基于flux3d分析模型GDI喷油器电磁阀设计与喷射特性研究
摘要：在燃油缸内直喷发动机中，GDI喷油器是其主要部件。而高速电磁阀对GDI喷油器影响重大，影响包括电磁阀的开启响应时间、电磁力等因素。本文建立了flux3d分析模型，利用外力替代弹簧变刚度，结合衔铁质量随位移变化，对喷油器电磁阀进行了分析计算。根据计算结果设计了一款喷油器，利用GI3000综合性能试验台进行了GDI喷油器喷射特性试验。得出喷油器的开启延迟时间、喷油量随喷油脉宽的变化以及静态流量系数和喷孔流量系数。
关键词：GDI;喷油器；电磁阀；喷射特性；计算试验
Design of Solenoid Valve for GDI Injector
and study on its injection characteristics
Abstract：The GDI injector is the main part of the direct jet engine. The high speed solenoid Valve has a great influence on GDI injector, including the opening response time and electromagnetic force.In this paper, the flux3d analysis model is established. The solenoid valve of the injector is analyzed and calculated by using the external force instead of the variable stiffness of the spring and the variation of the armature mass with the displacement. A fuel injector is designed according to the calculation results, and the injection characteristic test of GDI injector is carried out by using GI3000 comprehensive performance test rig.The open delay time of the injector, the variation of fuel injection amount with the injection pulse width, the static flow coefficient and the injection hole flow coefficient are obtained.
Key words: GDI;Fuel injector;Electromagnetic valve;Jet characteristics;Calculation test
目录
第一章 绪论 1
1.1 课题研究背景 1
1.2 汽车发动机简介及燃烧过程 4
1.3 燃油喷射技术的发展现状 5
1.4 GDI发动机简介 7
1.5 GDI发动机优点 8
第二章 GDI喷油器电器阀电磁特性仿真分析 9
2.1 FLUX软件介绍 9
2.2 GDI喷油器的结构和工作原理 9
2.3 GDI喷油器计算模型 10
2.3.1 CAD模型 10
2.3.2 CAE模型 11
2.4 分析模型的材料定义 11
2.5 弹簧变刚度的定义 12
2.6 针阀衔铁合件质量的定义 13
2.7 电流的计算 15
2.8 计算结果 15
2.8.1 针阀衔铁合件的电磁力、位移、速度和加速度的分析 15
2.8.2 磁感应强度分布 17
2.9 本章小结 17
第三章 GDI喷油器喷射特性试验 18
3.1 试验原理及仪器设备 18
3.2 试验结果分析 18
3.2.1 喷油器电参数测量 18
3.2.2 喷油器响应特性试验分析 19
