共軌噴油器溫升測(cè)量實(shí)驗(yàn)教學(xué)與實(shí)踐

趙建輝，杜敬濤，劉友，王貴新

（哈爾濱工程大學(xué) 動(dòng)力與能源工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150001）

《中共中央關(guān)于制定國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和二〇三五年遠(yuǎn)景目標(biāo)的建議》指出，要進(jìn)一步增強(qiáng)高校學(xué)科設(shè)置的針對(duì)性，推進(jìn)基礎(chǔ)學(xué)科高層次人才培養(yǎng)模式改革[1]。我國(guó)高等教育的發(fā)展需求在“十四五”規(guī)劃的推進(jìn)中逐漸顯現(xiàn)。在“十四五”時(shí)期新興經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的背景下[2]，社會(huì)對(duì)工程專(zhuān)業(yè)人才的培養(yǎng)提出了更高要求，現(xiàn)代化產(chǎn)業(yè)和高質(zhì)量經(jīng)濟(jì)發(fā)展要求高等院校培養(yǎng)工程實(shí)踐能力強(qiáng)、創(chuàng)新能力強(qiáng)、具備國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的高素質(zhì)“新工科”人才[3,4]。因此，對(duì)工科專(zhuān)業(yè)現(xiàn)有的培養(yǎng)方案、教學(xué)模式進(jìn)行與時(shí)俱進(jìn)的改革與創(chuàng)新成為高校課程改革的重點(diǎn)工作[5]。

測(cè)試技術(shù)課程作為一門(mén)動(dòng)力工程類(lèi)專(zhuān)業(yè)的必修課，有偏向?qū)嵺`的課程屬性，應(yīng)科學(xué)合理地規(guī)劃實(shí)驗(yàn)課程體系[6]，在常規(guī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的基礎(chǔ)上拓展思路和方法，使晦澀難懂、概念抽象的理論知識(shí)教學(xué)得到延伸與鞏固[7]。新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革能夠助力“船舶與海洋工程”“熱能與動(dòng)力工程”和“輪機(jī)工程”等典型的實(shí)踐性和創(chuàng)新性要求非常強(qiáng)的工科專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)更高水平的人才[8]，與多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域密切交叉，與工程類(lèi)多產(chǎn)業(yè)部門(mén)緊密融合，推動(dòng)高新技術(shù)進(jìn)步和國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展[9]。本著科研與教學(xué)相結(jié)合的理念，為使教學(xué)內(nèi)容緊跟科技發(fā)展[10,11]，本文以共軌噴油器溫升效應(yīng)為測(cè)試目標(biāo)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)分析，針對(duì)傳統(tǒng)熱電偶和新型紅外熱像儀兩種不同的溫度測(cè)量方法開(kāi)展實(shí)驗(yàn)研究，通過(guò)噴油器熱效應(yīng)評(píng)價(jià)指標(biāo)探索了不同測(cè)試方法的準(zhǔn)確性。該項(xiàng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容拓寬了實(shí)驗(yàn)教學(xué)道路，突破了原來(lái)傳統(tǒng)的測(cè)試實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。

1 共軌噴油器溫升測(cè)量實(shí)驗(yàn)裝置

為開(kāi)展共軌噴油器噴嘴處溫升的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，實(shí)驗(yàn)對(duì)象選用Bosch CRIN-2高壓共軌噴油器，為測(cè)量噴嘴處燃油的溫度，加工了一個(gè)與噴油器噴嘴外形參數(shù)相匹配的集油腔（外徑18 mm，內(nèi)徑7 mm，長(zhǎng)度50 mm）。噴嘴頭部插入到集油腔內(nèi)，并作密封處理，保證燃油不會(huì)通過(guò)噴嘴和集油腔間的接觸面泄露。在集油腔上加工了兩個(gè)孔，一個(gè)位于集油腔壁面上的回油孔，它和回油油管連接，從噴孔噴射的燃油通過(guò)集油腔、回油孔、回油油管進(jìn)入油箱；另一個(gè)孔位于集油腔的底部，是溫度傳感器的安裝孔，溫度傳感器和該孔通過(guò)螺紋連接，并作密封處理。從噴孔噴射出的燃油具有一定的動(dòng)量，為保證溫度傳感器使用安全，在把集油腔插到噴嘴上時(shí)，保證溫度傳感器的頭部距離噴嘴頭部約20 mm（經(jīng)過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)得出，此距離保證溫度傳感器受到的燃油沖擊較小，不影響傳感器的使用）。

