汽油發(fā)動機管理系統(tǒng)噴油器結(jié)構與原理

汽油發(fā)動機管理系統(tǒng)噴油器結(jié)構與原理汽油發(fā)動機管理系統(tǒng)噴油器結(jié)構與原理一，汽油機原理1，汽油機的發(fā)展過程2，汽油機工作原理3，汽油機的排放4，化油器式汽油機的缺陷二，汽油發(fā)動機管理系統(tǒng)原理和發(fā)展過程三，汽油發(fā)動機噴油器結(jié)構與性能1，進油2，驅(qū)動（1）電磁作用（2）噴油器運動件的運動過程3，噴油（1）噴油器的開啟和關閉（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，汽油機原理1，汽油機的發(fā)展過程汽車的動力裝置有汽油發(fā)動機、柴油發(fā)動機、氣體燃料發(fā)動機、電動機以及燃氣輪機。（其中也包括混合型動力裝置，如兩用燃料、混合動力。）由于汽油機有著一系列的優(yōu)點，在汽車動力裝置中汽油機應用的比例相當高。在非機動車領域，汽油機也有著廣泛的應用，如用于農(nóng)業(yè)機械、園林機械、小型發(fā)電機組、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式結(jié)構的汽油機，采用化油器供油，白熾燈點火。由此，汽油機不斷發(fā)展改進，并被采用到各種機械上。在一些領域中，汽油機是重要的動力設備。我國直到20世紀30年代才開始生產(chǎn)汽油機。20世紀50年代以后，隨著我國汽車工業(yè)的發(fā)展，我國的汽油機生產(chǎn)得到了迅速的發(fā)展，在我國的經(jīng)濟和社會生活中發(fā)揮了，并正在發(fā)揮著重要的作用。2，汽油機工作原理汽油機工作時，活塞在氣缸內(nèi)往復運動。如果是四沖程汽油機，它有進氣、壓縮、作功和排氣四個行程。汽油以適當方式（在進氣道中或氣缸燃燒室中）同空氣混合，于壓縮行程結(jié)束前被火花塞點燃，引發(fā)燃燒，推動活塞運動，從而對外作功。3，汽油機的排放汽油是多種碳氫化合物的混合。實際吸入發(fā)動機的空氣量和燃油量的比值稱為空燃比。汽油的化學計量空燃比為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，進入汽油機燃燒室的混合氣油氣比例為理論空燃比時，燃燒產(chǎn)生的氣體應該只有二氧化碳和水蒸氣。汽油機工作時，汽油在氣缸的燃燒幾乎不可能達到完全充分相當長時期里，汽油機是由化油器供給汽油并進行油氣混合（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，汽油機的燃燒難以完全充分。長期以來，汽油機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重。汽油機排放的副產(chǎn)品主要有一氧化碳、碳氫化合物和氮氧化合物等。一氧化碳（CO）是碳氫化合物未充分氧化的產(chǎn)物。它無色無味，能破壞人體血液吸收氧的功能。碳氫化合物（HC）包括了殘余未燃燒的碳氫化合物以及燃燒過程中新合成的碳氫化合物。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，氧和氮反應生成。它對人體健康有危害。進氣處于理論空燃比位置時，汽油機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。但由于它被認為是“溫室效應”的制造者，對于它的排放應該引起足夠的重視。4，化油器式汽油機的缺陷汽油機氣缸內(nèi)的燃燒是由空氣和汽油混合形成的可燃混合氣，經(jīng)火花塞點火而產(chǎn)生的。化油器式汽油機已經(jīng)存在了一百多年。流體有一個重要的特性，流速加快，靜壓力變小（伯努利原理）?；推骶褪且揽窟M氣管喉管處進氣速度加快，形成負壓而將浮子室中的汽油吸出（見圖2）。隨著對汽油機要求的提高，化油器的缺陷日益明顯。（1）燃燒不完全汽油機性能與空燃比有著密切的關系。然而，化油器的物理特性難以按理論空燃比提供汽油。（2）各缸進氣不均勻在多缸汽油機上，從化油器到各個氣缸的路徑是不一樣的，因而，進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到同樣的性能指標。（3）喉管降低進氣效率化油器喉管截面收縮，引起進氣阻力增加，進氣效率降低。針對這些缺陷人們不斷對化油器進行改進。但是，從上世紀50年代開始，隨著人們對環(huán)境保護的重視，在汽油機上起了至關重要作用的化油器面臨了越來越嚴峻的形勢，在汽車上應用汽油噴射技術也日益受到了人們的關注。二，汽油發(fā)動機管理系統(tǒng)原理和發(fā)展過程1，汽油發(fā)動機管理系統(tǒng)發(fā)展過程20世紀30年代起，在航空發(fā)動機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的發(fā)動機上。最早在車用發(fā)動機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）。當時，這些汽油噴射系統(tǒng)只能是機械式的。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的噴油器當時曾用在Chrysler的汽車上。當時，在航空發(fā)動機上采用汽油噴射是為了解決浮子室式化油器不適應飛機多種姿態(tài)的要求，以及排除化油器結(jié)冰的故障。而在車用發(fā)動機上采用也只是為了提高功率和過渡響應性。