高压缸内直喷发动机燃油喷射系统综述

高压缸内直喷发动机燃油喷射系统综述摘要：汽油机电子控制技术的发展历程是伴随着汽油机燃油供给技术的发展而来的。为适应降低汽油机燃油消耗和有害物排放量的要求，汽油机燃油供给技术经历了从机械控制汽油喷射到现在的发动机集中管理系统，以及目前正在迅猛发展的缸内直喷技术。本文介绍了在缸内直喷（GDI）发动机的开发过程中，高压燃油喷射系统及其零部件的结构组成和设计计算，并结合相关技术要求和方案选择，完成了某三缸GDI发动机高压燃油喷射系统的设计。关键词：发动机；燃油喷射系统；喷油器；高压油泵前言：传统的气道喷射（PFI）发动机是利用电控燃油喷射系统，将燃油喷入进气歧管或进气管道内，与进气管内的空气混合后再在进气行程中通过进气门的开启而进入气缸燃烧室内，被压缩后点燃做功；而GDI发动机与传统PFI发动机的本质区别在于燃油喷射方式的不同，GDI发动机的喷油器直接深入到气缸燃烧室内部，通过电控燃油系统将高压燃油直接喷射进燃烧室内与空气混合，并点燃做功，以提高燃油经济性、动力性和改善排放。本文以某三缸缸内直喷发动机为例对燃油喷射系统的设计开发进行阐述。1汽油车电子燃油喷射系统概述1.1燃油喷射系统技术发展1934年，德国怀特（Wright）兄弟发明了向发动机进气管内连续喷射汽油来配制混合气的技术，并研制成功第一架采用燃油喷射式发动机的军用战斗机。1952年，德国Bosch公司研制成功了第一台机械控制缸内喷射汽油机，并成功地安装在戴姆勒-奔驰轿车上。1973年，德国Bosch公司在D型燃油喷射系统（D-Jetronic）的基础上，改进发展成为L型燃油喷射系统（L-Jetronic）。1.2汽油车电子控制燃油喷射系统组成汽车发动机燃油喷射系统的组成主要由空气供给系统、燃油供给系统和燃油喷射电子控制系统三个子系统组成。1）空气供给系统向发动机提供混合气燃烧所需的空气，并测量进入气缸的空气量。2）燃油供给系统向发动机提供混合气燃烧所需的燃油。3）电子控制系统接收传感器传输的信号，分析比对后发射指令给执行器。1.3缸内直喷发动机燃油喷射系统缸内直喷发动机的燃油系统可以分为高压燃油直喷系统和低压直喷燃油系统，高压燃油直喷系统的喷射压力可达15-20MPa，甚至更高达到35MPa，一般由设计在凸轮轴上的凸轮驱动高压油泵来实现。燃油喷射系统通常由高压燃油泵、喷油器总成、燃烧室密封圈、喷油器固定夹、高压油轨、高压燃油管和高压油轨压力传感器组成。2燃油喷射系统压力的选定高燃油喷射压力可以大幅提高燃油的雾化效果，配合直喷发动机燃烧室的特殊结构，促进油气充分的混合，从而改善发动机的着火性能。但系统压力越高，高压燃油泵、喷油器、高压油轨及高压燃油管等性能要求和成本将急剧上升，本次三缸发动机设计选择具有成熟量产经验的最大20MPa油压系统，兼顾性能和成本。3高压燃油泵的设计开发本次三缸发动机选用的高压燃油泵技术，燃油通路的材质为不锈钢材质，内含脉动阻尼器，可有效地减小燃油压力波动。油泵柱塞为大流量方案，可快速建立燃油系统压力，最大限度的降低高压燃油泵驱动凸轮的应力，满足冷起动时的压力需求。4高压燃油管高压燃油管作为高压燃油泵及高压油轨总成之间的连接管，内部燃油瞬时压力可达到60MPa，设计开发时需要特别注意燃油管两端管接头的密封以及两端连接螺栓的拧紧性能，需充分开展密封试验、轴力试验和过扭矩试验等的验证工作。5高压油轨总成5.1油压传感器为达到燃油压力的稳定控制，要求油压传感器具有足够的精度和响应速度。本次三缸发动机油压传感器要求产品在耐久试验前后的压力精度控制小于2%，响应时间小于2ms。5.2燃油分配管燃油分配管一般由不锈钢材料焊接而成，主要作用是保证提供足够的燃油流量并均匀地分配给各缸的喷油器，同时实现各喷油器的安装和连接，缓冲燃油喷射时产生的压力波动，通过油压传感器感应燃油分配管内的燃油压力。燃油分配管的设计要求既要调压迅速又要压力波动小。5.3喷油器GDI发动机比PFI发动机对喷油器的要求更严格。GDI发动机要求喷油器雾化水平高，能在较窄的脉冲宽度内喷出所要求的燃油，以确保晚喷，实施分层燃烧，这就对喷油器提出了更高的动态响应要求。另外，由于喷油器位于气缸内，工作条件恶劣，因此要对喷嘴端沉积物生成和高温有更强的抵抗能力。（1）喷油器的最大流量计算通过一维仿真软件计算分析出发动机各转速的最大BSFC及功率，然后计算发动机的最大燃油消耗流量。发动机最大燃油消耗流量定义为MFF，由公式（1）计算得出：MFF=BSFC-Power/3600 （1）式中：MFF——发动机燃油消耗流量，g/s；BSFC——发动机有效燃油消耗率，g/（kW-h）；Power 发动机有效功率，kW。经过计算得出发动机最大燃油消耗流量出现在6000rpm，最大燃油消耗流量为7.08g/s。发动机可以持续的最大喷油角度为210°，对应的持续时间定义为TI，由公式（2）计算得出：TI=（210-60-1000）/360-rpm （2）式中：TI 喷油器喷油持续时间，ms；rpm 发动机转速，rev/min。计算出6000rpm时，每次喷油可持续的时间为5.83ms。发动机最大燃油流量分配到单个喷油器每次需喷射的油量定义为Qd，由公式（3）计算得出：Qd=（MFF）/3-（60-1000-2）/rpm （3）式中：Qd——喷油器每循环需喷射的油量，mg；MFF——发动机燃油消耗流量，g/s；rpm 发动机转速，rev/min。计算出发动机最大燃油流量对应的单个喷油器每次循环需喷油47.2mg。单个喷油器的最大喷油流量定义为Qs，由公式（4）计算：Qs=Qd/TI （4）式中：Qd——喷油器每循环需喷射的油量，mg；TI——喷油器喷油持续时间，ms。计算出喷油器需要的最大流量为8.09g/s。油束方案的确定喷孔的夹角需要根据发动机的缸径、喷孔数量及在缸内的相对位置进行设计，同时要尽量避免出现燃油湿壁现象。不同喷孔形成的油束夹角不能过大或过小，过大容易造成湿壁，过小则不能充分利用燃烧室的有效空间，利用CFD仿真分析软件对缸内流场进行仿真分析得出最优方案。6结束语通过对三缸缸内直喷发动机燃油喷射系统的设计，总结分析了燃油喷射系统压力的确定、高压燃油泵的设计开发、油压传感器的精度控制要求、喷油器的最大流量计算、油束方案仿真等方面内容。为后续的产品试验验证、商业量产化奠定坚实的设计依据和理论基础。结语：通过对三缸缸内直喷发动机燃油喷射系统的设计，总结分析了燃油喷射系统压力的确定、高压燃油泵的设计开发、油压传感器的精度控制要求、喷油器的最大流量计算、油束方案仿真等方面内容。为后续的产品试验验证、商业量产化