進(jìn)氣道噴油器噴霧特性的改善

【日】 J.Nakamura A.Akabane K.Kitamura Y.Sasaki

進(jìn)氣道噴油器噴霧特性的改善

【日】 J.Nakamura A.Akabane K.Kitamura Y.Sasaki

進(jìn)氣道噴油器的燃油噴霧對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率和燃燒效率有相當(dāng)大的影響。因此，必須使燃油霧化成很細(xì)的油粒，并應(yīng)在不易受溫度或發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)壓變化影響的情況下實(shí)現(xiàn)精確供油。介紹一種采用優(yōu)化噴孔布置和明顯減少針閥座下部油流壓降（能量損失）的燃油霧化技術(shù)。還介紹了一種燃油流道短且針閥座下部閉死容積小的噴油器，它能很好地消除溫度和負(fù)壓產(chǎn)生的任何影響。

噴油器 閉死容積 霧化 汽化特性 燃油經(jīng)濟(jì)性

0 前言

近年來，人們對(duì)排放較低、燃油經(jīng)濟(jì)性較好、性能較高且對(duì)使用環(huán)境不敏感的摩托車汽油機(jī)和其他用途內(nèi)燃機(jī)的需求不斷增長(zhǎng)。這是因?yàn)槿加蛢r(jià)格不斷上升，大量使用的噴油系統(tǒng)要滿足全球各國(guó)（包括發(fā)展中國(guó)家）實(shí)施的更為嚴(yán)格的排放法規(guī)要求。為了滿足這一需求，噴油器的燃油噴霧必須充分霧化，以實(shí)現(xiàn)較低的排放和較好的燃油經(jīng)濟(jì)性，并應(yīng)在不易受溫度和負(fù)壓變化影響的情況下使燃油流量的變化最小，以確保發(fā)動(dòng)機(jī)性能不受使用環(huán)境的影響。

本文著重在以下3個(gè)方面研究噴油器的改進(jìn)措施：（1）燃油霧化；（2）使溫度和流量特性的變化最小；（3）使負(fù)壓和針閥座下部流量特性的變化最小。

目前，各公司已開發(fā)了各種燃油霧化技術(shù)和流量穩(wěn)定性技術(shù)，并已投入實(shí)際應(yīng)用。在現(xiàn)有的這些技術(shù)中，著重研究改進(jìn)針閥座下部的結(jié)構(gòu)。本文對(duì)現(xiàn)有噴油器結(jié)構(gòu)中針閥座下部油流和壓力的影響作了詳細(xì)分析，以改進(jìn)從針閥座到噴嘴孔的燃油流道。

1 小型摩托車汽油機(jī)用噴油器概述

圖1為目前所用的汽油噴油器結(jié)構(gòu)。當(dāng)電流通過線圈時(shí)，噴油器的芯體處于真空狀態(tài)，與芯體結(jié)合在一起的針閥驅(qū)動(dòng)桿向上提升，從而使針閥打開（圖1）。然后，由燃油泵提供壓力，使燃油通過開啟的針閥座供給噴油器，并通過布置在噴油器頂端的多個(gè)噴孔噴出。

圖1 現(xiàn)有噴油器橫截面圖

圖2 燃油流動(dòng)方向和壓力分布

圖2為現(xiàn)有噴油器針閥座下部的燃油流動(dòng)情況。圖中顯示，燃油通過針閥座后先朝軸線中心方向流動(dòng)，然后朝下進(jìn)入垂直的噴孔1，再?gòu)妮S線中心沿半徑方向流入沉孔腔。當(dāng)燃油進(jìn)入沉孔腔后，便沿沉孔底部橫向流動(dòng)。沉孔底部布置了多個(gè)噴孔，以提供符合要求的燃油流量。橫向流動(dòng)的燃油在沉孔底部的噴孔2處快速改變其流動(dòng)方向。燃油流動(dòng)方向的快速改變會(huì)使燃油脫離噴孔2的內(nèi)壁，并形成夾帶外來空氣的燃油膜，這些空氣主要來自噴油和擴(kuò)散前燃油脫離內(nèi)壁時(shí)產(chǎn)生的空隙。

