電控噴油器研究現狀分析

唐春鋒+孫躍東+郭輝

摘 要：文章對電控噴油器近幾年的研究情況作了回顧，分析了多種研究方向及現狀，為噴油器的開發提供了有益借鑒和參考。

關鍵詞：噴油器；模型；分析

電控噴油器是電控燃油噴射系統的核心部件，用以精確地計量燃油并形成噴霧，其快速的動態響應、寬廣的線性流量范圍、良好的霧化性能決定了燃油噴射系統的工作特性。目前，德國BOSCH、美國DELPHI、德國SIEMENS和日本DENSO等公司已有電控噴油器產品，且基本瓜分和壟斷了全球市場。

1 概述

電控噴油器本質上是一電磁閥，圖1為一球閥式電控噴油器，主要包括：線圈、鐵芯、銜鐵、軛鐵、鋼球、閥座、噴孔板、噴管進口、噴管主體等組成。

當線圈不通電時，在彈簧預緊力及內部燃油壓力的共同作用下，鋼球被壓緊在閥座上，處于關閉狀態，噴油器不噴油。線圈通電后，線圈內的磁通量逐漸增大，銜鐵及鋼球組件受到的電磁力逐漸增加并克服彈簧力、燃油壓力及自身重力，銜鐵及鋼球組件開始升起，燃油從噴孔板上的噴孔噴出，直至線圈斷電后，在燃油壓力和彈簧預緊力的作用下銜鐵及鋼球組件回位，鋼球與閥座密切結合，起到密封阻斷燃油的作用。至此，完成一次燃油噴射過程。

2 國內外研究現狀

為了提高發動機經濟性、減少排放、改善汽油機的瞬態響應特性，使用多孔汽油噴油器（包括缸內直噴噴油器）已成為主流趨勢。這對電控噴油器開啟與關閉響應時間的要求更高，需具備更寬的線性流量范圍，且在微小流量時具有良好的線性度。因此，電控噴油器動態性能的研究成為當前的一個熱點。

近年來圍繞噴油器噴射過程及其動態性能機理開展一些研究工作。主要在以下幾個方面：

2.1 建立噴射過程模型，進行數值計算與分析

建立準確的數學模型是深入研究電控噴油器工作過程及動態特性的基礎。David H. Smith等人以單點噴射系統的軸針式噴油器為研究對象，將噴油器分為電磁模型、機械動力學模型和流動模型三部分，建立了一種通用的電控噴油器動態過程模型，提出增加與銜鐵在最大行程時接觸處的層流衰減區、提高閥的動力學阻尼、改變驅動電路類型以及減少針閥銜鐵運動組件的質量及行程，以達到改善噴油器的動態特性的目的。Kuan-Ya Yuan等人同樣針對單點噴射系統的軸針式噴油器，提出一種新型有限元算法進行仿真分析，并對電控噴油器動態性能進行預測，試驗結果表明，該模型的預測結果基本與試驗相吻合。Q. Hu 等人將電控噴油器簡化為上部的濾清器、中間的線圈彈簧與針閥組件、下部的噴孔三個部分，通過計算表明液體流經濾清器時的動能損失系數基本為一常數，而經噴孔噴出時的液體動能損失系數卻和針閥與閥座之間的截面積有關。試驗表明，該模型可比較準確地對噴油器的動態響應進行預測。

我國對汽車發動機電控噴油器的相關研究起步較晚，且多集中在仿真計算方面。馬忠杰、顏伏武等人通過理論分析建立了電控噴油器噴射過程的非線性計算模型。張振東等人建立了噴油器開啟動態過程的數學模型，分析了電磁參數和結構參數對噴油器動態特性的影響規律。這些研究結果為揭示電控噴油器動態性能機理、設計和優化電控噴油器奠定了一定的基礎。

2.2 優化電磁場、提升電磁力

優化電控噴油器的電磁特性是縮短動態響應時間的有效途徑，眾多研究者進行了有益的探索。Greiner， M.等人通過理論分析，指出了提高電控噴油器動態響應的途徑，并從電磁線圈、銜鐵及鐵芯設計、制造、加工、測試等方面來保證電控噴油器微小流量時的線性度。R. Ando等人對電控噴油器動態特性進行了一維模擬，研究結果表明電磁后效（aftereffect）對動態響應的影響隨著開啟時間的減少而增加。Dean Cvetkovic等人分析了電磁場結構參數、材料特性、銜鐵質量等參數對響應時間、電磁力的影響規律，通過多個方案的計算對比，優化了電磁部件的幾何參數，電控噴油器的整體結構尺寸減小，動態響應性能得以提高。

