汽油發(fā)動機(jī)管理系統(tǒng)噴油器結(jié)構(gòu)與原理

汽油發(fā)動機(jī)管理系統(tǒng)噴油器結(jié)構(gòu)與原理汽油發(fā)動機(jī)管理系統(tǒng)噴油器結(jié)構(gòu)與原理一，汽油機(jī)原理1，汽油機(jī)的發(fā)展過程2，汽油機(jī)工作原理3，汽油機(jī)的排放4，化油器式汽油機(jī)的缺陷二，汽油發(fā)動機(jī)管理系統(tǒng)原理和發(fā)展過程三，汽油發(fā)動機(jī)噴油器結(jié)構(gòu)與性能1，進(jìn)油2，驅(qū)動（1）電磁作用（2）噴油器運(yùn)動件的運(yùn)動過程3，噴油（1）噴油器的開啟和關(guān)閉（2）噴油器流量（3）油束的方向和形狀（4）霧化4，密封性四，噴油器發(fā)展動向1，小型化2，高壓直噴3，多燃料一，汽油機(jī)原理1，汽油機(jī)的發(fā)展過程汽車的動力裝置有汽油發(fā)動機(jī)、柴油發(fā)動機(jī)、氣體燃料發(fā)動機(jī)、電動機(jī)以及燃?xì)廨啓C(jī)。（其中也包括混合型動力裝置，如兩用燃料、混合動力。）由于汽油機(jī)有著一系列的優(yōu)點(diǎn)，在汽車動力裝置中汽油機(jī)應(yīng)用的比例相當(dāng)高。在非機(jī)動車領(lǐng)域，汽油機(jī)也有著廣泛的應(yīng)用，如用于農(nóng)業(yè)機(jī)械、園林機(jī)械、小型發(fā)電機(jī)組、船舶等。德國人戴姆勒和邁巴赫在1883年發(fā)明了一種四沖程往復(fù)式結(jié)構(gòu)的汽油機(jī)，采用化油器供油，白熾燈點(diǎn)火。由此，汽油機(jī)不斷發(fā)展改進(jìn)，并被采用到各種機(jī)械上。在一些領(lǐng)域中，汽油機(jī)是重要的動力設(shè)備。我國直到20世紀(jì)30年代才開始生產(chǎn)汽油機(jī)。20世紀(jì)50年代以后，隨著我國汽車工業(yè)的發(fā)展，我國的汽油機(jī)生產(chǎn)得到了迅速的發(fā)展，在我國的經(jīng)濟(jì)和社會生活中發(fā)揮了，并正在發(fā)揮著重要的作用。2，汽油機(jī)工作原理汽油機(jī)工作時，活塞在氣缸內(nèi)往復(fù)運(yùn)動。如果是四沖程汽油機(jī)，它有進(jìn)氣、壓縮、作功和排氣四個行程。汽油以適當(dāng)方式（在進(jìn)氣道中或氣缸燃燒室中）同空氣混合，于壓縮行程結(jié)束前被火花塞點(diǎn)燃，引發(fā)燃燒，推動活塞運(yùn)動，從而對外作功。3，汽油機(jī)的排放汽油是多種碳?xì)浠衔锏幕旌?。?shí)際吸入發(fā)動機(jī)的空氣量和燃油量的比值稱為空燃比。汽油的化學(xué)計量空燃比為14.7,稱為理論空燃比（見圖1）。汽油燃燒時和氧作用產(chǎn)生二氧化碳和水蒸氣。從理論上講，進(jìn)入汽油機(jī)燃燒室的混合氣油氣比例為理論空燃比時，燃燒產(chǎn)生的氣體應(yīng)該只有二氧化碳和水蒸氣。汽油機(jī)工作時，汽油在氣缸的燃燒幾乎不可能達(dá)到完全充分相當(dāng)長時期里，汽油機(jī)是由化油器供給汽油并進(jìn)行油氣混合（見圖2），由于它的物理特性的局限，燃油不可能按要求的量提供，汽油機(jī)的燃燒難以完全充分。長期以來，汽油機(jī)排出的有害氣體無法得到有效的控制。隨著汽車保有量的上升，汽車排放污染的影響越來越嚴(yán)重。汽油機(jī)排放的副產(chǎn)品主要有一氧化碳、碳?xì)浠衔锖偷趸衔锏?。一氧化碳（CO）是碳?xì)浠衔镂闯浞盅趸漠a(chǎn)物。它無色無味，能破壞人體血液吸收氧的功能。碳?xì)浠衔铮℉C）包括了殘余未燃燒的碳?xì)浠衔镆约叭紵^程中新合成的碳?xì)浠衔?。這種物質(zhì)對人體健康有危害。