由于現(xiàn)有噴油器結(jié)構(gòu)中從針閥座到噴孔2的燃油流道較長(zhǎng)，而且閉死容積較大，因而燃油通常會(huì)在尚未達(dá)到其最高壓力的針閥開啟和關(guān)閉階段產(chǎn)生未霧化的油滴。此外，如果沉孔腔內(nèi)充滿燃油且燃油分離不穩(wěn)定，在噴油開始和結(jié)束時(shí)會(huì)出現(xiàn)油粒尺寸不恰當(dāng)?shù)膰娪停绠?dāng)燃油溫度或負(fù)壓變化時(shí)會(huì)導(dǎo)致油滴量的變化。圖3為燃油從沉孔腔流入噴孔2時(shí)的速度。

圖3 燃油從沉孔腔流入噴孔2時(shí)的速度

圖4為噴油開始和結(jié)束時(shí)的噴霧照片。圖中顯示，噴油開始和結(jié)束時(shí)存在較大的油粒。此外，圖5中噴霧油粒尺寸隨時(shí)間變化的曲線圖也表明，由于噴油開始和結(jié)束時(shí)存在較大尺寸的油粒，導(dǎo)致霧化變差。圖6為大尺寸油粒的分布情況。

圖4 現(xiàn)有噴油器的油滴情況

由于從針閥座到噴孔的流道較長(zhǎng)，因而會(huì)產(chǎn)生圖7所示的嚴(yán)重壓力損失，導(dǎo)致燃油泵提供的燃油在到達(dá)噴孔前出現(xiàn)一定的壓降，最終使噴出的燃油油粒尺寸較大。這是因?yàn)槿加驮趪娍?中快速改變流動(dòng)方向，從而脫離噴孔內(nèi)壁，導(dǎo)致空氣卷吸和擴(kuò)散效果變差。

圖5 油粒尺寸隨時(shí)間的變化

圖6 現(xiàn)有噴油器的油粒尺寸分布

圖7 針閥座下部的壓力損失和速度

同時(shí)，還存在溫度和流量變化的問題。在針閥關(guān)閉后，閉死容積中的壓力較低會(huì)使燃油蒸發(fā)。燃油因體積膨脹被推出噴孔。當(dāng)燃油溫度較高時(shí)，針閥下部的閉死容積較大，導(dǎo)致因溫度變化而引起的噴油量變化（圖8）。

圖8 溫度引起的流量變化

真空度的變化也會(huì)引起上述因閉死容積影響而導(dǎo)致的噴油量變化。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)壓較高時(shí)，燃油會(huì)從閉死容積中流出（圖9）。

圖9 負(fù)壓引起的流量變化

2 解決方法

針對(duì)上述存在的問題，決定選擇一種基于以下3種噴油器機(jī)理的解決方法：（1）為促進(jìn)霧化，縮短從針閥座到噴孔的燃油流道，同時(shí)使壓力損失最小，并促進(jìn)噴孔中的燃油分離（形成液態(tài)油膜）；（2）確保溫度和流量的變化最小，減小閉死容積；（3）確保負(fù)壓和針閥座下部流量的變化最小，減小閉死容積。

2.1 霧化機(jī)理

一般來說，噴油器噴射的燃油會(huì)按圖10所示過程分裂成霧化狀態(tài)，圖中所示的機(jī)理即所謂的“油滴機(jī)理”，這一過程不穩(wěn)定可能是導(dǎo)致霧化失敗的原因之一。如圖1所示，圓柱形沉孔腔中的燃油流入噴孔2的形態(tài)會(huì)隨噴孔的布置情況而改變。由于噴孔中燃油的分離狀況取決于噴孔上方橫向燃油流的強(qiáng)度，只要有1個(gè)噴孔的油流方向不穩(wěn)定就會(huì)阻礙燃油的分離。這種不穩(wěn)定現(xiàn)象意味著很難在每個(gè)噴孔中形成穩(wěn)定的油粒尺寸，因?yàn)槿加鸵耗さ男纬删褪潜粍?dòng)引導(dǎo)噴孔中燃油分離和被動(dòng)利用噴孔中分離區(qū)卷吸空氣的過程。

圖10 霧化機(jī)理

作為確保穩(wěn)定霧化的一種方法，決定采用一種能主動(dòng)引導(dǎo)噴孔內(nèi)壁形成液態(tài)油膜的油流過程。

2.2 溫度、負(fù)壓和針閥座下部流量特性的機(jī)理

圖11為汽油的汽化壓力曲線。研究表明，在大氣壓力為0.101 3 MPa時(shí)汽油能保持液態(tài)，即使在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力下，當(dāng)汽油的汽化壓力為0.053 3 MPa或更低時(shí)便開始汽化。圖11同時(shí)顯示，即使在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力下，在溫度為38℃或更高時(shí)，汽油就會(huì)開始汽化。這一特性表明，在噴油器針閥座下部到噴孔的區(qū)間設(shè)定1個(gè)預(yù)噴壓力，可以改善汽油的汽化特性。由圖11可見，針閥座下部閉死容積和較大直徑沉孔腔中的壓力可以降低到上述要求的預(yù)噴壓力或更低。顯然，通過改善閉死容積來降低壓力損失是有效的措施之一。

