电控喷油器研究现状分析

摘 要：文章对电控喷油器近几年的研究情况作了回顾，分析了多种研究方向及现状，为喷油器的开发提供了有益借鉴和参考。

关键词：喷油器；模型；分析

电控喷油器是电控燃油喷射系统的核心部件，用以精确地计量燃油并形成喷雾，其快速的动态响应、宽广的线性流量范围、良好的雾化性能决定了燃油喷射系统的工作特性。目前，德国BOSCH、美国DELPHI、德国SIEMENS和日本DENSO等公司已有电控喷油器产品，且基本瓜分和垄断了全球市场。

1 概述

电控喷油器本质上是一电磁阀，图1为一球阀式电控喷油器，主要包括：线圈、铁芯、衔铁、轭铁、钢球、阀座、喷孔板、喷管进口、喷管主体等组成。

当线圈不通电时，在弹簧预紧力及内部燃油压力的共同作用下，钢球被压紧在阀座上，处于关闭状态，喷油器不喷油。线圈通电后，线圈内的磁通量逐渐增大，衔铁及钢球组件受到的电磁力逐渐增加并克服弹簧力、燃油压力及自身重力，衔铁及钢球组件开始升起，燃油从喷孔板上的喷孔喷出，直至线圈断电后，在燃油压力和弹簧预紧力的作用下衔铁及钢球组件回位，钢球与阀座密切结合，起到密封阻断燃油的作用。至此，完成一次燃油喷射过程。

2 国内外研究现状

为了提高发动机经济性、减少排放、改善汽油机的瞬态响应特性，使用多孔汽油喷油器（包括缸内直喷喷油器）已成为主流趋势。这对电控喷油器开启与关闭响应时间的要求更高，需具备更宽的线性流量范围，且在微小流量时具有良好的线性度。因此，电控喷油器动态性能的研究成为当前的一个热点。

近年来围绕喷油器喷射过程及其动态性能机理开展一些研究工作。主要在以下几个方面：

2.1 建立喷射过程模型，进行数值计算与分析

建立准确的数学模型是深入研究电控喷油器工作过程及动态特性的基础。David H. Smith等人以单点喷射系统的轴针式喷油器为研究对象，将喷油器分为电磁模型、机械动力学模型和流动模型三部分，建立了一种通用的电控喷油器动态过程模型，提出增加与衔铁在最大行程时接触处的层流衰减区、提高阀的动力学阻尼、改变驱动电路类型以及减少针阀衔铁运动组件的质量及行程，以达到改善喷油器的动态特性的目的。Kuan-Ya Yuan等人同样针对单点喷射系统的轴针式喷油器，提出一种新型有限元算法进行仿真分析，并对电控喷油器动态性能进行预测，试验结果表明，该模型的预测结果基本与试验相吻合。Q. Hu 等人将电控喷油器简化为上部的滤清器、中间的线圈弹簧与针阀组件、下部的喷孔三个部分，通过计算表明液体流经滤清器时的动能损失系数基本为一常数，而经喷孔喷出时的液体动能损失系数却和针阀与阀座之间的截面积有关。试验表明，该模型可比较准确地对喷油器的动态响应进行预测。

我国对汽车发动机电控喷油器的相关研究起步较晚，且多集中在仿真计算方面。马忠杰、颜伏武等人通过理论分析建立了电控喷油器喷射过程的非线性计算模型。张振东等人建立了喷油器开启动态过程的数学模型，分析了电磁参数和结构参数对喷油器动态特性的影响规律。这些研究结果为揭示电控喷油器动态性能机理、设计和优化电控喷油器奠定了一定的基础。

2.2 优化电磁场、提升电磁力

优化电控喷油器的电磁特性是缩短动态响应时间的有效途径，众多研究者进行了有益的探索。Greiner， M.等人通过理论分析，指出了提高电控喷油器动态响应的途径，并从电磁线圈、衔铁及铁芯设计、制造、加工、测试等方面来保证电控喷油器微小流量时的线性度。R. Ando等人对电控喷油器动态特性进行了一维模拟，研究结果表明电磁后效（aftereffect）对动态响应的影响随着开启时间的减少而增加。Dean Cvetkovic等人分析了电磁场结构参数、材料特性、衔铁质量等参数对响应时间、电磁力的影响规律，通过多个方案的计算对比，优化了电磁部件的几何参数，电控喷油器的整体结构尺寸减小，动态响应性能得以提高。

上述研究多是通过增加电磁力的方法，以提高电控喷油器开启过程的响应性能。但是，电磁场所产生的电磁力与阀芯的机械运动具有耦合关系，同时还受到电磁场零部件的几何结构、磁性材料特性等参数影响。

2.3 对内部流动进行分析、减小流动阻力

电控喷油器的流量特性和喷雾特性受到燃油在其内部的流动特性的影响，该方面的研究是进一步探明电控喷油器动态机理的重要环节。J. H. Spurk等人建立了电控喷油器内部流动的数值模型。计算分析了针阀体的运动过程、速度和内部流体压力的变化趋势，提出了针阀体机械运动和内部液体流动之间的耦合关系，指出喷油器的内部流体流动也是影响其动态开启与关闭时间的重要因素。M. H. Shojaeefard等人将内部燃油流动视为绝热不可压的定常流和准定常流过程，计算分析了各针阀升程下喷油器内部和喷孔处的压力及速度分布，得出了喷孔流量系数与针阀升程的关系曲线。D. Kolokotronis等人通过CFD仿真计算及可视化试验，研究了两种类型的电控喷油器喷孔内部气穴产生与分布现象，并实现了对喷油器喷孔内部气穴的预测。这些研究利用不同方法揭示了电控喷油器内部流动的特征，为优化燃油流动路径优化和提高喷射雾化性能做好了充分的准备。

2.4 喷雾雾化过程及分布研究

电控喷油器的最终目的是喷射出适量燃油并形成喷雾，因此，研究喷雾雾化特征是提高电控喷油器性能的一个重要方面。Matsuo Tetsuharu等人分析了上游来流及喷孔内部的燃油流动规律，为提高雾化性能对多孔喷油器的喷孔结构进行了改进。Nouri 等人采用可视化方法研究了汽油机直喷多孔电控喷油器的内部流动、气穴特征及喷雾分布。其他学者则采用仿真和实验相结合的方法研究了电控喷油器喷雾在时间和空间上的分布情况。

3 结束语

上述研究从不同侧面深入分析了电控喷油器工作过程建模、动态响应特性预测、内部流动特征和喷射雾化效果等问题。由于电控喷油器的工作过程涉及到电磁学、流体力学及摩擦等多学科知识，是一个动态非线性过程，如何从整体上全面研究电控喷油器的动态机理，探明磁路参数、流动路径、喷孔几何结构参数的综合优化设计规律，设计一种精度高、简单有效的电控喷油器综合性能参数测试与评价方法，成为当前亟待解决的一个重要问题。

参考文献

[1]李瑞忠，郗凤云，杨宁.2010年世界能源供需分析[J].当代石油石化，2011.

[2]张振东，刘坚，周萍.电控喷射阀开启过程影响因素分析[J].农业机械学报，2003.