燃气发动机喷嘴喷气流量测量方法研究

邹 斌，刘应超，郑 灏，颜伏伍

(1.武汉理工大学 汽车工程学院，湖北 武汉430070;2.现代汽车零部件技术湖北省重点实验室，湖北 武汉430070)

目前，世界范围内的石油资源紧张促进了对车用代用燃料的深入研究［1-2］。由此带来的对气体燃料在车用气体发动机上的适应性研究也日趋重要［3］。针对提高气体燃料的车用适应性问题，通过掌握燃气喷嘴喷油特性，实现气体发动机电控单元中喷气MAP 的准确标定尤为重要［4］。但是，根据国内外文献，除少数针对氢气喷嘴的测量装置外，尚未有广泛适用于燃气喷嘴单次喷射量的成熟测量技术或装置［5］。研究中，已有学者采用多级流量计并联测量方法直接获得喷气流量［6］。但由于喷嘴工作时流量范围广，该方法在实际值处于流量计量程下限附近水平时产生较大测量误差，相对误差较大，不宜采用。

为填补该领域技术空白，笔者通过分析现有燃气喷嘴流量特性测试方法，提出了一种基于排水称重原理的气体流量特性测试方法，并建立了相应的测量及控制平台，通过对某液化石油气发动机燃气喷嘴喷气流量测量验证该方法的有效性。

1 燃气喷嘴流量测量原理

1.1 燃气喷嘴及流量测量特点

燃气喷嘴是气体发动机中实现气体燃料定量喷射的重要部件。其工作特点是根据发动机不同工况对燃料供给量的需求，在毫秒级时间内向进气道或气缸内喷射相应体积气体燃料。根据开发经验，燃气喷嘴所需喷气时间范围约为0 ～30 ms，气体体积流量范围约为5 ～150 L/min［7-8］。

进行燃气喷嘴流量测量时，需获得燃气喷嘴理想流量、脉宽流量，以及喷嘴流量特性曲线。其中，理想流量指喷嘴全开时的喷气体积流量，即喷嘴开启时间等于喷气周期;脉宽流量指以一定喷气脉宽喷气后，喷嘴在一个喷气周期内的喷气体积;喷嘴流量特性曲线特指一个周期内，不同喷气脉宽所对应的喷气体积曲线［9］。就气体发动机喷气MAP 标定，重点关注燃气喷嘴流量特性曲线。

1.2 测量方法及原理

图1 排水称重测量方法原理图

笔者提出的排水称重测量方法原理如图1 所示。测量时，通过抽气管抽气使气体采集容器(集气腔)内充水，之后喷嘴通过喷气管开始喷气。喷嘴喷气时排出集气腔内的水，水槽中的水面由溢水管保持恒定。同时电子秤的示数发生变化，根据喷气前后电子秤的示数差值计算喷气所排出水的质量，经换算得到集气腔内收集的气体体积。喷嘴的单次喷射体积较小，需连续喷射多次(使喷气总体积接近集气腔实际容积)再称量，最后取平均计算实际的单次喷气量。测量装置的简化力学模型如图2 所示。

图2 测量装置的简化力学模型

计算过程中所需变量说明如下：集气腔外截面积为S，内截面积为S1，集气腔顶端距水槽水面高度为H，喷气前集气腔内的水面高度为H1，集气腔在水面下的高度为H2，集气腔内部顶端距水面的高度为H3，集气腔内气体压强为P1，温度为T1，密度为ρ1。由静力学分析可得，喷气前集气腔所受支点拉力F为：

式中：M为电子秤示数;g为重力加速度;Fm为集气腔的重力;Fa为集气腔所受空气的浮力;Fw为集气腔所受水的浮力;Fam为集气腔内空气的重力;Fwm为集气腔内水槽液面以上水的重力;ρw为水的密度;ρ0为标准状态下空气的密度。

喷气后，溢水管使水槽水面保持不变，则高度H不变，采气腔所受水和空气的浮力不变。设此时集气腔内的水面高度为H'1，水面距集气腔内部顶端高度为H'3，集气腔内气体体积为V2，压强为P2，温度为T2，密度为ρ2。则喷气后集气腔所受支点拉力F'为：

空气密度远小于水的密度，忽略喷气前后集气腔内空气密度的变化，以标准状态下密度ρ0计算。由于H1-= - (H3-)，同时设ΔH=H1-，则喷气前后电子秤示数差ΔM为：

从式(3)可以看出，电子称的示数差值相当于将排出的水替换成空气的质量，与集气腔自重和所受浮力无关。式中M、M'可直接读取，由式(3)可计算出ΔH。

集气腔收集内空间变化体积为：

ΔV为集气腔内气体的体积变化，但由于喷气前后集气腔内压力发生改变，且均不为标准气压，因此需将该体积变化修正为标准状态的体积变化。设标准状态大气压为P0，标准温度为T0。由气体状态方程可得，喷气前集气腔内气体在标准状态下体积为：

同理，喷气后集气腔内气体在标准状态下体积为：

则在标准状态下，喷嘴的喷气体积为：

式中：VInj为标准喷气体积;P0、T0可查表求出;P1、P2和T1、T2可分别由压力传感器和温度传感器测出;ΔH可由式(3)计算得出;S3为固定的截面积，可直接测量计算。由于抽气管位置固定，抽气压力不变，因此每次测量时集气腔内水面高度H1不变，则喷气前集气腔内气体体积V1不变，可测量计算。最后根据式(7)计算出喷嘴喷射气体在标准状态下的体积。

