農用單缸柴油機噴醇器流量特性試驗研究*

張美娟，陳梓含，王忠，陳晟閩

(1. 無錫職業技術學院汽車與交通學院，江蘇無錫，214121； 2. 江蘇大學汽車與交通工程學院，江蘇鎮江，212013)

0 引言

單缸柴油機是小型農機具和植保機械的主導動力，在我國農村地區有著廣泛的應用。甲醇是一種清潔替代燃料，柴油機摻燒甲醇，可以有效降低NOx和碳煙排放，實現農用單缸柴油機燃料多樣化、低排放的目的[1-2]。單缸柴油機采用甲醇氣道電控噴射方式，摻燒甲醇過程中，甲醇的噴射壓力、甲醇溫度會發生變化，使得每循環噴醇量會有較大變化，從而改變了柴油機甲醇的摻燒比。柴油機采用甲醇/柴油雙燃料模式，燃料比例對柴油機的動力、經濟和排放性能有很大的影響[3-4]。

目前國內外針對不同噴射壓力和燃油溫度對循環流量影響研究，更多集中在柴油、汽油上，杜慧勇等[5]開展了噴油壓力和噴油脈寬對噴油器流量系數的影響，以動量法測量噴油規律，通過流動損失理論方法分析流量系數變化規律，研究發現噴油壓力直接影響最大流量系數；王軍等[6]分析流體傳熱特征，提出了確定基準溫度的方法，推導出噴油量和噴油壓力的修正量計算公式；雷威等[7]測得不同噴油壓力下動態流量，發現噴油壓力對動態流量曲線形態影響不大，流量特性影響主要體現在線性段；Salvador等[8]建立一維電磁閥噴油器模型，通過設定密度、壓力、可壓縮性和彈性模量等參數，分析燃油溫度對噴射過程和噴射量影響，結果表明不同燃油溫度噴油器流量系數最大相差達6%。從上述研究可以發現，噴射壓力和燃油溫度直接影響著噴射器循環流量。當前研究更多采用的是仿真以及流體理論計算方式，推導計算噴射壓力和燃油溫度對循環噴油量的修正值，方法復雜且實際修正誤差較大。考慮農用單缸柴油機循環噴醇量修正方法的實用性，提出在試驗數據基礎上，以曲線擬合和插值計算的數值方法來修正噴醇量，實現不同條件下單缸柴油機循環噴醇量補償修正。

本文開展了不同噴醇壓力、甲醇溫度噴醇器流量特性試驗，測量不同噴射壓力和甲醇溫度噴醇器流量，分析了噴醇器流量特性規律，采用數值分析的方法，提出循環噴醇量修正方法，為農用單缸柴油機不同環境條件中摻燒甲醇，制定循環噴醇量控制策略提供參考。

1 試驗系統及方案

1.1 影響循環噴醇量的因素分析

影響循環噴醇量的因素較多，本文選取噴醇脈寬、噴射壓力、甲醇溫度、噴醇頻率、噴醇次數作為本次試驗的因素選擇。

試驗研究采用多因素試驗設計，試驗因素與水平的選取如表1所示，其中，噴醇脈寬、噴射壓力、噴醇頻率根據發動機的需求，取低、中、高3種狀態，甲醇溫度和噴醇次數根據試驗可達的條件，在其范圍內均勻分布取三水平。

表1 多因素與水平表Tab. 1 Multi factor and level table

根據表1進行多因素試驗，通過極差分析，歸納出多因素權重系數分析表2。

表2 多因素權重系數分析表Tab. 2 Multi factor weight coefficient analysis

表2中權重系數的大小能夠直觀反映各因素對循環噴醇量影響的主次順序，權重系數越大，對循環噴醇量的影響越大。由表2可知，噴醇脈寬、噴射壓力對循環噴醇量影響最大，甲醇溫度對循環噴醇量影響次之，噴醇頻率對循環噴醇量影響較小，噴醇次數對循環噴醇量幾乎沒有影響。

