趙建輝，杜敬濤，劉友，王貴新

（哈爾濱工程大學 動力與能源工程學院，黑龍江哈爾濱 150001）

《中共中央關(guān)于制定國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和二〇三五年遠景目標的建議》指出，要進一步增強高校學科設(shè)置的針對性，推進基礎(chǔ)學科高層次人才培養(yǎng)模式改革[1]。我國高等教育的發(fā)展需求在“十四五”規(guī)劃的推進中逐漸顯現(xiàn)。在“十四五”時期新興經(jīng)濟快速發(fā)展的背景下[2]，社會對工程專業(yè)人才的培養(yǎng)提出了更高要求，現(xiàn)代化產(chǎn)業(yè)和高質(zhì)量經(jīng)濟發(fā)展要求高等院校培養(yǎng)工程實踐能力強、創(chuàng)新能力強、具備國際競爭力的高素質(zhì)“新工科”人才[3,4]。因此，對工科專業(yè)現(xiàn)有的培養(yǎng)方案、教學模式進行與時俱進的改革與創(chuàng)新成為高校課程改革的重點工作[5]。

測試技術(shù)課程作為一門動力工程類專業(yè)的必修課，有偏向?qū)嵺`的課程屬性，應科學合理地規(guī)劃實驗課程體系[6]，在常規(guī)實驗教學的基礎(chǔ)上拓展思路和方法，使晦澀難懂、概念抽象的理論知識教學得到延伸與鞏固[7]。新的實驗教學改革能夠助力“船舶與海洋工程”“熱能與動力工程”和“輪機工程”等典型的實踐性和創(chuàng)新性要求非常強的工科專業(yè)培養(yǎng)更高水平的人才[8]，與多個學科領(lǐng)域密切交叉，與工程類多產(chǎn)業(yè)部門緊密融合，推動高新技術(shù)進步和國民經(jīng)濟發(fā)展[9]。本著科研與教學相結(jié)合的理念，為使教學內(nèi)容緊跟科技發(fā)展[10,11]，本文以共軌噴油器溫升效應為測試目標進行實驗教學分析，針對傳統(tǒng)熱電偶和新型紅外熱像儀兩種不同的溫度測量方法開展實驗研究，通過噴油器熱效應評價指標探索了不同測試方法的準確性。該項實驗教學內(nèi)容拓寬了實驗教學道路，突破了原來傳統(tǒng)的測試實驗教學模式。

1 共軌噴油器溫升測量實驗裝置

為開展共軌噴油器噴嘴處溫升的實驗教學，實驗對象選用Bosch CRIN-2高壓共軌噴油器，為測量噴嘴處燃油的溫度，加工了一個與噴油器噴嘴外形參數(shù)相匹配的集油腔（外徑18 mm，內(nèi)徑7 mm，長度50 mm）。噴嘴頭部插入到集油腔內(nèi)，并作密封處理，保證燃油不會通過噴嘴和集油腔間的接觸面泄露。在集油腔上加工了兩個孔，一個位于集油腔壁面上的回油孔，它和回油油管連接，從噴孔噴射的燃油通過集油腔、回油孔、回油油管進入油箱；另一個孔位于集油腔的底部，是溫度傳感器的安裝孔，溫度傳感器和該孔通過螺紋連接，并作密封處理。從噴孔噴射出的燃油具有一定的動量，為保證溫度傳感器使用安全，在把集油腔插到噴嘴上時，保證溫度傳感器的頭部距離噴嘴頭部約20 mm（經(jīng)過反復實驗得出，此距離保證溫度傳感器受到的燃油沖擊較小，不影響傳感器的使用）。

實驗中選擇PT100熱電阻溫度傳感器（測量范圍50 ℃～200 ℃，誤差 ±1 ℃）進行燃油溫度的測量。為測量噴油器工作時進入噴油器的燃油初始溫度，在噴油器入口處安裝有Kistler 4067傳感器（溫度范圍為20 ℃～120 ℃，誤差 ±1 ℃）。為了測量噴油器的壁面溫度，采用帶有珠狀頭部的K型熱電偶（溫度測量范圍-50 ℃～ 300 ℃，最大誤差±1 ℃）。

在教學環(huán)節(jié)中，由于并沒有分析過采用紅外熱像儀測量溫度的準確性，因此同時采用K型熱電偶和熱像儀同時測量噴油器壁面的溫度，以評估不同測量方法的準確性。噴油器體表面測溫點主要選取的是噴油器內(nèi)部各關(guān)鍵部位所對應的壁面位置，控制室處回油節(jié)流孔壁面為測量點1，控制室處對應的壁面位置作為測量點2，噴嘴壁面處選取集油腔壁面處作為測量點3，噴孔對應的噴嘴壁面位置作為測量點4。