上述研究多是通過增加電磁力的方法，以提高電控噴油器開啟過程的響應性能。但是，電磁場所產生的電磁力與閥芯的機械運動具有耦合關系，同時還受到電磁場零部件的幾何結構、磁性材料特性等參數影響。

2.3 對內部流動進行分析、減小流動阻力

電控噴油器的流量特性和噴霧特性受到燃油在其內部的流動特性的影響，該方面的研究是進一步探明電控噴油器動態機理的重要環節。J. H. Spurk等人建立了電控噴油器內部流動的數值模型。計算分析了針閥體的運動過程、速度和內部流體壓力的變化趨勢，提出了針閥體機械運動和內部液體流動之間的耦合關系，指出噴油器的內部流體流動也是影響其動態開啟與關閉時間的重要因素。M. H. Shojaeefard等人將內部燃油流動視為絕熱不可壓的定常流和準定常流過程，計算分析了各針閥升程下噴油器內部和噴孔處的壓力及速度分布，得出了噴孔流量系數與針閥升程的關系曲線。D. Kolokotronis等人通過CFD仿真計算及可視化試驗，研究了兩種類型的電控噴油器噴孔內部氣穴產生與分布現象，并實現了對噴油器噴孔內部氣穴的預測。這些研究利用不同方法揭示了電控噴油器內部流動的特征，為優化燃油流動路徑優化和提高噴射霧化性能做好了充分的準備。

2.4 噴霧霧化過程及分布研究

電控噴油器的最終目的是噴射出適量燃油并形成噴霧，因此，研究噴霧霧化特征是提高電控噴油器性能的一個重要方面。Matsuo Tetsuharu等人分析了上游來流及噴孔內部的燃油流動規律，為提高霧化性能對多孔噴油器的噴孔結構進行了改進。Nouri 等人采用可視化方法研究了汽油機直噴多孔電控噴油器的內部流動、氣穴特征及噴霧分布。其他學者則采用仿真和實驗相結合的方法研究了電控噴油器噴霧在時間和空間上的分布情況。

3 結束語

上述研究從不同側面深入分析了電控噴油器工作過程建模、動態響應特性預測、內部流動特征和噴射霧化效果等問題。由于電控噴油器的工作過程涉及到電磁學、流體力學及摩擦等多學科知識，是一個動態非線性過程，如何從整體上全面研究電控噴油器的動態機理，探明磁路參數、流動路徑、噴孔幾何結構參數的綜合優化設計規律，設計一種精度高、簡單有效的電控噴油器綜合性能參數測試與評價方法，成為當前亟待解決的一個重要問題。

參考文獻

[1]李瑞忠，郗鳳云，楊寧.2010年世界能源供需分析[J].當代石油石化，2011.

[2]張振東，劉堅，周萍.電控噴射閥開啟過程影響因素分析[J].農業機械學報，2003.

摘 要：文章對電控噴油器近幾年的研究情況作了回顧，分析了多種研究方向及現狀，為噴油器的開發提供了有益借鑒和參考。

關鍵詞：噴油器；模型；分析

電控噴油器是電控燃油噴射系統的核心部件，用以精確地計量燃油并形成噴霧，其快速的動態響應、寬廣的線性流量范圍、良好的霧化性能決定了燃油噴射系統的工作特性。目前，德國BOSCH、美國DELPHI、德國SIEMENS和日本DENSO等公司已有電控噴油器產品，且基本瓜分和壟斷了全球市場。

1 概述

電控噴油器本質上是一電磁閥，圖1為一球閥式電控噴油器，主要包括：線圈、鐵芯、銜鐵、軛鐵、鋼球、閥座、噴孔板、噴管進口、噴管主體等組成。

當線圈不通電時，在彈簧預緊力及內部燃油壓力的共同作用下，鋼球被壓緊在閥座上，處于關閉狀態，噴油器不噴油。線圈通電后，線圈內的磁通量逐漸增大，銜鐵及鋼球組件受到的電磁力逐漸增加并克服彈簧力、燃油壓力及自身重力，銜鐵及鋼球組件開始升起，燃油從噴孔板上的噴孔噴出，直至線圈斷電后，在燃油壓力和彈簧預緊力的作用下銜鐵及鋼球組件回位，鋼球與閥座密切結合，起到密封阻斷燃油的作用。至此，完成一次燃油噴射過程。

