航空發(fā)動(dòng)機(jī)噴油器課件

1、航空發(fā)動(dòng)機(jī)噴油器性能測(cè)試論文作者：李博指導(dǎo)老師：杜發(fā)榮 二一四年九月北京航空航天大學(xué)暑期科研實(shí)踐論文航空發(fā)動(dòng)機(jī)噴油器性能測(cè)試The performance of aero engine fuel injection test論文作者： 李博 指導(dǎo)老師： 杜發(fā)榮能源與動(dòng)力工程學(xué)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(yīng)特性：23.2、噴油器的噴霧特性：33.3、噴油器的電路設(shè)計(jì)：3第4章、電磁閥磁力計(jì)算過程34.1、控制閥芯運(yùn)動(dòng)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(jì)

2、算6第6章 電磁噴油器計(jì)算方案86.1、噴油器計(jì)算指標(biāo)：8第7章 噴油器的實(shí)際測(cè)量與計(jì)算9總結(jié)與展望10參考文獻(xiàn)11III摘要作為飛機(jī)的心臟，航空發(fā)動(dòng)機(jī)在飛機(jī)的運(yùn)行中起著至關(guān)重要的作用，而在發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)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(dòng)機(jī)燃油供給系統(tǒng)中的重要元件，在發(fā)動(dòng)機(jī)的工作過程中，其噴射的燃油對(duì)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(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、排放性等。性能好的噴油器可以大大增加發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行壽命以及飛機(jī)的安全。這次暑期科研實(shí)踐 ，我就跟著自己的導(dǎo)師準(zhǔn)備親自測(cè)試一款噴油器的性能。在測(cè)試噴油器之前，需要對(duì)于噴油

3、器的原理進(jìn)行細(xì)致的分析與了解，分析出噴油器需要測(cè)試的方面，制定出相應(yīng)的測(cè)試方案與性能指標(biāo)。通過與同伴查詢資料文獻(xiàn)等，最后總結(jié)出噴油器的性能好壞可以通過幾個(gè)方面體現(xiàn)：?jiǎn)未螄娪土?、噴射率、響?yīng)快慢、噴油持續(xù)期、霧化質(zhì)量。而只是知道需要測(cè)試的方向是不夠的，需要通過精密的數(shù)學(xué)計(jì)算與數(shù)值仿真，在電腦上進(jìn)行多次的模擬測(cè)試后，有了一定的把握之后才能真正開始測(cè)試，而要對(duì)于噴油器進(jìn)行仿真模擬測(cè)試，需要用到有限元分析軟件，例如COMSOL軟件，不僅能夠進(jìn)行三維仿真設(shè)計(jì)，而且可以進(jìn)行電磁等方面的仿真測(cè)試，這也是我們這次暑期科研實(shí)踐重點(diǎn)需要學(xué)習(xí)的。關(guān)鍵詞: 共軌噴油器電磁閥 COMSOL有限元分析 響應(yīng)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(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院 暑期科研計(jì)劃第1章 緒論發(fā)動(dòng)機(jī)的功率調(diào)節(jié)實(shí)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(jìn)入氣缸的混合氣量來(lái)實(shí)現(xiàn)的。發(fā)動(dòng)機(jī)燃料供給的基本任務(wù)就是按照運(yùn)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(yīng)，以形成空燃比恰當(dāng)?shù)目扇蓟旌蠚狻?噴油器作為發(fā)動(dòng)機(jī)燃油供給系統(tǒng)中的重要元件，在發(fā)動(dòng)機(jī)的工作過程中，其噴射的燃油對(duì)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(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、排放性等。噴油器的燃油噴射量與噴油器的絕對(duì)壓力以及噴油器的開啟時(shí)間有關(guān)。噴油器的絕對(duì)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(jìn)氣歧管壓力之差。假設(shè)發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)壓力室的油壓不變，則噴油器的噴油壓力隨發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷和轉(zhuǎn)速發(fā)生變化。好的噴油器決定了發(fā)動(dòng)機(jī)品質(zhì)的

