[0001] 本发明属于喷雾着火测试技术领域，具体涉及一种低温环境下的喷油压力确定方法。

[0002] 柴油机在低温条件下的起动问题是目前制约柴油机广泛使用的障碍之一。柴油机冷起动是否具有良好的性能不仅仅会影响整机工作效率和使用寿命，同时也对排放和油耗有着很大程度的影响。因此，如何在柴油机冷起动时优化它的性能成为人们更加关注的问题。随着人们对柴油机更加细致深入的研究，提出了均质燃烧、预混压燃等先进的燃烧技术理念。不过，这些技术在提高了排放燃烧质量的同时需要降低压缩比，这无形之中给发动机的冷起动带来了更大的挑战。

[0003] 中国南北跨纬度广，在三十多个省、市中有二十个省、市元月份的平均气温在0℃以下，其中的13个省、市的平均气温低于-10℃，4个省、市低于-20℃。同时，这些地区处于低温时期的时间一般在2至4个月，最长可达7个月。这一情况给以上地区发动机的正常运作造成了很大障碍。为了保证我国车辆可以不受温度的制约，稳定可靠的工作，发动机在低温条件下的起动问题也是我们急需探讨和解决的问题。

[0004] 柴油机顺利着火起动的过程为：燃油在压差的作用下经过喷油器以高速射流的形式喷出燃油形成的液柱，经过雾化会转化成为大量的燃油液滴，在气体运动的作用下，液滴与燃烧室内的高温空气进行热交换并渐渐地向气相燃油转化，同样，在气体运动的作用下气相燃油与空气混合能够形成可燃的混合气，当达到适合的混合气浓度与缸内温度时，可燃气开始着火，同一气缸内多次稳定的着火使得发动机顺利起动。柴油机在低温条件下的喷雾雾化与着火燃烧性能对柴油机可否成功进行冷起动以及冷起动性能的好坏有着从根本上的决定性作用。

[0005] 在柴油机起动的过程中，环境的温度和发动机的转速都较低，为保证喷油后能迅速地发火燃烧，主要是需要对燃油喷雾的雾化质量进行优化和改善。由于冷起动的过程中温度和进气密度都很低，所以需要通过喷油压力的调整对燃油喷雾的雾化水平进行调节。因此，可以考虑通过喷油压力的改变优化发动机的起动过程。

[0006] 然而，目前的研究主要进行的是较高环境温度下喷油对着火的影响。在较高的环境温度下，一般倾向于选择较高的喷油压力以达到更好的喷雾雾化质量从而改善油气混合的质量。然而在低温环境下，过高的喷油压力会使得喷雾在雾化的过程中从环境吸收过多的热量从而无法正常发生着火。因此，使用较高喷油压力改善雾化质量的喷油策略不适用于较低环境温度的工况。

[0028] 下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

[0029] 我们通过实验发现：在低温环境下，柴油的着火成功率随喷油压力的变化规律与高温环境下的规律不同。在较高的环境温度下，随着喷油压力升高，柴油喷雾的雾化质量提高，着火成功率单调递增。然而，我们通过实验发现，在较低的环境温度下，随喷油压力升高，柴油喷雾的着火成功率先增大，后减小。

[0030] 经过分析，发现产生这一现象的原因是：同一环境温度条件下，随喷油压力的提高喷雾的雾化质量会得到相应的改善，然而，由于燃油喷雾蒸发过程中需要从环境中吸热，这使得较大喷油压力下对应的喷雾头部温度较低。雾化质量的提高使油气混合更充分，喷雾更容易达到发生着火的临界溶度，有利于着火的发生；局部温度的降低使油气混合最充分的部分不容易达到发生着火的临界温度，不利于喷雾的着火。随着喷油压力从小到大变化，由于喷油压力开始较小，燃油喷雾的雾化质量很差，此时喷油压力提高对喷雾雾化质量的改善作用占主要成分，燃油喷雾的着火成功率增大；当喷油压力进一步增大时过强的油气混合过程造成的局部温度降低作用强烈使喷雾更不易发生着火，着火成功率随喷油压力的增大降低。

[0031] 综合上述两部分因素同时作用的结果，即为着火成功率随喷油压力变化呈现一种先增大后减小的趋势，也就是说，在环境温度较低时，同一环境条件下存在一个使着火成功率最大的喷油压力。

[0032] 基于上述发现，根据发动机起动过程进行环境温度低、背景气密度低的特点，本发明提供了一种低温环境下的喷油压力确定方法，其基本思想是：根据实验分析建立发动机的实际压缩压力与转速、压缩比和环境压力间的关系式，以及发动机缸内压缩温度与转速、压缩比和环境温度间的关系式，在现有的点火成功率测试试验环境中进行点火成功率测试，获得具有较高点火成功率的喷油压力与发动机内实际压缩压力及压缩温度的对应关系，然后再依据建立的关系式计算得到对应的环境温度及压力，从而得到环境温度及压力与具有较高点火成功率的喷油压力之间的对应关系。