2 國內外研究現狀

為了提高發動機經濟性、減少排放、改善汽油機的瞬態響應特性，使用多孔汽油噴油器（包括缸內直噴噴油器）已成為主流趨勢。這對電控噴油器開啟與關閉響應時間的要求更高，需具備更寬的線性流量范圍，且在微小流量時具有良好的線性度。因此，電控噴油器動態性能的研究成為當前的一個熱點。

近年來圍繞噴油器噴射過程及其動態性能機理開展一些研究工作。主要在以下幾個方面：

2.1 建立噴射過程模型，進行數值計算與分析

建立準確的數學模型是深入研究電控噴油器工作過程及動態特性的基礎。David H. Smith等人以單點噴射系統的軸針式噴油器為研究對象，將噴油器分為電磁模型、機械動力學模型和流動模型三部分，建立了一種通用的電控噴油器動態過程模型，提出增加與銜鐵在最大行程時接觸處的層流衰減區、提高閥的動力學阻尼、改變驅動電路類型以及減少針閥銜鐵運動組件的質量及行程，以達到改善噴油器的動態特性的目的。Kuan-Ya Yuan等人同樣針對單點噴射系統的軸針式噴油器，提出一種新型有限元算法進行仿真分析，并對電控噴油器動態性能進行預測，試驗結果表明，該模型的預測結果基本與試驗相吻合。Q. Hu 等人將電控噴油器簡化為上部的濾清器、中間的線圈彈簧與針閥組件、下部的噴孔三個部分，通過計算表明液體流經濾清器時的動能損失系數基本為一常數，而經噴孔噴出時的液體動能損失系數卻和針閥與閥座之間的截面積有關。試驗表明，該模型可比較準確地對噴油器的動態響應進行預測。

我國對汽車發動機電控噴油器的相關研究起步較晚，且多集中在仿真計算方面。馬忠杰、顏伏武等人通過理論分析建立了電控噴油器噴射過程的非線性計算模型。張振東等人建立了噴油器開啟動態過程的數學模型，分析了電磁參數和結構參數對噴油器動態特性的影響規律。這些研究結果為揭示電控噴油器動態性能機理、設計和優化電控噴油器奠定了一定的基礎。

2.2 優化電磁場、提升電磁力

優化電控噴油器的電磁特性是縮短動態響應時間的有效途徑，眾多研究者進行了有益的探索。Greiner， M.等人通過理論分析，指出了提高電控噴油器動態響應的途徑，并從電磁線圈、銜鐵及鐵芯設計、制造、加工、測試等方面來保證電控噴油器微小流量時的線性度。R. Ando等人對電控噴油器動態特性進行了一維模擬，研究結果表明電磁后效（aftereffect）對動態響應的影響隨著開啟時間的減少而增加。Dean Cvetkovic等人分析了電磁場結構參數、材料特性、銜鐵質量等參數對響應時間、電磁力的影響規律，通過多個方案的計算對比，優化了電磁部件的幾何參數，電控噴油器的整體結構尺寸減小，動態響應性能得以提高。

上述研究多是通過增加電磁力的方法，以提高電控噴油器開啟過程的響應性能。但是，電磁場所產生的電磁力與閥芯的機械運動具有耦合關系，同時還受到電磁場零部件的幾何結構、磁性材料特性等參數影響。

2.3 對內部流動進行分析、減小流動阻力

電控噴油器的流量特性和噴霧特性受到燃油在其內部的流動特性的影響，該方面的研究是進一步探明電控噴油器動態機理的重要環節。J. H. Spurk等人建立了電控噴油器內部流動的數值模型。計算分析了針閥體的運動過程、速度和內部流體壓力的變化趨勢，提出了針閥體機械運動和內部液體流動之間的耦合關系，指出噴油器的內部流體流動也是影響其動態開啟與關閉時間的重要因素。M. H. Shojaeefard等人將內部燃油流動視為絕熱不可壓的定常流和準定常流過程，計算分析了各針閥升程下噴油器內部和噴孔處的壓力及速度分布，得出了噴孔流量系數與針閥升程的關系曲線。D. Kolokotronis等人通過CFD仿真計算及可視化試驗，研究了兩種類型的電控噴油器噴孔內部氣穴產生與分布現象，并實現了對噴油器噴孔內部氣穴的預測。這些研究利用不同方法揭示了電控噴油器內部流動的特征，為優化燃油流動路徑優化和提高噴射霧化性能做好了充分的準備。

