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第 31 卷 第 12 期 农 业 工 程 学 报 Vol.31 No.12 2015 年 6 月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Jun. 2015 71 柴油机喷油脉宽和喷油压力变化对喷油器流量系数的影响 杜慧勇，张紫微，刘建新，李 民，王站成，徐 斌 （河南科技大学车辆与交通工程学院，洛阳 471003） 摘 要：为明确柴油机喷油脉宽和喷油压力改变对喷油器流量系数产生影响的规律并研究规律产生的原因，进行了常用 喷油脉宽下及较大喷油压力范围内的试验。以动量法测量喷油规律并计算相应喷嘴流量系数，采用一种基于流动损失理 论的方法分析流量系数变化规律，观察其结论与试验结果的吻合程度。试验结果表明：当喷油压力超过 160 MPa、喷油 脉宽改变量为 500 s 时， 平均流量系数的变化幅度不超过 5.9%； 当针阀完全开启持续期与喷油持续期之比达到 0.85 左右 时，平均流量系数与最大流量系数相差7.5%，基于流动损失的流量系数分析方法是比较准确的。该研究可为优化柴油 机喷油及发展喷嘴流量系数相关理论提供参考。 关键词：柴油机；喷雾；油耗；喷油脉宽；喷油压力；流量系数；流动损失 doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2015.12.010 中图分类号：TK421+.4 文献标志码：A 文章编号：1002-6819(2015)-12-071-06 杜慧勇， 张紫微， 刘建新， 等. 柴油机喷油脉宽和喷油压力变化对喷油器流量系数的影响J. 农业工程学报， 2015， 31(12)： 7176. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2015.12.010 Du Huiyong, Zhang Ziwei, Liu Jianxin, et al. Influence of changed fuel injection pulse width and pressure on discharge coefficient in diesel injectorJ. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(12): 7176. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2015.12.010 0 引 言 流量系数是指在同一条件下，喷油器偶件的实际 喷油量与由伯努利方程得到的理论喷油量之比。流量 系数反映了喷油器偶件的燃油流通效率，是评价其质 量的重要依据1-3，直接影响柴油机的油耗、排放、动 力性等指标。采用不同的喷油脉宽与喷油压力会改变 流量系数，研究流量系数的随同变化规律非常必要。 喷油过程中，针阀不完全开启时，流通阻力大，流 量系数较小；针阀完全开启时情况与之相反。喷油持续 期较短或不完全开启时间占比大，平均流量系数小；喷 油持续期变长或不完全开启时间占比减小，平均流量系 数增大，且趋近于相同条件下针阀全开时的最大流量系 数。试验条件下，喷油压力从 40 增加到 180 MPa，对应 的不完全开启时间由 600 仅缩短至 400 s。喷油持续期 从较小的值增加，体现喷油器实际喷油效率的平均流量 系数变化较为明显，应加以重视。即使在较高的喷油压 力下（160 MPa），增大喷油持续期仍可使平均流量系 数获得一定的提升。喷油压力直接影响喷孔内燃油的流 速与流束缩脉程度，是决定最大流量系数的重要因素。 国内外在喷油持续期、喷油压力对流量系数产生影 响方面已有不少研究，但大多数流量系数分析或建立在 仿真计算基础上4-9，或仅限于探讨喷嘴几何结构、针阀 升程、Re 数、粗糙度及密度、黏度等物性参数对流量系 数的影响10-15，或基于 Nurick 简化模型16讨论，很少涉 收稿日期：2015-02-05 修订日期：2015-05-19 基金项目：河南省国际合作项目（144300510039） 作者简介：杜慧勇，男，教授，主要从事发动机喷雾研究。洛阳 河南科技 大学车辆与交通工程学院，471003。Email：dhy 及产生影响的原因。俞建达等17在分析流量系数变化时 提及了沿程流动损失，但未考虑局部流动损失。Coppo 等18提到了入口损失，但分析仍基于 Nurick 模型并应用 入口倒角决定入口损失的理论19，不够准确。本文试以 相关文献很少使用的流动损失理论解释了流量系数变化 的原因，为研究喷孔流量系数提供了思路。