航空發(fā)動機噴油器課件

1、航空發(fā)動機噴油器性能測試論文作者：李博指導老師：杜發(fā)榮 二一四年九月北京航空航天大學暑期科研實踐論文航空發(fā)動機噴油器性能測試The performance of aero engine fuel injection test論文作者： 李博 指導老師： 杜發(fā)榮能源與動力工程學院二一四年九月目錄摘要IIAbstractII第1章 緒論1第2章 噴油器工作原理1第3章 電磁噴油器的工作特性23.1、響應特性：23.2、噴油器的噴霧特性：33.3、噴油器的電路設(shè)計：3第4章、電磁閥磁力計算過程34.1、控制閥芯運動模型：34.2、電路方程：44.3、磁路方程：4第5章 COMSOL軟件電磁模擬仿真計

2、算6第6章 電磁噴油器計算方案86.1、噴油器計算指標：8第7章 噴油器的實際測量與計算9總結(jié)與展望10參考文獻11III摘要作為飛機的心臟，航空發(fā)動機在飛機的運行中起著至關(guān)重要的作用，而在發(fā)動機的運行中噴油器的性能往往決定成敗，所以一款性能良好的噴油器是不可或缺的，噴油器作為發(fā)動機燃油供給系統(tǒng)中的重要元件，在發(fā)動機的工作過程中，其噴射的燃油對混合氣的形成以及燃燒過程產(chǎn)生重要的影響。噴射系統(tǒng)的優(yōu)劣直接影響到發(fā)動機的動力性、經(jīng)濟性、排放性等。性能好的噴油器可以大大增加發(fā)動機的運行壽命以及飛機的安全。這次暑期科研實踐 ，我就跟著自己的導師準備親自測試一款噴油器的性能。在測試噴油器之前，需要對于噴油

3、器的原理進行細致的分析與了解，分析出噴油器需要測試的方面，制定出相應的測試方案與性能指標。通過與同伴查詢資料文獻等，最后總結(jié)出噴油器的性能好壞可以通過幾個方面體現(xiàn)：單次噴油量、噴射率、響應快慢、噴油持續(xù)期、霧化質(zhì)量。而只是知道需要測試的方向是不夠的，需要通過精密的數(shù)學計算與數(shù)值仿真，在電腦上進行多次的模擬測試后，有了一定的把握之后才能真正開始測試，而要對于噴油器進行仿真模擬測試，需要用到有限元分析軟件，例如COMSOL軟件，不僅能夠進行三維仿真設(shè)計，而且可以進行電磁等方面的仿真測試，這也是我們這次暑期科研實踐重點需要學習的。關(guān)鍵詞: 共軌噴油器電磁閥 COMSOL有限元分析 響應快慢 Abst

4、ractAs the heart of a plane, aircraft engine plays a vital role in the operation of aircraft, and the operation of the engine in the performance of the injector is often determines the success or failure of the injector, so a good performance is indispensable, injector as an important element of eng

5、ine fuel supply system, the working process of the engine, the jet fuel has important influence on the mixture formation and combustion process. Injection system directly affects the engine power, economic, emission etc. The well performance of the injector can greatly increase the service life of t

6、he engine and aircraft safety. The summer research practice, performance I followed his mentor is ready to test a fuel injector. Before testing the injector, need to analyze and understand detailed the principle of injector, the injector analysis need to test, develop test plan and the corresponding

7、 performance indicators. With the peer query literature, finally summarizes the performance of injector can be embodied through the following aspects: single injection quantity, injection rate, response speed, continuous injection quality atomization period. But just know need to test the direction

8、is not enough, need through the precise mathematical calculation and numerical simulation, simulation testing repeatedly on the computer, after a certain grasp can really begin to test, but for the injector simulation test, need to use finite element analysis software, such as COMSOL software, not o

9、nly can make 3D simulation design, and simulation test of electromagnetic fields, this is we in this summer research practice period needs to focus on.Keywords: common rail injector solenoid valve response speedCOMSOL finite element analysis 北京航空航天大學 能源與動力工程學院 暑期科研計劃第1章 緒論發(fā)動機的功率調(diào)節(jié)實行的是量調(diào)節(jié)，即通過改變節(jié)氣門開度的

