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GDI噴油器特性研究

2020-04-20 00:16王志華
時代汽車 2020年1期
關(guān)鍵詞:噴油器燃油高壓

王志華

摘 要:直噴汽油機高壓噴油器,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)計對噴射特性的影響。研究了噴油器動、靜態(tài)流量特性,同時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)動機所需噴油量,并對階梯噴孔特殊結(jié)構(gòu)對防積碳的作用進行了研究。

關(guān)鍵詞:高壓噴油器;噴射特性

1 前言

汽油機要滿足日益嚴格的排放法規(guī)要求,又要滿足用戶對燃油經(jīng)濟性和動力性的要求,必須改善其燃燒過程。通過采用高壓噴射提高霧化效果,可促進燃燒。汽油直噴,即將汽油直接噴入燃燒室,避免了在氣門口的燃油濕壁現(xiàn)象,消除了節(jié)氣門所引起的泵氣損失[1];燃油系統(tǒng)是發(fā)動機的心臟,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)特點及其功能,噴射特性等進行了探討研究。

2 高壓噴油器結(jié)構(gòu)功能及工作原理

直噴汽油機噴油器結(jié)構(gòu),見圖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)計靈活可變;可變化的系統(tǒng)壓力,噴油器最大工作壓力可達35MPa。

高壓噴油器工作原理,見圖2,燃油先從慮網(wǎng)1端進入,將在整個噴油器內(nèi)部充滿燃油,通過調(diào)整套2調(diào)整主彈簧3的預緊力將針閥5壓住,使得閥球6和閥座7緊貼從而將燃油密封住,同時也密封了從噴孔處進來的燃燒氣體。當ECU施加電控制信號,電線圈4產(chǎn)生磁力,將提起針閥使閥球離開閥座,進而噴油,反之,當ECU撤銷控制信號,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試參考壓力,如10MPa,當噴油器針閥全開時,噴油器在單位時間內(nèi)噴出的燃油質(zhì)量。噴油器靜態(tài)流量可通過如下公式計算:

Qstat=

Qstat表示單位時間內(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。從計算公式可知,對于某一噴油器而言,噴射壓力恒定,全開時噴油量Qstat為常數(shù)。

動態(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際動態(tài)流量與理想流量特性的差值。動態(tài)流量范圍[2],即噴油器可用的流量范圍用LFR表示,LFR=qmax/qmin用來衡量這流量特性曲線的線性區(qū)域大小,在相同的測量條件下,LFR越大表明線性區(qū)域越大,說明噴油器流量特性好,有利于ECU根據(jù)脈寬計算出相應(yīng)的噴射質(zhì)量,有利于對燃油噴射進行精確控制。

4 非固定銜鐵的針閥結(jié)構(gòu)

通常汽油機噴油器的針閥結(jié)構(gòu),銜鐵焊接在針閥桿上固定不動。本文提出一種非固定銜鐵的針閥結(jié)構(gòu)設(shè)計,其中銜鐵與針閥桿為可活動地相套接,見示意圖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,移動距離稱為銜鐵自由行程,見局部圖A。

當ECU施加信號,產(chǎn)生電磁力將銜鐵3 吸起,因銜鐵與擋圈上端面是分離,銜鐵迅速獲得動能,當運動到擋套位置,此時獲得足夠能量將針閥抬起進行噴油,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)閉方向運動,當閥球和閥座接觸,此時銜鐵和擋套分離,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獨立運動,相當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

多孔噴嘴噴孔形狀設(shè)計,通常有兩種,一種是直通孔,見圖5中(1),另一種是階梯孔見圖6中(1)。噴嘴采用直通孔設(shè)計,設(shè)計加工相對簡單,但是這種孔的結(jié)構(gòu)對燃油品質(zhì)比較敏感,如果使用差點品質(zhì)的燃油,容易積碳見圖6中的(2),積碳會造成油束噴角的改變,影響發(fā)動機燃燒效率,從圖中看出噴孔的有效孔徑減小了,將會導致噴射流量減小,發(fā)動機出現(xiàn)動力不足現(xiàn)象。

采用階梯孔設(shè)計,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,黑碳積聚在臺階孔外孔周圍,試驗表明這種積碳對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雜工作,靜態(tài)3D 油束布置,僅通過靜態(tài)油束分析是遠遠不夠,需要根據(jù)發(fā)動機的燃燒系統(tǒng)和進氣系統(tǒng)等動態(tài)模擬油氣在缸內(nèi)混合運動情況,通過試驗驗證不同的油束布置策略對發(fā)動機性能影響,選出最佳的噴油器油束布置方案。

通過對噴油器油束布置的策略調(diào)整可以優(yōu)化碳氫HC排放,減少機油稀釋,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、排氣閥不能干涉,以一定測量距離參考點,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)壁面造成機油稀釋;噴射的油束和火花塞不宜干涉,其間隙過大可能造成點火困難,間隙過小容易直接噴射到火花塞上造成點火困難,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)動機特點進行開發(fā),通過反復試驗,優(yōu)化油束布置策略,開發(fā)出性能最佳的發(fā)動機。

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,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,有利于對噴射燃油質(zhì)量進行精確控制。

(4)對噴油器油束布置策略優(yōu)化,有利開發(fā)出性能最佳的發(fā)動機。

參考文獻:

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

[2]肖瓊,顏伏伍等.電控噴油器流量特性試驗臺的開發(fā)與試驗分析. 中國機械工程. 2005.16(16):1149~1422.

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