本文研究喷 油压力和脉宽的变化对流量系数的影响，一方面可以验 证流动损失理论，另一方面可由柴油机喷油压力和脉宽 估计其喷孔流量系数的提升空间。 1 喷嘴流动损失理论 图 1 为压力室与喷孔结构简图与缩脉现象示意图。 如图 1 所示，缩脉是指当燃油从大直径的压力室进入小 直径的喷孔时，流线弯曲，流束收缩。流束在惯性作用 下继续收缩至截面积最小处，再逐渐扩充至整个喷孔的 现象20。缩脉现象是产生局部损失的重要原因。 注：v1为喷孔上游流速，ms-1；A1为压力室面积，mm2；vc为喷孔缩脉处 流速，ms-1；Ac为缩脉面积，mm2；v2为喷孔出口流速，ms-1；A2为喷孔面 积，mm2。 Note: v1 represents upstream velocity of spray orifice, ms-1. A1 represents cross-sectional area of pressure chamber, mm2. vc represents velocity of shrunk stream, ms-1. Ac represents cross-sectional area of shrunk stream, mm2. v2 represents velocity of spray orifice outlet, ms-1. A2 represents cross-sectional area of spray orifice, mm2. 图 1 压力室与喷孔结构简图与缩脉现象 Fig.1 Structure diagram of pressure chamber and nozzle and shrunk stream phenomenon 农业工程学报（） 2015 年 72 整个过程局部损失 为： 2 1 2 2 2 1 1 c c c cc A m A A C A CC = = =+ （1） 式中：Cc为收缩系数；A1为压力室有效面积，mm2；A2 为喷孔几何面积， mm2； m 为喷孔截面积与压力室有效截 面积之比；c为局部收缩损失系数。 燃油流过喷孔的等效沿程损失系数 eq的计算式为： eqe ld= （2） 式中：eq为等效沿程损失； 为沿程损失系数；le为等值 长度，mm；d 为喷孔直径，mm。 沿程损失系数 的计算式为： 0.25 0.25 0.3164 0.3164 dvRe = （3） 式中： Re 为雷诺数， 4103Re105； 为动力黏度， Pas； 为燃油密度，kg/m3；v 为喷孔内燃油流速，m/s。 燃油流经喷孔的流动损失系数 的计算式为： eqcexeq =+=+ （4） 式中： 为燃油流经喷孔的流动损失系数；ex为局部扩 张损失系数。 考虑损失的伯努利方程为： 222 1 222 inj ccC c P vPvv ggggg +=+ （5） 222 122 222 inj b P Pvvv ggggg +=+ （6） 式中：v1为喷孔入口处燃油流速，m/s；v2为喷孔出口处 燃油流速，m/s；vc为缩脉处流速，m/s；g 为重力加速度， m/s2；Pinj为喷油压力，Pa；Pb为背压，Pa；Pc为缩脉处 压力，Pa。 连续方程为： 1 1cc AvA v= （7） 1 122 AvA v= （8） 联立式（1）式（8）并结合前述定义可得流量系 数 Cd的 2 种表达式： 2 2 1 1 d m C m = + （9） ()() () 2 1 2 2 bc d injbeq c ppm C pp C = （10） 式中：Cd为流量系数。 由式（9）可知，流动损失是流量系数的成因，流量 系数的改变是由流动损失变化引起的。 式（9）、式（10）是流量系数的决定式。可以看到， 当流动充分发展时喷孔的流量系数 Cd与喷油持续期 Tinj 无关。改变喷油压力 Pinj，燃油流速 v、收缩系数 Cc、雷 诺数 Re 等均发生变化， 缩脉处压力 Pc、 流动损失系数 c、 ex、eq等也随之变化，导致 Cd变化。 为确定式（9）、式（10）用于流量系数分析的适用 程度，在未知喷孔内缩脉程度的情况下，把 Cd=0.8 代入 其中，可解出 Cc0.9。这与文献21提供的值一致，说 明用流动损失来分析流量系数的方法是比较准确的。 2 试验设备及方法 图 2 为动量法喷油规律测量系统的示意图，该系统 由喷油泵试验台、电控喷油器、压电传感器、电荷放大 器、数据采集盒等组成，具体型号见表 1。只测量一段时 间内的喷油量仅能得到平均流量系数 Cavg而无法计算最 大流量系数 Cmax，因此需要实测喷油规律。本试验采用 动量法测量。由喷油规律曲线可得到针阀不完全开启/关 闭持续期 Tinc、针阀完全开启持续期 Tc、喷油持续期 Tinj 与各阶段对应的积分喷油量，进而计算出 Cavg、Cmax。 