天然气发动机燃气喷射阀的喷射规律是天然气发动机设计开发的重要依据。在采用进气道多点喷射的燃气系统时，燃气喷射阀的喷射规律决定了燃气进气速率及单循环燃气的最大进气质量，直接影响了发动机的动力性、经济性及排放性^[1-2]；而在采用缸内高压直喷的燃气系统时，喷射阀的喷射规律还决定了缸内能量投放率，直接影响了缸内的燃烧特性。同时，燃气喷射阀的喷射规律对于发动机控制系统开发也至关重要，燃气在不同喷气脉宽下的喷气质量及喷气响应时间是控制系统开发的重要依据。

随着天然气发动机排放法规的陆续提出与完善，采用进气道总管燃气喷射的天然气发动机由于其碳氢排放偏高，将面临着被淘汰或改造的问题。因此进气道多点喷射技术和缸内直喷技术逐渐被发动机研究领域所重视。目前对燃气喷射阀的喷气特性的测试手段主要针对单次喷气量以及稳态流量的测量，如排水法和质量流量计法和称重法。其中排水法仅能测量单次喷气总量^[3-4]，质量流量计法一般仅测试喷射阀稳态流量^[5-6]，称重法仅适合发动机台架测试，且测量精度难以保证^[7]。以上针对循环喷气量和稳态流量的测量，可以满足采用单点喷射的天然气发动机的研发需求，而对于多点喷射和高压直喷发动机所必须掌握的燃气喷射阀瞬时质量流率、燃气喷射延迟、喷气持续期等参数无法获得。人们对天然气发动机高压脉宽式喷射的气体射流的研究较早^[8]，但对于气体喷射规律的研究很少，由于气体的扩散性和可压缩性大等特点，目前还没有有效、精确的喷射规律测量手段。从而导致对燃气喷射、气体混合以及燃烧过程掌握的不够充分，限制了天然气发动机的技术进步。

定容积法测量喷射规律是从喷油规律测试方法演变过来的方法^[9]，Benjamin^[10]曾利用定容积法对燃气喷射规律测试进行过尝试，获得了类似喷射规律的波形曲线，但没有进行深入研究；曲栓等^[11]在均质压燃的研究中也曾利用定容积法对CO₂喷射阀的喷气持续期进行过分析。本文对定容积法原理进行了讨论并基于该方法建立了燃气喷射规律试验平台。实现了燃气喷射规律的单次测量，并通过LabVIEW编译的程序将喷射规律测试结果实时显示。针对HOERBIGER公司生产的GV12燃气喷射阀喷射规律进行了测试，为玉柴YC6K400LN-C30(简称6 K)天然气发动机控制系统开发及燃气混合燃烧的研究提供重要支撑。

1 测量原理及实验装置 1.1 定容积法喷射规律测量原理

根据定容积法原理，向固定容积的气室内以一定压强喷射气体，通过气室内压强变化可以计算出喷气质量及喷射规律。由充气原理可知, 当容器内压强与气源压强之比小于临界压强比时, 由于壅塞现象，充气过程为音速充气过程, 反之则为亚音速充气过程^[12-13]，因此当定容气室内压强和喷气压强比小于临界压强比时，定容气室内压强变化对喷气速率没有影响，测量精度可以得到保证。由气体状态方程可知：

$ m = P\frac{{VM}}{{RT}} $

(1)

式中：P为定容气室内的压强，V为定容气室容积，R为理想气体常数，M为气体的摩尔质量，T为温度，m为容器内氮气质量。大功率发动机的燃气喷射阀可能存在泄漏现象，需要将测试周期内燃气喷射阀关闭阶段的燃气泄漏质量减去。因此燃气喷射质量计算公式为

$\Delta m = ({P_2} - {P_1})\frac{{VM}}{{RT}} - L \times \left( {f - a} \right) $

(2)

式中：Δm为喷射阀喷射一次的喷气质量，P₁为定容气室内喷气前的压强，P₂为气体喷射完毕且容器内压强达到稳定时的压强，f为测试周期，L为喷射阀泄漏速率，a为喷气持续期。

对式(1)两端进行微分，可以得到：

$ {\rm{d}}m = \frac{{VM}}{{RT}}{\rm{d}}P = k{\rm{d}}P $

(3)

式中：dm是燃气喷射阀喷气时的质量流率，dP为定容气室内压强变化速率，k为dm和dP的关系系数。因此通过计算定容气室内压强变化速率，可以获得其燃气喷射的瞬时质量流率，即喷射规律。