1.2 試驗系統

試驗在噴醇器流量測量系統上進行，系統結構如圖1所示，由甲醇噴射ECU、甲醇箱、醇泵、噴醇器、電加熱器、溫度傳感器、壓力表、甲醇質量流量計量裝置等組成。測量系統中，甲醇噴射ECU可設置噴醇脈寬和噴醇正時，精度分別為0.01 ms、0.1 ℃A，噴射頻率由單缸柴油機轉速信號決定，所應用的單缸柴油機為186F柴油機，其參數如表3所示。噴射壓力通過可調穩壓電源調節醇泵驅動電壓實現，噴射壓力可調范圍在200～800 kPa，醇軌上端裝有壓力傳感器，保證試驗過程噴射壓力恒定，壓力傳感器測量誤差±0.5%。甲醇輸送管道中間裝有5 kW防爆型電加熱器和溫度傳感器，甲醇溫度在常溫至高溫區間，采用電加熱器進行溫度控制，甲醇溫度在低溫到常溫之間，通過冷卻箱和保溫裝置提供試驗所需甲醇溶液溫度，溫度傳感器測量誤差為±1%。噴醇器質量流量采用容積法測量，計量裝置精度為0.01 mg。

圖1 噴醇器流量測量系統

表3 186F柴油機主要參數表Tab. 3 Main parameters of 186F diesel engine

1.3 試驗方案

依據農用單缸柴油機摻燒甲醇實際工況需求，選取甲醇噴射壓力試驗范圍250～350 kPa，增量為25 kPa；甲醇溫度試驗范圍在-10 ℃～50 ℃，增量為15 ℃；甲醇脈寬試驗范圍0～10 ms。由于噴油器在較小脈寬階段存在非線性現象[9]，在0～2 ms增量為0.1 ms，在2～10 ms增量為1 ms。通過轉速模擬信號發生器模擬柴油機轉速1 800 r/min，固定噴射周期每分鐘噴射900次。單缸柴油機甲醇每循環質量流量小，循環噴醇量通過多次測量取均值計算，試驗所用甲醇為市面所售99.8%無水甲醇。參考GB/T 25363—2010電磁閥式噴油器總成試驗方法，試驗步驟如下。

1) 設置噴醇脈寬5 ms，噴醇器預噴1 min。

2) 甲醇溫度設定為20 ℃，分別改變噴射壓力為250、275、300、325、350 kPa，每一壓力下噴射3 min，測量計算不同脈寬下噴醇器質量流量。

3) 噴醇壓力設定為300 kPa，分別改變甲醇溫度為-10 ℃、5 ℃、20 ℃、35 ℃、50 ℃，每一溫度下噴射3 min，測量計算不同脈寬下噴醇器質量流量。

2 噴醇器流量特性試驗

2.1 理論分析

噴醇器在理想狀態下，依據質量守恒和伯努利方程，噴孔處流速vfuel和理論質量流量Mth大小如式(1)、式(2)所示。

(1)

(2)

式中：A——噴醇器噴孔面積；

ρfuel——甲醇密度；

ΔP——噴醇器前后噴射壓力差。

流體通過噴嘴時，在噴孔幾何形狀和湍流摩擦渦流的作用下，實際的流體流量往往會小于理想情況[10]，因此引入流量系數Cd來表示噴醇器實際質量流量。Cd為通過噴孔實際質量流量與理論質量流量的比值，實際噴醇器質量流量

(3)

2.2 噴射壓力

圖2為甲醇溫度在20 ℃時，不同噴射壓力下噴醇器流量特性曲線。可以看到，各噴醇脈寬下，循環噴射量隨噴射壓力增大而增大，不同壓力循環流量曲線變化趨勢基本相同。從循環流量局部放大圖可以看到，0～0.5 ms噴醇器質量流量為零，處于無效噴射階段，這是由于初期噴醇脈寬較小，噴醇器電磁線圈產生的磁場力不足以打開針閥[14]，噴醇量為0。噴射壓力對無效噴射持續時間基本沒有影響。

當噴醇器針閥行程最大時，噴醇器完全打開，壓力室噴射壓力等于醇軌壓力，當噴醇器針閥行程小于最大行程時，由于噴醇器針閥座節流孔的節流，壓力室噴射壓力小于醇軌壓力。

噴醇脈寬大于0.5 ms小于1.5 ms時，噴醇器針閥升程小于最大升程，從針閥座節流孔流入壓力室的流量較小，僅能彌補從噴醇器噴孔流出的流量，造成壓力室內的噴射壓力值低于醇軌壓力值，且隨著噴醇脈寬的增加，閥升針程增加，壓力室內的噴射壓力也變大。

