柴油-天然氣雙燃料噴射器燃料噴射特性的測試方法

摘 要： 針對雙燃料噴射器結構復雜而無法實現噴射特性同時測量的問題，以同心雙軸針式噴射器為研究對象，提出一種油和氣同場測量方法，用動量法獲取噴油規律及噴氣規律型線，再通過測試密閉容腔內的壓力變化計算噴氣量，將二者結合可在測量噴氣量的同時測量出精確噴氣規律，最后對柴油-天然氣雙燃料噴射器的常用工況進行測試及驗證。結果表明，采用動量法結合容積法的噴氣規律測量方法得出的噴氣量誤差不超過5%。對噴射器的一致性進行驗證，噴油量與噴氣量的波動率均不超過3%，證明其噴射器一致性較好，該測試技術具有較高的準確度與可信度。

關鍵詞： 雙燃料噴射器; 直噴; 燃料噴射特性; 流量測試

中圖分類號： TB9; TK470 文獻標志碼： A 文章編號： 1674–5124（2024）09–0098–07

0 引 言

天然氣作為一種碳氫比高，熱值高，儲量豐富的能源，在內燃機領域的應用越來越廣泛。火花塞點燃式天然氣發動機的燃燒模式為混合燃燒，其壓縮比較小，效率較低。柴油引燃式高壓直噴天然氣發動機的燃燒模式為擴散燃燒[1-2]，燃料噴射速率直接決定發動機缸內的燃燒及排放情況。雙燃料噴射器作為燃料供給系統終端執行器，實現引燃油及天然氣兩相燃料瞬時質量流率的同場測量，對全面地研究缸內高壓直噴柴油/天然氣發動機的燃燒及排放特性有著重大意義[3-4]。

由于雙燃料噴射器采用同心雙軸針結構，柴油既作為引燃的燃料又作為驅動噴射器噴射的液力介質，其復雜的壓力波動必然會造成噴射器工作的不確定性。國內外學者對雙燃料噴射器的噴射特性進行了數值模擬研究[5]。Kumar 等[6] 利用GT-Power對同心雙軸針噴射器進行了仿真，用甲醇作為主燃料，柴油作為引燃燃料，該模型較好地模擬了雙燃料噴射過程，并與實驗燃燒、排放數據吻合度高。李徐程等[7] 基于計算流體動力學（CFD） 軟件CONVERGE 模擬了缸內高壓直噴式柴油微引燃液化天然氣發動機的燃料噴射混合以及著火過程。邵長勝等[8] 提出了一種PIV-紋影聯用雙燃料噴霧實驗系統，雙燃料噴射系統在定容彈內實現了雙燃料直噴，此實驗系統實現了對雙燃料噴射混合過程的可視化研究。

然而，對于雙燃料噴射器兩相燃料質量流率的測試研究報道較少。目前對于燃料瞬時質量流率的測試方法大都集中于液體燃料，例如容積法、動量法、位移法、黎曼波解耦算法等方法。動量法常用于研究柴油單次噴射特性、多次噴射特性以及噴孔一致性測試。Mariani 等[9] 采用動量法對一個五孔噴油器進行各個噴孔瞬時質量流率進行測試，并對噴孔大小、噴孔形狀對質量流率的影響進行研究。然而對于氣體燃料質量流率的測量方法的研究較少。Faghani 等[10] 采用動量法對直噴天然氣發動機的燃氣主后噴射特性進行測量，但此方法僅可獲取噴氣規律形狀而無法定量測量瞬時燃氣噴射速率。本團隊[11] 基于容積法通過密閉容腔的壓力變化精確地獲取了循環噴氣量，但測試信號信噪比較低，無法獲取準確噴氣規律形狀。將動量法結合容積法，可精確獲取燃氣噴射速率曲線。

為了實現準確測量雙燃料噴射器的瞬時噴射特性，亟需一種創新性的柴油、天然氣燃料噴射特性同場測量方法。然而對于雙燃料同心雙軸針噴射器兩相燃料同場測試方法的研究鮮見報道。為此，本文基于動量法，采用兩個相對布置分別垂直于噴油孔和噴氣孔的力傳感器獲取噴油規律及噴氣規律型線。通過測試密閉容腔內的壓力變化計算噴氣量，將噴氣量結合噴氣規律型線可在測量噴氣量的同時測量出精確噴氣規律，從而實現缸內高壓直噴柴油/天然氣發動機雙燃料噴射器油氣瞬態質量流率的測試。該測試方法為研究雙燃料噴射器噴射特性提供了新的途徑。