10、變化以改變進入氣缸的混合氣量來實現(xiàn)的。發(fā)動機燃料供給的基本任務(wù)就是按照運行工況的需要，控制供給的燃油量，使之能與吸入氣缸的空氣量相適應，以形成空燃比恰當?shù)目扇蓟旌蠚狻?噴油器作為發(fā)動機燃油供給系統(tǒng)中的重要元件，在發(fā)動機的工作過程中，其噴射的燃油對混合氣的形成以及燃燒過程產(chǎn)生重要的影響。噴射系統(tǒng)的優(yōu)劣直接影響到發(fā)動機的動力性、經(jīng)濟性、排放性等。噴油器的燃油噴射量與噴油器的絕對壓力以及噴油器的開啟時間有關(guān)。噴油器的絕對壓力是指噴油器前后壓力差，在數(shù)值上就等于燃油總管油壓與進氣歧管壓力之差。假設(shè)發(fā)動機工作時壓力室的油壓不變，則噴油器的噴油壓力隨發(fā)動機的負荷和轉(zhuǎn)速發(fā)生變化。好的噴油器決定了發(fā)動機品質(zhì)的

11、好壞，因此對于噴油器性能的研究是至關(guān)重要的。第2章 噴油器工作原理首先，在進行測試前我們需要設(shè)計合理的噴油器性能測試方案。在對某一型號的噴油器進行性能測試之前需要熟悉噴油器的工作原理，我們這次測試的噴油器屬于共軌式電磁噴油器，其噴油過程關(guān)鍵是由電磁閥控制。其工作步驟主要分為以下幾步：1、 在電磁鐵未通電時，控制閥彈簧將控制閥芯壓在泄油空上，泄油孔關(guān)閉。2、 低壓油從進、回油孔進入，充滿噴嘴腔內(nèi)，并通過閥芯上的小孔進入閥控制腔，此時兩腔內(nèi)油壓相等。由于彈簧的作用閥芯緊壓在閥座內(nèi)壁，燃油不能從噴油嘴噴出，兩腔內(nèi)油壓升高。3、 電磁鐵通電后，將銜鐵與控制閥芯向上吸，泄油孔打開，由于壓差作用高壓油從泄

12、油孔進入，并導致 閥芯向上移動。4、 閥芯與閥座不在貼合，高壓油亦從噴油嘴噴出。5、 電磁鐵斷電控制閥彈簧將控制閥芯壓回泄油孔。當燃油作用在閥芯錐面上的壓力小于彈簧力時，閥芯被重新壓回與閥座貼合，噴油即時停止。兩腔內(nèi)重新開始進油，建立油壓，隨著電磁鐵的開關(guān)開始循環(huán)噴油。第3章 電磁噴油器的工作特性3.1、響應特性：討論噴油器的工作特性，主要是討論其響應特性，由于噴油器響應受到針閥慣性、電磁線圈的滯后性以及液力傳遞滯后性的影響，直接導致噴油行為相對于電流或者電壓的變化有一定的滯后效應。當噴油脈沖加載在噴油器電磁線圈后，針閥升至最大升程時刻相對驅(qū)動脈沖滯后的時間為；脈沖完全消失后，針閥完全落座關(guān)閉

13、相對驅(qū)動脈沖滯后。閥門開啟的滯后時間較閥門關(guān)閉的滯后時間長，故與的差值稱為無效的噴射時間。我們需要驗證的就是在不同的工作電壓與不同的脈沖頻率之下，哪種是最適合我們所測試的這型號噴油器，適合的電磁線圈脈沖信號需要滿足以下要求：1）、精準性要求根據(jù)ECU傳輸?shù)男盘枺軌蚓珳实目刂茋娚鋾r間，從而控制噴油量和噴油率。2）、響應性要求 由于發(fā)動機工況時刻在變化，從各個傳感器收集信號到ECU處理信號發(fā)出指令再到針閥開啟進行噴油，不可避免的會有一定的延遲作用，因此要盡量的降低延遲的時間，即提高響應性，并盡量縮短無效噴射時間。這就要求電磁鐵從脈沖一加載就應該具有最大的電磁力吸引銜鐵運動。3）、運動合理性 線圈