1.2 试验平台组成

试验平台结构如图 1所示。实验时，定容气室的出口阀保持关闭状态，根据定容积法原理，通过检测喷气过程中定容气室内压强变化分析得到喷射规律。考虑到实验安全性，采用高纯氮气作为实验测试气体及背景气体。氮气经过减压阀流入用于提供稳定的喷射压强的稳压气室，再由燃气喷射阀将氮气通过喷管喷入定容气室。定容气室为固定容积的刚性气室，安装有高精度的压强传感器，用于检测气室内压强变化。由于温度也是喷气量计算的关键参数，因此在定容气室上还安装了温度传感器。喷射阀驱动控制器可调节喷射阀的喷射周期和喷气脉宽；实验过程中压强和温度的信号通过采集卡采集并传输至计算机。喷管通过特殊加工的接头伸入定容气室，压力传感器安装位置距离喷管出口约5 cm，且安装在喷管同侧，避免喷射气流直接冲击压强传感器，影响测量效果。图 1中的质量流量计用于后文中的基于质量流量计法对喷气量的测试，并将其测量结果与定容积法的测量结果进行对比。当用定容积法进行测试时，质量流量计处于不工作状态，不影响定容积法测试。

试验平台主要设备参数见表 1。实验采用AVL公司的LP11DA05压强传感器，其线性度为0.1%，固有频率50 kHz；温度传感器为PT100；选用NI公司的PCI-Express 6321多功能数据采集卡以及基于LabVIEW编译的软件进行信号采集及数据处理工作。

1.3 喷射阀结构及实验设计

实验室与HOERBIGER公司联合开发多点燃气喷射系统，针对燃气喷射阀GV12进行测试实验，型号参数见表 2。匹配原型发动机为玉柴6 K单点喷射天然气发动机，其额定功率294 kW，额定转速1 800 r/min。发动机喷气压强约0.6~0.7 MPa(绝压，以下同)，又参考GV12工作压力范围，0.6 MPa为6 K发动机怠速时的燃气喷射压强，因此选取0.6 MPa为本次实验的最小喷射压强。同时根据气阀的性能可知气阀的最大喷射压强为1 MPa为验证气阀在1 MPa时的开启性能为后续的发动机电控系统开发提供较为全面数据库选取1 MPa为实验的最大喷射压强。因此本次实验选取0.6、0.8、1 MPa的喷射压强。发动机进气道压强约0.1~0.25 MPa，本文选用0.1 MPa作为实验背压。根据发动机进气道结构，选用长度为20 cm的直通喷管。为减小喷管对燃气喷射阀流量影响，喷管截面须大于喷射阀出口流通面积18 mm²，因此选用6 mm内径的喷管。参考发动机额定转速下曲轴旋转周期约33.3 ms，实验选择喷气脉宽为0.4~20 ms。

2 喷射规律的测量 2.1 定容气室充气特性分析

以稳定气源压强向定容气室充气，当定容气室内压强与充气压强比小于临界压强比时，由于壅塞作用，入口截面马赫数为1，入口流量达到最大值，为线性充气过程；当压强比大于临界压强比时，入口截面马赫数小于1，且入口流速随着定容气室内的压强上升而逐渐减小，为非线性充气过程。因此采用定容积法测量喷射规律时，需要保证定容气室压强与喷气压强的比低于临界压强比。氮气临界压强比为0.528，由于本实验装置中燃气喷射阀和定容气瓶间安装有20 cm长的喷管，喷气时喷管出口的压强会略低于气源压强，因此能发生壅塞现象的定容气瓶压强与喷气压强比将低于0.528^[12-13]。本文通过实验方法测试定容气室的充气特性。实验利用燃气喷射阀向定容气室以固定频率和脉宽喷射氮气。定容气室初始压强0.1 MPa，喷气压强0.6 MPa，喷气脉宽5 ms，喷气频率1 Hz。通过压强传感器测量定容气室的变化，如图 2所示。

图 2随着喷气次数的增加，定容气室内部压强呈线性增长，当压强达到约0.27 MPa后(图 2中P点位置)，由于每次喷入的气体质量逐渐减小，定容气室内压强增长速率开始下降。此时定容气瓶压强与喷气压强比约0.45，因此压强比低于0.45时，可以保证喷气量不受定容气瓶内压强变化的影响。内由于喷气作用，定容气室压强从0.1 MPa上升至0.27 MPa时，氮气质量增加约1 710 mg。因此本测量装置在喷气压强为0.6 MPa时，能准确测量1 710 mg以内的氮气单次喷射质量。当喷气压强提高时，能维持线性充气的定容气室最高压强也会增加，因此能准确测量的喷气量最大值也会增加。因此本试验平台在喷气压强大于0.6 MPa，喷气量小于1 710 mg时，精度可以保证，完全满足本实验需求。

