汽油发动机管理系统喷油器结构与原理.docx

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汽油发动机管理系统喷油器结构与原理

汽油发动机管理系统

喷油器结构与原理

一，汽油机原理

1，汽油机的发展过程

2，汽油机工作原理

3，汽油机的排放

4，化油器式汽油机的缺陷

二，汽油发动机管理系统原理和发展过程

三，汽油发动机喷油器结构与性能

1，进油

2，驱动

（1）电磁作用

（2）喷油器运动件的运动过程

3，喷油

（1）喷油器的开启和关闭

（2）喷油器流量

（3）油束的方向和形状

（4）雾化

4，密封性

四，喷油器发展动向

1，小型化

2，高压直喷

3，多燃料

一，汽油机原理

1，汽油机的发展过程

汽车的动力装置有汽油发动机、柴油发动机、气体燃料发动机、电动机以及燃气轮机。

（其中也包括混合型动力装置，如两用燃料、混合动力。

）

由于汽油机有着一系列的优点，在汽车动力装置中汽油机应用的比例相当高。

在非机动车领域，汽油机也有着广泛的应用，如用于农业机械、园林机械、小型发电机组、船舶等。

德国人戴姆勒和迈巴赫在1883年发明了一种四冲程往复式结构的汽油机，采用化油器供油，白炽灯点火。

由此，汽油机不断发展改进，并被采用到各种机械上。

在一些领域中，汽油机是重要的动力设备。

我国直到20世纪30年代才开始生产汽油机。

20世纪50年代以后，随着我国汽车工业的发展，我国的汽油机生产得到了迅速的发展，在我国的经济和社会生活中发挥了，并正在发挥着重要的作用。

2，汽油机工作原理

汽油机工作时，活塞在气缸内往复运动。

如果是四冲程汽油机，它有进气、压缩、作功和排气四个行程。

汽油以适当方式（在进气道中或气缸燃烧室中）同空气混合，于压缩行程结束前被火花塞点燃，引发燃烧，推动活塞运动，从而对外作功。

3，汽油机的排放

汽油是多种碳氢化合物的混合。

实际吸入发动机的空气量和燃油量的比值称为空燃比。

汽油的化学计量空燃比为14.7,称为理论空燃比（见图1）。

汽油燃烧时和氧作用产生二氧化碳和水蒸气。

从理论上讲，进入汽油机燃烧室的混合气油气比例为理论空燃比时，燃烧产生的气体应该只有二氧化碳和水蒸气。

汽油机工作时，汽油在气缸的燃烧几乎不可能达到完全充分。

相当长时期里，汽油机是由化油器供给汽油并进行油气混合（见图2），

由于它的物理特性的局限，燃油不可能按要求的量提供，汽油机的燃烧难以完全充分。

长期以来，汽油机排出的有害气体无法得到有效的控制。

随着汽车保有量的上升，汽车排放污染的影响越来越严重。

汽油机排放的副产品主要有一氧化碳、碳氢化合物和氮氧化合物等。

一氧化碳（CO）是碳氢化合物未充分氧化的产物。

它无色无味，能破坏人体血液吸收氧的功能。

碳氢化合物（HC）包括了残余未燃烧的碳氢化合物以及燃烧过程中新合成的碳氢化合物。

这种物质对人体健康有危害。

氮氧化合物（NOX）是高温燃烧时，氧和氮反应生成。

它对人体健康有危害。

进气处于理论空燃比位置时，汽油机排出的有害气体能处于较低水平（见图3）。

因此，人们把治理汽油机排放污染的注意力首先集中到如何控制空燃比上。

图3排放与空燃比的关系

二氧化碳是汽油和空气中的氧燃烧的生成物，通常它未被列入排放有害物。

但由于它被认为是“温室效应”的制造者，对于它的排放应该引起足够的重视。

4，化油器式汽油机的缺陷

汽油机气缸内的燃烧是由空气和汽油混合形成的可燃混合气，经火花塞点火而产生的。

化油器式汽油机已经存在了一百多年。

流体有一个重要的特性，流速加快，静压力变小（伯努利原理）。

化油器就是依靠进气管喉管处进气速度加快，形成负压而将浮子室中的汽油吸出（见图2）。