3.2.3 喷油器动态流量试验分析 20
3.2.4 喷油器静态流量试验分析 22
3.2.5 喷油器喷孔流量试验分析 24
3.2.6 喷油器喷孔流量系数分析 25
3.3 本章小结 26
第四章 总结与展望 27
致谢 29
参考文献 30
第一章绪论
1.1 课题研究背景
1688年，居主立宪制在英国建立，英国成为资本主义国家。在18世纪，暴虐的圈地运动、令人发指的奴隶贸易为“日不落”帝国供应了源源不断的劳动力；殖民掠夺则堆积了财富。巨额的财富以及取之不尽的原材料使得英国资本主义经济飞速发展。即使那时候的英国有着较为成熟的工场手工业技术，但正如《共产党宣言》所言，市场总是随需求的变大而扩展，所以蒸汽和机械代替了手工业[1]。
在文艺复兴的大背景下，人们的思量都在被宗教神学和经院哲学的禁锢后得到了解放。人们不再认为知识只是在饭后闲谈的毫无用处的东西。他们逐渐开始明白，知识能使人们更加了解自然并且运用它促进生产。而哲学则是带领人们获取知识，以此来推进科学和技术的途径。可以说，正是越来越多的人的思想得到升华，才会有后面的棉纺织业技术蓬勃发展以及最后带动整个重工业的迅速发展。而牛顿三大定律的出现，更是如“引火线”般，引燃了英国第一次工业革命的鸿鹄之志。随着《国富论》的出现，使工业革命的发展呈现繁荣一幕[2-3]。
逝去的同时必定带来诞生，多年的血腥殖民扩张、圈定运动等，为18世纪的英国这片肥沃的地盘带来了充足的养分。在棉纺织业，飞梭、珍妮纺纱机、水力纺纱机等产品出现。而在重工业方面，詹姆斯·瓦特于1769年改良的蒸汽机毫无疑问成为了新时代的风向标。在当时，由于靠水力产生动力所需的条件苛刻，还受到季节变化的影响。但是蒸汽机仅需要投入煤炭焚烧就可以产生动力，不会受自然条件的限制，更为方便，使人类进入蒸汽时期。生产力的猛然提高，导致对原料和产品需求增加，推动了交通的发展。十九世纪初，蒸汽式汽船被发明；而五年后，蒸汽机车也由英国的斯蒂芬孙创造出来。与简陋、动力不足的马车相比，越来越多人喜欢上这些虽然充满噪声但是动力强劲的蒸汽机车，因为蒸汽机车可以运送更多的物资。
在人们享受着蒸汽机带来的巨大便利时，“恶魔”却在不经意间缓缓降临了。跟随英国的第一次工业革命步伐，欧美以及日本也逐渐实现了工业革命，一条条分工明确的工业生产链在各国建立。作为工业革命的基础动力的蒸汽机，它的驱动是依靠煤炭的燃烧，而煤炭是远古时期动植物遗骸深埋在没有空气的地层下，历经了数万年逐渐形成的可以燃烧的矿物。深埋的煤炭被低廉的劳动力夜以继日的挖掘开采，随后在阵阵粗旷悠长的汽笛声中，由行驶在四通八达的铁道上的蒸汽机车带往世界各地的工厂。不仅仅是工厂大量使用煤炭，英国家庭在冬季的用煤量也不可小觑，于是无穷无尽的滚滚黑烟通过各大小不一的高耸烟囱，出现在天上。烟尘、一氧化碳（CO)及二氧化硫(SO2)等有毒气体，布满天空。然而旧时代的人们受认知以及眼界的束缚，并未考虑到这些问题。在烟囱林立的伦敦，浓烟滚滚的每一天使英国人感到无尽的厌恶。那堆积如山般的浓雾，仿佛是无数的士兵保护着城池，使得伦敦被人戏称为“雾都”。同时，不仅英国人的体质越来越虚弱，因为浓雾影响着视线的原因，交通也变得越来越危险。无风的季节本已经让英国人痛苦不堪，而当下雨的季节来临时，树木花草成片枯萎死去，就连坚硬厚实的大理石建筑也承受不住被侵蚀，这一切就如地狱般的景象让越来越多的人惊慌恐惧起来。
天空不再是万里无云般广阔湛蓝，河流也不再如乳汁般清澈甘甜。工厂生产中产生的大量污染物,直接排入河流,没有经过处理。拥挤的房屋内，一条条排泄沟直通河流。人畜的排泄物，生活中的垃圾与化工产品互相混合反应，将一条条清澈的河流变成了黝黑、飘散着腐臭气味的下水道。而大量中毒而死的小鱼小虾，更是使得渔民怨声载道。而泰晤士河就深受其害。
人们在污染和疾病越来越恶劣的情况下，明白不能再坐以待毙了。作为发达国家的英国，通过颁布一系列的法律，如《河道法令》、《公共卫生法》、《大气清洁法》等，来强制约束企业与人们。长达一百多年的管理，英国的环境终于让人满意。泰晤士河重新清澈，伦敦也万里晴空，不再是人们口中的“雾都”了。在英国这个列子中，人们吸收了惨痛的教训以及可贵的经验。今天的人们，不再是如旧时代的企业家般，不顾一切后果的生产赚钱，也明白了必须要改变“先污染，后治理”的状况，要做到“污染提前治理”[4]。
