【日】 森谷昌輝 宮下純一 豬又茂 町田啓介

設(shè)計開發(fā)

采用伸長結(jié)構(gòu)的直噴汽油機(jī)噴油器的開發(fā)

【日】 森谷昌輝 宮下純一 豬又茂 町田啓介

對于汽車發(fā)動機(jī)降低排放和燃油耗的要求越來越高。在直噴汽油機(jī)方面必須解決一些技術(shù)課題，如縮短噴油器響應(yīng)時期，提高燃油壓力的耐受度和可變度，以實(shí)現(xiàn)最佳的燃油霧化及多次噴射。介紹了在噴嘴針閥的驅(qū)動部采用的伸長(拔長)結(jié)構(gòu)的直噴汽油機(jī)用噴油器。它裝備了新型電磁閥，并將轉(zhuǎn)子與針閥設(shè)定為分體結(jié)構(gòu)，同時利用轉(zhuǎn)子的慣性提升針閥，能夠適應(yīng)噴油壓力范圍在 3.5～20MPa，體積比傳統(tǒng)噴油器縮小15%，質(zhì)量減輕37%。

燃油噴射 直噴汽油機(jī)噴油器 電磁閥 針閥

0 前言

近年來，全社會對環(huán)保予以高度關(guān)注，與此同時原油價格上漲，汽車行業(yè)要求降低排放、降低燃油耗的呼聲也越來越高。在車用汽油機(jī)方面，為了提高發(fā)動機(jī)熱效率及提高起動時的排放特性，由傳統(tǒng)的面向進(jìn)油孔內(nèi)噴射方式改為向缸內(nèi)直接噴射的方式。

即便是直噴汽油機(jī)，為了進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)低排放和低燃油耗，也在不斷開展各種嘗試。要實(shí)現(xiàn)低排放，必須實(shí)現(xiàn)燃油的顆粒化，并進(jìn)行多次噴射。燃油的顆?；诶錂C(jī)起動時獲得難以附著在燃燒室壁面的油霧(燃油霧化)，使之變成容易氣化的噴霧。而多次噴射是為了實(shí)現(xiàn)燃油顆?；皽p少未燃碳?xì)浠衔?HC)的排放。此外，通過減少附著于燃燒室壁面未燃的燃油和剩余的燃油噴射量來減少燃油耗和降低HC。將提高燃燒性能設(shè)定為目標(biāo)，調(diào)整適應(yīng)寬程的噴射量。作為直噴汽油機(jī)的寬量程噴射量、減少油霧的附著和多次噴射等需求，直噴汽油機(jī)用噴油器將快速響應(yīng)、噴油壓力高壓化和燃油顆粒化列為技術(shù)研究課題(圖1)。

本文介紹為實(shí)現(xiàn)上述開發(fā)目標(biāo)，在噴嘴針閥驅(qū)動部采用的伸長(拔長)結(jié)構(gòu)。

圖1 車用發(fā)動機(jī)需求和噴油器技術(shù)課題間的關(guān)系

1 針閥對高響應(yīng)化的適應(yīng)

圖2示出了本次開發(fā)的噴油器的噴嘴針閥周邊結(jié)構(gòu)與零件名稱，圖3示出了針閥的開啟動作。

圖2 噴嘴針閥的結(jié)構(gòu)

針閥開啟動作的各步驟如下：

(1) 在驅(qū)動信號被輸入前的狀態(tài)(即針閥關(guān)閉狀態(tài))，轉(zhuǎn)子(或銜鐵)利用調(diào)節(jié)用閥彈簧向下推壓，轉(zhuǎn)子(即控制閥)利用下鎖擋停止在規(guī)定的位置。

(2) 如果向電磁閥通電，驅(qū)動信號輸入到繞組，則磁力回路產(chǎn)生磁通，定子與轉(zhuǎn)子間產(chǎn)生電磁力，由于該電磁力，轉(zhuǎn)子向開啟方向提升。

(3) 利用電磁力向上提升的轉(zhuǎn)子，首先與上鎖擋碰撞，通過瞬時沖擊力與上鎖擋的閥桿接合，使下鎖擋與球閥(4個零件組合而成噴嘴針閥)向閥開啟側(cè)提升。

(4) 由于轉(zhuǎn)子與上鎖擋之間產(chǎn)生的沖擊力促使被推壓的噴油嘴針閥與轉(zhuǎn)子一起向針閥開啟方向移動，噴油嘴針閥開啟，即針閥上升，燃油噴孔打開，之

圖3 針閥的開啟動作

后燃油開始噴射。

(5) 轉(zhuǎn)子與引導(dǎo)套筒碰撞，由于電磁力形成靜止?fàn)顟B(tài)。但轉(zhuǎn)子可以在閥桿的下鎖擋與上鎖擋之間移動，轉(zhuǎn)子脫離上鎖擋并向上方做慣性運(yùn)動(即上沖運(yùn)動)。