2.2 气室压力变化率分析与喷气持续期的确定

采用基于LabVIEW的处理程序对实验数据进行分析，对喷气过程中压强变化曲线进行低通滤波。图 3所示的是喷气压强为0.8 MPa，喷气脉宽为10 ms的喷气过程中定容气室内压强变化曲线。实验对不同频率的低通滤波处理结果进行对比，易见频率为2 kHz时的低通滤波处理效果比较合适。

对低通滤波后的升压曲线进行微分处理及二次滤波，得到压强变化率曲线，如图 4所示。压强变化率曲线可以反映喷气速率变化趋势，进而可以对喷气持续期进行确定。由于压强变化率曲线在喷气初期和末期，压强变化率接近0点处存在微小波动，容易对喷气持续期的判断造成影响，因此本文参考喷油规律测试中对喷油持续期的确定方式^[14]，选取喷气初期压强变化率上升至最大值的5%的时刻作为喷气起始点，选取喷气末期压强变化率下降至最大值的5%的时刻作为喷气结束点。如图 4中C点和D点分别是喷气起始和结束时刻，由此可以得到喷气持续期。

2.3 喷气量与喷射规律的计算

对于车用小型天然气发动机，燃气喷射阀很少存在泄漏的情况，由于本文选用的原型机为较大功率的船用发动机，喷射阀流量较大，轻微漏气现象比较普遍。燃气喷射规律测量过程中，由于测量周期比喷气持续期长，因此当燃气喷射阀关闭时，定容气室内由于喷射阀泄漏的原因，气室内压强变化比理论值高。为提高测量精度，实验对燃气喷射阀泄漏速率进行测试，并通过理论计算(式(2))对喷气量测量结果进行优化。本文对燃气喷射阀关闭时定容气室内部的压强变化进行了采集来分析喷射阀的泄漏情况，又根据式(1)得

$ L = \frac{{\Delta m\prime }}{t} = \frac{{\Delta PVM}}{{RTt}} $

(4)

式中：L为喷射阀泄漏速率，t为测试时间，Δm′为气阀总泄漏量，ΔP为测量过程中定容气室内压强变化量。喷射阀泄漏速率测试结果见表 3。

根据得到的喷射阀泄漏速率及喷气持续期以及上述计算方法和式(2)可以得到了准确的喷气量Δm。如图 3中0.8 MPa喷气压强下，喷气脉宽为10 ms的喷气量约为181.4 mg。

喷气过程中，由于气体喷射会对压力传感器产生冲击，且喷气结束后定容气瓶内存在压力波动现象，然而对式(3)来说，压力变化速率dP是基于容器内各点压力相同并且压力均匀变化推导出来的因此显然直接通过式(3)计算获得的瞬时质量流率会存在偏差，这种偏差是由于压强传感器仅能够测量在其附近处的压力变化情况，无法测得整个气瓶内部各点压强的变化情况。因此压强传感器的位置可以对充气过程中气室内压强的变化产生轻微的影响，实验固定压强传感器的位置，根据获得的压强变化速率dP和喷气质量Δm，对瞬时质量流率和压强变化速率的关系系数k进行矫正。

$ m = k\smallint {\rm{d}}P $

(5)

再通过式(3)，得到燃气喷射阀的喷射规律，如图 5所示。当喷气结束后，由于喷气时气体高速喷出，定容气室内压强尚不稳定且伴随小幅波动，该波动同样反映在压强变化率曲线上，使压强变化速率出现负值。因此在喷射规律计算时不需要考虑图 4中的压强变化率曲线的尾部波动。

2.4 测量精度分析及验证

为验证实验装置准确性，本文对喷气压强为0.8 MPa，喷气背压为0.1 MPa，喷气脉宽为10 ms工况下的喷气量进行50次重复测试，测试结果如图 6所示。喷气量测试结果范围176.6~185.9 mg，平均值181.8 mg，标准差1.78 mg。采用无量纲的差异系数对其离散程度进行分析^[15]，根据差异系数定义：

$ {\rm{CV}} = \frac{{\sqrt {D\left( q \right)} }}{{E\left( q \right)}} $

(6)

