GDI喷油器特性研究

王志华

摘 要：直喷汽油机高压喷油器，由于喷射压力高，雾化效果好，燃烧充分，有利于降低油耗。本文探讨了高压喷油器主要结构及其设计对喷射特性的影响。研究了喷油器动、静态流量特性，同时还分析了喷射特性曲线线性范围;采用非固定衔铁的针阀结构，避免针阀反弹，电子控制单元ECU更加精确地控制发动机所需喷油量，并对阶梯喷孔特殊结构对防积碳的作用进行了研究。

关键词：高压喷油器;喷射特性

1 前言

汽油机要满足日益严格的排放法规要求，又要满足用户对燃油经济性和动力性的要求，必须改善其燃烧过程。通过采用高压喷射提高雾化效果，可促进燃烧。汽油直喷，即将汽油直接喷入燃烧室，避免了在气门口的燃油湿壁现象，消除了节气门所引起的泵气损失[1];燃油系统是发动机的心脏，而喷油器是燃油系统的核心部件。

本文介绍了博世高压喷油器结构特点及其功能，喷射特性等进行了探讨研究。

2 高压喷油器结构功能及工作原理

直喷汽油机喷油器结构，见图1，内置电磁阀喷油器结构紧凑，目前应用较广泛的是多孔喷油器，其喷射角及喷雾形状设计灵活可变;可变化的系统压力，喷油器最大工作压力可达35MPa。

高压喷油器工作原理，见图2，燃油先从虑网1端进入，将在整个喷油器内部充满燃油，通过调整套2调整主弹簧3的预紧力将针阀5压住，使得阀球6和阀座7紧贴从而将燃油密封住，同时也密封了从喷孔处进来的燃烧气体。当ECU施加电控制信号，电线圈4产生磁力，将提起针阀使阀球离开阀座，进而喷油，反之，当ECU撤销控制信号，针阀在弹簧力作用下阀球和阀座紧贴将燃油密封住。

3 高压喷油器流量特性

高压喷油器静态流量通常是指在某测试参考压力，如10MPa，当喷油器针阀全开时，喷油器在单位时间内喷出的燃油质量。喷油器静态流量可通过如下公式计算：

Qstat=

Qstat表示单位时间内的质量流量;g为重力加速度;ρ为燃油密度，P为喷油器内与喷射出口的压差，Ax 为所有喷孔等效后的总面积。从计算公式可知，对于某一喷油器而言，喷射压力恒定，全开时喷油量Qstat为常数。

动态流量q是在设定的脉宽ti和压力下，喷射一次喷出的油量。高压喷油器流量特性，即在某喷射压力下，喷油器单次喷油量与喷油脉宽的关系曲线，图3看出理想情况是线性关系。

喷油器的线性偏差定义为实际动态流量与理想流量特性的差值。动态流量范围[2]，即喷油器可用的流量范围用LFR表示，LFR=qmax/qmin用来衡量这流量特性曲线的线性区域大小，在相同的测量条件下，LFR越大表明线性区域越大，说明喷油器流量特性好，有利于ECU根据脉宽计算出相应的喷射质量，有利于对燃油喷射进行精确控制。

4 非固定衔铁的针阀结构

通常汽油机喷油器的针阀结构，衔铁焊接在针阀杆上固定不动。本文提出一种非固定衔铁的针阀结构设计，其中衔铁与针阀杆为可活动地相套接，见示意图4，挡圈4和针阀杆5焊接，挡套1和针阀杆焊接，衔铁可沿着针阀杆上下移动，移动距离称为衔铁自由行程，见局部图A。

当ECU施加信号，产生电磁力将衔铁3 吸起，因衔铁与挡圈上端面是分離，衔铁迅速获得动能，当运动到挡套位置，此时获得足够能量将针阀抬起进行喷油，合理调节衔铁自由行程，可使针阀响应快;而在针阀关闭过程中，在图2中的主弹簧3作用下，衔铁与挡套一起朝关闭方向运动，当阀球和阀座接触，此时衔铁和挡套分离，在惯性和回位弹簧2作用下，衔铁和针阀杆上的挡圈再相接触，这种衔铁和和针阀杆相对独立运动，相当于减少了针阀有效质量，从而减小阀球和阀座之间的冲击力，避免针阀反弹，使得ECU更精确地控制喷射的燃油质量，而且还有利于减少阀球和阀座之间的磨损。

5 喷油器喷孔特点

多孔喷嘴喷孔形状设计，通常有两种，一种是直通孔，见图5中（1），另一种是阶梯孔见图6中（1）。喷嘴采用直通孔设计，设计加工相对简单，但是这种孔的结构对燃油品质比较敏感，如果使用差点品质的燃油，容易积碳见图6中的（2），积碳会造成油束喷角的改变，影响发动机燃烧效率，从图中看出喷孔的有效孔径减小了，将会导致喷射流量减小，发动机出现动力不足现象。

采用阶梯孔设计，将有效地防止积碳，提高了喷油器防积碳鲁棒性。从图6中（2）看出，黑碳积聚在台阶孔外孔周围，试验表明这种积碳对油束喷角改变将最大程度地降低了，而且内喷孔有效直径几乎不受积碳的影响，因此喷油器流量大小几乎不受影响。

6 油束布置策略及布置原则

喷油器油束布置策略是很复杂工作，静态3D 油束布置，仅通过静态油束分析是远远不够，需要根据发动机的燃烧系统和进气系统等动态模拟油气在缸内混合运动情况，通过试验验证不同的油束布置策略对发动机性能影响，选出最佳的喷油器油束布置方案。

通过对喷油器油束布置的策略调整可以优化碳氢HC排放，减少机油稀释，提高燃烧稳定性等[3]。喷油器油束布置策略基本原则是油束和进、排气阀不能干涉，以一定测量距离参考点，其喷射的油束都应该在活塞表面范围内，以免喷射到气缸内壁面造成机油稀释;喷射的油束和火花塞不宜干涉，其间隙过大可能造成点火困难，间隙过小容易直接喷射到火花塞上造成点火困难，需选择合理的间隙，提高燃烧稳定性。

喷油器油束布置策略需要根据具体发动机特点进行开发，通过反复试验，优化油束布置策略，开发出性能最佳的发动机。

7 结论

（1）高压喷油器采用了非固定衔铁的针阀结构设计，有效地减轻了针阀质量，避免针阀反弹，有利于精确控制喷射流量，阀座间冲击力减小有利于降低阀座磨损率。

（2）高压喷油器的喷孔采用阶梯孔设计有利于防止喷孔积碳。

（3）喷油器流量线性区域越大表明喷油器流量特性越好，有利于对喷射燃油质量进行精确控制。

（4）对喷油器油束布置策略优化，有利开发出性能最佳的发动机。

参考文献：

[1]杨世春，李君等. 缸内直喷汽油机技术发展趋势分析. 车用发动机，2007，171（5）：8～13.

[2]肖琼，颜伏伍等.电控喷油器流量特性试验台的开发与试验分析. 中国机械工程. 2005.16（16）：1149～1422.