氮氧化合物（NOX）是高溫燃燒時，氧和氮反應(yīng)生成。它對人體健康有危害。進(jìn)氣處于理論空燃比位置時，汽油機(jī)排出的有害氣體能處于較低水平（見圖3）。因此，人們把治理汽油機(jī)排放污染的注意力首先集中到如何控制空燃比上。HCNOx（ppm）__-__-__-__2022燃比__-__年__-__-__2022年1050CO（%）圖3排放與空燃比的關(guān)系二氧化碳是汽油和空氣中的氧燃燒的生成物，通常它未被列入排放有害物。但由于它被認(rèn)為是“溫室效應(yīng)”的制造者，對于它的排放應(yīng)該引起足夠的重視。4，化油器式汽油機(jī)的缺陷汽油機(jī)氣缸內(nèi)的燃燒是由空氣和汽油混合形成的可燃混合氣，經(jīng)火花塞點(diǎn)火而產(chǎn)生的。化油器式汽油機(jī)已經(jīng)存在了一百多年。流體有一個重要的特性，流速加快，靜壓力變?。ú恚?。化油器就是依靠進(jìn)氣管喉管處進(jìn)氣速度加快，形成負(fù)壓而將浮子室中的汽油吸出（見圖2）。隨著對汽油機(jī)要求的提高，化油器的缺陷日益明顯。（1）燃燒不完全汽油機(jī)性能與空燃比有著密切的關(guān)系。然而，化油器的物理特性難以按理論空燃比提供汽油。（2）各缸進(jìn)氣不均勻在多缸汽油機(jī)上，從化油器到各個氣缸的路徑是不一樣的，因而，進(jìn)到各個氣缸的混合氣的濃度和燃油組分是不一樣的。這樣，各個缸不可能同時達(dá)到同樣的性能指標(biāo)。（3）喉管降低進(jìn)氣效率化油器喉管截面收縮，引起進(jìn)氣阻力增加，進(jìn)氣效率降低。針對這些缺陷人們不斷對化油器進(jìn)行改進(jìn)。但是，從上世紀(jì)50年代開始，隨著人們對環(huán)境保護(hù)的重視，在汽油機(jī)上起了至關(guān)重要作用的化油器面臨了越來越嚴(yán)峻的形勢，在汽車上應(yīng)用汽油噴射技術(shù)也日益受到了人們的關(guān)注。二，汽油發(fā)動機(jī)管理系統(tǒng)原理和發(fā)展過程1，汽油發(fā)動機(jī)管理系統(tǒng)發(fā)展過程20世紀(jì)30年代起，在航空發(fā)動機(jī)上就開始研究采用汽油噴射。二次大戰(zhàn)后汽油噴射已用于軍用飛機(jī)的發(fā)動機(jī)上。最早在車用發(fā)動機(jī)上采用汽油噴射的是Goliath和Gutbrod兩個公司（1950至1953年間），以及Benz公司（1957年）。當(dāng)時，這些汽油噴射系統(tǒng)只能是機(jī)械式的。1953年，Bendix公司開始開發(fā)電控汽油噴油器，于1957年公開發(fā)表。Bendix的噴油器當(dāng)時曾用在Chrysler的汽車上。當(dāng)時，在航空發(fā)動機(jī)上采用汽油噴射是為了解決浮子室式化油器不適應(yīng)飛機(jī)多種姿態(tài)的要求，以及排除化油器結(jié)冰的故障。而在車用發(fā)動機(jī)上采用也只是為了提高功率和過渡響應(yīng)性。只是在上世紀(jì)50年代末60年代初，美國等國家對汽車排放控制開始重視后，汽油噴射由于能精確控制空燃比，才日益受到關(guān)注。1962年，Bosch開始研制電控汽油噴射系統(tǒng)。1967年Bosch公司發(fā)布了第一個電子控制汽油噴射系統(tǒng)D一Jetronic,并投入了應(yīng)用，取得了成功。以后，Bosch公司又陸續(xù)開發(fā)了K---Jetronic系統(tǒng),L一Jetronic系統(tǒng)，LH---Jetronic系統(tǒng),KE---Jetronic系統(tǒng),以及Mono一Jetronic；1979年，Bosch公司推出了將汽油噴射系統(tǒng)和點(diǎn)火系統(tǒng)整合在一起，形成了汽油發(fā)動機(jī)管理系統(tǒng)（EMS）：Motronic系統(tǒng)，這也就是說汽油發(fā)動機(jī)管理系統(tǒng)包含了汽油噴射系統(tǒng)和點(diǎn)火系統(tǒng)。