GDI 喷油器结构参数对液力响应特性的影响

梁迟迟，张振东

（200093 上海市 上海理工大学 机械工程学院）

0 引言

GDI（Gasoline direct-injection）喷油器是缸内直喷汽油机燃油喷射系统的关键执行零部件，其主要作用是精确控制喷油量、改善缸内混合气质量以及提高燃油喷雾特性与燃烧效率。喷油速率是衡量喷油器喷油特性的关键参数之一，喷油速率是否理想直接关系到喷油器的性能，进而影响发动机动力输出的平稳性、燃油的消耗量以及汽车尾气的排放。

近年来相关学科理论高速发展，为GDI 喷油器的综合特性分析提供了强有力的技术支撑。为了改善GDI 喷油器的喷油特性，国内外相关学者进行了一系列研究。杨洪敏等[1]通过数值模拟方法，研究了无量纲参数对于喷油器喷油一致性的影响，得出喷油器结构参数对从发出喷油信号到针阀开启阶段所需时间以及结束喷油到针阀落座阶段的时间影响较大；邹开凤等[2]利用正交试验研究控制A、B 量孔尺寸及共轨腔压力对喷油器液力响应的影响，得出尺寸相对差值与喷油器开启响应呈正相关，又运用极差分析方法得出共轨腔压力在影响喷油器性能的因素中重要程度最高；王胜利等[3]利用Monte Carlo 方法研究了衔铁参数、进出油量孔流量、针阀参数等参数对于喷油器喷油特性的敏感性，得出以上参数在小油量工作条件下对于喷油器的敏感性要强于大油量工作条件；王凌云等[4]通过对喷油器的喷油嘴、液力伺服机构、电磁执行机构3 个功能部件进行机理分析，得出控制腔容积、节流孔板流量比以及进油孔流量是影响液力过程的主要因素。增大控制腔容积可有效提升喷油压力的平稳性，从而提高喷油一致性，减小节流孔流量比和增大进油孔流量能够有效降低针阀落座时刻，提高喷油器的响应特性。

上述研究为深入理解GDI 喷油器的工作机理提供了理论依据。由于GDI 喷油器工作涉及到电、磁、热、机和液多物理场之间的耦合作用，本文结合现有相关研究成果，依次从GDI 喷油器机液子系统模型、构建仿真模型及验证、喷油特性影响因素分析、多因素交互作用响应曲面分析进行了系统研究，旨在为GDI 喷油器的优化提供参考。

1 GDI 喷油器的结构及其工作原理

GDI 喷油器本质上是一种高精度电磁阀[5]，主要是由电磁阀组件包括电磁线圈、铁芯、轭铁环、轭铁、弹簧；柱塞组件包括导向环、阀杆、阀座、缓冲弹簧、针阀组件等部分组成，其结构模型如图1 所示。其工作过程是多物理场耦合的过程，此过程涉及电、磁、热、机、液等多个学科领域。

图1 GDI 喷油器结构示意图Fig.1 Schematic diagram of GDI injector structure

发动机ECU向喷油器电磁阀发出控制信号后，电磁线圈电流迅速升高，衔铁组件在电磁力的作用下克服外部阻力向铁芯方向运动。当电磁吸力大于缓冲弹簧预紧力时，吸引钢球离开阀座，燃油在压力作用下形成喷雾从阀座上的喷孔喷出；当喷油结束时，电磁阀停止工作，电磁驱动力因断电而立刻消失，线圈中的电流迅速衰减，电磁吸力也迅速减小；当电磁吸力不足以克服缓冲弹簧预紧力时，衔铁组件开始回位，向阀座方向运动，钢球落座，停止喷油，至此喷油结束。

2 机械液力子系统模型

GDI 喷油器具有非均质、非定常、强湍流和气液两相流的复杂的工作过程，涉及到机械运动及液压流场，对GDI 喷油器工作过程影响很大，因此有必要对机械液压系统子模型进行分析。这里将其划分为电磁阀控制模块[6]、柱塞偶件模块、针阀偶件模块。

2.1 电磁阀控制模块

电压平衡方程：

式中：i（t）——线圈电流随时间变化的函数。

电磁力方程：

式中：Fm——电磁力；N——电磁线圈匝数；i——线圈单匝电流；We——电磁力做功；δ——工作气隙；l——衔铁位移；C1、C2——与磁场相关常数。

2.2 柱塞偶件模块

柱塞腔内连续方程：

式中：Pc——控制腔中的压力；Qin、Qout——控制腔进出口流量；l——柱塞位移；A——燃油流通面积；E——燃油体积弹性模量；Vc——柱塞控制腔容积；α——阶跃系数；Sin、Sout——控制腔进出口面积；K1、K2——流量系数；Pr——燃油压力；Pb——背压。