[0033] 本发明提供的一种低温环境下的喷油压力确定方法，具体包括以下步骤：

[0034] 步骤1、建立发动机的实际压缩压力与转速、压缩比和环境压力间的关系式，以及发动机缸内压缩温度与转速、压缩比和环境温度间的关系式。

[0035] 由于发动机启动时暂不需要考虑增压器的作用，因此可以认为环境压力等同于发动机的进气压力，基于此，根据实验确定了发动机的实际压缩压力Prc随转速、压缩比和环境压力的关系如公式(1)所示：

[0036] Prc＝(1-fn-0.5)Pinεk  (1)

[0037] 其中，Pin为发动机的进气压力，k为发动机的绝热指数，ε为发动机的压缩比，n为发动机的转速，f为发动机的能量损失率。通过实验对缸内压缩压力的计算值与试验结果的比较，验证了公式(1)的计算误差均在5％之内，可以满足工程所需的计算精度。

[0038] 同时，根据实验确定了发动机缸内压缩温度与转速、压缩比和环境温度间的关系，如公式(2)所示：

[0039]

[0040] 其中，Trc为发动机实际压缩过程中缸内的温度，Tin为发动机的进气温度，ε为发动机的压缩比；k为发动机的绝热指数，可取值为1.38。

[0041] 本发明中，f的计算过程可采用现有技术进行计算，如公式(3)所示：

[0042]

[0043] 其中，Pdc为发动机的理论绝热压缩压力。

[0044] 对于具体的发动机而言，可以测量起动过程中的压缩压力Prc，从而根据公式(3)求出能量损失率f，进而求出缸内的最高压缩温度。

[0045] 例如，某缸径为132mm，冲程为145，压缩比为14的柴油机，可以求得其能量损失率f为3.68，当环境温度为10℃时，其不同转速下的压缩过程中的缸内压力随曲轴转角的变化关系如图3所示。根据图1可以看出，柴油机低温起动时，发动机转速对缸内的压缩压力影响比较明显。转速越低，最高压缩压力随之降低，说明相对能量损失越大。

[0046] 根据公式(1)即可得到该发动机的实际压缩压力随转速、压缩比和环境压力的关系式如下：

[0047] Prc＝(1-3.68n-0.5)Pinεk

[0048] 图1给出了缸内压缩压力的计算值与试验结果的比较，发现误差均在5％之内，可以满足工程所需的计算精度。

[0049] 同时，根据公式(2)可得该发动机缸内压缩温度的变化关系式为：

[0050]

[0051] 对于不同型号的发动机可以参照上述方法，结合目标发动机的具体参数对缸压及温度计算公式进行修正，利用修正后的公式估算不同的环境温度压力条件下上止点对应的环境温度。

[0052] 步骤2、在现有的点火成功率测试试验环境中，在给定发动机的缸内温度Trc及压缩压力Prc下，测试得到点火成功率最高的喷油压力，从而得到发动机的缸内温度及压缩压力与具有最高点火成功率的喷油压力之间的对应关系。

[0053] 本发明可采用现有的点火成功率测试试验环境，试验环境结构如图1所示，包括高压油泵1、控制主机2、压力传感器3、温度传感器4、容弹5、加热系统6、高速拍摄装置7、排气阀8、进气阀9及高压气瓶10。

[0054] 其中，容弹5外形为一个圆柱形结构，高为810mm，直径为530mm，内部有效容积为15L，保证了装置内壁对喷雾及着火过程基本不会产生干扰。容弹5设计的最大承受压力为
6MPa，最高温度为1000K，可以模拟柴油机一般工况下，压缩上止点时缸内的背景条件，实现燃油压燃必要的背景温度和压力。上端盖安装高压油轨和单孔喷油器，可以实现灵活喷油规律。下端盖布置了排气接口。在喷油器的下方，设置了四个视窗，分别安装有直径为120mm精密加工的石英玻璃或者铁块，视窗有效直径为100mm，为测试提供必要的光学通道和足够的视野区域。四个视窗中，有一个视窗被改造为进气口并在管路中安装了两级加热装置实现进气加热的功能。进气和排气管路均设计了电磁阀控制和手动控制两套相互独立的通路。一般情况下，使用电磁阀控制进排气过程，由控制柜按钮来调节进排气阀门的通断和开度。

[0055] 高压气瓶10的最高压力可达16MPa，通过两级减压阀门与进气管路相连，由电磁阀控制容弹内的压力，控制精度为0.01MPa。在定容燃烧装置内部靠近中心接近视窗高度的位置安装了温度传感器4，精度为0.1K。在实际实验的过程中，通过调整进气阀与排气阀的开度控制流量，对容弹内部的温度和压力进行动态调节。这样的设置可以实现相对较快的容弹内部环境调节，减少每组实验之间的等待时间。