14、通電后，銜鐵克服控制閥彈簧彈力抬起，隨著氣隙的減小，磁阻大大減小，因此此時只需保持一個較小的電流就能保持足夠的電磁力。為了盡量減小銜鐵關(guān)閉以及針閥關(guān)閉時的落座力，延長使用壽命，在銜鐵觸及電磁鐵鐵前應該有一個減速過程，減小其速度進而減小撞擊力，這就要求電磁力不能夠太大，以便使控制閥的彈力可以足夠抵消一部分；同理，在回程時靠彈簧彈力閉合，因此在這個過程中也保持一個小的電流信號，以減少控制針閥對閥座的力的作用。3.2、噴油器的噴霧特性：噴油器的噴霧質(zhì)量決定了燃油的燃燒是否充分，從而也決定了發(fā)動機所能產(chǎn)生的推力是否足夠、是否穩(wěn)定，這對于飛機的運行很重要。并且燃油的充分燃燒也能使燃料充分利用，提升經(jīng)濟性

15、。而噴油器的噴霧特性根據(jù)給定的汽油的物性、噴射壓力以及噴口幾何，運用的計算方法，計算出其噴霧特性，包括噴霧角度、噴霧均勻性等。3.3、噴油器的電路設(shè)計：為了使噴油器做出合理的噴油運動規(guī)律，并且滿足快速響應以及驅(qū)動力的要求，驅(qū)動電路的設(shè)計變得尤為重要。電路的設(shè)計可以先用Multisim電路模擬軟件進行模擬，當?shù)玫胶侠淼膮?shù)在進行設(shè)計測試。第4章、電磁閥磁力計算過程在設(shè)計噴油器電磁閥的電壓脈沖時需要考慮的是當電壓轉(zhuǎn)化為磁力時對于噴油器閥芯作用力的大小，需要考慮閥芯上升與下降時的加速減速過程，還要考慮磁力的大小，從而保證閥芯既可以正常工作又可以有長時間的工作壽命。我與科研同伴一起，在學長的指導下查閱

16、各種資料文獻，尋找以前的專家對于噴油器電磁閥磁力的計算方法。經(jīng)過整理后，我們設(shè)計了一下的計算方案：4.1、控制閥芯運動模型：設(shè)控制閥銜鐵、控制閥墊片和控制閥芯總質(zhì)量為，彈簧剛度為，電磁力為，位移為，則可根據(jù)牛頓第二定律可建立平衡方程：方程用其中P為相對壓強，為小孔面積；為銜鐵上方油壓，為銜鐵上表面積。4.2、電路方程：電磁閥的運動規(guī)律取決于電磁閥的驅(qū)動電路和驅(qū)動形式，電路和輸入能量的大小及其變化率，會影響到電磁閥的動態(tài)性能。根據(jù)電路的等效簡化原則，可以將電磁閥的電路寫成： ；即可表示為：其中，表示電磁閥驅(qū)動電壓，表示為線圈電感，為電路中電流，為電路中的等效電阻，為系統(tǒng)磁鏈。在電磁閥運動的過程中

17、，為了在通電開始階段就能使銜鐵獲得最大的電磁力，使其響應性達到最佳，應該加載一個比較大的電壓；而隨著銜鐵的運動，氣隙逐漸減小，導致磁阻減小，使電磁閥保持高加速度需要的電壓也會減小，因此此時只需加載一個較小的電壓，另外，為了減小撞擊力，在回程過程中，可以加載一個更小的電壓。即：4.3、磁路方程：計算磁路模型，主要是為了建立求解電磁力的計算方程，如下圖所示表示的是銜鐵與電磁線圈的相對位置，未通電時，銜鐵與線圈之間的氣隙為。在電磁閥工作時，忽略磁漏的影響，那么磁路的總磁阻可以表示為：其中，為鐵芯磁阻，為為銜鐵磁阻，為空氣磁阻。其中氣隙磁阻為：設(shè)銜鐵位移為，則氣隙的厚度為，此時氣隙磁阻為：則總磁阻為：

18、根據(jù)能量守恒定律，忽略磁滯和渦流等現(xiàn)象，輸入電磁閥的電能除了熱能消耗以外，其余能量轉(zhuǎn)化為線圈的電能。在時間輸入的電能：；式中，為電磁閥驅(qū)動電壓，為線圈電流，為電路電阻，為線圈電感，為線圈總磁鏈。根據(jù)能量守恒原理，電磁線圈凈增電能等于磁場能增量和機械能增量之和，即：電磁力在豎直方向上做功：由以上三式可得：磁場能可表示為：即可得：由上兩式可得：式中，為磁路的磁勢，為氣隙中的磁場強度，為導磁材料的磁路長度，為導磁材料的磁場強度，為吸合面積為對應的磁感應強度，為吸合面積為對應的磁感應強度。由上兩式可得電磁力表達式為：電磁力方向朝著氣隙減小的方向。第5章 COMSOL軟件電磁模擬仿真計算COMSOL M