(6) 由于主彈簧向閉閥方向推壓，上鎖擋立刻與轉(zhuǎn)子再次接觸。

由于針閥的動作利用電磁力，要實(shí)現(xiàn)針閥動作的高響應(yīng)化，有必要提高電磁力。

電磁力F能夠用式(1)來描述，為提高電磁力，可以通過增加磁通密度B或擴(kuò)大磁力吸引截面積S

(1)

式(1)中，μ0是間隙部的導(dǎo)磁率。

磁通密度B起因于使用的磁性材料磁化，即磁感-磁力(B-H)特性，成為基礎(chǔ)的磁場H用式(2)表示：

(2)

式(2)中，n是繞組匝數(shù)，I是驅(qū)動電流，L是磁路長度。

綜上所述，要使噴油嘴針閥的動作高響應(yīng)化，可以擴(kuò)大磁力吸引截面積，或提高磁性材料的B-H特性，增加繞組匝數(shù)，并且增加驅(qū)動電流，縮短磁路長度。

由于考慮到發(fā)動機(jī)的配裝性和噴油器體積的制約，磁力吸引截面積及繞組匝數(shù)受到制約，而另外由于發(fā)動機(jī)電子控制單元(ECU)耗電量的制約致使電流也受到制約。此外，作為調(diào)高磁性材料的B-H特性的方法，雖然也可以選定含稀有金屬的的磁性材料，不過由于成本高及考慮到耐蝕性等問題，采用了與常規(guī)噴油器產(chǎn)品及港口噴射用噴射器相同的磁性材料。因此，本次開發(fā)的噴油器為實(shí)現(xiàn)噴油嘴針閥的高響應(yīng)化，開展了縮短磁路長度(短回路化)的研究。

從發(fā)動機(jī)配裝性考慮，受到噴油器外徑尺寸的制約，研究短回路化時，運(yùn)用電磁場仿真軟件進(jìn)行了解析(圖4)。

圖4 電磁(場)分析

關(guān)于磁路的形狀，在決定繞組外徑尺寸時要考慮到噴油器的外徑尺寸。根據(jù)主彈簧布置尺寸來決定繞組內(nèi)徑尺寸。此外，根據(jù)ECU的耗電量要求大致設(shè)定繞組的電阻值，從而確定繞組線徑。

因此，將繞組線的層疊數(shù)作為參數(shù)，利用閥開啟時的伸長結(jié)構(gòu)的吸引力，以及為保持閥開啟狀態(tài)必要的吸引力(電磁力)和吸引力的上升速度，對判斷材料進(jìn)行了電磁場仿真分析(圖5)。

圖5 繞組疊層數(shù)變動示意圖

圖6示出了分析結(jié)果。由仿真結(jié)果可知，如果減少繞組線的層疊數(shù)，則繞組線的占有面積減少，由于電磁吸引的截面積增加，電磁力隨之增加。相反，如果增加繞組線的層疊數(shù)，則電磁力減少，不能得到閥驅(qū)動時所需要的電磁力，繞組線的層疊數(shù)有臨界值。

圖6 磁力

此外可知，如果減少繞組線的層疊數(shù)，則繞組線的占有面積減少。同時，由于磁路長度增加，電磁力的上升速度延遲。

根據(jù)上述分析，如果繞組線為8層卷繞，對于必須的電磁力沒有余量，綜合平衡電磁力上升的速度和繞組線層疊數(shù)之后，繞組線的層疊數(shù)采用了6層卷繞。

伸長結(jié)構(gòu)中，由于設(shè)定最佳的電磁力，從閥門閉閥狀態(tài)到閥開啟狀態(tài)所需要的時間縮短，進(jìn)而能夠?qū)崿F(xiàn)高響應(yīng)化。與常規(guī)的噴油器相比較，本次開發(fā)的噴油器的閥開啟時，使噴油嘴針閥的動作響應(yīng)時間縮短了62%(圖7)。

圖7 噴嘴針閥動作

此外，作為表示寬程噴射量的指標(biāo)，有動態(tài)流量比(DFR),能夠用式(3)描述：

(3)

式(3)中，DFR是用對應(yīng)的最小燃油噴射壓力的最小噴油量(Qmin)除以用對應(yīng)的最大燃油噴射壓力的最大噴油流量(Qmax)的值。相比傳統(tǒng)型噴油器的DFR,本次開發(fā)的噴油器的DFR由于噴油嘴針閥的高響應(yīng)化，最小噴射流量減少，DFR提高約1.5倍。由于適應(yīng)可變?nèi)加蛪毫?，DFR提高約2.4倍，合計能提高約3.6倍。

2 適應(yīng)高噴油壓力

為了適應(yīng)比傳統(tǒng)噴油器更高的噴油壓力，本次開發(fā)的噴油器采用將沖擊力應(yīng)用與閥開啟力的伸長結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)子的沖擊力可由轉(zhuǎn)子升程(行程)決定，轉(zhuǎn)子升程是使噴嘴針閥動作的重要的參數(shù)。圖8示出了轉(zhuǎn)子周邊的結(jié)構(gòu)圖。