11、好壞，因此對(duì)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(jìn)行測(cè)試前我們需要設(shè)計(jì)合理的噴油器性能測(cè)試方案。在對(duì)某一型號(hào)的噴油器進(jìn)行性能測(cè)試之前需要熟悉噴油器的工作原理，我們這次測(cè)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(shí)，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(jìn)、回油孔進(jìn)入，充滿噴嘴腔內(nèi)，并通過閥芯上的小孔進(jìn)入閥控制腔，此時(shí)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(jìn)入，并導(dǎo)致 閥芯向上移動(dòng)。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(dāng)燃油作用在閥芯錐面上的壓力小于彈簧力時(shí)，閥芯被重新壓回與閥座貼合，噴油即時(shí)停止。兩腔內(nèi)重新開始進(jìn)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(yīng)特性：討論噴油器的工作特性，主要是討論其響應(yīng)特性，由于噴油器響應(yīng)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(dǎo)致噴油行為相對(duì)于電流或者電壓的變化有一定的滯后效應(yīng)。當(dāng)噴油脈沖加載在噴油器電磁線圈后，針閥升至最大升程時(shí)刻相對(duì)驅(qū)動(dòng)脈沖滯后的時(shí)間為；脈沖完全消失后，針閥完全落座關(guān)閉

13、相對(duì)驅(qū)動(dòng)脈沖滯后。閥門開啟的滯后時(shí)間較閥門關(guān)閉的滯后時(shí)間長(zhǎng)，故與的差值稱為無(wú)效的噴射時(shí)間。我們需要驗(yàn)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(cè)試的這型號(hào)噴油器，適合的電磁線圈脈沖信號(hào)需要滿足以下要求：1）、精準(zhǔn)性要求根據(jù)ECU傳輸?shù)男盘?hào)，能夠精準(zhǔn)的控制噴射時(shí)間，從而控制噴油量和噴油率。2）、響應(yīng)性要求 由于發(fā)動(dòng)機(jī)工況時(shí)刻在變化，從各個(gè)傳感器收集信號(hào)到ECU處理信號(hào)發(fā)出指令再到針閥開啟進(jìn)行噴油，不可避免的會(huì)有一定的延遲作用，因此要盡量的降低延遲的時(shí)間，即提高響應(yīng)性，并盡量縮短無(wú)效噴射時(shí)間。這就要求電磁鐵從脈沖一加載就應(yīng)該具有最大的電磁力吸引銜鐵運(yùn)動(dòng)。3）、運(yùn)動(dòng)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(shí)只需保持一個(gè)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(shí)的落座力，延長(zhǎng)使用壽命，在銜鐵觸及電磁鐵鐵前應(yīng)該有一個(gè)減速過程，減小其速度進(jìn)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(shí)靠彈簧彈力閉合，因此在這個(gè)過程中也保持一個(gè)小的電流信號(hào)，以減少控制針閥對(duì)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(dòng)機(jī)所能產(chǎn)生的推力是否足夠、是否穩(wěn)定，這對(duì)于飛機(jī)的運(yùn)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(jì)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(yùn)用的計(jì)算方法，計(jì)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(jì)：為了使噴油器做出合理的噴油運(yùn)動(dòng)規(guī)律，并且滿足快速響應(yīng)以及驅(qū)動(dòng)力的要求，驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)變得尤為重要。電路的設(shè)計(jì)可以先用Multisim電路模擬軟件進(jìn)行模擬，當(dāng)?shù)玫胶侠淼膮?shù)在進(jìn)行設(shè)計(jì)測(cè)試。第4章、電磁閥磁力計(jì)算過程在設(shè)計(jì)噴油器電磁閥的電壓脈沖時(shí)需要考慮的是當(dāng)電壓轉(zhuǎn)化為磁力時(shí)對(duì)于噴油器閥芯作用力的大小，需要考慮閥芯上升與下降時(shí)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(zhǎng)時(shí)間的工作壽命。我與科研同伴一起，在學(xué)長(zhǎng)的指導(dǎo)下查閱