圖11 汽油的汽化壓力曲線

2.3 解決方法及其效果

2.3.1 霧化

圖12為改進(jìn)后的針閥座下部結(jié)構(gòu)。新型噴油器縮短了從針閥座到噴孔的燃油流道，并減小了閉死容積，因而能使燃油到達(dá)噴孔前的壓力損失降至最小。它還能使來自針閥座的燃油流與來自軸線中心的返回油流在噴孔上方匯合，促使燃油引向噴孔內(nèi)壁，使之在噴孔中心形成1個(gè)空隙，從而有助于噴孔中液態(tài)油膜的形成。此外，較小的閉死容積能使燃油在噴油后立即在針閥座下部開始流動(dòng)，從而使初始油滴和后期油滴最少。

圖12 新型噴油器針閥座下部的橫截面和燃油流動(dòng)方向

圖12顯示了對(duì)該噴油器結(jié)構(gòu)進(jìn)行流體分析后獲得的針閥座下部燃油流動(dòng)路線。由圖12可見，噴孔入口處的燃油會(huì)主動(dòng)形成液態(tài)油膜，并使之霧化。

2.3.2 溫度、流量特性，以及真空度和針閥座下部的流量特性

如圖13和圖14所示，新型噴油器能使針閥座下部的壓力保持至汽油的某一汽化壓力或更高，因此，噴油器內(nèi)既不會(huì)出現(xiàn)壓力降低，也不會(huì)出現(xiàn)燃油汽化的現(xiàn)象。此外，可以使壓力的降低點(diǎn)處于噴油后期的某一點(diǎn)。這些成果能使閉死容積中汽油變化產(chǎn)生的影響減至最小，因而與現(xiàn)有噴油器相比，即使在溫度和/或真空度較高時(shí)，都能將流量的變化減至最小。

圖13 噴油器針閥座下部截面及燃油流動(dòng)方向的比較

圖14 新型噴油器與現(xiàn)有噴油器的壓力和速度比較

另外，較小的閉死容積還能減少燃油充滿閉死容積所需的時(shí)間，并有助于實(shí)現(xiàn)最少的初始油滴（表1）和更好的噴油響應(yīng)（圖15）。

表1 新型噴油器與現(xiàn)有噴油器的比較

4 改進(jìn)措施的效果

新型噴油器的結(jié)構(gòu)顯示出明顯的改善效果（表2），從油粒尺寸的分布情況也能觀察到這種效果（圖16和圖17）。

圖15 噴油時(shí)的初始油滴

表2 改進(jìn)措施的效果

圖16 油粒尺寸隨時(shí)間變化的比較

圖17 油粒尺寸分布情況的比較

溫度和流量特性，以及負(fù)壓和針閥座下部流量特性的改善也使其各自的變化減至最小（圖18和圖19）。

5 結(jié)語

即使在不同的發(fā)動(dòng)機(jī)使用環(huán)境下溫度發(fā)生變化，或是在不同的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)工況下負(fù)壓發(fā)生變化，新型噴油器也能減少流量的變化，并能改善燃油的霧化性能。在未來市場(chǎng)需求發(fā)生變化的情況下，制造商要開發(fā)和提供價(jià)格適當(dāng)?shù)沫h(huán)保型產(chǎn)品，尤其是在摩托車和汽車銷售量快速增長(zhǎng)的發(fā)展中國(guó)家更是如此。當(dāng)發(fā)達(dá)國(guó)家和發(fā)展中國(guó)家的發(fā)動(dòng)機(jī)采用這種新型噴油器時(shí)，將能進(jìn)一步降低排放和改善燃油經(jīng)濟(jì)性。

圖18 溫度和流量變化的比較

圖19 負(fù)壓和流量變化的比較

[1]Matsuo D，Haramai A，Sato K，et al.Development of a small low-cost fuel injector to overcome diversification of requirements in global markets[C].SAE Paper 2009-32-0055.

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朱炳全 譯自 SAE Paper 2012-32-0071

虞 展 編輯

2013-05-30）