GDI噴油器針閥動力學特性研究

孔祥棟　張振東　王小燕　程　強

1.上海理工大學，上海，200093　　2.上海交通大學，上海，200240

GDI噴油器針閥動力學特性研究

孔祥棟1張振東1王小燕1程強2

1.上海理工大學，上海，2000932.上海交通大學，上海，200240

摘要：針閥動力學行為是影響GDI(汽油直接噴射式)噴油器工作穩(wěn)定性和可靠性的關(guān)鍵因素。為了揭示不同參數(shù)對針閥動力學特性的影響機理，以某款GDI多孔噴油器為對象，依據(jù)針閥的受力特點建立了針閥動力學模型和GDI噴油器AMESim工作過程仿真模型，仿真分析了閥座錐角、閥座與鋼球的接觸方式、閥針運動質(zhì)量等參數(shù)對針閥動力學特性的影響規(guī)律。結(jié)果表明：適當減小閥座錐角、增大閥座與鋼球的接觸面積、減小針閥運動質(zhì)量可有效抑制開啟或落座過程中針閥的振蕩幅度。根據(jù)仿真分析結(jié)果對GDI噴油器的結(jié)構(gòu)進行了綜合改進，結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)改進后，GDI噴油器針閥的動力學特性得到顯著改善。

關(guān)鍵詞：GDI噴油器；針閥振蕩；動力學特性；結(jié)構(gòu)改進

0引言

在汽油缸內(nèi)直噴系統(tǒng)中，汽油直接噴射式(gasoline direct injection，GDI)噴油器是精密計量燃油并形成噴霧的關(guān)鍵部件，其性能直接影響油氣混合過程和混合氣形成質(zhì)量。隨著對缸內(nèi)直噴汽油機節(jié)能減排要求的不斷提高，對GDI噴油器的工作穩(wěn)定性、動態(tài)響應特性也提出了更為嚴格的要求[1]。在工作過程中，GDI噴油器的針閥受到電磁力、液體力、彈簧力等的共同作用，在針閥開啟或落座過程中，針閥與鐵芯端面或閥座碰撞均會產(chǎn)生振蕩，特別是在落座過程中，若針閥振蕩幅度過大會造成GDI噴油器不正常噴射，直接影響GDI發(fā)動機的工作性能。因此，在深入分析不同因素對GDI噴油器針閥動力學特性影響機理的基礎(chǔ)上，通過結(jié)構(gòu)及參數(shù)優(yōu)化有效抑制針閥振蕩，對提高GDI噴油器的工作性能具有重要的實際意義。

為了改善GDI噴油器的動態(tài)響應特性，國內(nèi)外學者從不同側(cè)面開展了研究工作。宋睿智等[2]借助動量控制方法，通過減小運動件質(zhì)量減小了GDI噴油器針閥反跳幅度；Hu等[3]建立了一種電控噴油器動態(tài)響應過程的簡化模型，分析了流動損失、壓力波動、電磁力及彈簧力對針閥動態(tài)特性的影響規(guī)律；Hornby[4]提出了一種直噴噴油器結(jié)構(gòu)，可根據(jù)發(fā)動機性能對電磁力進行調(diào)整，改善了針閥動態(tài)響應性能。

GDI噴油器針閥動力學特性受到多種復雜因素的影響，因此需要開展更深入的研究工作，進一步改進GDI噴油器的結(jié)構(gòu)，以提高動態(tài)響應性能。

1GDI噴油器的工作原理

如圖1所示，GDI噴油器主要由線圈、鐵芯、回位彈簧、銜鐵、導向管、閥桿、鋼球、閥座、軛鐵等組成。其中，鋼球、針閥、針閥導向環(huán)、銜鐵固定環(huán)和銜鐵焊接為一體，形成一個針閥組件。當電磁線圈通電后，產(chǎn)生磁場，磁力線經(jīng)由銜鐵、導向管、軛鐵、導磁環(huán)、鐵芯等磁路元件形成閉合回路，鐵芯對銜鐵產(chǎn)生電磁吸引力，當電磁吸力大于回位彈簧的預緊力等阻力時，針閥組件被吸起，鋼球離開閥座，高壓燃油經(jīng)噴口噴出，形成燃油噴霧。電磁線圈斷電后，當電磁力減小到不足以克服回位彈簧力以吸引住銜鐵時，針閥組件在彈簧力作用下向閥座方向運動，鋼球落座并結(jié)束噴油[5]。

