空氣輔助式噴油器結(jié)構(gòu)驗證及仿真分析

趙世峰，董小瑞，王艷華

引言

隨著能源危機和環(huán)境問題的日益嚴(yán)峻，國家的排放法規(guī)也在不斷升級，人們在追求車用汽油機良好的動力性的同時更加注重節(jié)能環(huán)保[1]。汽油機缸內(nèi)直噴技術(shù)（Gasoline Direct Injection,即GDI）成為發(fā)動機研發(fā)領(lǐng)域中的一種應(yīng)用趨勢[2]。而噴油器已成為缸內(nèi)直噴技術(shù)研究的核心問題。 目前噴油器主要分高壓和低壓兩種模式，高壓噴油器供油壓力一般在4～13MPa之間，但隨著壓縮比的增加，其噴油壓力還有增高的趨勢，這在可靠性和加工工藝上都存在問題；低壓噴油器就可以很好地避免上述問題，并且更容易控制，使用壽命更長，不易積碳和結(jié)焦，完全能夠滿足直噴汽油機要求[3-4]。

1、結(jié)構(gòu)與原理

空氣輔助式噴油器主要由燃油通道，空氣通道，油氣混合腔，電磁閥，針閥體等部件組成。其結(jié)構(gòu)如圖1所示，燃油和空氣噴孔在電磁線圈的控制下實現(xiàn)開閉，從而精確控制燃油和空氣的流量，燃油和空氣在混合腔內(nèi)充分混合后經(jīng)噴孔噴入氣缸內(nèi)。燃油和空氣在噴油器內(nèi)進(jìn)行混合，實現(xiàn)燃油噴射前的第一次霧化。為了得到理想的霧化結(jié)果，本結(jié)構(gòu)中增加了空氣旋流器和燃油旋流器。空氣和燃油的旋轉(zhuǎn)運動通過旋流器實現(xiàn)，并且旋轉(zhuǎn)方向相反，實現(xiàn)燃油在噴油器內(nèi)的充分霧化。

2、仿真分析

用AVL-HYDSIM對空氣輔助式噴油器的設(shè)計方案進(jìn)行合理性與可行性分析。仿真模型如圖2所示。邊界條件設(shè)置為：機械邊界條件位移設(shè)置為 0；燃油供應(yīng)壓力邊界單元設(shè)置燃油壓力 0.8MPa；氣缸壓力邊界單元設(shè)置氣缸壓力0.1MPa；回油壓力邊界單元設(shè)置回油壓力為 0.3MPa；氣體邊界單元設(shè)置為供氣壓力0.65MPa。

2.1 燃油供給部分仿真結(jié)果分析

圖3 燃油部分仿真結(jié)果a表明，當(dāng)燃油噴射時間達(dá)到4ms時，其噴油量約為66mm3，即16.5 mm3/ms，在初步設(shè)計中，要求 3～5ms內(nèi)噴射燃油 60mg，及燃油噴射量為 12～20 mm3/ms，仿真結(jié)果符合設(shè)計要求，并且從圖上可以看出在燃油噴射過程中噴油量成平穩(wěn)上身的趨勢，說明瞬時噴油基本沒有波動。圖b表示出單次噴油循環(huán)中噴油壓力的變化情況，從圖中可以看出，在燃油噴射初期o.5ms前，噴油壓力出現(xiàn)比較大的波動，這主要是由于針閥打開過程引起的。在設(shè)計中要求針閥開閉時間要盡量縮短，以保證燃油噴射量的精確控制。在 0.5ms之后，噴油壓力穩(wěn)定在 0.8MPa,符合預(yù)定的噴射壓力范圍。

2.2 空氣輔助式噴油器系統(tǒng)仿真結(jié)果分析

圖4 為空氣輔助式噴油器動態(tài)工作過程仿真結(jié)果。圖a可以看出針閥在 0.5ms開啟，3.5ms關(guān)閉，燃油單次噴射時間為3ms，針閥升程為0.6mm，并且能快速開啟和關(guān)閉。圖b和圖c反應(yīng)了混合氣噴射率和燃油噴射率的變化情況。趨勢基本與針閥開閉一致，并且當(dāng)針閥完全開啟時間段，燃油噴射率在12～14 mm3/ms之間，符合設(shè)計要求。圖d反映出燃油、空氣及混合氣流量的變化情況，在單次噴射循環(huán)中，燃油噴射量約為42 mm3，即14 mm3/ms（忽略針閥關(guān)閉時間，所以燃油噴射率比 c圖稍大）。圖 e反映出空氣從空氣室流經(jīng)旋流室到達(dá)混合室過程中的氣壓變化情況，在針閥落座過程中可能會出現(xiàn)混合室壓力高于空氣室壓力，出現(xiàn)氣流反向流動，同時也驗證了在設(shè)計時加入空氣單向倒流閥的必要性。

3、結(jié)束語

本文利用AVL-HYDSIM軟件對空氣輔助式噴油器系統(tǒng)進(jìn)行仿真，通過對燃油供給部分和針閥升程、燃油噴射率、噴射量及噴射壓力等方面進(jìn)行分析，其結(jié)果符合預(yù)期設(shè)計要求。當(dāng)然此次模擬也只是針對噴油器的基本參數(shù)進(jìn)行仿真分析，為以后進(jìn)一步優(yōu)化與結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供依據(jù)，同時也有助于對空氣輔助式噴油器進(jìn)行深入研究。

[1] 郝勇.汽車排氣污染現(xiàn)狀及防治對策[J].環(huán)境保護(hù)科學(xué).2003,29(4):15-16.

[2] 楊世春,李君,李德剛等.缸內(nèi)直噴汽油機技術(shù)發(fā)展趨勢分析[J].車用發(fā)動機,2007,(5):8-13.

[3] 顧赟.汽油機空氣輔助缸內(nèi)直接噴射系統(tǒng)的研究[D].浙江大學(xué),2010.

[4] 蔣思望.LPG空氣輔助噴射技術(shù)的研究[D].浙江大學(xué),2005.