GDI噴油器特性研究

王志華

摘 要：直噴汽油機(jī)高壓噴油器，由于噴射壓力高，霧化效果好，燃燒充分，有利于降低油耗。本文探討了高壓噴油器主要結(jié)構(gòu)及其設(shè)計(jì)對(duì)噴射特性的影響。研究了噴油器動(dòng)、靜態(tài)流量特性，同時(shí)還分析了噴射特性曲線線性范圍;采用非固定銜鐵的針閥結(jié)構(gòu)，避免針閥反彈，電子控制單元ECU更加精確地控制發(fā)動(dòng)機(jī)所需噴油量，并對(duì)階梯噴孔特殊結(jié)構(gòu)對(duì)防積碳的作用進(jìn)行了研究。

關(guān)鍵詞：高壓噴油器;噴射特性

1 前言

汽油機(jī)要滿足日益嚴(yán)格的排放法規(guī)要求，又要滿足用戶對(duì)燃油經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性的要求，必須改善其燃燒過(guò)程。通過(guò)采用高壓噴射提高霧化效果，可促進(jìn)燃燒。汽油直噴，即將汽油直接噴入燃燒室，避免了在氣門(mén)口的燃油濕壁現(xiàn)象，消除了節(jié)氣門(mén)所引起的泵氣損失[1];燃油系統(tǒng)是發(fā)動(dòng)機(jī)的心臟，而噴油器是燃油系統(tǒng)的核心部件。

本文介紹了博世高壓噴油器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其功能，噴射特性等進(jìn)行了探討研究。

2 高壓噴油器結(jié)構(gòu)功能及工作原理

直噴汽油機(jī)噴油器結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖1，內(nèi)置電磁閥噴油器結(jié)構(gòu)緊湊，目前應(yīng)用較廣泛的是多孔噴油器，其噴射角及噴霧形狀設(shè)計(jì)靈活可變;可變化的系統(tǒng)壓力，噴油器最大工作壓力可達(dá)35MPa。

高壓噴油器工作原理，見(jiàn)圖2，燃油先從慮網(wǎng)1端進(jìn)入，將在整個(gè)噴油器內(nèi)部充滿燃油，通過(guò)調(diào)整套2調(diào)整主彈簧3的預(yù)緊力將針閥5壓住，使得閥球6和閥座7緊貼從而將燃油密封住，同時(shí)也密封了從噴孔處進(jìn)來(lái)的燃燒氣體。當(dāng)ECU施加電控制信號(hào)，電線圈4產(chǎn)生磁力，將提起針閥使閥球離開(kāi)閥座，進(jìn)而噴油，反之，當(dāng)ECU撤銷控制信號(hào)，針閥在彈簧力作用下閥球和閥座緊貼將燃油密封住。

3 高壓噴油器流量特性

高壓噴油器靜態(tài)流量通常是指在某測(cè)試參考?jí)毫Γ?0MPa，當(dāng)噴油器針閥全開(kāi)時(shí)，噴油器在單位時(shí)間內(nèi)噴出的燃油質(zhì)量。噴油器靜態(tài)流量可通過(guò)如下公式計(jì)算：

Qstat=

Qstat表示單位時(shí)間內(nèi)的質(zhì)量流量;g為重力加速度;ρ為燃油密度，P為噴油器內(nèi)與噴射出口的壓差，Ax 為所有噴孔等效后的總面積。從計(jì)算公式可知，對(duì)于某一噴油器而言，噴射壓力恒定，全開(kāi)時(shí)噴油量Qstat為常數(shù)。

動(dòng)態(tài)流量q是在設(shè)定的脈寬ti和壓力下，噴射一次噴出的油量。高壓噴油器流量特性，即在某噴射壓力下，噴油器單次噴油量與噴油脈寬的關(guān)系曲線，圖3看出理想情況是線性關(guān)系。

噴油器的線性偏差定義為實(shí)際動(dòng)態(tài)流量與理想流量特性的差值。動(dòng)態(tài)流量范圍[2]，即噴油器可用的流量范圍用LFR表示，LFR=qmax/qmin用來(lái)衡量這流量特性曲線的線性區(qū)域大小，在相同的測(cè)量條件下，LFR越大表明線性區(qū)域越大，說(shuō)明噴油器流量特性好，有利于ECU根據(jù)脈寬計(jì)算出相應(yīng)的噴射質(zhì)量，有利于對(duì)燃油噴射進(jìn)行精確控制。

4 非固定銜鐵的針閥結(jié)構(gòu)

通常汽油機(jī)噴油器的針閥結(jié)構(gòu)，銜鐵焊接在針閥桿上固定不動(dòng)。本文提出一種非固定銜鐵的針閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其中銜鐵與針閥桿為可活動(dòng)地相套接，見(jiàn)示意圖4，擋圈4和針閥桿5焊接，擋套1和針閥桿焊接，銜鐵可沿著針閥桿上下移動(dòng)，移動(dòng)距離稱為銜鐵自由行程，見(jiàn)局部圖A。