圖1　GDI噴油器結(jié)構(gòu)圖

2針閥動力學模型

針閥在一個噴油周期內(nèi)，會受到彈簧力、液體力和電磁力的作用，這些力的共同作用決定了針閥的運動特性。針閥與鐵芯、閥座的碰撞過程為彈性碰撞，所以針閥與鐵芯碰撞時的最高位置高于給定的針閥升程值，同樣，針閥與閥座碰撞時的最低位置低于零[6]。所建立的GDI噴油器針閥的動力學模型如圖2所示。

圖2　針閥動力學模型

運動方程為

(1)

邊界條件如下：

當x≤0時

t≥0，d1=0，d2≠0，K1=0，K2≠0，K≠0

當0

t>0，d1= d2=0，K1=K2=0，K≠0

當x≥h時

t>0，d1≠0，d2=0，K1≠0，K2=0，K≠0

初始條件為

式中，m為針閥質(zhì)量；K為回位彈簧剛度；K1為鐵芯彈性系數(shù)；K2為閥座特性系數(shù)；d1為鐵芯阻尼系數(shù)；d2為閥座阻尼系數(shù)；F1為電磁力；F2為液體力；F3為彈簧力；x為實時針閥升程；h為給定針閥升程；t為時間。

在針閥與鐵芯和閥座端面接觸碰撞過程中，認為能量損失是由接觸阻尼引起的，接觸阻尼可表示為

(2)

式中，Kj為接觸剛度；e為彈性恢復系數(shù)；δ為穿透深度；n為非線性指數(shù)；U為碰撞速度。

3針閥動力學特性分析

3.1仿真分析

本研究借助AMESim軟件建立GDI噴油器的動力學仿真模型，如圖3所示。GDI噴油器的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

圖3　GDI噴油器動力學仿真模型

參數(shù)數(shù)值參數(shù)數(shù)值噴孔直徑(mm)0.15噴孔數(shù)6鋼球直徑(mm)3閥桿直徑(mm)2銜鐵直徑(mm)10閥座錐角(°)120針閥最大升程(mm)0.07銜鐵質(zhì)量(g)2.5閥桿質(zhì)量(g)1.3鋼球質(zhì)量(g)0.1針閥導向環(huán)質(zhì)量(g)0.1回位彈簧預緊力(N)35電磁力(N)75燃油壓力(MPa)8噴油脈寬(ms)3

圖4　針閥升程曲線

按照圖3所示模型，結(jié)合表1給定的參數(shù)，仿真得出的針閥升程曲線如圖4所示。由圖4可以看出，當電磁線圈通電后，銜鐵帶動針閥組件上升，至銜鐵與鐵芯接觸時，引起沖擊和反彈，導致針閥振蕩，這將影響噴油量的精確控制。當電磁線圈斷電后，針閥組件受回位彈簧的作用下落，當鋼球和閥座接觸時，同樣會引起沖擊和反彈，產(chǎn)生針閥振蕩現(xiàn)象，這不僅影響噴油量的精確控制，還會導致汽油不正常噴射。這些負面現(xiàn)象必須加以抑制。

3.2實驗驗證

為了測試針閥升程曲線，在GDI噴油器進油管外安裝了MicrotrakⅡ型激光位移傳感器，運用激光反射原理對針閥動態(tài)升程進行非接觸式測量，如圖5所示。激光位移傳感器的輸出信號經(jīng)過電路處理后，通過NI數(shù)據(jù)采集卡發(fā)送到計算機監(jiān)控界面。

圖5　針閥升程動態(tài)測量系統(tǒng)

針閥升程的仿真與實測結(jié)果對比如圖6所示，可見仿真結(jié)果與實測結(jié)果吻合度較高，說明通過仿真可以有效預測GDI噴油器針閥動力學特性的變化趨勢。