圖1所示為搭建的高壓共軌噴油器溫升測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括高壓油泵試驗臺、改造后的Bosch CRIN2共軌噴油器、紅外式熱成像儀、溫度傳感器、二次顯示儀表和計算機等。系統(tǒng)中高壓油泵試驗臺可以提供最大180 MPa的噴油壓力，可以驅(qū)動不同類型的高壓共軌噴油器，油箱內(nèi)燃油溫度通過電子調(diào)溫裝置控制，溫度范圍為20 ℃-40 ℃，溫度控制精度±2 ℃。

圖1 高壓共軌噴油器溫升測試系統(tǒng)

2 測量原理及方法

實驗采用的PT100熱電阻溫度傳感器是利用半導體的電阻值隨溫度變化而變化的原理來進行溫度的測量[12]；K型熱電偶內(nèi)部存在不同材質(zhì)的熱電偶蕊和測溫電偶絲，當所測壁面溫度升高時，熱電偶的熱端會收熱溫升，導致與另一端產(chǎn)生溫差，構(gòu)成的回路中產(chǎn)生熱電勢，之后通過轉(zhuǎn)換器將電動勢轉(zhuǎn)換成溫度信號[13,14]；而紅外熱成像儀的測溫原理較為復雜，熱像儀具有高清溫感攝像頭，用于拍攝目標物的正面平面輻射熱圖，目標物表面的不同熱輻射會形成不同的熱分布場[15]。為便于關(guān)注目標區(qū)域的溫度值，開發(fā)的熱感監(jiān)測軟件可以采用框架標注所關(guān)注的測溫點，同時為了便于區(qū)分不同目標區(qū)域溫度的值，采用高顏色對比度渲染平面輻射熱像圖，從而可以通過規(guī)定顏色飽和度來確定并輸出被目標物對應位置的溫度值[16]。

在高壓共軌噴油器溫升測試系統(tǒng)試驗臺上安裝有共軌噴油器夾具，目的是為了避免在高頻工作下噴油器的強烈震動導致監(jiān)測測溫區(qū)域的偏移，因此在開始實驗之前，必須將共軌噴油器緊固加緊在試驗臺架上。此外，PT100溫度傳感器通過螺紋連接在相應的噴嘴集油腔和控制室集油腔內(nèi)，兩個集油腔則通過光滑面配合旋擰在對應的共軌噴油器上，實驗中將采用4個K型熱電偶的珠狀頭部準確固定在響應的4個壁面測量位置處。在試驗臺外側(cè)豎立紅外熱成像儀支架，并在合理范圍內(nèi)調(diào)整鏡頭的聚焦，使得所測的區(qū)域能夠拍攝到清晰的熱像分布圖像，基于噴油器工作時長的考慮，設(shè)定熱像儀每10 s拍攝一張噴油器壁面的溫度分布圖像。在開始實驗時，對油箱內(nèi)燃油的溫度調(diào)整至設(shè)定值，通過輸入共軌噴油器高速電磁閥的電流勵磁信號，使噴油器開始連續(xù)工作，實驗時長設(shè)定為一個小時，溫度傳感器和熱像儀的溫度顯示在電子儀表顯示屏和電腦屏幕上。在實驗過程中，每個工況均進行三次重復實驗，并對測量結(jié)果取平均值，保證實驗結(jié)果測量的準確性。

3 實驗誤差分析與結(jié)果討論

在進行噴油器溫度測量實驗研究時，由于每次實驗時無法保證相同的環(huán)境溫度，因此為排除環(huán)境溫度造成測量結(jié)果不準確的影響，采用溫升來描述燃油加熱的程度，溫升定義為溫度傳感器測量的溫度減去噴油器入口處燃油初始溫度。

圖2所示為噴嘴處集油腔內(nèi)燃油和噴油器壁面1-4測溫點帶標準差的瞬態(tài)溫升曲線，可以看出瞬態(tài)溫升隨噴油器工作時間的變化規(guī)律是類似的，三次測量的實驗數(shù)據(jù)分析得出，噴嘴處集油腔內(nèi)燃油的瞬態(tài)溫升偏差在時間為45min時有著較大差距，最小值為55.2 ℃，最大值為57.9 ℃，相差為2.7 ℃；壁面測溫點1處的瞬態(tài)溫升偏差在時間為25min時有著較大差距，最小值為18.3 ℃，最大值為20.7 ℃，相差為2.4 ℃；壁面測溫點2處的瞬態(tài)溫升偏差在時間為15min時有著較大差距，最小值為17.5 ℃，最大值為20 ℃，相差為2.5 ℃；同樣，壁面測溫點3處的瞬態(tài)溫升偏差在時間為17min時有著較大差距，最小值為45.2 ℃，最大值為51 ℃，相差為5.8 ℃；壁面測溫點4處的瞬態(tài)溫升偏差在時間為23min時有著較大差距，最小值為57 ℃，最大值為61 ℃，相差為4 ℃。從以上分析可以得出，壁面測溫點1溫升的標準偏差最大值為0.9，壁面測溫點2溫升標準偏差最大值為0.8，壁面測溫點3的溫升標準偏差最大值為3.7，噴嘴壁面測溫點4溫升的標準偏差最大值為1.6。由上述結(jié)果可以看出，三次實驗測量下噴嘴處集油腔內(nèi)燃油溫升、噴油器壁面溫度最大差距較小，溫升偏差在實驗測量誤差允許范圍之內(nèi)，三次溫升計算結(jié)果整體上一致性較好。