1.柴油 2.高压油泵 3.高压共轨管 4.轨压传感器 5.喷油控制信号 6.电磁阀 7. 喷油器 8. 调距装置 9. 压电传感器 10. 电荷放大器 11. 数据采集盒 12. 计算机 1. Diesel 2. High pressure oil pump 3. High-pressure common-rail pipe 4. Rail pressure sensor 5. Fuel injection control signals 6. Magnetic valve 7. Fuel injector 8. Manual pitch setting facility 9. Piezoelectric sensor 10. Charge amplifier 11. Data acquisition box 12.Computer 图 2 动量法喷油规律测量系统 Fig.2 Fuel injection rate measuring system on momentum method 表 1 试验设备、型号与生产厂家 Table 1 Experimental equipment, type number and manufacturer 试验设备 Experimental equipment 型号 Type number 生产厂家 Manufacturer 喷油泵试验台 Test bench of fuel injection pump 12psb55g Taian Labaodi Automobile Testing Equipment Co.Ltd. 单孔喷油器 a Single orifice injector a Bosch BAZ7CN5 German Robert Bosch GmbH 压电传感器 Piezoelectric sensor R.F.T PDH5/18-2 German R.F.T 电荷放大器 Charge amplifier YE5850A Sinocera Piezotronics.Inc. 数据采集盒 Data acquisition box WAVEBOOK/512A American Iotech Company Limited 注：单孔喷油器 a 中的“a”代表喷孔长径比为 0.65/0.13，并经过液体研磨。 Note: Mark “a” in single orifice injector a was a representation of ratio of nozzle hole length and nozzle diameter was 0.65/0.13，and nozzle had been honed by liquid. 第 12 期 杜慧勇等：柴油机喷油脉宽和喷油压力变化对喷油器流量系数的影响 73 动量法是指通过采集喷雾油束对压电传感器的冲击 力信号进而获得喷油规律的方法，其核心原理为动量定 理与质量守恒定律。关系式为： 1.118 t t f FA q = （11） 式中：qt为喷孔瞬时流量，mL/s；A 为喷孔截面积，mm2； f为燃油密度，试验用燃油为柴油，密度取 831 kg/m3； Ft为随时间变化的冲击力，N。 冲击力信号 Ft由传感器和电荷放大器转换为电压信 号后被数据采集盒采集， 经 Dasylab 软件处理后得到喷油 规律曲线，如图 3 所示。 注：Tc为针阀完全开启持续期，s；Tinc为针阀不完全开启/关闭持续期，s； Tinj为喷油持续期，s。 Note: Tc is needle valve completely open time, s. Tinc is needle valve incompletely open when the injection duration was greater than 1.78 ms, the injection pulse width had no influence on the maximum discharge coefficient in principle; when the ratio of the duration of valve open fully and the injection duration was about 0.85, the difference rate between the average discharge coefficient and maximum flow coefficient under the condition of injection pressure below 180 MPa was less than 7.5%; w