随着对汽油机要求的提高，化油器的缺陷日益明显。

（1）燃烧不完全

汽油机性能与空燃比有着密切的关系。

然而，化油器的物理特性难以按理论空燃比提供汽油。

（2）各缸进气不均匀

在多缸汽油机上，从化油器到各个气缸的路径是不一样的，因而，进到各个气缸的混合气的浓度和燃油组分是不一样的。

这样，各个缸不可能同时达到同样的性能指标。

（3）喉管降低进气效率

化油器喉管截面收缩，引起进气阻力增加，进气效率降低。

针对这些缺陷人们不断对化油器进行改进。

但是，从上世纪50年代开始，随着人们对环境保护的重视，在汽油机上起了至关重要作用的化油器面临了越来越严峻的形势，在汽车上应用汽油喷射技术也日益受到了人们的关注。

二，汽油发动机管理系统原理和发展过程

1，汽油发动机管理系统发展过程

20世纪30年代起，在航空发动机上就开始研究采用汽油喷射。

二次大战后汽油喷射已用于军用飞机的发动机上。

最早在车用发动机

上采用汽油喷射的是Goliath和Gutbrod两个公司（1950至1953年间），以及Benz公司（1957年）。

当时，这些汽油喷射系统只能是机械式的。

1953年，Bendix公司开始开发电控汽油喷油器，于1957年公开发表。

Bendix的喷油器当时曾用在Chrysler的汽车上。

当时，在航空发动机上采用汽油喷射是为了解决浮子室式化油器不适应飞机多种姿态的要求，以及排除化油器结冰的故障。

而在车用发动机上采用也只是为了提高功率和过渡响应性。

只是在上世纪50年代末60年代初，美国等国家对汽车排放控制开始重视后，汽油喷射由于能精确控制空燃比，才日益受到关注。

1962年，Bosch开始研制电控汽油喷射系统。

1967年Bosch公司发布了第一个电子控制汽油喷射系统——D—Jetronic,并投入了应用，取得了成功。

以后，Bosch公司又陆续开发了

K---Jetronic系统,

L—Jetronic系统,

LH---Jetronic系统,

KE---Jetronic系统,

以及Mono—Jetronic；

1979年，Bosch公司推出了将汽油喷射系统和点火系统整合在一起，形成了汽油发动机管理系统（EMS）：

Motronic系统，

这也就是说汽油发动机管理系统包含了汽油喷射系统和点火系统。

在本文中，如果在论述喷油器时不涉及点火功能，对系统称为汽油喷射系统。

近年来，Bosch公司又在M—Motronic系统中加入了电子节气门体控制（ETC），形成了

ME—Motronic系统；

近来，Bosch公司又推出

MED—Motronic系统，

把汽油直接喷射（GDI），电子点火和ETC整合在一起。

2，汽油喷射系统的基本原理

发动机及汽车的负荷、进气量、速度、温度等参数经传感器采集输送到控制器，控制器计算后输出讯号到喷油器，喷油器按控制器的要求实施喷油（见图4）。

传感器

喷油器

点火线圈

控制器（ECU）

图4--1汽油发动机管理系统构成简图

图4--2汽油喷射系统示意图

三，汽油发动机喷油器结构与性能

汽油喷射系统中喷油器是执行部件，起着至关重要的作用。

Bosch公司的EV1喷油器，在市场上长期占居领先地位，受到用户的广泛好评。

1990年代，Bosch公司研制成功EV6喷油器，逐步取代了EV1喷油器。

随着汽油机缸内喷射系统（GDI）的问世和发展，Bosch公司的HDEV喷油器不断发展和完善，已成为新一代极具发展潜力的产品。

汽油喷射系统的燃油泵将燃油输送到喷油器，喷油器接受到控制器脉冲讯号在线圈中产生电磁力，在电磁力作用下喷油器开启，实现喷油。

由于汽油机工作转速达每分钟几千转，喷油器的喷油时间是以毫秒计，汽油机喷油器实质上是一种高频电磁阀。

汽油机喷油器的典型结构可见图5。