[0056] 高压喷射系统通过一台变频电机驱动高压油泵1建立高压的燃油，喷油压力最高可达175MPa。喷油器的启喷压力为35MPa，安装单孔喷嘴，根据测试的需要，可以选择不同大小的喷孔直径，范围为0.1至0.3mm，间隔0.02mm。另外，配合易控喷油控制单元，该燃油供给系统可以灵活地改变喷油压力，喷射脉宽，单次/多次喷射模式和喷射频率等多种喷射参数，满足不同测试工况条件的要求。

[0057] 高速拍摄装置7为TRI公司的Phantom V7.3，相机的拍摄速度最高为200,000fps(frame per second)，使用时相机允许的最大拍摄速度与视野尺寸有关，即视野越大允许的拍摄速度越小。针对本试验中的自由喷射过程和碰壁喷射过程视野(长 宽)分别选为512 256，和256 512，此时允许的最大拍摄速度均为20000fps。相机配套的采集软件为Phantom-
663，可以实时地采集并存储测试对象图片。另外试验时，高速相机的光圈和曝光时间分别设置为4.4和30us。易控电子控制单元配合操作软件ECKA2.0，可以灵活的调整相关参数，如喷射压力，喷射脉宽，喷射次数，时间延迟等。

[0058] 控制单元同时连接喷油器电磁阀，高压油轨压力传感器3，高压油泵控制阀，高速相机7和控制主机2，保证喷油和拍摄能够同步进行。喷射前，相机处于“等待触发”的状态，控制单元同时采集油轨压力和控制高压油泵，根据目标喷射压力对油轨实时压力进行PID控制。喷射时，首先控制电脑发出喷射指令，控制单元一方面控制喷油器电磁阀，经过电子延迟和机械延迟，喷油器针阀打开进行喷油；另一方面采集控制界面的触发延迟时间，给高速相机发送触发信号，相机开始拍摄，记录燃油喷射过程。

[0059] 通过将已知尺寸的标志孔板放置在喷油器的正下方作为标定板，调整相机的位置以及焦距保证相机能够清晰拍摄到标定板。调整好以后保证相机和标定板的位置不变拍摄照片建立相机像素和实际物体之间的尺寸对应关系。在之后的拍摄过程中保证相机的位置以及设置参数不变，保证可以清晰的拍摄到喷雾着火过程中的火焰出现以及发展过程。

[0060] 正式开始实验之前，还应确认目标发动机低温启动过程中的缸内温度和压力的大致范围并将之设定为实验的具体工况。合理设置喷油压力的变化范围以及变化间隔。

[0061] 例如，本次实验背景条件是以压缩比为14的发动机为基础进行计算的。考虑到实验是模拟的起动工况，因此考虑了此时较大的泵气损失。本次的参数计算中选取的泵气损失所占的百分比为15％。因此，计算所得的此时的背景气密度为。不过由于实际实验的过程中只有温度传感器和压力传感器，所以需要通过计算进行转换。计算公式如下：

[0062]

[0063] 其中，P为压强，单位为Pa；ρ为背景气密度，单位为kg/m3；Rm为气体常数，单位为J/(mol·K)；T为温度，单位为K；M为摩尔质量，单位为g/mol。

[0064] 本次实验中，采用的燃料为0#柴油。通过大致的实验条件计算，得到了具体的实验方案，见表1。

[0065] 表1实验工况表

[0066]

[0067] 在实际实验的过程中，通过调整进气阀与排气阀的开度控制流量，对容弹内部的温度和压力进行动态调节。这样的设置可以实现相对较快的容弹内部环境调节，减少每组实验之间的等待时间。当定容燃烧装置中的温度和压力参数达到实验设定值并能维持稳定时，通过易控软件开启喷油器并同步触发相机进行拍摄，记录喷雾着火过程；

[0068] 同一温度设置多个喷油压力工况，同一工况下进行多次实验(示例中的每一工况下重复做20次)。通过同一工况下的数据处理出该工况下的着火成功率(如图2所示)，结合相同环境温度下不同喷油压力的着火成功率变化得到该环境温度下的最高着火成功率对应喷油压力。通过对不同的环境温度下喷雾的着火过程进行试验可以得到不同环境温度下的高着火成功率对应的喷油压力曲线(如图3所示)。可以通过经验公式结合实验容弹温度对应的实际发动机压缩上止点温度反推出进气温度。从而得出对于自然吸气发动机在不同进气温度下有较高着火成功率(更容易启动)的喷油压力，改善低温启动性能。

[0069] 步骤3、将步骤2中的发动机的缸内温度及压缩压力代入公式(1)和公式(2)求得与之对应的环境温度及气压值，从而得到环境温度及气压值与具有最高点火成功率的喷油压力之间的对应关系，即确定了一定环境温度及气压值下具有最高点火成功率的发动机的喷油压力。

[0070] 由以上实例可以看出，本发明确定的环境温度及气压值下具有最高点火成功率的喷油压力，能够为发动机的设计提供有效的支撑，能够实现低温环境下高着火成功率的喷油策略制定，改善发动机的低温起动性能，提高发动机低温起动工况的着火成功率。

[0071] 综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。