19、ultiphysics是一款大型的高級數(shù)值仿真軟件。廣泛應用于各個領(lǐng)域的科學研究以及工程計算，被當今世界科學家稱為“第一款真正的任意多物理場直接耦合分析軟件”。模擬科學和工程領(lǐng)域的各種物理過程，COMSOL Multiphysics以高效的計算性能和杰出的多場雙向直接耦合分析能力實現(xiàn)了高度精確的數(shù)值仿真。COMSOL Multiphysics是以有限元法為基礎(chǔ)，通過求解偏微分方程（單場）或偏微分方程組（多場）來實現(xiàn)真實物理現(xiàn)象的仿真，被當今世界科學家稱為“第一款真正的任意多物理場直接耦合分析軟件”。為了模擬電磁發(fā)的工作，我們選用ACDC模塊，并進行了一些算例演算，如下圖：圖片1附注1：該圖是為

20、了計算電磁力所將建立的算例模型圖片2附注2：該圖是給模型加入電流后的狀態(tài)圖片3附注3：該圖是軟件顯示下的磁感線分布狀況第6章 電磁噴油器計算方案6.1、噴油器計算指標：1、單次噴油量：噴油嘴在給定工況下每循環(huán)噴出的燃油量。其由噴射速率和噴射時間確定。速率反映在體系中就是油壓，時間就是脈寬。油壓越大，電磁脈寬越寬，單次噴油量就越大。2、噴油率：噴油過程中每秒從噴油器噴出的燃油量，單位為mm3/s。噴油速率：單位時間從噴油嘴的噴孔噴出的燃油量，控制不同的燃油規(guī)律。對其排放和噪聲有重要的影響。測量方法有動量法、壓力升程法、博世長管法。3、響應快慢：噴油器由電磁閥、閥芯、油壓構(gòu)成傳力系統(tǒng)?？刂齐姶砰y的

21、脈沖電信號經(jīng)過電磁閥、閥芯再作用到噴嘴部分有一定的機械傳遞延遲，即相對于噴油脈寬，噴油器針閥開啟有一定的滯后時間，這個時間就是衡量響應快慢的物理量。噴油器液力控制系統(tǒng)的動態(tài)響應指標：噴油器的開時的延遲時間、上升時間、噴油器關(guān)閉時的延遲時間4、噴油持續(xù)期 ：針閥每次開啟噴油從開始到結(jié)束的時間差。這個時間差要小于脈寬。因為當控制噴油電脈沖到達噴油器時，由于噴油器電磁線圈具有電感阻抗，延緩了電磁線圈內(nèi)電流的增大，使噴油器針閥的開啟滯后與電脈沖到達的時刻，而噴油器針閥關(guān)閉的時刻和電脈沖消失的時刻基本上一致，因此導致實際的噴油時間，即噴油持續(xù)期小于電脈沖寬度。6、 霧化質(zhì)量：霧化是指油機中，在高壓和高密度空氣阻力的作用下，燃燒室內(nèi)的燃料被分裂成直徑非常細微的油滴的過程。這樣做可以極大的增加油粒的表面積，從而極大的提高與空氣的接觸及混合，增大導熱性，加快蒸發(fā)速率。霧化質(zhì)量的評價指標有：（1） 貫穿距離L：表征噴霧在高壓空氣中的貫穿能力的參數(shù)（2） 噴霧錐角：表征噴霧在燃燒室內(nèi)離散能力的參數(shù)（3） 油粒細度：表示油粒的大小，即霧化細度，采用油滴平均直徑來表示（4） 油粒均勻度：指噴束中油粒尺寸大小的分布情況，有四種表達式：數(shù)量積分分布、數(shù)量微分分布、重量積分分布、重量微分分布第7章 噴油器的實際測量與計算在進行完數(shù)據(jù)仿真測試與計算方案設(shè)計之后，我們在學長的帶領(lǐng)下開始了對某型