16、各種資料文獻(xiàn)，尋找以前的專家對(duì)于噴油器電磁閥磁力的計(jì)算方法。經(jīng)過整理后，我們?cè)O(shè)計(jì)了一下的計(jì)算方案：4.1、控制閥芯運(yùn)動(dòng)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(duì)壓強(qiáng)，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(yùn)動(dòng)規(guī)律取決于電磁閥的驅(qū)動(dòng)電路和驅(qū)動(dòng)形式，電路和輸入能量的大小及其變化率，會(huì)影響到電磁閥的動(dòng)態(tài)性能。根據(jù)電路的等效簡(jiǎn)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(dòng)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(yùn)動(dòng)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(yīng)性達(dá)到最佳，應(yīng)該加載一個(gè)比較大的電壓；而隨著銜鐵的運(yùn)動(dòng)，氣隙逐漸減小，導(dǎo)致磁阻減小，使電磁閥保持高加速度需要的電壓也會(huì)減小，因此此時(shí)只需加載一個(gè)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(gè)更小的電壓。即：4.3、磁路方程：計(jì)算磁路模型，主要是為了建立求解電磁力的計(jì)算方程，如下圖所示表示的是銜鐵與電磁線圈的相對(duì)位置，未通電時(shí)，銜鐵與線圈之間的氣隙為。在電磁閥工作時(shí)，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(shí)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(shí)間輸入的電能：；式中，為電磁閥驅(qū)動(dòng)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(chǎng)能增量和機(jī)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(chǎng)能可表示為：即可得：由上兩式可得：式中，為磁路的磁勢(shì)，為氣隙中的磁場(chǎng)強(qiáng)度，為導(dǎo)磁材料的磁路長(zhǎng)度，為導(dǎo)磁材料的磁場(chǎng)強(qiáng)度，為吸合面積為對(duì)應(yīng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度，為吸合面積為對(duì)應(yīng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度。由上兩式可得電磁力表達(dá)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(jì)算COMSOL M

19、ultiphysics是一款大型的高級(jí)數(shù)值仿真軟件。廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域的科學(xué)研究以及工程計(jì)算，被當(dāng)今世界科學(xué)家稱為“第一款真正的任意多物理場(chǎng)直接耦合分析軟件”。模擬科學(xué)和工程領(lǐng)域的各種物理過程，COMSOL Multiphysics以高效的計(jì)算性能和杰出的多場(chǎng)雙向直接耦合分析能力實(shí)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(chǎng)）或偏微分方程組（多場(chǎng)）來(lái)實(shí)現(xiàn)真實(shí)物理現(xiàn)象的仿真，被當(dāng)今世界科學(xué)家稱為“第一款真正的任意多物理場(chǎng)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(jìn)行了一些算例演算，如下圖：圖片1附注1：該圖是為

20、了計(jì)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(jì)算方案6.1、噴油器計(jì)算指標(biāo)：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(shí)間確定。速率反映在體系中就是油壓，時(shí)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：?jiǎn)挝粫r(shí)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(duì)其排放和噪聲有重要的影響。測(cè)量方法有動(dòng)量法、壓力升程法、博世長(zhǎng)管法。3、響應(yīng)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(hào)經(jīng)過電磁閥、閥芯再作用到噴嘴部分有一定的機(jī)械傳遞延遲，即相對(duì)于噴油脈寬，噴油器針閥開啟有一定的滯后時(shí)間，這個(gè)時(shí)間就是衡量響應(yīng)快慢的物理量。噴油器液力控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)指標(biāo)：噴油器的開時(shí)的延遲時(shí)間、上升時(shí)間、噴油器關(guān)閉時(shí)的延遲時(shí)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(shí)間差。這個(gè)時(shí)間差要小于脈寬。因?yàn)楫?dāng)控制噴油電脈沖到達(dá)噴油器時(shí)，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(dá)的時(shí)刻，而噴油器針閥關(guān)閉的時(shí)刻和電脈沖消失的時(shí)刻基本上一致，因此導(dǎo)致實(shí)際的噴油時(shí)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(jī)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(xì)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(dǎo)熱性，加快蒸發(fā)速率。霧化質(zhì)量的評(píng)價(jià)指標(biāo)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(xì)度：表示油粒的大小，即霧化細(xì)度，采用油滴平均直徑來(lái)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(dá)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(shí)際測(cè)量與計(jì)算在進(jìn)行完數(shù)據(jù)仿真測(cè)試與計(jì)算方案設(shè)計(jì)之后，我們?cè)趯W(xué)長(zhǎng)的帶領(lǐng)下開始了對(duì)某型