當(dāng)ECU施加信號(hào)，產(chǎn)生電磁力將銜鐵3 吸起，因銜鐵與擋圈上端面是分離，銜鐵迅速獲得動(dòng)能，當(dāng)運(yùn)動(dòng)到擋套位置，此時(shí)獲得足夠能量將針閥抬起進(jìn)行噴油，合理調(diào)節(jié)銜鐵自由行程，可使針閥響應(yīng)快;而在針閥關(guān)閉過(guò)程中，在圖2中的主彈簧3作用下，銜鐵與擋套一起朝關(guān)閉方向運(yùn)動(dòng)，當(dāng)閥球和閥座接觸，此時(shí)銜鐵和擋套分離，在慣性和回位彈簧2作用下，銜鐵和針閥桿上的擋圈再相接觸，這種銜鐵和和針閥桿相對(duì)獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，相當(dāng)于減少了針閥有效質(zhì)量，從而減小閥球和閥座之間的沖擊力，避免針閥反彈，使得ECU更精確地控制噴射的燃油質(zhì)量，而且還有利于減少閥球和閥座之間的磨損。

5 噴油器噴孔特點(diǎn)

多孔噴嘴噴孔形狀設(shè)計(jì)，通常有兩種，一種是直通孔，見(jiàn)圖5中（1），另一種是階梯孔見(jiàn)圖6中（1）。噴嘴采用直通孔設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)加工相對(duì)簡(jiǎn)單，但是這種孔的結(jié)構(gòu)對(duì)燃油品質(zhì)比較敏感，如果使用差點(diǎn)品質(zhì)的燃油，容易積碳見(jiàn)圖6中的（2），積碳會(huì)造成油束噴角的改變，影響發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒效率，從圖中看出噴孔的有效孔徑減小了，將會(huì)導(dǎo)致噴射流量減小，發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)動(dòng)力不足現(xiàn)象。

采用階梯孔設(shè)計(jì)，將有效地防止積碳，提高了噴油器防積碳魯棒性。從圖6中（2）看出，黑碳積聚在臺(tái)階孔外孔周圍，試驗(yàn)表明這種積碳對(duì)油束噴角改變將最大程度地降低了，而且內(nèi)噴孔有效直徑幾乎不受積碳的影響，因此噴油器流量大小幾乎不受影響。

6 油束布置策略及布置原則

噴油器油束布置策略是很復(fù)雜工作，靜態(tài)3D 油束布置，僅通過(guò)靜態(tài)油束分析是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，需要根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒系統(tǒng)和進(jìn)氣系統(tǒng)等動(dòng)態(tài)模擬油氣在缸內(nèi)混合運(yùn)動(dòng)情況，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證不同的油束布置策略對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響，選出最佳的噴油器油束布置方案。

通過(guò)對(duì)噴油器油束布置的策略調(diào)整可以優(yōu)化碳?xì)銱C排放，減少機(jī)油稀釋，提高燃燒穩(wěn)定性等[3]。噴油器油束布置策略基本原則是油束和進(jìn)、排氣閥不能干涉，以一定測(cè)量距離參考點(diǎn)，其噴射的油束都應(yīng)該在活塞表面范圍內(nèi)，以免噴射到氣缸內(nèi)壁面造成機(jī)油稀釋;噴射的油束和火花塞不宜干涉，其間隙過(guò)大可能造成點(diǎn)火困難，間隙過(guò)小容易直接噴射到火花塞上造成點(diǎn)火困難，需選擇合理的間隙，提高燃燒穩(wěn)定性。

噴油器油束布置策略需要根據(jù)具體發(fā)動(dòng)機(jī)特點(diǎn)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，優(yōu)化油束布置策略，開(kāi)發(fā)出性能最佳的發(fā)動(dòng)機(jī)。

7 結(jié)論

（1）高壓噴油器采用了非固定銜鐵的針閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，有效地減輕了針閥質(zhì)量，避免針閥反彈，有利于精確控制噴射流量，閥座間沖擊力減小有利于降低閥座磨損率。

（2）高壓噴油器的噴孔采用階梯孔設(shè)計(jì)有利于防止噴孔積碳。

（3）噴油器流量線性區(qū)域越大表明噴油器流量特性越好，有利于對(duì)噴射燃油質(zhì)量進(jìn)行精確控制。

（4）對(duì)噴油器油束布置策略優(yōu)化，有利開(kāi)發(fā)出性能最佳的發(fā)動(dòng)機(jī)。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊世春，李君等. 缸內(nèi)直噴汽油機(jī)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)分析. 車用發(fā)動(dòng)機(jī)，2007，171（5）：8～13.

[2]肖瓊，顏伏伍等.電控噴油器流量特性試驗(yàn)臺(tái)的開(kāi)發(fā)與試驗(yàn)分析. 中國(guó)機(jī)械工程. 2005.16（16）：1149～1422.