就如处于工业革命的英国一般，汽车的发展也是经历了“先污染，后治理”的步骤。从史迪冯孙发明的蒸汽机车开始，人们初次见到了这种不是依靠马匹来拉动的巨型怪物。对于卡尔·本茨发明的一款三轮汽车，人们虽然仍是不看好它，但好奇心却加大了。然而在卡尔本茨的夫人——贝瑞塔·林格的过人勇气下，卡尔的汽车终于获得成功。而当福特T型车的生产，才让平常百姓能够有机会拥有汽车。人们逐渐开始知道世界其实原来可以变得如此之小，也喜欢上这种拥有着强劲动力以及飞快速度的“铁皮怪物”。一时之间，大街小巷都是车水马龙[5]。
随着时间悄然的逝去，这一番盛景的背后，无数的问题逐渐浮出水面。道路因为大量的汽车而变得拥挤不堪，而堵车也让人们的情绪变得更加烦躁；汽车尾气管排除的阵阵浓烟污染了新鲜的空气，其次尾气中二氧化碳以及二氧化硫的排放，更是成为了“温室效应”和酸雨的主要因素；乱鸣喇叭、肆意占道、超速等等违法行为给人们的出行带来无尽的烦恼甚至是危险；煤炭石油的大肆开采，使得人们对未来即将面临的资源短缺问题忧心仲仲。当人们意识汽车带来的这么多问题后，明白了如果想要可持续发展就必须对现状做出改变，于是对汽车的环保及安全有了更多的关注，甚至一些激进的人还曾提出“反汽车论”。于是各国开始逐年采用更为严格的排放标准，以此来达到减少环境污染的目的。而我国虽然汽车发展较晚，但也在1999年时实施国Ⅰ标准[6]。正因为如此，往后的汽车技术的发展中汽车环保成了重头戏。
为何通过颁布一些严格的排放法规就能较大程度的降低汽车所带来的污染呢？因为各大汽车生产商严格按照法规的要求，就能做到在源头上控制污染，不重蹈旧时代“先污染，后治理”的覆辙。而各大汽车生产商为了达到标准，就需要大力研发，因此汽车技术便能蓬勃发展。
1.2 汽车发动机简介及燃烧过程
汽车生产商需要怎么做，才能改善汽车的环保性能，使得其排放达到法规要求呢？在一辆整车中发动机可以说是整车的“心脏”，其对一辆车的动力、排放等非常重要。因此，要想改善汽车的环保性能，毫无疑问需要对发动机进行研究。
汽油燃烧过程是将燃料的化学能转化为热能，最后转为机械能[7]。燃料进入气缸燃烧，放出的热量，对活塞做功，使活塞上下移动，同时活塞带动连杆旋转，将能量传给曲轴，曲轴再将能量传给飞盘，这样热能就转换为机械能[7]。由此我们就可以知道，发动机的燃烧过程是发动机整个工作循环中的重要一步。如果我们能够使发动机的燃烧过程更加完美，可想而知，其结果会更加符合我们的要求。
1.3 燃油喷射技术的发展现状
想要改善发动机的燃烧过程，首先需要对燃油喷射进发动机的技术进行研究。
汽车燃油喷射系统有三个发展阶段，从早期的机械化油器式，换代为低压进气道喷射式，最后升级为缸内直接喷射式[8-9]，见下图1所示。
在20世纪早期，机械式化油器发动机（如下图1-A所示）成为了每一辆汽车的心脏。但是跟着时间的推移，机械化油器式喷射系统在不同的工况下无法精确控制空燃比，以及三元催化转换器（在排放系统中装置，将有害气体通过氧化还原作用转变为无害气体）[10]无法在此类型的发动机上使用的问题越来越明显，然而研究人员对此毫无办法，导致了机械化油器式发动机工作效率低，污染的排放量大的缺点。最终在二十世纪八十年代被电控燃油喷射系统取而代之，出现了低压进气道喷射技术[11]。如下图1-B所示。我国政府也于2001年规定该年7月以后生产的轿车发动禁止安装机械式化油器。
电控燃油喷射系统的作用是：在恒定的压力下，用喷油器将一定数量的燃料直接喷入气缸或者进气歧管内，由电控单元来控制，根据空气流量等各传感器传来的运行参数来决定基本喷油量，再根据ECU中预存的控制程序进行修正，以达到精确的控制喷油量[9]。
参考文献
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