圖8 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)圖

利用沖擊力克服高燃油壓力，以提升噴油嘴針閥，有必要提高碰撞前的轉(zhuǎn)子速度。一旦加大轉(zhuǎn)子升程，則碰撞前的轉(zhuǎn)子速度加快，沖擊力也變大，所以就算在高燃油壓力下，也能夠提升噴油嘴針閥。但是，如果加大轉(zhuǎn)子升程，則隨著沖擊力變大，需要解決碰撞時的噪聲增大，以及碰撞部的耐久性問題。

因此，由于實(shí)體發(fā)動機(jī)工作環(huán)境的影響導(dǎo)致的沖擊力的偏差，要求能夠在設(shè)定燃油壓力(目標(biāo)水平)以上動作，同時不產(chǎn)生過大的沖擊力，使轉(zhuǎn)子升程(即閥升程)最佳化。圖9表示轉(zhuǎn)子升程與動作極限燃油壓力的關(guān)系，以及在開發(fā)的噴油器中采用的轉(zhuǎn)子升程。

圖9 轉(zhuǎn)子升程和可操作的燃油壓力的關(guān)系

3 顆?；?燃油霧化)

通過加大燃油噴孔部的上、下位的壓力差，可促進(jìn)燃油顆粒化。要加大上、下位燃油壓力差，可提高燃油噴孔上位側(cè)，即噴孔上方壓力或者降低燃油噴孔出口側(cè)壓力，因?yàn)槿魏螄娪推鞯膰娪涂壮隹趥?cè)壓力是缸內(nèi)壓力，在此采用了提高噴油孔上位側(cè)即噴孔上方壓力的方法。圖10表示閥座周邊結(jié)構(gòu)圖。

圖10 閥座的結(jié)構(gòu)

要提高噴孔上方壓力，必須要減少閥座部的燃油壓力損失，加大閥升程，進(jìn)而擴(kuò)大閥座部開口面積(即球閥的閥開啟截面積)，以及加大閥座本身直徑的方法。

不過，在加大閥升程情況下，導(dǎo)致噴油嘴針閥的響應(yīng)性和碰撞部位耐久性惡化，碰撞噪聲增大等，所以不能過分地加大閥的升程。此外，由于閥座直徑加大，承受壓力面積增大，進(jìn)而閥開啟時要有更大的驅(qū)動能量，本次開發(fā)的噴油器采用了伸長結(jié)構(gòu)解決了上述問題。

使用激光衍射法測了油霧粒徑，結(jié)果表明加大閥座直徑，開發(fā)噴油器提高了噴油孔上方燃油壓力，相比傳統(tǒng)型噴油器即便在相同的施加燃油壓力條件(10MPa)下，由于噴油孔上、下位壓力差加大而促進(jìn)了油霧顆?；?，使油霧粒徑縮小25%。

本次開發(fā)的噴油器因?yàn)檫m應(yīng)燃油壓力高達(dá) 20MPa，相比傳統(tǒng)型噴油器，油霧粒徑能夠縮小43%(圖11)。

圖11 油霧粒徑的比較

4 噴油器結(jié)構(gòu)

圖12示出了傳統(tǒng)型噴油器與新開發(fā)的噴油器的結(jié)構(gòu)圖，表1列出噴油器主要技術(shù)規(guī)格。

傳統(tǒng)型噴油器的轉(zhuǎn)子與噴油嘴針閥整體結(jié)構(gòu)，新開發(fā)的噴油器的轉(zhuǎn)子與針閥采用分體式結(jié)構(gòu)。并且借助轉(zhuǎn)子的慣性力以提升噴油嘴針閥的伸長結(jié)構(gòu)。因此，本次開發(fā)的噴油器與傳統(tǒng)型噴油器相比，體積縮小15%，質(zhì)量減輕了37%。

圖12 噴油器及針閥的結(jié)構(gòu)

噴油器類型常規(guī)噴油器新開發(fā)的噴油器外徑/mm24.621長度/mm102.589.1質(zhì)量/g124.278.0升壓起動線圈電壓/V15040噴油壓力/MPa10(恒定)3.5～20動態(tài)流量比DFR12.946.8

5 結(jié)語

在直噴汽油機(jī)用噴油器的開發(fā)中，已取得了以下的結(jié)論。

(1) 考慮了伸長結(jié)構(gòu)的磁路設(shè)計(短回路化)，使閥開啟時間縮短了62%左右。另外，從燃油噴射量看，如換算為DFR值，開發(fā)的噴油器比傳統(tǒng)型噴油器DFR值提高3.6倍，能夠?qū)崿F(xiàn)寬量程噴射。

(2) 由于將伸長結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子升程設(shè)定為最佳值，相比傳統(tǒng)型噴油器，新開發(fā)噴油器能夠適應(yīng)高燃油壓力，適應(yīng)于可變?nèi)加蛪毫Τ蔀榭赡芰恕?/p>

(3) 相比傳統(tǒng)型噴油器，由于擴(kuò)大閥座直徑，能夠使油霧粒徑減小43%，實(shí)現(xiàn)燃油顆?；?。

(4) 由于噴油器的噴油嘴針閥使用伸長結(jié)構(gòu)，相比傳統(tǒng)型噴油器體積縮小15%,質(zhì)量減輕了37%。

2016-03-21)