2 燃气喷嘴流量测量平台

基于排水称重测量方法建立的燃气喷嘴流量测量平台包括气体供给系统、喷嘴驱动系统、抽气泵水系统、水面调整系统和水量称量系统等。其中气体供给系统和喷嘴驱动系统主要用于实现对气体供给和喷嘴喷射的控制;抽气泵水系统、水面调整系统和水量称量系统用于测量喷嘴喷射气体量。其结构示意图如图3 所示。

图3 燃气喷嘴流量测量平台示意图

2.1 气体供给系统

气体供给系统用于提供压力稳定的气体源。考虑气体燃料处理困难，测量平台采用压缩空气作为气源。如图3 所示，该系统包括空压机、稳压气罐及减压阀。工作过程中，空压机压力控制在500 ～900 kPa，稳压气罐将气体压力稳定在预设值，通过减压阀将气体压力调整为喷嘴喷射压力。

2.2 喷嘴驱动系统

喷嘴驱动系统用于控制喷嘴喷气动作的执行。由于喷嘴喷气过程需喷嘴连续多次开启和关闭，且时间精度要求高、工作电流大，笔者采用独立喷气驱动模块控制喷气过程。

图4 为喷嘴驱动部分电路。其中，通过MC33810 芯片驱动场效应管IRF540 实现喷嘴控制，并在上位机中实现喷气周期、喷气脉宽和喷气次数等的设置。喷嘴喷气控制程序界面图如图5所示。

图4 喷嘴驱动部分电路

2.3 抽气泵水系统

抽气泵水系统用于将集气腔抽成负压使其充满水，以实现排水测量。为了防止真空泵抽到水使其损坏，需在真空泵前设置一个除水器，以实现水气分离，其结构见图3 中除水器部分。此外，由于抽气时会将水槽内的水抽到集气腔内，水槽内水面会降低，此时需要水泵给水槽加水以保持水面稳定。

图5 喷嘴喷气控制程序界面图

2.4 水面调整系统

水槽的水面位置变化会严重影响电子秤的称量结果，因此需要使水面位置保持恒定。如图3所示，在抽气过程中，水槽水面的下降要及时泵水，泵水时水面位置由溢水管控制;在喷气过程中，集气腔内的水大量溢出，也需要将多余的水经溢水管排出，以实现水面的恒定。

2.5 水量称量系统

水量称量系统用于称量气体所排出水的质量。抽气过程完成后，等待水面平稳，电子秤示数稳定后，记录电子秤的示数。喷气完成且水面平稳后，再次记录电子秤的示数。根据电子秤前后的示数计算排水质量，由排水质量根据式(7)计算出所喷气体量。

3 测量及实验验证

3.1 测量流程

喷嘴流量测试平台单次测量过程如图6 所示。在实际测量时，需要通过多次重复测量减少测量误差。

图6 喷嘴流量测量过程

3.2 测量平台自动化控制

喷嘴流量测试平台可实现自动化控制。控制方法如下：水泵和真空泵由继电器间接控制，采用PCI-8048 板卡和PS-037 转接板直接驱动继电器，传感器数据用PCI-8333 板卡采集，电子秤示数用串口直接读取解析。基于上述控制方法，采用VB 编写喷嘴流量测试平台自动化控制界面，如图7 所示。

图7 自动化控制界面图

3.3 实验验证

由于未获取燃气喷嘴的标准流量特性曲线，该平台通过对某型号的压缩天然气喷嘴进行重复测量，根据不同测量数据间的误差大小衡量测试平台的稳定性和有效性。测试条件如下：喷气周期为20 ms、喷嘴供电电压为12 V、气罐压力为500 kPa、喷气压力为150 kPa、喷气时间为10 ms、每次测量喷气次数为50 次，以及重复测量次数为15 次。测量结果如图8 所示。

图8 喷嘴重复性测试数据

由测量结果可得，喷气量最大值为21.14 ml，最小值为20.99 ml，平均值为21.04 ml，最大值、最小值分别偏离平均值0.46%、0.25%，误差小于0.5%，结果一致性较好，说明测量方法可行，该测试平台可进行流量测量。

用测试平台对某型号的LPG 喷嘴进行脉宽流量测量，获得其流量特性曲线。设置喷气周期为20 ms，喷嘴供电电压为12 V，气罐压力为500 kPa，喷气压力为150 kPa，喷射时间为3 ～17 ms，喷气次数根据喷气时间由300 次到40 次递减，测量结果如图9 所示。由图9 流量特性曲线可以看出，在3 ～4 ms 时，喷嘴处于开启过程中，其喷气量和时间无线性关系，从4 ms 开始，喷气量与喷气时间成线性关系。测量结果符合喷嘴的流量特性，间接证明了测量方案的可行性。同时，该曲线可为发动机的标定提供喷嘴喷气脉宽数据。

图9 某LPG 喷嘴流量特性曲线

4 结论

针对目前燃气喷嘴流量特性测试精度普遍偏低的问题，提出了基于排水称重原理的气体流量特性测量方法及测量平台。通过将该测量平台应用于某液化石油气发动机燃气喷嘴喷气流量测量，成功获取了燃气喷嘴流量特性曲线。试验证明，该测试方法原理简单有效，测量平台所获测试数据相对误差小于0.5%，适用于燃气发动机标定工作需求。

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