2.4 噴霧霧化過程及分布研究

電控噴油器的最終目的是噴射出適量燃油并形成噴霧，因此，研究噴霧霧化特征是提高電控噴油器性能的一個重要方面。Matsuo Tetsuharu等人分析了上游來流及噴孔內部的燃油流動規律，為提高霧化性能對多孔噴油器的噴孔結構進行了改進。Nouri 等人采用可視化方法研究了汽油機直噴多孔電控噴油器的內部流動、氣穴特征及噴霧分布。其他學者則采用仿真和實驗相結合的方法研究了電控噴油器噴霧在時間和空間上的分布情況。

3 結束語

上述研究從不同側面深入分析了電控噴油器工作過程建模、動態響應特性預測、內部流動特征和噴射霧化效果等問題。由于電控噴油器的工作過程涉及到電磁學、流體力學及摩擦等多學科知識，是一個動態非線性過程，如何從整體上全面研究電控噴油器的動態機理，探明磁路參數、流動路徑、噴孔幾何結構參數的綜合優化設計規律，設計一種精度高、簡單有效的電控噴油器綜合性能參數測試與評價方法，成為當前亟待解決的一個重要問題。

參考文獻

[1]李瑞忠，郗鳳云，楊寧.2010年世界能源供需分析[J].當代石油石化，2011.

[2]張振東，劉堅，周萍.電控噴射閥開啟過程影響因素分析[J].農業機械學報，2003.

摘 要：文章對電控噴油器近幾年的研究情況作了回顧，分析了多種研究方向及現狀，為噴油器的開發提供了有益借鑒和參考。

關鍵詞：噴油器；模型；分析

電控噴油器是電控燃油噴射系統的核心部件，用以精確地計量燃油并形成噴霧，其快速的動態響應、寬廣的線性流量范圍、良好的霧化性能決定了燃油噴射系統的工作特性。目前，德國BOSCH、美國DELPHI、德國SIEMENS和日本DENSO等公司已有電控噴油器產品，且基本瓜分和壟斷了全球市場。

1 概述

電控噴油器本質上是一電磁閥，圖1為一球閥式電控噴油器，主要包括：線圈、鐵芯、銜鐵、軛鐵、鋼球、閥座、噴孔板、噴管進口、噴管主體等組成。

當線圈不通電時，在彈簧預緊力及內部燃油壓力的共同作用下，鋼球被壓緊在閥座上，處于關閉狀態，噴油器不噴油。線圈通電后，線圈內的磁通量逐漸增大，銜鐵及鋼球組件受到的電磁力逐漸增加并克服彈簧力、燃油壓力及自身重力，銜鐵及鋼球組件開始升起，燃油從噴孔板上的噴孔噴出，直至線圈斷電后，在燃油壓力和彈簧預緊力的作用下銜鐵及鋼球組件回位，鋼球與閥座密切結合，起到密封阻斷燃油的作用。至此，完成一次燃油噴射過程。

2 國內外研究現狀

為了提高發動機經濟性、減少排放、改善汽油機的瞬態響應特性，使用多孔汽油噴油器（包括缸內直噴噴油器）已成為主流趨勢。這對電控噴油器開啟與關閉響應時間的要求更高，需具備更寬的線性流量范圍，且在微小流量時具有良好的線性度。因此，電控噴油器動態性能的研究成為當前的一個熱點。

近年來圍繞噴油器噴射過程及其動態性能機理開展一些研究工作。主要在以下幾個方面：

2.1 建立噴射過程模型，進行數值計算與分析

建立準確的數學模型是深入研究電控噴油器工作過程及動態特性的基礎。David H. Smith等人以單點噴射系統的軸針式噴油器為研究對象，將噴油器分為電磁模型、機械動力學模型和流動模型三部分，建立了一種通用的電控噴油器動態過程模型，提出增加與銜鐵在最大行程時接觸處的層流衰減區、提高閥的動力學阻尼、改變驅動電路類型以及減少針閥銜鐵運動組件的質量及行程，以達到改善噴油器的動態特性的目的。Kuan-Ya Yuan等人同樣針對單點噴射系統的軸針式噴油器，提出一種新型有限元算法進行仿真分析，并對電控噴油器動態性能進行預測，試驗結果表明，該模型的預測結果基本與試驗相吻合。Q. Hu 等人將電控噴油器簡化為上部的濾清器、中間的線圈彈簧與針閥組件、下部的噴孔三個部分，通過計算表明液體流經濾清器時的動能損失系數基本為一常數，而經噴孔噴出時的液體動能損失系數卻和針閥與閥座之間的截面積有關。試驗表明，該模型可比較準確地對噴油器的動態響應進行預測。