圖6　針閥升程曲線對比

4影響因素分析

4.1閥座錐角

圖7比較了錐角α分別為120°、105°和90°時的針閥升程曲線。可以看出，針閥開啟時的振蕩幾乎完全相同，針閥落座的升程振蕩隨著角度的減小，得到一定的改善。

圖7　不同錐角時的針閥升程曲線

4.2閥座與鋼球接觸方式

為了分析鋼球與閥座接觸面積對針閥動力學特性的影響，建立了圖8所示的兩種閥座結(jié)構(gòu)。

(a)錐面閥座(b)球面閥座圖8　錐形和球面閥座結(jié)構(gòu)對比

圖9比較了分別采用90°錐角的錐面閥座與球面閥座時的針閥升程曲線。可以看出，針閥開啟時的動力學特性基本相同，針閥落座時，采用球面閥座時的針閥振蕩相對于錐面閥座明顯減弱。其主要原因是球面閥座增大了鋼球的接觸面積，針閥落座對閥座的壓力變小，沖擊力得到分散，從而減小了針閥落座時的振蕩。

圖9　閥座與鋼球不同接觸方式下針閥升程曲線

4.3針閥運動質(zhì)量

針閥運動過程遵循動量守恒定律，欲抑制針閥振蕩，可以減小針閥運動質(zhì)量。這樣，不論是在針閥開啟時還是針閥落座時，都可獲得更好的動力學特性。

圖10比較了針閥質(zhì)量分別為3 g、4 g和5 g時的針閥升程曲線。可以看出，質(zhì)量越小，針閥在開啟和落座時的振蕩越小，可以獲得較好的動力學特性。

圖10　不同針閥質(zhì)量下的針閥升程曲線

5GDI噴油器結(jié)構(gòu)改進

5.1運動組件結(jié)構(gòu)分離方案

為了減小針閥質(zhì)量，對GDI噴油器針閥組件結(jié)構(gòu)進行改進，將運動組件進行結(jié)構(gòu)分離，減小直接參與針閥落座的質(zhì)量。

如圖11所示，去除銜鐵固定環(huán)，用緩沖彈簧對銜鐵加以支撐，將銜鐵頂在針閥導向環(huán)上；銜鐵內(nèi)孔與針閥之間采用間隙配合，使得銜鐵與閥桿可相對滑動，即銜鐵是一個單獨的運動件。閥桿、鋼球和針閥導向環(huán)仍焊接為一體，組成針閥組件。為防止在噴油器開啟時針閥依靠慣性繼續(xù)上行，通過改變鐵芯凹槽的深度，使得針閥導向環(huán)只能上升0.07 mm，即將針閥的最大升程限定在0.07 mm，這樣針閥和銜鐵的最大升程均為0.07 mm。

圖11　針閥組件分離圖

當線圈通電后，銜鐵帶動針閥上行，銜鐵至鐵芯端面發(fā)生碰撞，針閥和銜鐵被反彈的時候，緩沖彈簧可以吸收部分能量，從而降低反彈力度，減小針閥振蕩。當線圈斷電后，在回位彈簧的作用下，針閥帶動銜鐵一起下行，當針閥與閥座碰撞時，銜鐵仍可繼續(xù)下行，這樣銜鐵的沖擊力被緩沖彈簧吸收，不會參與針閥的落座碰撞，減小了參與針閥落座時的沖擊力，從而可減小針閥落座時的振蕩。

5.2仿真驗證

依據(jù)圖7仿真結(jié)果，適當減小閥座錐角可改善針閥振蕩。但由圖9仿真結(jié)果可看出，相對于改變閥座錐角，使用球面閥座可實現(xiàn)更佳的降低針閥振蕩效果。故采用球面閥座結(jié)合運動質(zhì)量分離方案，對GDI噴油器結(jié)構(gòu)進行了綜合改進。綜合改進后的AMESim仿真模型如圖12所示。

