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U.D.C:
AThesisfortheDegreeofMasterofEngineering
StudyonDiesel-naturalgasCouplingInjection
CharacteristicsofCo-axialDirectInjector
Candidate:ZhouTanqing
Supervisor:Ass.ProfDongQuan
Associatesupervisor:Prof.JinJiangshan
Professionalcategory:EnergyandPowerEngineering
College:CollegeofPowerandEnergyEngineering
DateofSubmission:April24,2023
DateofOralExamination:May22,2023
University:HarbinEngineeringUniversity
同心双轴针喷射器油气耦合喷射特性研究
摘要
天然气高压缸内直喷技术（Highpressuredirectinjection，HPDI）实现了天然气的扩
散燃烧，相比于预混燃烧显著提高了燃料的燃烧效率并使发动机在保持与柴油机同等动
力性的前提下具有良好的经济性和排放性。因此，HPDI技术是目前充分发挥天然气作
为低碳燃料的优势的关键。然而在小缸径发动机中，双燃料同心双轴针喷射器作为油气
喷射系统的最终执行器，其内部复杂的液压、气动、电磁的耦合影响导致其工作特性不
确定性，参数之间的耦合影响对循环喷气量的影响显著且规律复杂多变。HPDI发动机
复杂的喷射策略进一步为循环喷气量波动带来显著影响。循环喷气量波动降低了天然气
发动机的经济性以及振动和噪声控制的稳定性并使得排放的一致性下降。因此，精确测
试同心双轴针的瞬态质量流率，保证喷射器工作的一致性，减小循环喷气量波动，是当
前高压直喷天然气技术亟需解决的问题。论文主要进行了以下几个方面的研究工作：
为精确测量同心双轴针喷射器的油气耦合喷射特性，提出了一种喷油规律和喷气规
律同场测试方法。基于动量法测量喷油规律，采用动量法和容积法结合同时测量喷气规
律型线和单次喷气量以得到高信噪比喷气规律，并对所提出测试方法的精确性进行验证。
喷射特征时刻测试误差小于0.113ms，喷油量与喷气量的差异性系数分别为1.4%和2.9%。
为研究柴油入口压力波动机理，探索单次喷油、单次喷气以及引燃油喷气方式引起
的喷射器内的压力变化。充分研究了引燃油喷射对单次喷气规律的影响规律，探究喷气
量与柴油入口压力特征值的相关性及喷气量波动特性。针对压力波动影响下的多次喷射
循环喷气量波动特性，分别研究了主后喷射以及预主喷射时后喷喷气量以及主喷喷气量
波动规律，揭示了两种喷射模式下循环喷气量波动影响机理。
建立HPDI喷射器水锤压力波预测模型，分别计算了单次喷油以及单次喷气下的水
锤压缩波，与实验结果拟合度较高。改变模型中轨压部分的液压电容值，其震荡频率降
低且震荡幅值降低，有利于减小压力波动的影响。通过研究高压油管长度以及稳压容腔
容积对喷射特性的影响，证明加长高压油管的长度将延缓控制腔泄压产生的膨胀波到达
轨端的时间，从而使得针阀最大升程增大，增加喷气量；在喷射器入口处设置稳压容腔，
可以有效降低压力波动的峰值，从而降低引燃油喷射对于喷气量的影响，当蓄压容腔的
容积为15mL时，短脉宽条件下喷气量波动率从33.1%降低到11.8%，波动值仅为2.6mg。
关键词：高压直喷；同心双轴针喷射器；油气耦合；压力波动；