我國對汽車發動機電控噴油器的相關研究起步較晚，且多集中在仿真計算方面。馬忠杰、顏伏武等人通過理論分析建立了電控噴油器噴射過程的非線性計算模型。張振東等人建立了噴油器開啟動態過程的數學模型，分析了電磁參數和結構參數對噴油器動態特性的影響規律。這些研究結果為揭示電控噴油器動態性能機理、設計和優化電控噴油器奠定了一定的基礎。

2.2 優化電磁場、提升電磁力

優化電控噴油器的電磁特性是縮短動態響應時間的有效途徑，眾多研究者進行了有益的探索。Greiner， M.等人通過理論分析，指出了提高電控噴油器動態響應的途徑，并從電磁線圈、銜鐵及鐵芯設計、制造、加工、測試等方面來保證電控噴油器微小流量時的線性度。R. Ando等人對電控噴油器動態特性進行了一維模擬，研究結果表明電磁后效（aftereffect）對動態響應的影響隨著開啟時間的減少而增加。Dean Cvetkovic等人分析了電磁場結構參數、材料特性、銜鐵質量等參數對響應時間、電磁力的影響規律，通過多個方案的計算對比，優化了電磁部件的幾何參數，電控噴油器的整體結構尺寸減小，動態響應性能得以提高。

上述研究多是通過增加電磁力的方法，以提高電控噴油器開啟過程的響應性能。但是，電磁場所產生的電磁力與閥芯的機械運動具有耦合關系，同時還受到電磁場零部件的幾何結構、磁性材料特性等參數影響。

2.3 對內部流動進行分析、減小流動阻力

電控噴油器的流量特性和噴霧特性受到燃油在其內部的流動特性的影響，該方面的研究是進一步探明電控噴油器動態機理的重要環節。J. H. Spurk等人建立了電控噴油器內部流動的數值模型。計算分析了針閥體的運動過程、速度和內部流體壓力的變化趨勢，提出了針閥體機械運動和內部液體流動之間的耦合關系，指出噴油器的內部流體流動也是影響其動態開啟與關閉時間的重要因素。M. H. Shojaeefard等人將內部燃油流動視為絕熱不可壓的定常流和準定常流過程，計算分析了各針閥升程下噴油器內部和噴孔處的壓力及速度分布，得出了噴孔流量系數與針閥升程的關系曲線。D. Kolokotronis等人通過CFD仿真計算及可視化試驗，研究了兩種類型的電控噴油器噴孔內部氣穴產生與分布現象，并實現了對噴油器噴孔內部氣穴的預測。這些研究利用不同方法揭示了電控噴油器內部流動的特征，為優化燃油流動路徑優化和提高噴射霧化性能做好了充分的準備。

2.4 噴霧霧化過程及分布研究

電控噴油器的最終目的是噴射出適量燃油并形成噴霧，因此，研究噴霧霧化特征是提高電控噴油器性能的一個重要方面。Matsuo Tetsuharu等人分析了上游來流及噴孔內部的燃油流動規律，為提高霧化性能對多孔噴油器的噴孔結構進行了改進。Nouri 等人采用可視化方法研究了汽油機直噴多孔電控噴油器的內部流動、氣穴特征及噴霧分布。其他學者則采用仿真和實驗相結合的方法研究了電控噴油器噴霧在時間和空間上的分布情況。

3 結束語

上述研究從不同側面深入分析了電控噴油器工作過程建模、動態響應特性預測、內部流動特征和噴射霧化效果等問題。由于電控噴油器的工作過程涉及到電磁學、流體力學及摩擦等多學科知識，是一個動態非線性過程，如何從整體上全面研究電控噴油器的動態機理，探明磁路參數、流動路徑、噴孔幾何結構參數的綜合優化設計規律，設計一種精度高、簡單有效的電控噴油器綜合性能參數測試與評價方法，成為當前亟待解決的一個重要問題。

參考文獻

[1]李瑞忠，郗鳳云，楊寧.2010年世界能源供需分析[J].當代石油石化，2011.

[2]張振東，劉堅，周萍.電控噴射閥開啟過程影響因素分析[J].農業機械學報，2003.