1，进油

喷油器进油可以从喷油器顶部（见图5），也可从侧面（见图6）或者从底部进入。

侧面以及底部进油的喷油器进油面积大，结构略为复杂一些。

它的进油量比喷油量大得多，进油充沛，喷射器内腔压力波动小，喷油较稳定。

这种喷油器适用于大流量喷油器。

现有的顶部进油喷油器，燃油进入喷油器后向下直线状流向喷孔。

工作过程中如有气泡产生，气泡易于向上运动而排出喷油器外。

而对于燃油非直线状流动（如侧面进油）的喷油器，气泡不易排出，易形成气阻而影响喷油。

进油通道相关零件的内腔应光整无毛刺，这些零件的材料及工艺按排应严格保证这一要求的实现。

进油口应安装滤芯或滤网，以保证外界的颗粒不进入喷油器内腔。

2，驱动

喷油器工作时，针阀应准时而迅速开启，准时而迅速关闭，即应具有良好的高频响应性能。

影响高频响应性能的喷油器零件有线圈、磁路零件（包挂括运动件）及弹簧。

（1）电磁作用

线圈接收到讯号后即产生电流，在磁路中产生电磁场。

喷油器内腔运动件和限位件之间有一间隙，在电磁力作用下运动件向限位件方

向运动，直止接触限位件。

按控制器输出脉冲讯号宽度运动件保持在

图5汽油机喷油器典型结构

图6侧面进油喷油器

最大升程位置。

控制器讯号消失，电磁力即消失，运动件在弹簧作用下返回原位。

产生电磁力的线圈和磁路零件是喷油器的重要零部件，应十分重视。

线圈有低阻抗和高阻抗两种。

为获得较小的喷油器体积，大多采用高阻抗线圈。

线圈通电后产生磁场，合适的磁路零件能将磁力线加强。

磁路零

图7喷油器磁路（图中红线为磁力线路径）

件应选用软磁材料，并进行真空退火处理，以降低矫顽力。

相互结合的磁路零件的结合面应尽可能紧密贴合无间隙，以免磁力线在两者结合面间的空气隙中产生损耗。

有些喷油器的壳体同线圈中间的零件一起形成磁路。

运动件动态特性对喷油器的性能至关重要。

运动件的受力状况可见图8。

影响喷油器高频响应性能的因素有喷油器的驱动力（电磁力）和阻力（电磁矫顽力、弹簧力、摩擦力、油压力以及运动件的惯性力）。

运动件的质量很大程度上影响了喷油器的动态特性。

图8运动件受力图

（2）喷油器运动件的运动过程

喷油器运动件运动过程见图9。

图中上方为ECU脉冲讯号，下方为运动件升起随时间的变化过程。

从图9可见运动件开启和关闭相对于ECU讯号存在延迟，这一现象影响了喷油器的动态流量。

图9运动件开启和关闭过程

3，喷油

（1）喷油器的开启和关闭

喷油器运动件升起后，喷油开始。

运动件升程的值应在一定的精度内，以保证喷油流量的精度。

运动件开始升起时，开启的最小流通截面发生在两个密封件的密封面之间。

随着运动件的升起，这一流通截面随之增大，直至喷孔成为最小流通截面（可参见图14）。

运动件升程应足够大，以保证喷孔成为最小流通截面，但不宜太大，以免影响动态性能。

磁路中设置了一个间隙，它的值即为运动件的升程。

这个间隙两边的平面应平整，工作过程中磨损应很微小。

这两个平面常在精加工后进行表面硬化。

运动件升程的调整是喷油器装配工艺的一个难点。

通常，用垫片调整取得所需要的喷油器升程。

喷油孔口对喷油流量，油束的形状和方向，雾化等性能有很大的影响。

孔口的形状应规整，孔口方向应正确，孔口应无毛刺。

（2）喷油器流量

喷油器的静态流量是研究计算喷油器流量特性的基础。

喷油器静态流量qst同（最小）流通截面（A）和压力（P）有关。

如前所述，应保证最小流通截面在喷孔处。

为保证喷油器流量的稳定，喷油器进油口和喷孔处工作压力之差应保持恒定；喷孔孔口尺寸应精准，并应无毛刺。

静态流量是动态流量的基础，这就是说，流通截面和压力同样影响着动态流量。

喷油器动态流量的变化取决于ECU脉冲讯号的脉宽。

与高频响应特性也影响动态流量以及它的线性和稳定性。