圖12　綜合改進后的仿真模型

圖13　綜合改進前后針閥升程曲線比較

圖13比較了綜合改進前后的針閥升程曲線，可以看出，無論是在GDI噴油器開啟還是關(guān)閉時，針閥的動力學特性都得到顯著改善。

6結(jié)論

(1)建立的GDI噴油器針閥動力學模型和工作過程仿真模型可以有效地分析預測GDI噴油器針閥動力學特性的變化規(guī)律。

(2)適當減小GDI噴油器的閥座錐角，增大閥座與針閥的接觸面積，對GDI噴油器中針閥運動組件進行結(jié)構(gòu)分離，減小針閥質(zhì)量，均可抑制針閥開啟或落座時的振蕩。

(3)對GDI噴油器進行綜合改進后，進一步提高了針閥動力學特性，對防止GDI噴油器不正常噴油，實現(xiàn)對噴油量的精確控制有重要意義。

參考文獻：

[1]Serras-Pereira J,van Romunde Z, Aleiferis P G, et al. Cavitation, Primary Break-up and Flash Boiling of Gasoline, Iso-Octane and N-Pentane with a Real-size Optical Direct-injection Nozzle[J]. Fuel, 2010, 89(9): 2592-2607.

[2]宋睿智，居鈺生，李駿，等. 基于動量控制的GDI噴油器針閥防反跳結(jié)構(gòu)分析[J]. 現(xiàn)代車用動力，2014(2): 1-4.

Song Ruizhi, Ju Yusheng, Li Jun, et al. Analysis of Anti-rebounce Structure of GDI Injector Needle Valve Based on Momentum Control[J]. Modern Vehicle Power, 2014(2): 1-4.

[3]Hu Q, Wu S F, Stottler S, et al. Modelling of Dynamic Responses of an Automotive Fuel Rail System, Part Ⅰ: Injector[J]. Journal of Sound and Vibration, 2006, 245(5): 801-814.

[4]Hornby M J. Solenoid Actuated Double Pole Direct Fuel Injector for Supplying Petrol to Internal Combustion Engine, Has Pole Structure and Armature Moved Away from Pole Piece with Spring that Biases Needle Member to Position: WO, 2011143552-A2[P]. 2011-05-14.

[5]郭輝，張振東，程強，等. 一種電控噴油器動態(tài)時間參數(shù)測試方法[J]. 中國機械工程，2012, 23(5): 626-628.

[6]馬忠杰，錢耀義，于秀敏，等. 電控噴油器噴射過程的計算模型[J]. 內(nèi)燃機學報，1997, 15(20): 231-236.

Ma Zhongjie, Qian Yaoyi, Yu Xiumin. et al. Mathematical Model for the Injection Process of the Electronic-Controlled Injectors[J]. Transactions of CSICE,1997,15(20): 231-236.

(編輯蘇衛(wèi)國)

Research on Kinetics Characteristics of Needle in GDI Injector

Kong Xiangdong1Zhang Zhendong1Wang Xiaoyan1Cheng Qiang2

1.University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai,200093 2.Shanghai Jiao Tong University,Shanghai,200240

Abstract：Kinetics behaviors of the needle had an important impact on stability and reliability of the GDI injector. With a GDI injector as the object, this paper established a kinetics model of the needle and an AMESim simulation model of the GDI injector based on mechanical characteristics in order to reveal the influence mechanism of different parameters. The paper analyzed influence rules of different parameters through simulation, the results show that reducing seat cone angle appropriate, increasing contact area between ball and needle, and reducing moving mass of the needle can suppress the amplitude of oscillation effectively. The paper proposed a comprehensively improved structure based on above analyses of the GDI injector. The final results show that kinetics characteristics of the needle can be improved significantly with the optimized new structure.

Key words:GDI(gasoline direct injection) injector; needle oscillation; kinetics characteristics; structure improvement

收稿日期：2015-06-09

基金項目：國家自然科學基金資助項目(51275309)

中圖分類號：TK423

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2016.03.015

作者簡介：孔祥棟，男，1991年生。上海理工大學汽車工程研究所碩士研究生。主要研究方向為汽車發(fā)動機燃油噴射系統(tǒng)。張振東，男，1968年生。上海理工大學汽車工程研究所教授、博士研究生導師。 王小燕，女，1988年生。上海理工大學汽車工程研究所講師。 程強，男，1985年生。上海交通大學汽車工程研究院博士后研究人員。