從流體力學角度來看，當噴醇器結構一定時，單次通過噴醇器噴孔的噴醇量

(4)

式中：Qf——單次噴醇量；

μn——噴醇器的流量系數；

g——重力加速度；

Pf——壓力室噴射壓力；

Pb——進氣壓力；

d——噴醇時間。

根據式(4)所示，當噴醇器結構和甲醇溫度一定時，循環噴醇量的大小不僅跟噴醇時間有關系，還跟壓力室噴射壓力與進氣壓力差有關。

所以，無效噴射階段結束后，循環噴射量急劇增大，由于針閥運動的慣性、磁路系統磁滯損耗，針閥的運動將產生滯后現象，0.5～1.5 ms循環噴醇量隨脈寬增大呈非線性增加。

(a) 噴醇器流量特性曲線

(b) 小脈寬階段噴醇器流量特性曲線

噴醇脈寬大于等于1.5 ms時，針閥升程達到最大升程，噴醇器針閥完全開啟，流經針閥座節流孔的流量大于流出噴油孔的流量，壓力室的燃射壓力達到醇軌壓力值，隨著時間的增加，最大噴油速率保持不變，噴射壓力與進氣壓力差為一個定值，則循環噴醇量與噴醇時間呈線性關系。所以，1.5～10 ms脈寬區間，循環噴醇量隨脈寬增大基本呈線性增加，噴射壓力每提升25 kPa，循環流量平均提高4.8%，符合理論分析中噴醇器質量流量變化趨勢，而在數值上有所差距。

2.3 甲醇溫度

圖3為噴射壓力300 kPa下，不同甲醇溫度噴醇器流量特性曲線。可以看到，循環噴醇量隨甲醇溫度的提高而增加。結合理論分析中甲醇溫度對噴醇器循環流量影響作用，說明噴醇器低壓噴射下，甲醇溫度的提高使黏性力減弱，流動阻力減小，噴醇器流量系數變大。盡管甲醇溫度的提升使甲醇密度下降，但流量系數對質量流量的影響作用比甲醇密度對質量流量的影響更顯著，因此噴醇器質量流量隨溫度提升而增加[10]。噴射脈寬在0.5～1.5 ms區間，循環流量隨脈寬增大非線性增長，由于脈寬較小，此階段甲醇溫度的提升對循環流量增幅不大。脈寬在1.5～10 ms階段，循環噴醇量隨著脈寬增加基本呈線性增長，甲醇溫度每增長15 ℃，循環流量平均增加3.2%。

圖3 300 kPa不同甲醇溫度噴醇器流量特性曲線

3 噴醇量補償修正

3.1 基準參數確定

從噴醇器流量特性試驗可以看出，噴射壓力和甲醇溫度變化直接影響柴油機循環噴醇量。為了避免農用單缸柴油機運行過程中，噴醇壓力和甲醇溫度對循環噴醇量的改變，需要對柴油機甲醇摻燒MAP中的目標甲醇噴射量進行補償修正。柴油機摻燒甲醇MAP通常是以轉速和負荷為二維坐標，在固定噴射壓力和溫度條件下試驗標定得出，標定試驗中的壓力和溫度為基準參數[15-18]。噴醇量修正是在基準參數對應的MAP上進行，因此，在進行修正試驗前需要確定甲醇噴射壓力和甲醇溫度的基準參數數值。

甲醇氣道噴射壓力須滿足甲醇最大循環流量要求以及有較佳的霧化效果，同時不超過噴醇器機械性能要求，綜合以上，選擇噴射壓力300 kPa為基準參數，修正范圍±50 kPa。甲醇溫度主要取決于環境溫度，因此選擇柴油機常見工作環境溫度20 ℃作為基準參數，修正范圍-10 ℃～50 ℃。

3.2 噴醇量修正計算

從理論分析中可以看到，采用理論計算方式，建立噴射壓力、甲醇溫度和循環流量之間準確的數學關系相對復雜。因此提出基于噴醇器流量特性試驗數據，采用曲線擬合和插值計算方法，去實現噴醇量修正。對于近似線性階段，采用最小二乘法，分別對不同噴射壓力和甲醇溫度在1.5～10 ms階段的流量特性進行線性擬合，得到不同條件下各自線性方程，依據線性方程計算各脈寬下循環流量，通過插值方法去計算其它噴射壓力、甲醇溫度各脈寬下循環流量，最后和各條件下目標循環噴醇量對比，計算得到的20 ℃不同噴射壓力噴醇量補償脈譜、300 kPa不同甲醇溫度噴醇量補償脈譜如圖4、圖5所示。

