GDI噴油器特性研究

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構及其設計對噴射特性的影響。研究了噴油器動、靜態流量特性，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構，避免針閥反彈，電子控制單元ECU更加精確地控制發動機所需噴油量，并對階梯噴孔特殊結構對防積碳的作用進行了研究。

關鍵詞：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要求，又要滿足用戶對燃油經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象，消除了節氣門所引起的泵氣損失[1];燃油系統是發動機的心臟，而噴油器是燃油系統的核心部件。

本文介紹了博世高壓噴油器結構特點及其功能，噴射特性等進行了探討研究。

2 高壓噴油器結構功能及工作原理

直噴汽油機噴油器結構，見圖1，內置電磁閥噴油器結構緊湊，目前應用較廣泛的是多孔噴油器，其噴射角及噴霧形狀設計靈活可變;可變化的系統壓力，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1端進入，將在整個噴油器內部充滿燃油，通過調整套2調整主彈簧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噴出的燃油質量。噴油器靜態流量可通過如下公式計算：

Qstat=

Qstat表示單位時間內的質量流量;g為重力加速度;ρ為燃油密度，P為噴油器內與噴射出口的壓差，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。

動態流量q是在設定的脈寬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系曲線，圖3看出理想情況是線性關系。

噴油器的線性偏差定義為實際動態流量與理想流量特性的差值。動態流量范圍[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域大小，在相同的測量條件下，LFR越大表明線性區域越大，說明噴油器流量特性好，有利于ECU根據脈寬計算出相應的噴射質量，有利于對燃油噴射進行精確控制。

4 非固定銜鐵的針閥結構

通常汽油機噴油器的針閥結構，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構設計，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，合理調節銜鐵自由行程，可使針閥響應快;而在針閥關閉過程中，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）。噴嘴采用直通孔設計，設計加工相對簡單，但是這種孔的結構對燃油品質比較敏感，如果使用差點品質的燃油，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，發動機出現動力不足現象。

采用階梯孔設計，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3D 油束布置，僅通過靜態油束分析是遠遠不夠，需要根據發動機的燃燒系統和進氣系統等動態模擬油氣在缸內混合運動情況，通過試驗驗證不同的油束布置策略對發動機性能影響，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整可以優化碳氫HC排放，減少機油稀釋，提高燃燒穩定性等[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，其噴射的油束都應該在活塞表面范圍內，以免噴射到氣缸內壁面造成機油稀釋;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，提高燃燒穩定性。

噴油器油束布置策略需要根據具體發動機特點進行開發，通過反復試驗，優化油束布置策略，開發出性能最佳的發動機。

7 結論

（1）高壓噴油器采用了非固定銜鐵的針閥結構設計，有效地減輕了針閥質量，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計有利于防止噴孔積碳。

（3）噴油器流量線性區域越大表明噴油器流量特性越好，有利于對噴射燃油質量進行精確控制。

（4）對噴油器油束布置策略優化，有利開發出性能最佳的發動機。

參考文獻：

[1]楊世春，李君等. 缸內直噴汽油機技術發展趨勢分析. 車用發動機，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與試驗分析. 中國機械工程. 2005.16（16）：1149～1422.