在本文中，如果在論述噴油器時不涉及點(diǎn)火功能，對系統(tǒng)稱為汽油噴射系統(tǒng)。近年來，Bosch公司又在M一Motronic系統(tǒng)中加入了電子節(jié)氣門體控制（ETC）,形成了ME一Motronic系統(tǒng)；近來，Bosch公司又推出MED一Motronic系統(tǒng)，把汽油直接噴射（GDI），電子點(diǎn)火和ETC整合在一起。2，汽油噴射系統(tǒng)的基本原理發(fā)動機(jī)及汽車的負(fù)荷、進(jìn)氣量、速度、溫度等參數(shù)經(jīng)傳感器采集輸送到控制器，控制器計算后輸出訊號到噴油器，噴油器按控制器的要求實(shí)施噴油（見圖4）。圖4--1汽油發(fā)動機(jī)管理系統(tǒng)構(gòu)成簡圖圖4--2汽油噴射系統(tǒng)示意圖三，汽油發(fā)動機(jī)噴油器結(jié)構(gòu)與性能汽油噴射系統(tǒng)中噴油器是執(zhí)行部件，起著至關(guān)重要的作用。Bosch公司的EV1噴油器，在市場上長期占居領(lǐng)先地位，受到用戶的廣泛好評。1990年代，Bosch公司研制成功EV6噴油器，逐步取代了EV1噴油器。隨著汽油機(jī)缸內(nèi)噴射系統(tǒng)（GDI）的問世和發(fā)展，Bosch公司的HDEV噴油器不斷發(fā)展和完善，已成為新一代極具發(fā)展?jié)摿Φ漠a(chǎn)品。汽油噴射系統(tǒng)的燃油泵將燃油輸送到噴油器，噴油器接受到控制器脈沖訊號在線圈中產(chǎn)生電磁力，在電磁力作用下噴油器開啟，實(shí)現(xiàn)噴油。由于汽油機(jī)工作轉(zhuǎn)速達(dá)每分鐘幾千轉(zhuǎn)，噴油器的噴油時間是以毫秒計，汽油機(jī)噴油器實(shí)質(zhì)上是一種高頻電磁閥。汽油機(jī)噴油器的典型結(jié)構(gòu)可見圖5。1，進(jìn)油噴油器進(jìn)油可以從噴油器頂部（見圖5），也可從側(cè)面（見圖6）或者從底部進(jìn)入。側(cè)面以及底部進(jìn)油的噴油器進(jìn)油面積大，結(jié)構(gòu)略為復(fù)雜一些。它的進(jìn)油量比噴油量大得多，進(jìn)油充沛，噴射器內(nèi)腔壓力波動小，噴油較穩(wěn)定。這種噴油器適用于大流量噴油器。現(xiàn)有的頂部進(jìn)油噴油器，燃油進(jìn)入噴油器后向下直線狀流向噴孔。工作過程中如有氣泡產(chǎn)生，氣泡易于向上運(yùn)動而排出噴油器外。而對于燃油非直線狀流動（如側(cè)面進(jìn)油）的噴油器，氣泡不易排出，易形成氣阻而影響噴油。進(jìn)油通道相關(guān)零件的內(nèi)腔應(yīng)光整無毛刺，這些零件的材料及工藝按排應(yīng)嚴(yán)格保證這一要求的實(shí)現(xiàn)。進(jìn)油口應(yīng)安裝濾芯或?yàn)V網(wǎng)以保證外界的顆粒不進(jìn)入噴油器內(nèi)腔。2，驅(qū)動噴油器工作時，針閥應(yīng)準(zhǔn)時而迅速開啟，準(zhǔn)時而迅速關(guān)閉，即應(yīng)具有良好的高頻響應(yīng)性能。影響高頻響應(yīng)性能的噴油器零件有線圈、磁路零件（包掛括運(yùn)動件）及彈簧。（1）電磁作用線圈接收到訊號后即產(chǎn)生電流，在磁路中產(chǎn)生電磁場。噴油器內(nèi)腔運(yùn)動件和限位件之間有一間隙，在電磁力作用下運(yùn)動件向限位件方向運(yùn)動，直止接觸限位件。