圖4 20 ℃不同噴射壓力噴醇量補償脈譜

圖5 300 kPa不同甲醇溫度噴醇量補償脈譜

對于0.5～1.5 ms非線性階段，采用多項式對不同噴射壓力流量曲線進行擬合，在小脈寬階段，由于甲醇溫度對循環噴醇量影響較小，因此不做修正。多項式擬合是基于最小二乘法進行，要求所得的近似曲線能反映數據的基本趨勢，使求得的逼近函數與目標函數從總體上偏差的平方和最小[19]。以噴射壓力300 kPa 為例，圖6為不同階數多項式擬合曲線及殘差，可以看到，二階、三階、四階多項式殘差分別為0.157、0.073、0.073，三階和四階多項式擬合準確度更高，因此選擇四階多項式方程作為300 kPa噴射壓力下噴醇器循環流量特性擬合曲線。依次將250、275、325、350 kPa噴射壓力循環流量曲線進行多項式擬合，得到各噴射壓力對應的循環流量方程。通過插值計算其它噴射壓力下循環噴射量，最后和各條件下目標循環噴醇量對比，計算得到的0.5～1.5 ms、20 ℃不同噴射壓力非線性段噴醇量補償脈譜如圖7所示。

(a) 循環噴醇量多項式擬合曲線

(b) 循環噴醇量多項式擬合殘差

圖7 20 ℃不同噴射壓力非線性段噴醇量補償脈譜

3.3 修正量驗證

為了驗證噴醇修正量準確性，在噴醇器流量測量系統上進行噴醇修正量驗證試驗。在基準噴射壓力300 kPa下，選取甲醇溫度-5 ℃和25 ℃，脈寬為2.4、4、6.2 ms這六組工況；在基準溫度20 ℃下，選取噴射壓力260 kPa和340 kPa，脈寬為1.2、6、8.5 ms六組工況，實測各工況下循環噴醇量，得到噴醇修正量。表4為基準噴射壓力下，不同甲醇溫度噴醇修正量計算值與測試值對比，從表4中可以看到，噴醇修正量隨脈寬增大而增大，噴醇修正量最大修正誤差為11.1%，平均相對誤差為8.7%。表5為基準溫度下，不同噴射壓力噴醇修正量計算值與測試值對比，噴醇修正量最大修正誤差為10%，平均相對誤差為9.6%。試驗結果顯示噴射壓力和甲醇溫度噴醇量修正值和測試值平均誤差都小于10%，所提出的修正方法是有效的。因此在進行單缸柴油機甲醇進氣道噴射策略開發時，可以針對甲醇溫度和甲醇噴射壓力變化加入修正函數，能夠有效提高甲醇循環噴醇量精度。

表4 不同甲醇溫度噴醇量修正量對比Tab. 4 Comparison of alcohol injection correction at different methanol temperatures

表5 不同噴射壓力噴醇量修正量對比Tab. 5 Comparison of alcohol injection correction amount under different injection pressure

4 結論

本文從農用單缸柴油機實際應用出發，為了柴油機循環噴醇量不受噴射壓力和甲醇溫度的影響，開展了噴醇器流量特性試驗研究，得出以下結論。

1) 噴射脈寬在0～0.5 ms階段，噴醇器處于無效噴射階段，噴醇壓力對無效噴射時間基本沒有影響，0.5～1.5 ms階段循環流量隨脈寬增大呈非線性增加，脈寬大于1.5 ms時，循環流量隨脈寬增大基本呈線性增長。

2) 噴醇器質量流量隨噴射壓力和甲醇溫度提升而增大，1.5～10 ms階段，噴射壓力每提升25 kPa，循環流量平均提高4.8%，甲醇溫度每增長15 ℃，循環流量平均提高3.2%。

3) 提出的最小二乘法和插值算法計算噴醇修正量方法，能夠實現不同噴射壓力和甲醇溫度下噴醇量的有效修正。