實(shí)驗(yàn)中選擇PT100熱電阻溫度傳感器（測(cè)量范圍50 ℃～200 ℃，誤差 ±1 ℃）進(jìn)行燃油溫度的測(cè)量。為測(cè)量噴油器工作時(shí)進(jìn)入噴油器的燃油初始溫度，在噴油器入口處安裝有Kistler 4067傳感器（溫度范圍為20 ℃～120 ℃，誤差 ±1 ℃）。為了測(cè)量噴油器的壁面溫度，采用帶有珠狀頭部的K型熱電偶（溫度測(cè)量范圍-50 ℃～ 300 ℃，最大誤差±1 ℃）。

在教學(xué)環(huán)節(jié)中，由于并沒(méi)有分析過(guò)采用紅外熱像儀測(cè)量溫度的準(zhǔn)確性，因此同時(shí)采用K型熱電偶和熱像儀同時(shí)測(cè)量噴油器壁面的溫度，以評(píng)估不同測(cè)量方法的準(zhǔn)確性。噴油器體表面測(cè)溫點(diǎn)主要選取的是噴油器內(nèi)部各關(guān)鍵部位所對(duì)應(yīng)的壁面位置，控制室處回油節(jié)流孔壁面為測(cè)量點(diǎn)1，控制室處對(duì)應(yīng)的壁面位置作為測(cè)量點(diǎn)2，噴嘴壁面處選取集油腔壁面處作為測(cè)量點(diǎn)3，噴孔對(duì)應(yīng)的噴嘴壁面位置作為測(cè)量點(diǎn)4。

圖1所示為搭建的高壓共軌噴油器溫升測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括高壓油泵試驗(yàn)臺(tái)、改造后的Bosch CRIN2共軌噴油器、紅外式熱成像儀、溫度傳感器、二次顯示儀表和計(jì)算機(jī)等。系統(tǒng)中高壓油泵試驗(yàn)臺(tái)可以提供最大180 MPa的噴油壓力，可以驅(qū)動(dòng)不同類(lèi)型的高壓共軌噴油器，油箱內(nèi)燃油溫度通過(guò)電子調(diào)溫裝置控制，溫度范圍為20 ℃-40 ℃，溫度控制精度±2 ℃。

圖1 高壓共軌噴油器溫升測(cè)試系統(tǒng)

2 測(cè)量原理及方法

實(shí)驗(yàn)采用的PT100熱電阻溫度傳感器是利用半導(dǎo)體的電阻值隨溫度變化而變化的原理來(lái)進(jìn)行溫度的測(cè)量[12]；K型熱電偶內(nèi)部存在不同材質(zhì)的熱電偶蕊和測(cè)溫電偶絲，當(dāng)所測(cè)壁面溫度升高時(shí)，熱電偶的熱端會(huì)收熱溫升，導(dǎo)致與另一端產(chǎn)生溫差，構(gòu)成的回路中產(chǎn)生熱電勢(shì)，之后通過(guò)轉(zhuǎn)換器將電動(dòng)勢(shì)轉(zhuǎn)換成溫度信號(hào)[13,14]；而紅外熱成像儀的測(cè)溫原理較為復(fù)雜，熱像儀具有高清溫感攝像頭，用于拍攝目標(biāo)物的正面平面輻射熱圖，目標(biāo)物表面的不同熱輻射會(huì)形成不同的熱分布場(chǎng)[15]。為便于關(guān)注目標(biāo)區(qū)域的溫度值，開(kāi)發(fā)的熱感監(jiān)測(cè)軟件可以采用框架標(biāo)注所關(guān)注的測(cè)溫點(diǎn)，同時(shí)為了便于區(qū)分不同目標(biāo)區(qū)域溫度的值，采用高顏色對(duì)比度渲染平面輻射熱像圖，從而可以通過(guò)規(guī)定顏色飽和度來(lái)確定并輸出被目標(biāo)物對(duì)應(yīng)位置的溫度值[16]。