式中：CV为差异系数，D(q)喷气量的方差，E(q)是单次喷气量的平均值。则该工况下喷气量的差异系数为0.98%，结果一致性较好，说明测量方法可行。

本文利用质量流量计法对循环喷气量进行测试并与定容积法测试结果对比。选用E+H生产的科氏力质量流量计(Proline Promass 83A02)，其测量误差为0.5%。质量流量计法可以用于测量喷气量，但不能测量喷射规律。同时由于燃气的喷气持续期太短，质量流量计响应速度较低，通过质量流量计无法直接获得单次喷射的喷气量。将质量流量计安装在定容气室出口处，定容气室起缓冲作用。开启定容气室与质量流量计之间的阀，让燃气喷射阀连续喷射，由于定容气室的缓冲作用，通过质量流量计的气体流速波动较小，因此测量准确性可以得到保证。通过连续测量流经质量流量的气体流量，可以计算出单位时间内喷出的气体质量，从而可以得到单次喷射的气体质量^[5-6]。

取同前述实验相同的实验工况，喷气压强0.8 MPa，背压0.1 MPa，喷气脉宽10 ms。连续喷射50次，喷气频率为1 Hz。通过RS485通讯协议将质量流量计测量数据传输至计算机并进行数据存储，实验结果如图 7所示。由于是脉冲喷射，质量流量计测量的量曲线是波动的。平均质量流量为184.7 mg/s，因此每次喷射后流经质量流量计的气体质量为184.7 mg。通过前述方法计算，每1 s内喷射阀泄漏约1.2 mg，则实际平均单次喷射质量约为183.5 mg。两种测试方法的测量结果相近，说明定容积法测量喷气量的结果可靠，而且相比质量流量计法还有可以测量单次喷气量的优点。

本文对同一工况下的喷射规律进行重复测试，将实验结果进行对比。图 8为喷气压强为0.8 MPa，背压为0.1 MPa，喷气脉宽为10 ms条件下的8组喷射规律实验结果。

图 8不同喷射规律曲线所反映的喷射规律总体趋势和量级都很一致，但是由于喷气过程中，喷出的气体和定容气室内的气体相互扰动较大，对质量流率造成了一定程度的影响，导致如图 8中虚线m、n之间的喷气维持阶段的质量流率存在差异。其他波形特征如喷气持续期、燃气喷射延迟、不同喷射阶段的质量流率量级等都比较一致。维持阶段平均质量流率约17.5 g/s。测试介质是氮气，空气与氮气的密度比约1.036，则如果喷射的是空气介质，维持阶段的质量流率约18.13 g/s，十分接近喷射阀的稳态流量设计参数18 g/s。因此定容积法测量喷射规律有较高的准确性和稳定性。

3 实验结果与分析 3.1 喷气脉宽和喷气压力对喷射规律的影响

本文对不同喷气压强和喷气脉宽下的燃气喷射规律进行了对比。图 9(a)所示是的0.8 MPa喷气压力时不同脉宽的喷射规律波形曲线。如图所示，可以将喷射规律分为两类；喷气脉宽低于1.4 ms时，喷射规律呈三角形；当喷气脉宽大于1.4 ms时，喷射规律呈包含一个峰值的梯形。三角形的喷射规律可以分为初期的上升阶段和末期的下降阶段；而梯形喷射规律，在上升和下降中间有一段喷气质量流率相对稳定的维持阶段。随着喷气脉宽的增加，维持阶段的时间越来越长。图 9(b)所示是0.8 MPa下中长脉宽的燃气喷射规律，在喷射后期燃气的稳态流量有所降低这是由于燃气喷射阀上游气轨压力降低导致燃气阀的稳态流量有所降低。

在梯形结构的喷射规律，喷气初期喷气速率上升至最大时，由于气体喷射产生的压强波冲击，喷射规律都产生一个比较明显的峰值，峰值之后质量流率会有小幅下降，然后才进入维持阶段。相同喷气压强下梯形结构的喷射规律，其维持阶段的喷气质量流率基本相同。由于选用的喷管是直通喷管，因此末期喷气质量流率下降很快。

如图 10所示，将0.8 MPa喷气压强时不同脉宽下的喷气持续期进行对比。如图所示，当喷气脉宽为0.6 ms以上时，喷气持续期与喷气量呈线性关系。因此0.6 ms是该喷射压强下燃气喷射阀能完全开启的最小喷气脉宽。

如图 11所示，不同喷气压强下燃气喷射延迟相差不明显。喷气开启延迟约1.6 ms, 喷气持续期约为11.5 ms。经过观察还可以发现，0.6 MPa喷气压强时的质量流率在2.33 ms时出现峰值，而1 MPa压强时约在2.84 ms时出现峰值，说明喷气压强越高，喷射规律进入峰值的时间越晚，从而进入维持阶段的时刻越晚。因此喷气压强越高，喷射阀开启速度越慢，喷射阀使能后质量流率达到稳定需要的时间越长。喷气末期，由于喷射阀的响应延迟以及喷射阀出口处连接喷管的影响，导致触发后10 ms时喷气的质量流率并没有立刻开始下降，而是维持了1~2 ms才开始下降。高喷气压强下质量流率开始下降时刻明显比低喷射压强下的早。但由于高喷射压强下的维持阶段质量流率较高，且喷射阀关闭后喷管内部还有没排入定容气室的气体，因此喷射阀关闭后喷管出口继续有气体喷出。所以高喷气压强下虽然喷射阀关闭响应稍快，但是不同喷气压强下实际喷气结束时间差别不大。不同喷气压强下喷气初期和末期阶段曲线比较接近，而维持阶段，随着喷气压强的提高，平均质量流率明显提高。