2.3 针阀偶件模块

针阀运动方程：

式中：m——针阀块质量；K——回位弹簧刚度；K1——铁芯弹性系数；K2——阀座特性系数；C1——铁芯阻尼系数；C2——阀座阻尼系数；x——针阀升程。

3 AMEsim 仿真模型的建立及验证

3.1 GDI 喷油器AMESim 仿真模型与仿真参数

由于GDI 喷油器的工作过程是属于多物理场相互配合的过程，为了合理、准确、系统地研究GDI 喷油器喷油特性的影响规律，就必须充分考虑喷油器电、磁、热、机和液多物理场之间的耦合作用，按照实际参数建立GDI 喷油器的仿真模型。AMESim 仿真软件采用模块化的图形建模方式，能够构建GDI 喷油器复杂物理场耦合系统模型，由此能够利用仿真计算的结果全面分析喷油器的喷油特性[8]。

GDI 喷油器AMESim 机械液压系统动力学仿真模型如图2 所示，主要包括电磁阀组件、柱塞偶件和针阀偶件3 个部分。喷油器结构参数如表1 所示。

图2 机械液压系统动力学AMEsim 仿真模型Fig.2 AMESim simulation model of mechanical hydraulic system dynamics

表1 GDI 喷油器结构参数Tab.1 Structural parameters of GDI injector

3.2 喷油器模型分析及验证

喷油速率是表征喷油器喷油特性性能好坏的关键参数之一。喷油速率能够间接影响发动机动力性、NVH 特性以及排放特性。为了验证该模型的准确性，给出在主喷射阶段下的理想喷油速率曲线以及仿真喷油速率曲线两者的对比，如图3 所示。从图3 可以看出，仿真与试验总体变化趋势相同，误差在可控范围内。图3 给出只考虑主喷射阶段的理想喷油速率曲线图，可以看出，在初期喷油速率较慢，主喷开始后喷油速率上升迅速，结束后停油快速，符合先缓后急趋势[9]。

图3 理想喷油速率与仿真喷油速率对比曲线Fig.3 Comparison curve between ideal fuel injection rate and simulated fuel injection rate

4 仿真结果与分析

4.1 燃油温度对喷油特性的影响

GDI 喷油器的燃油温度是影响喷油器喷油特性的一个重要参数[10]，分析燃油压力为20 MPa 时，当燃油温度分别为40，50，60，70 ℃时GDI 喷油器喷油速率以及针阀升程的变化规律。

GDI 喷油器在不同燃油温度下的喷油速率曲线如图4 所示，可以看出，不同燃油温度对应的喷油速率曲线变化趋势非常相似，并且不同燃油温度仅仅对喷油器初期喷油率有轻微影响，而对主喷射结束后喷油阶段的变化不十分明显。在喷油初期，随着燃油温度的提高，喷油器开启喷油时间延迟，有效喷油时间缩短。这主要是因为喷油器囊腔中的燃油温度上升，燃油密度和黏度降低，喷孔内空穴现象加剧，线性流量范围减小，从而影响喷油速率。

图4 不同燃油温度下喷油速率曲线Fig.4 Injection rate curve at different fuel temperature

图5 为不同燃油温度下针阀升程曲线，可以看出，针阀升程变化规律在不同燃油温度下变化不大。随着燃油温度升高，GDI 喷油器开启时间有轻微延迟，燃油温度对针阀关闭延迟时间影响较小。

图5 不同燃油温度下针阀升程曲线Fig.5 Needle valve lift curve at different fuel temperature

4.2 燃油压力对喷油特性的影响

GDI 喷油器的燃油压力也是影响喷油器喷油特性的重要参数之一，分析燃油温度为60 ℃，燃油压力在10，15，20 MPa 时，GDI 喷油器喷油速率和针阀升程的变化规律。

图6 为GDI 喷油器在不同燃油压力下喷油速率曲线。燃油压力的变化能够导致喷油速率曲线发生较大变化，主要影响初期喷油时刻以及主喷结束时刻，这样会影响喷油持续期，最终导致喷油量的变化。由图6 可以看出，在不同燃油压力条件下，随着燃油压力的升高，GDI 喷油器的喷油速率有着非常明显的增幅，高油压对应高瞬时喷油率，喷油率曲线在高压下波动范围更大。同时，在主喷油期初喷阶段燃油压力的提高会加快喷油率的上升，延缓喷油器主喷油时刻。这是由于高压喷油燃油初始速度高，在相同时间内能够喷入更多燃油，瞬时流量迅速增大，引起燃油压力升高更快。在主喷结束后，高压能够实现快速停止喷油，有效降低燃油的多余供给。

图6 不同燃油压力下喷油速率曲线Fig.6 Injection rate curves under different fuel pressure

图7 为不同燃油压力下针阀升程曲线，可以看出，燃油压力的变化能够影响针阀开启以及针阀落座时刻，使针阀升程曲线产生一定的平移，高压使得针阀关闭时刻提前，减少了针阀整个落座时间，提高了喷油器的响应特性。这是由于燃油压力的升高，导致喷油器腔体内液压力增大，即衔铁组件所受合力增大。当电控单元发出喷油信号时，意味着电磁线圈需要产生更大的电磁吸力带动衔铁组件上移，吸引钢球离开阀座，以便开启针阀，实现喷油，所以就导致主喷时刻以及针阀开启时刻延迟。反之在结束喷油信号发出后，电磁吸力不足以带动衔铁组件移动，衔铁组件迅速下移，针阀落座时刻提前，迅速停止喷油。