在高壓共軌噴油器溫升測(cè)試系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)上安裝有共軌噴油器夾具，目的是為了避免在高頻工作下噴油器的強(qiáng)烈震動(dòng)導(dǎo)致監(jiān)測(cè)測(cè)溫區(qū)域的偏移，因此在開(kāi)始實(shí)驗(yàn)之前，必須將共軌噴油器緊固加緊在試驗(yàn)臺(tái)架上。此外，PT100溫度傳感器通過(guò)螺紋連接在相應(yīng)的噴嘴集油腔和控制室集油腔內(nèi)，兩個(gè)集油腔則通過(guò)光滑面配合旋擰在對(duì)應(yīng)的共軌噴油器上，實(shí)驗(yàn)中將采用4個(gè)K型熱電偶的珠狀頭部準(zhǔn)確固定在響應(yīng)的4個(gè)壁面測(cè)量位置處。在試驗(yàn)臺(tái)外側(cè)豎立紅外熱成像儀支架，并在合理范圍內(nèi)調(diào)整鏡頭的聚焦，使得所測(cè)的區(qū)域能夠拍攝到清晰的熱像分布圖像，基于噴油器工作時(shí)長(zhǎng)的考慮，設(shè)定熱像儀每10 s拍攝一張噴油器壁面的溫度分布圖像。在開(kāi)始實(shí)驗(yàn)時(shí)，對(duì)油箱內(nèi)燃油的溫度調(diào)整至設(shè)定值，通過(guò)輸入共軌噴油器高速電磁閥的電流勵(lì)磁信號(hào)，使噴油器開(kāi)始連續(xù)工作，實(shí)驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)設(shè)定為一個(gè)小時(shí)，溫度傳感器和熱像儀的溫度顯示在電子儀表顯示屏和電腦屏幕上。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，每個(gè)工況均進(jìn)行三次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，并對(duì)測(cè)量結(jié)果取平均值，保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果測(cè)量的準(zhǔn)確性。

3 實(shí)驗(yàn)誤差分析與結(jié)果討論

在進(jìn)行噴油器溫度測(cè)量實(shí)驗(yàn)研究時(shí)，由于每次實(shí)驗(yàn)時(shí)無(wú)法保證相同的環(huán)境溫度，因此為排除環(huán)境溫度造成測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確的影響，采用溫升來(lái)描述燃油加熱的程度，溫升定義為溫度傳感器測(cè)量的溫度減去噴油器入口處燃油初始溫度。

圖2所示為噴嘴處集油腔內(nèi)燃油和噴油器壁面1-4測(cè)溫點(diǎn)帶標(biāo)準(zhǔn)差的瞬態(tài)溫升曲線(xiàn)，可以看出瞬態(tài)溫升隨噴油器工作時(shí)間的變化規(guī)律是類(lèi)似的，三次測(cè)量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析得出，噴嘴處集油腔內(nèi)燃油的瞬態(tài)溫升偏差在時(shí)間為45min時(shí)有著較大差距，最小值為55.2 ℃，最大值為57.9 ℃，相差為2.7 ℃；壁面測(cè)溫點(diǎn)1處的瞬態(tài)溫升偏差在時(shí)間為25min時(shí)有著較大差距，最小值為18.3 ℃，最大值為20.7 ℃，相差為2.4 ℃；壁面測(cè)溫點(diǎn)2處的瞬態(tài)溫升偏差在時(shí)間為15min時(shí)有著較大差距，最小值為17.5 ℃，最大值為20 ℃，相差為2.5 ℃；同樣，壁面測(cè)溫點(diǎn)3處的瞬態(tài)溫升偏差在時(shí)間為17min時(shí)有著較大差距，最小值為45.2 ℃，最大值為51 ℃，相差為5.8 ℃；壁面測(cè)溫點(diǎn)4處的瞬態(tài)溫升偏差在時(shí)間為23min時(shí)有著較大差距，最小值為57 ℃，最大值為61 ℃，相差為4 ℃。從以上分析可以得出，壁面測(cè)溫點(diǎn)1溫升的標(biāo)準(zhǔn)偏差最大值為0.9，壁面測(cè)溫點(diǎn)2溫升標(biāo)準(zhǔn)偏差最大值為0.8，壁面測(cè)溫點(diǎn)3的溫升標(biāo)準(zhǔn)偏差最大值為3.7，噴嘴壁面測(cè)溫點(diǎn)4溫升的標(biāo)準(zhǔn)偏差最大值為1.6。由上述結(jié)果可以看出，三次實(shí)驗(yàn)測(cè)量下噴嘴處集油腔內(nèi)燃油溫升、噴油器壁面溫度最大差距較小，溫升偏差在實(shí)驗(yàn)測(cè)量誤差允許范圍之內(nèi)，三次溫升計(jì)算結(jié)果整體上一致性較好。

圖2 帶標(biāo)準(zhǔn)偏差的溫升數(shù)據(jù)曲線(xiàn)

