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        GDI噴油器特性研究

        2020-04-20 00:16:12王志華
        時(shí)代汽車(chē) 2020年1期
        關(guān)鍵詞:針閥噴孔閥座

        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(xiāo)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?,?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(chēng)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?chē)?,試?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?xún)?yōu)化碳?xì)銱C排放,減少機(jī)油稀釋?zhuān)岣呷紵€(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?xún)?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(chē)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.

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