如图 12所示，0.6、0.8、1 MPa三种喷气压强下其喷气中期平均质量流率分别为12.8、17.5、21.7 g/s。虚线是质量流率随喷气压强变化的趋势线，可见喷气中期维持阶段质量流率与喷气压强基本成正比关系。

提高喷气压强下可以提高喷射阀维持阶段质量流率，从而可以提高发动机的动力性。由于高喷射压强下同等喷气量需要的喷气脉宽较短，因此可以更好避免由于换气过程中气阀重叠角导致的燃气从排气阀溢出的问题，从而降低碳氢排放。同时又可以节省燃料，保证发动机的经济性。

3.2 喷气脉宽和喷气压力对喷气量的影响

循环喷气量是天然气发动机研究中最关键的参数之一，同时也是喷射规律的一部分。掌握燃气喷射阀的喷气量与喷气压强和喷气脉宽的关系，可以为发动机和燃气喷射阀的匹配提供参考依据。实验对0.6、0.8、1 MPa不同喷气压强和不同喷气脉宽下的燃气喷射阀喷气量进行测试，测试结果如图 13所示。

从13图所示，同一喷气压强下，当喷气脉宽大于一定值时，喷气量与喷气脉宽呈线性关系。而不同喷气压强下，该喷气脉宽的值并不相同。这是由于喷气压强越高，喷气喷射阀开启时受到的阻力越大，因此喷气压强越大，燃气喷射阀全开所需要的最短喷气脉宽越长。如图可知0.6 MPa喷气压强下，电磁阀在0.4 ms的喷气脉宽时就可以全开，而0.8、1 MPa喷气压强下，电磁阀全开的最小脉宽分别是0.6、0.8 ms。

燃气喷射阀喷气量的稳定性直接影响了发动机的经济性和可靠性。通过差异系数对喷气量稳定性进行分析。图 14为三种喷气压强下喷气量差异系数与喷气量关系。稳压气室的压强不稳，喷气脉宽太短，定容气室里的气流运动等等均会对喷气量的稳定性造成一定程度影响。喷气量不稳定，对与发动机的经济性和排放性以及可靠性都产生影响。当喷气量大于40 mg左右时，不同喷气压强下的喷气量不一致性均在1%左右；当喷气量低于40 mg时，喷气量越少，喷气量的不一致性越高。图 14由于实验采用测试介质为氮气，40 mg的氮气仅相当于同等体积下24.6 mg的天然气，接近6 K天然气发动机空载时单缸燃气循环喷射质量。因此对于较大功率的6 K天然气发动机，GV12燃气喷射阀喷气量稳定性良好，同时也证实该测试仪器适用于玉柴6 K发动机燃气喷射阀的测试同时本实验装置的可以提供全面的6 K发动机电控系统开发所需数据库。

若对于其他机型的更小喷气量测试实验需要考虑减小定容腔的容积，进而放大密封气室内的压强变化使测量更为精准。

4 结论

1) 为解决天然气发动机多点喷射技术的瓶颈问题，提出了燃气喷射规律的测量方法，搭建了试验平台，通过考虑壅塞特性、定容气室内压强波动、燃气阀泄露等因素，确保了测量结果的高精度，满足设计需求，为发动机控制系统开发及仿真分析提供支撑和依据。

2) 燃气喷射阀的喷射规律随着喷气脉宽的增加，其波形曲线逐渐从三角形向含有一个峰值的梯形过渡。梯形结构的喷射规律的维持阶段，喷气质量流率基本相同。不同喷气压强下的喷射延迟和喷气持续期基本一致；喷气维持阶段的质量流率与喷气压强成正比。

3) 喷气压强越大，燃气喷射阀全开所需要的时间越长。喷气量和喷气持续期与喷气脉宽均呈线性关系。喷气量低于40 mg时，燃气喷射阀的不一致性较高。提高喷气压强，有利于缩短喷气持续期，可以有效的避免由于气阀重叠角造成的燃气由排气溢出问题，有助于提高发动机的经济性、排放特性及动力性。