汽油发动机喷油器结构改进设计

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２０１０年第１期内燃机工程・５７・

部件的性能已经成为汽车研究领域内的一个主要研究方向。在国内对柴油喷油器的设计改进［６曲］已经得到了重视，对于汽油喷油器的改进研究也在进一步开展。从设计角度说，喷油器的改进设计工作主要包括电磁结构和机械结构两部分。电磁结构部分主要是改变电磁线圈安匝数和磁隙大小，提高电磁吸力来增强喷油器的电磁响应性能。喷油器内部机械结构决定着喷油器的过渡响应时间、喷射角度、喷射形式和雾化效果等关键因素［１０３。本文的主要工作着重于喷油器机械结构的改进方面，利用Ｓｔａｒ－ＣＤ流体动力学模拟软件分析了不同阀芯底座结构对喷油器喷射性能的影响，并依据模拟分析结果，对喷油器的结构进行了改进设计研究。

１喷油器结构改进模拟分析

在喷油器阀芯动力学模型的基础上‘１１］，可以通过缩短喷针的长度以及将衔铁和喷针做成中空结构来优化阀芯结构。在进行部件结构改进前，利用Ｓｔａｒ－ＣＤ软件进行流体动态模拟分析，结果如图１所示。

（ｂ）喷射截面模拟分析结果

图１阀芯结构改进模拟分析

从图１ａ的模拟分析结果可以看出：改进设计的阀芯与阀座侧面之间的间隙成为球面圆弧的一部分，其结构变得狭长细小，球阀与喷孔板之间的空间加大，为紊流的生成提供了条件。Ａ－Ａ截面处的放大可以看出：改进设计后涡旋紊流形成的趋势明显高于改进前。这种涡旋紊流的产生直接影响到雾化的效果，试验证实不稳定的涡旋紊流产生的喷射雾化油滴小于常规流态下的雾化油滴。从图１ｂ中可以清晰地看到：在同一时刻（２．７５ｍｓ）时，改进后的喷射截面积大于改进前，说明喷油器的阀芯响应时间得到了加强。

２喷油器的结构改进

计算机模拟仿真分析结果得出：使燃油产生涡旋紊流的底座结构喷射出的燃油雾化效果更好，质量轻的阀芯结构有利于提高喷油器的响应时间。根据上述模拟仿真结果，对喷油器的阀芯和底座结构进行了改进，用球阀代替需要多道磨削加工的细长针阀，将其实心结构改为中空结构。改进前后的燃油流向如图２所示。

燃油喷射方向

（ａ）改进前

燃油喷射方向

（ｂ）改进后

图２改进前后喷油器端头结构及燃油流向由图２可以看出：改进后的结构使燃油加强了横向流动趋势，燃油流动形式由原来的纵向流动趋势为主，转变成横纵混合但横向加强的趋势。燃油通过球阀后，直接冲击到喷孔板上，横向流向喷口，再纵向喷射出去。这种结构的改进增加了燃油在喷油器内部的不稳定流动，使燃油喷射和雾化效果得到改善。

３改进前后试验对比验证

在验证试验前，对改进的喷油器进行了ＤＦＭＥＡ（ｄｅｓｉｇｎｆａｉｌｕｒｅｍｏｄｅｅｆｆｅｃｔｓａｎａｌｙｓｉｓ），即设计失效模式影响分析，对改进设计进行了全面的分析和研究，进而对样品进行了综合性能验证试验。

对改进前后喷油器的喷射形式进行了测试，测试液为汽车工程协会（ＳＡＥ）测试标准中规定的正庚烷，喷射压力为３５０ｋＰａ，测试液温度为（２０－４－１）℃。改进前油束比较集中，尤其是在油束核心区，改进后的油束比较分散，分布相对均匀，有利于燃油的进一

步雾化。燃油喷射形式和雾化结果如图３所示。　万方数据

・５８・内燃机工程２０１０年第１期

新型喷油器ｓＭＤ６５“ｍ旧氆喷油器ｓＭＤ９５¨ｍ

剪视匣Ｌ型塑堕前视图侧视图

图３喷射形式和雾化结果

由图３可以清晰地观察到：无论是前视图还是侧视图，改进后的喷油器喷射范围均有一定程度的增加，这种宽范围的分布提高了燃油破碎雾化几率１１２’１３｜，燃油索特平均直径从９５“ｍ减少到６５＂ｍ也证实了这一点。通过测试得到了改进前后的电磁响应时间对比，观察到喷油器的开启响应时间缩短了０．３ｍｓ，关闭响应时间缩短了１．４ｍｓ，如图４所示。

图４改进前后的电磁响应时间

由图４可见：改进后的喷油器在１．１ｍｓ时已经开始响应，燃油已经从喷嘴端喷出，而改进前的喷油器还没有燃油喷射出来，说明它还没有响应，在１．４ｍｓ时，改进前的喷油器开始响应，有少量燃油喷射出喷嘴，而此时改进后的喷油器已经喷射出相对较多的燃油。至于关闭响应，在６．１０ｍｓ时改进后的喷油器已经开始关闭响应，喷油量明显减少，而改进前的喷油器还在喷出部分燃油。７．５０ｍｓ时改进前的喷油器开始关闭响应，而改进后的喷油器已经完成了关闭响应。改进后的喷油器关闭响应特性相比开启响应特性得到的改善更为明显【ｌ４｜。

在不改变其他参数的情况下，应用改进前后的喷油器进行发动机台架性能对比试验，得到的发动机排放试验数据见表１和表２。

表１改进前的排放试验ｇ／ｋｍ

改进前ＨＣＣｏＮＯ。

试验１０．０７４ｏ．９４８ｏ．０５２

试验２ｏ．０７７１．０７６ｏ．０６４

试验３ｏ．０６７１．１３１ｏ．０５８

平均值ｏ．０７３１．０５２０．０５８

表２改进后的排放试验数据ｇ／ｋｍ

改进后ＨＣＣ０Ｎ０。

试验１ｏ．０４７ｏ．７６５ｏ．０２４

试验２Ｏ．０５１ｏ．８６２ｏ．０３６

试验３ｏ．０５３Ｏ．８２１ｏ．０４２

平均值ｏ．０５０ｏ．８１６ｏ．０３４

通过对比可知：应用改进后的喷油器发动机的排放性能得到了明显改善，尤其是ＣＯ的排放量得到了较好的控制。

４结论

（１）在模拟仿真分析基础上，对喷油器的阀芯和底座结构进行改进后，使喷油器的电磁响应特性得到改善，开启响应时间由原来的１．４ｍｓ降低到１．１ｍｓ，关闭响应时间缩短了１．４ｍｓ，为发动机动态响应特性的提高奠定了基础。

（２）底座结构的改进使燃油喷射形式由相对集中变为分散均匀，有利于燃油雾化，雾化油滴直径进一步减小，ＳＭＤ值减小了３２％。发动机的排放性能得到了明显改善。

（３）将具有半球形端头的针阀改为球阀，利用激光焊接球头球阀代替精益磨削半球形端头的针阀，减少了精加工面，可以提高生产效率，迸一步降低产品成本。

参考文献：

［１］郭孔辉．汽车技术的变革口］．交通运输工程学报，２００２，２（３）：１－６．　万方数据