按控制器輸出脈沖訊號寬度運(yùn)動件保持在圖5汽油機(jī)噴油器典型結(jié)構(gòu)圖6側(cè)面進(jìn)油噴油器最大升程位置?？刂破饔嵦栂?，電磁力即消失，運(yùn)動件在彈簧作用下返回原位。產(chǎn)生電磁力的線圈和磁路零件是噴油器的重要零部件，應(yīng)十分重視。線圈有低阻抗和高阻抗兩種。為獲得較小的噴油器體積，大多采用高阻抗線圈。線圈通電后產(chǎn)生磁場，合適的磁路零件能將磁力線加強(qiáng)。磁路零圖7噴油器磁路（圖中紅線為磁力線路徑）件應(yīng)選用軟磁材料，并進(jìn)行真空退火處理，以降低矯頑力。相互結(jié)合的磁路零件的結(jié)合面應(yīng)盡可能緊密貼合無間隙，以免磁力線在兩者結(jié)合面間的空氣隙中產(chǎn)生損耗。有些噴油器的殼體同線圈中間的零件一起形成磁路。運(yùn)動件動態(tài)特性對噴油器的性能至關(guān)重要。運(yùn)動件的受力狀況可見圖8。影響噴油器高頻響應(yīng)性能的因素有噴油器的驅(qū)動力（電磁力）和阻力（電磁矯頑力、彈簧力、摩擦力、油壓力以及運(yùn)動件的慣性力）。運(yùn)動件的質(zhì)量很大程度上影響了噴油器的動態(tài)特性。圖8運(yùn)動件受力圖（2）噴油器運(yùn)動件的運(yùn)動過程噴油器運(yùn)動件運(yùn)動過程見圖9。圖中上方為ECU脈沖訊號，下方為運(yùn)動件升起隨時間的變化過程。從圖9可見運(yùn)動件開啟和關(guān)閉相對于ECU訊號存在延遲，這一現(xiàn)象影響了噴油器的動態(tài)流量。圖9運(yùn)動件開啟和關(guān)閉過程3，噴油（1）噴油器的開啟和關(guān)閉噴油器運(yùn)動件升起后，噴油開始。運(yùn)動件升程的值應(yīng)在一定的精度內(nèi)，以保證噴油流量的精度。運(yùn)動件開始升起時，開啟的最小流通截面發(fā)生在兩個密封件的密封面之間。隨著運(yùn)動件的升起，這一流通截面隨之增大，直至噴孔成為最小流通截面（可參見圖14）。運(yùn)動件升程應(yīng)足夠大，以保證噴孔成為最小流通截面，但不宜太大，以免影響動態(tài)性能。磁路中設(shè)置了一個間隙，它的值即為運(yùn)動件的升程。這個間隙兩邊的平面應(yīng)平整，工作過程中磨損應(yīng)很微小。這兩個平面常在精加工后進(jìn)行表面硬化。運(yùn)動件升程的調(diào)整是噴油器裝配工藝的一個難點(diǎn)。通常，用墊片調(diào)整取得所需要的噴油器升程。噴油孔口對噴油流量，油束的形狀和方向，霧化等性能有很大的影響?？卓诘男螤顟?yīng)規(guī)整，孔口方向應(yīng)正確，孔口應(yīng)無毛刺。（2）噴油器流量噴油器的靜態(tài)流量是研究計算噴油器流量特性的基礎(chǔ)。噴油器靜態(tài)流量qst同（最?。┝魍ń孛妫ˋ）和壓力（P）有關(guān)。如前所述，應(yīng)保證最小流通截面在噴孔處。為保證噴油器流量的穩(wěn)定，噴油器進(jìn)油口和噴孔處工作壓力之差應(yīng)保持恒定；噴孔孔口尺寸應(yīng)精準(zhǔn)，并應(yīng)無毛刺。靜態(tài)流量是動態(tài)流量的基礎(chǔ)，這就是說，流通截面和壓力同樣影響著動態(tài)流量。噴油器動態(tài)流量的變化取決于ECU脈沖訊號的脈寬。與高頻響應(yīng)特性也影響動態(tài)流量以及它的線性和穩(wěn)定性。汽油機(jī)噴油器實(shí)質(zhì)上是一個高頻電磁閥，要求具有良好的高頻響應(yīng)特性。這一特性一般用開啟時間ton和關(guān)閉時間toff表征（見圖9）。圖10噴油動態(tài)流量的線性圖中上方為以+/-5%的上下限度衡量，在圖下方標(biāo)出的動態(tài)流量范圍（DFR）。影響高頻響應(yīng)特性的因素主要有驅(qū)動力（電磁力）和阻力（彈簧力、運(yùn)動件慣性力、摩