同济大学　邓钰才　黄思怡　冯　良

燃气共轨喷射器流体力学特性试验探究

同济大学邓钰才黄思怡冯良

车用燃气多点顺序喷射系统是天然气汽车的关键技术之一。为了优化天然气汽车喷射系统，本文通过搭建汽车燃气顺序喷射系统用喷射器试验台，试验测试了不同工况下喷射器的流量特性及各喷口的流量一致性、均匀性等,为以后的燃气共轨喷射器的设计提供指导。

燃气喷射器顺序喷射流体力学特性

近年来，天然气工业的发展促使了国家对天然气行业的投资并且推动了相关项目的发展和基础工程的建设。天然气汽车的发展作为天然气应用重要的一部分，因其能替代石油的使用、降低环境污染、符合低碳经济的发展趋势的优势，其发展符合国情并且前景广阔。目前国内使用的喷射器大部分为国外进口，国内的自主产品较少，技术相对落后，产品的质量与国外产品相比存在较大差距。国内生产企业不能掌握喷射器生产制造的核心技术，成为我国燃气喷射器技术发展的主要障碍。本文主要研究多点顺序喷射系统，通过试验结果对以后的喷射系统提供指导建议。

1　车用多点顺序燃气喷射器结构及工作原理

1.1车用多点顺序燃气喷射器的结构

车用燃气喷射器的平面结构示意图和外观图如图1、图2所示。

图1　喷射器结构示意

图2　喷射器外观

燃气共轨喷射器是为方便燃气汽车安装，把多个燃气喷射器固定在统一的燃气分配架上，共轨是指一个所谓公共管道的小的储气管，轨中压力保持几乎恒定，且时刻准备为各个喷射器供气，并便于与喷射器一起对燃气喷射过程优化。

1.2车用多点顺序燃气喷射器的工作原理

燃气多点顺序系统由燃气共轨喷射器、压力和温度传感器、储气瓶、加压器、燃气ECU(Electronic Control Unit即电子控制单元)等组成(见图3)，其工作原理如下：燃气从储气瓶中流出，经过减压器减压，以一定的压力供应给燃气共轨喷射器，喷射器在燃气ECU的控制下，开启关闭阀芯，完成喷射。燃气ECU以即时采集的汽油喷射时间为基础，计算出适用于燃气为燃料的喷射时间，燃气ECU把汽油喷射执行命令翻译成适用于燃气喷射的控制命令，原车汽油ECU继续管理发动机的工作。燃气ECU采集转速及通过喷射器模拟器处理汽油喷射信号，获得燃气共轨喷射器的喷射触发时间、喷射时间(脉宽)、以及脉冲频率，同时燃气ECU检测燃气的温度、燃气压力(压差)、尾气氧含量及显示气量。

图3　燃气多点顺序系统

2　燃气共轨喷射器的试验分析

2.1试验系统概述

根据本文选用的车用燃气顺序喷射系统的应用特点，设计并搭建该系统的测试试验平台，选用了符合本系统特点的软件设备及硬件设备。系统流程图如图4所示。试验采用的工质为压缩空气，图中虚线表示数据采集和控制信号的传递。

图4　系统流程

本试验利用OSCAR-N MINI SAS 型电控系统，此系统是市场上最小的基于微处理器的气体喷射的电控系统，实现喷射器的驱动控制。采用容积式膜式流量表计量喷射器喷射流量，由于喷射器每次喷射的流量较小，为方便计量采用多次喷射。

2.2测试方案

测试1：调节调压器出口为0.1 MPa，调节仿真器设定转速为r=3 500 rpm，测试在不同脉宽下，喷射量为10 L时所需要的时间t，经计算获得特定孔径下随脉宽变化下的喷射流量变化。

单位时间内的喷气次数n相当于发动机转速r，即n=r，也就是60 s喷射器喷射的次数n。根据喷射10 L所用时间t(s)，可计算出总共喷射的次数N，计算在不同喷射时间(脉宽)喷射一次的喷射量q。