只是在上世紀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)和點火系統(tǒng)整合在一起，形成了汽油發(fā)動機管理系統(tǒng)（EMS）：Motronic系統(tǒng)，這也就是說汽油發(fā)動機管理系統(tǒng)包含了汽油噴射系統(tǒng)和點火系統(tǒng)。在本文中，如果在論述噴油器時不涉及點火功能，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)動機及汽車的負荷、進氣量、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施噴油（見圖4）。圖4--1汽油發(fā)動機管理系統(tǒng)構成簡圖圖4--2汽油噴射系統(tǒng)示意圖三，汽油發(fā)動機噴油器結(jié)構與性能汽油噴射系統(tǒng)中噴油器是執(zhí)行部件，起著至關重要的作用。Bosch公司的EV1噴油器，在市場上長期占居領先地位，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，實現(xiàn)噴油。由于汽油機工作轉(zhuǎn)速達每分鐘幾千轉(zhuǎn)，噴油器的噴油時間是以毫秒計，汽油機噴油器實質(zhì)上是一種高頻電磁閥。汽油機噴油器的典型結(jié)構可見圖5。1，進油噴油器進油可以從噴油器頂部（見圖5），也可從側(cè)面（見圖6）或者從底部進入。側(cè)面以及底部進油的噴油器進油面積大，結(jié)構略為復雜一些。它的進油量比噴油量大得多，進油充沛，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?，F(xiàn)有的頂部進油噴油器，燃油進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，氣泡易于向上運動而排出噴油器外。而對于燃油非直線狀流動（如側(cè)面進油）的噴油器，氣泡不易排出，易形成氣阻而影響噴油。進油通道相關零件的內(nèi)腔應光整無毛刺，這些零件的材料及工藝按排應嚴格保證這一要求的實現(xiàn)。進油口應安裝濾芯或濾網(wǎng)以保證外界的顆粒不進入噴油器內(nèi)腔。2，驅(qū)動噴油器工作時，針閥應準時而迅速開啟，準時而迅速關閉，即應具有良好的高頻響應性能。影響高頻響應性能的噴油器零件有線圈、磁路零件（包掛括運動件）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)腔運動件和限位件之間有一間隙，在電磁力作用下運動件向限位件方向運動，直止接觸限位件。按控制器輸出脈沖訊號寬度運動件保持在圖5汽油機噴油器典型結(jié)構圖6側(cè)面進油噴油器最大升程位置。控制器訊號消失，電磁力即消失，運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。磁路零圖7噴油器磁路（圖中紅線為磁力線路徑）件應選用軟磁材料，并進行真空退火處理，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。運動件動態(tài)特性對噴油器的性能至關重要。運動件的受力狀況可見圖8。影響噴油器高頻響應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、油壓力以及運動件的慣性力）。運動件的質(zhì)量很大程度上影響了噴油器的動態(tài)特性。圖8運動件受力圖（2）噴油器運動件的運動過程噴油器運動件運動過程見圖9。圖中上方為ECU脈沖訊號，下方為運動件升起隨時間的變化過程。從圖9可見運動件開啟和關閉相對于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運動件開啟和關閉過程3，噴油（1）噴油器的開啟和關閉噴油器運動件升起后，噴油開始。運動件升程的值應在一定的精度內(nèi)，以保證噴油流量的精度。運動件開始升起時，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）。運動件升程應足夠大，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。磁路中設置了一個間隙，它的值即為運動件的升程。這個間隙兩邊的平面應平整，工作過程中磨損應很微小。這兩個平面常在精加工后進行表面硬化。運動件升程的調(diào)整是噴油器裝配工藝的一個難點。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。孔口的形狀應規(guī)整，孔口方向應正確，孔口應無毛刺。（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。噴油器靜態(tài)流量qst同（最?。┝魍ń孛妫ˋ）和壓力（P）有關。如前所述，應保證最小流通截面在噴孔處。為保證噴油器流量的穩(wěn)定，噴油器進油口和噴孔處工作壓力之差應保持恒定；噴孔孔口尺寸應精準，并應無毛刺。靜態(tài)流量是動態(tài)流量的基礎，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。與高頻響應特性也影響動態(tài)流量以及它的線性和穩(wěn)定性。汽油機噴油器實質(zhì)上是一個高頻電磁閥，要求具有良好的高頻響應特性。這一特性一般用開啟時間ton和關閉時間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，在圖下方標出的動態(tài)流量范圍（DFR）。影響高頻響應特性的因素主要有驅(qū)動力（電磁力）和阻力（彈簧力、運動件慣性力、摩