duì)比

由上圖可知，在相同脈寬、相同工作條件下，噴射器四噴口一致性有不小差異，out4 噴射量偏離總平均值比較大，且大于平均值，其余三噴口噴射量比總平均值小。這說(shuō)明這4個(gè)噴口的瞬時(shí)噴射量并不均勻，因此燃?xì)鈬娙氲男逝c均勻性更好的噴射器相比肯定會(huì)有所下降，同情況下會(huì)消耗更多的燃?xì)狻?/p>

3　結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)搭建車用燃?xì)忭樞驀娚湎到y(tǒng)用噴射器測(cè)試平臺(tái)，利用OSCAR-N MINISAS順序燃?xì)鈬娚湎到y(tǒng)，模擬了燃?xì)馄嚢l(fā)動(dòng)機(jī)的不同工況，并且相應(yīng)的對(duì)噴射器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，收集流量等數(shù)據(jù)，通過(guò)試驗(yàn)對(duì)流量特性與四噴口的一致性分析，驗(yàn)證了噴射器噴射有效性及均勻性。該試驗(yàn)臺(tái)也可用于其它噴射器的測(cè)試，其測(cè)試功能也可進(jìn)一步擴(kuò)展。

由以上各圖可知，本燃?xì)夤曹墖娚淦鞯膐ut1~out4噴口穩(wěn)定時(shí)刻的速度場(chǎng)差異性較高，四個(gè)噴口之間的流速與流量缺乏均勻性和一致性。這就為以后的燃?xì)夤曹墖娚淦鞯慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了更高的要求，希望在以后的燃?xì)夤曹墖娚淦鞯慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和氣流均勻性和一致性方面能產(chǎn)生較大的提升。

Research on Hydrodynamic Characteristics of Gas sequential injection

Tongji UniversityDeng yucaiHuang SiyiFeng Liang

The CNG sequential injection system is one of the most important keys to vehicle development. Through building the CNG sequential injection system test-bed to optimize the injection system of the natural gas vehicle, this article analyzes, in different conditions, the flow performance, consistency and homogeneity of each injector. It provides guidance for future sequential injector design.

gas injector, sequential injection, hydrodynamic characteristics