汽油机喷油器实质上是一个高频电磁阀，要求具有良好的高频响应特性。

这一特性一般用开启时间ton和关闭时间toff表征（见图9）。

图10喷油动态流量的线性

图中上方为以+/-5%的上下限度衡量，在图下方标出的动态流量范围（DFR）。

影响高频响应特性的因素主要有驱动力（电磁力）和阻力（弹簧力、运动件惯性力、摩擦力、油压力以及电磁矫顽力）。

运动件惯性力与运动件质量有关，减轻运动件质量有利于提高高频响应特性。

研究ECU脉冲讯号、线圈电流、电磁场、针阀运动和喷油之间的关系，可以了解喷油器动态特性的来由。

喷油器的动态特性影响流量的线性，流量保持线性的范围称为动态流量范围DFR（见图10）。

动态流量范围的大小反映了动态特性的优劣。

（3）油束的方向和形状

进气道喷射（PFI）喷油器喷射油束的中心线应指向进气阀的中心（见图11）。

从图可见，油束中心线射向进气阀中心。

进气阀开启，油气的混合气即进入气缸。

图11喷油油束的方向

图11--1喷油油束（进气道喷射）同进

气阀的相对位置

图11--2喷油油束在发动机上的位置（图为进气道喷射）

不同发动机对于喷油油束的形状有不同的要求。

喷油器头部不同的结构能产生不同锥角和分叉的油束。

油束形状（见图12）有：

锥形喷射（见图12之b）

笔式喷射（见图12之a）

双束喷射（见图12之c）

斜向喷射（见图12之d）

单个油束的油束夹角与喷孔尺寸、喷射压差、燃油密度、燃油黏度等因素有关。

图12油束形状

（4）雾化

发动机工作时，燃油的雾化质量对于发动机性能影响很大。

对于进气道喷射，汽油与空气混合的理想状态是：

汽油在进气道中已充分汽化并混合，进气门打开后进入气缸，燃烧开始时，汽油完全汽化。

汽油汽化的程度与喷雾中液滴尺寸、液滴密度分布有关。

因此，对雾化机理的研究有着十分重要的价值。

但是，雾化机理十分复杂，对它的研究难度很大。

燃油喷射后能生成细小的油滴群，这样，汽油油滴蒸发气化面积得以增加燃烧率得到提高。

例如，3mm的油滴雾化成0.03mm，燃烧率可增加10,000倍。

因此，对雾化的研究十分重要。

但是，雾化的机理十分复杂。

至今，大多还是用试验的方法，定性的分析解决工程应用的实际要求。

油滴细化程度大致与喷射压差、喷孔面积、喷油率、空气密度、燃料密度、燃料黏度等因素有关。

常用Sauter平均直径（SMD）表示整个油滴群的细化程度。

图13喷油器喷射的油束及雾化

4,密封性

喷油器关闭时必须将泄漏量控制在十分低的水平。

泄漏量常用一定压力下单位时间内泄漏值表征。

不同的喷油器采用了不同的密封形式。

图14锥面—锥面密封形式

密封形式：

球面—锥面（球面可由球或半球形成。

可见图7）

锥面---锥面（见图14）

平面---平面（见图15）

不同的密封形式的特性各有优劣，密封的性能也不同。

密封面的硬度和几何精度，以及喷油器内腔残留的固体颗粒物极大地影响着密封性。

密封面材料应有足够的硬度，密封面的几何精度应足够高。

喷油器内腔应十分干净，残留的固体颗粒物对于密封性影响很大。

严重的泄漏甚至会损坏发动机。

喷油器的密封性测试应十分严格，以确保发动机正常工作。

图15平面—平面密封形式

密封形式除了常见的在内腔压紧密封---向内腔运动开启的内开式外，还有向外开启的外开式，它在早期的喷油器以及要求较低的场合有一些应用。

四，喷油器发展动向

面对社会和经济的迅速发展，汽油机对发动机管理系统及喷油器不断提出新的，越来越高的要求。

喷油器的技术也在不断发展。

目前，汽油机喷油器发展动向主要有：

1，小形化；

2，高压直喷；

3，多种燃料。

图16汽油机缸内直喷简图

从右图可以看到油束喷注的路径。