其中：

喷射一次喷射的量：

测试2：调节调压器出口为0.1 MPa，调节仿真器设定转速为r=3 500 rpm，设定脉宽为10 ms，每次驱动一个喷嘴喷射，依次测试喷口out1、out2、out3、out4。喷射量为5 L时所需要的时间t，为减小测试误差，使各喷口分别喷射20次，记录数据，获得各喷嘴的流量特性。

在发动机转速为r，每分钟喷射器喷射总次数n=r，设置每次只驱动一个喷射器喷口进行喷射动作，并设置喷射脉宽为10 ms，测量各喷口喷射5 L时，所用的时间t，按下式计算各喷口每次喷射量。为减小试验误差，提高精确度，每个喷嘴进行20次独立喷射。

其中：

喷射一次的喷射量：

四喷嘴(out1、out2、out3、out4)20次平均喷射量：

四喷嘴喷射总体喷射量：

2.3测试结果

测试1：整理试验测试数据获得共轨喷射器启闭1次的喷射量随脉宽的变化图，如图5所示。由试验得知：在相同实验条件，同一喷射器，相同喷嘴尺寸，相同进出口压差下，喷射器每启闭1次(喷射1次)，所喷射的气体量与脉宽(喷射时间)成正比。

图6　共轨喷射器启闭1次的喷射量随脉宽的变化

测试2：对喷射器四个喷口依次进行单独驱动，设定脉宽为10 ms、每个喷口进行20次记录，并计算每个喷口喷射量的平均值，见图6~图9。

图6　out1喷射量平均值

图7　out2喷射量平均值

图8　out3喷射量平均值

图9　out4喷射量平均值

由上图6~图9可知，各喷口在脉宽为10 ms时的平均喷射量不同，为对比比较各喷口平均喷射量的大小，得到图10。

图10　脉宽10 ms四喷口喷射一次平均值

由图10可知，喷射器out4喷射量最大，out2喷射量最小，其次为out1和out3喷口。为更清晰描述喷口喷射量的差异性，计算四喷口的总体平均值，将各喷口的平均值与总体平均值进行比较，得出下图11。

图11　各喷口喷射量与四喷口总体平均喷射量对比

由上图可知，在相同脉宽、相同工作条件下，喷射器四喷口一致性有不小差异，out4 喷射量偏离总平均值比较大，且大于平均值，其余三喷口喷射量比总平均值小。这说明这4个喷口的瞬时喷射量并不均匀，因此燃气喷入的效率与均匀性更好的喷射器相比肯定会有所下降，同情况下会消耗更多的燃气。

3　结语

本文通过搭建车用燃气顺序喷射系统用喷射器测试平台，利用OSCAR-N MINISAS顺序燃气喷射系统，模拟了燃气汽车发动机的不同工况，并且相应的对喷射器进行驱动，收集流量等数据，通过试验对流量特性与四喷口的一致性分析，验证了喷射器喷射有效性及均匀性。该试验台也可用于其它喷射器的测试，其测试功能也可进一步扩展。

由以上各图可知，本燃气共轨喷射器的out1~out4喷口稳定时刻的速度场差异性较高，四个喷口之间的流速与流量缺乏均匀性和一致性。这就为以后的燃气共轨喷射器的结构设计提出了更高的要求，希望在以后的燃气共轨喷射器的结构设计和气流均匀性和一致性方面能产生较大的提升。

Research on Hydrodynamic Characteristics of Gas sequential injection

Tongji UniversityDeng yucaiHuang SiyiFeng Liang

The CNG sequential injection system is one of the most important keys to vehicle development. Through building the CNG sequential injection system test-bed to optimize the injection system of the natural gas vehicle, this article analyzes, in different conditions, the flow performance, consistency and homogeneity of each injector. It provides guidance for future sequential injector design.

gas injector, sequential injection, hydrodynamic characteristics