圖2 帶標準偏差的溫升數(shù)據(jù)曲線

共軌噴油器溫升過程可以分成三個發(fā)展階段：溫升快速增加，溫升緩慢增加，溫升趨于穩(wěn)定。產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因在于，在共軌噴油器工作初始階段，高壓燃油通過節(jié)流孔后迅速生熱，所以燃油溫升迅速增大，在噴油器繼續(xù)工作時，一部分熱量會用于加熱噴嘴和集油腔金屬，以及熱量同時通過金屬壁面向環(huán)境散熱，這導致出現(xiàn)了燃油溫升增加程度減小，隨著噴油器工作時間繼續(xù)增加，對金屬壁面的加熱和對環(huán)境的散熱逐漸增大，大約在噴油器工作時間30min之后基本達到了熱穩(wěn)定，即燃油生熱和散熱處于動態(tài)平衡。

此外還可以看到，集油腔內(nèi)燃油瞬態(tài)溫升的變化規(guī)律和其對應的外壁面3點是相同的，并且外壁面溫升始終小于集油腔內(nèi)部燃油溫升，但兩者相差不大，這是因為，一方面溫度通過集油腔傳遞，在接觸熱傳遞過程中存在一定的熱量損失，另一方面，集油腔外壁面會向環(huán)境進行熱輻射，從而使得外壁面的溫度低于腔內(nèi)燃油的溫度。

4 噴油器溫升測量手段評價

圖3 所示為采用溫度傳感器和紅外熱像儀測量的3點和4點壁面溫度隨噴油器工作時間變化的比較，可以看到，雖然在曲線變化規(guī)律方面，兩種不同測量手段測得的溫升基本規(guī)律相同，但對于同一壁面測溫點，傳感器測出的溫升要大于熱像儀測量的溫升，熱像儀測得的數(shù)據(jù)要更低。例如，對于測量點3，在溫升達到穩(wěn)定時，紅外熱像儀測得的穩(wěn)態(tài)溫升為44.9 ℃，而熱電偶傳感器測得的溫升為55.4 ℃，兩種測量方式測量的溫升相差10.5 ℃，從整體曲線上來看，熱像儀在各個噴油器工作時間點測得的溫升均較低。這是由于熱像儀的鏡頭在接收熱輻射的過程中容易受到很多因素的干擾，例如實驗過程中的外部光源、被測物體壁面的粗糙度、環(huán)境溫度和鏡面折射等因素，導致在不同的測量環(huán)境和被測物體下，即使是相同溫度也會測量出不同的數(shù)值。因此，采用溫度傳感器進行噴油器壁面溫度的測量較為準確，能夠用于實驗教學。

圖3 噴嘴壁面熱像儀和傳感器測量溫升數(shù)值對比

5 結(jié)語

共軌噴油器在多循環(huán)工作條件下，噴油器控制室和噴嘴處燃油溫度明顯升高，其熱效應會影響噴射特性，因此，工作狀態(tài)下共軌噴油器溫度的測量是測試技術(shù)實驗教學環(huán)節(jié)的重點。實驗教學的最終目的是培養(yǎng)學生科學創(chuàng)新的思維方式，通過實驗可以加強學生對測試系統(tǒng)架構(gòu)和測試方式的認識、理解。通過多角度多方式的實驗教學環(huán)節(jié)將學到的理論知識進行延伸與鞏固。學生可通過試驗臺來進行測試測量實驗，對被測試參數(shù)進行采集、處理和分析等自主判斷測試方法的可行性，進一步鍛煉提升學生的實踐能力和創(chuàng)新能力。今后測試技術(shù)類課程實驗將繼續(xù)在課程體系、教學模式等方面進一步改革和完善，培養(yǎng)出適應新時代社會、經(jīng)濟和產(chǎn)業(yè)發(fā)展需要的高等教育人才。