共軌噴油器溫升過(guò)程可以分成三個(gè)發(fā)展階段：溫升快速增加，溫升緩慢增加，溫升趨于穩(wěn)定。產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因在于，在共軌噴油器工作初始階段，高壓燃油通過(guò)節(jié)流孔后迅速生熱，所以燃油溫升迅速增大，在噴油器繼續(xù)工作時(shí)，一部分熱量會(huì)用于加熱噴嘴和集油腔金屬，以及熱量同時(shí)通過(guò)金屬壁面向環(huán)境散熱，這導(dǎo)致出現(xiàn)了燃油溫升增加程度減小，隨著噴油器工作時(shí)間繼續(xù)增加，對(duì)金屬壁面的加熱和對(duì)環(huán)境的散熱逐漸增大，大約在噴油器工作時(shí)間30min之后基本達(dá)到了熱穩(wěn)定，即燃油生熱和散熱處于動(dòng)態(tài)平衡。

此外還可以看到，集油腔內(nèi)燃油瞬態(tài)溫升的變化規(guī)律和其對(duì)應(yīng)的外壁面3點(diǎn)是相同的，并且外壁面溫升始終小于集油腔內(nèi)部燃油溫升，但兩者相差不大，這是因?yàn)?，一方面溫度通過(guò)集油腔傳遞，在接觸熱傳遞過(guò)程中存在一定的熱量損失，另一方面，集油腔外壁面會(huì)向環(huán)境進(jìn)行熱輻射，從而使得外壁面的溫度低于腔內(nèi)燃油的溫度。

4 噴油器溫升測(cè)量手段評(píng)價(jià)

圖3 所示為采用溫度傳感器和紅外熱像儀測(cè)量的3點(diǎn)和4點(diǎn)壁面溫度隨噴油器工作時(shí)間變化的比較，可以看到，雖然在曲線(xiàn)變化規(guī)律方面，兩種不同測(cè)量手段測(cè)得的溫升基本規(guī)律相同，但對(duì)于同一壁面測(cè)溫點(diǎn)，傳感器測(cè)出的溫升要大于熱像儀測(cè)量的溫升，熱像儀測(cè)得的數(shù)據(jù)要更低。例如，對(duì)于測(cè)量點(diǎn)3，在溫升達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，紅外熱像儀測(cè)得的穩(wěn)態(tài)溫升為44.9 ℃，而熱電偶傳感器測(cè)得的溫升為55.4 ℃，兩種測(cè)量方式測(cè)量的溫升相差10.5 ℃，從整體曲線(xiàn)上來(lái)看，熱像儀在各個(gè)噴油器工作時(shí)間點(diǎn)測(cè)得的溫升均較低。這是由于熱像儀的鏡頭在接收熱輻射的過(guò)程中容易受到很多因素的干擾，例如實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的外部光源、被測(cè)物體壁面的粗糙度、環(huán)境溫度和鏡面折射等因素，導(dǎo)致在不同的測(cè)量環(huán)境和被測(cè)物體下，即使是相同溫度也會(huì)測(cè)量出不同的數(shù)值。因此，采用溫度傳感器進(jìn)行噴油器壁面溫度的測(cè)量較為準(zhǔn)確，能夠用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

圖3 噴嘴壁面熱像儀和傳感器測(cè)量溫升數(shù)值對(duì)比

5 結(jié)語(yǔ)

共軌噴油器在多循環(huán)工作條件下，噴油器控制室和噴嘴處燃油溫度明顯升高，其熱效應(yīng)會(huì)影響噴射特性，因此，工作狀態(tài)下共軌噴油器溫度的測(cè)量是測(cè)試技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)的重點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)的最終目的是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)創(chuàng)新的思維方式，通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以加強(qiáng)學(xué)生對(duì)測(cè)試系統(tǒng)架構(gòu)和測(cè)試方式的認(rèn)識(shí)、理解。通過(guò)多角度多方式的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)將學(xué)到的理論知識(shí)進(jìn)行延伸與鞏固。學(xué)生可通過(guò)試驗(yàn)臺(tái)來(lái)進(jìn)行測(cè)試測(cè)量實(shí)驗(yàn)，對(duì)被測(cè)試參數(shù)進(jìn)行采集、處理和分析等自主判斷測(cè)試方法的可行性，進(jìn)一步鍛煉提升學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。今后測(cè)試技術(shù)類(lèi)課程實(shí)驗(yàn)將繼續(xù)在課程體系、教學(xué)模式等方面進(jìn)一步改革和完善，培養(yǎng)出適應(yīng)新時(shí)代社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展需要的高等教育人才。