图7 不同燃油压力下针阀升程曲线Fig.7 Needle valve lift curve under different fuel pressure

4.3 喷孔直径对喷油特性的影响

喷孔直径是喷油器的一个重要参数，此参数的变化直接影响GDI 喷油器的喷油流通面积[11]。分析喷孔数量为6 个，燃油温度为60 ℃，燃油压力20 MPa 时，喷孔直径分别为0.10，0.13，0.16 mm时GDI 喷油器喷油速率的变化规律。

图8 为不同喷孔直径下的喷油速率曲线。可以看出喷孔直径对于喷油器初期喷油阶段影响很小。在主喷射阶段，随着喷孔直径的增大，喷油速率有较大的增幅，主喷射阶段喷油速率增加，喷油量随之增大，喷油率曲线范围无明显波动，喷油器的喷油特性也会有明显提高。完成喷油后，停止喷油响应更快。这是因为喷孔直径的增大会降低喷孔的节流作用，喷油速率会加快，同时在喷油量一定时，主喷油阶段持续时间会缩短。

图8 不同喷孔直径条件下的喷油速率曲线Fig.8 Injection rate curves under different orifice diameters

图9 为不同喷孔直径的针阀升程曲线，可以看出针阀开启时刻和初期位移基本一致，喷孔直径对于针阀升程的开启时刻是几乎没有变化的，主要影响针阀的关闭时刻，即随着直径的增大针阀落座时刻提前。这是由于喷孔直径的增加会降低喷嘴端最大压力，针阀承压面上形成燃油压力差，针阀落座速度提高，从而有效提升喷油器动态响应。

图9 不同喷孔直径条件下的针阀升程曲线Fig.9 Needle valve lift curve under different orifice diameters

4.4 喷孔个数对喷油特性的影响

在燃油温度60 ℃，燃油压力20 MPa 的条件下，选取喷孔个数为6，8，10，分析GDI 喷油器的喷油速率及针阀升程变化规律。

图10 为不同喷孔个数喷油速率曲线，可以看出，喷孔个数主要对主喷油阶段以及针阀关闭阶段有影响，喷孔个数越多主喷油阶段喷油速率越高，结束喷油响应越快，喷油速率波动无明显变化。这是由于喷孔个数的增加增大了喷嘴总的流通面积，最大喷嘴端压力降低，同时在系统喷油量一定时，喷油持续期相应要缩短，但是喷孔个数的增多是有限制的，随着喷孔个数的增加，喷油速率增加幅度越来越小。

图10 不同喷孔个数条件下的喷油速率曲线Fig.10 Injection rate curve under different number of injection holes

图11 为不同喷孔个数针阀升程曲线，可以看出，随着喷孔个数的增多，针阀关闭曲线向左平移，下降斜率不变，关闭速度基本一致。

图11 不同喷孔个数条件下的针阀升程曲线Fig.11 Needle valve lift curve with different number of holes

5 试验研究方法及结果

5.1 试验方法及考查指标

喷油器喷孔结构参数（喷孔个数、孔径）对液力响应有显著的影响，但其加工制造又十分困难，不可能加工出所有试验尺寸的喷嘴偶件。本文采用响应曲面设计方法（RSM），它是一种分析多因素之间交互作用的有效方法[12-13]。响应面模型公式如式（7），试验考查的指标为喷油器的最大喷油量。

式中：Q——喷油器最大喷油量；β0——常数；βi——单因子影响系数；X1，X2，X3——单因子燃油压力、喷孔直径、喷孔个数的影响；βii——单因子二次影响系数；βij——单因子交互作用影响系数；XiXi——单因子二次作用影响；XiXj——单因子交互作用影响；ε——观测误差。

5.2 试验因素和水平的选择

由于GDI 喷油器结构复杂，其工作性能取决于各结构参数及各参数间耦合作用，若对所有结构参数进行逐个优化设计，则计算量大且设计周期长。在电控喷油器结构参数合理选值范围内，以喷油器最大喷油量为评价指标，试验因素水平如表2 所示。

表2 试验因素及水平Tab.2 Test factors and levels

表3 为GDI 喷油器最大喷油量响应面模型各因子显著性分析。利用Box-Behnken 响应曲面设计法需试验17 次，查F 分布表可知，F0.05（9，3）=8.81，而且P 值小于0.05，因此响应面模型中单因子项X1、X2、X3及单因子交互作用项X1X2、X1X3、X2X3在95%置信水平下为模型显著项。F0.01（9，3）=27.35，模型的总F 值为1 836.75＞27.35，模型的总P 值小于0.000 1，再次验证了该RSM 模型的合理性。

表3 RSM 模型显著性分析Tab.3 Significance analysis of RSM model

5.3 交互影响分析

在对GDI 喷油器进行液力响应特性分析时不能仅考虑单一因子影响，还要考虑单因子间的交互作用对其影响，除去影响因子比重较小的燃油温度参数，分析燃油压力、喷孔直径及个数在交互作用下对喷油速率的影响，利用Design—Expert 软件绘制出上述参数交互作用响应曲面图，分析燃油压力与喷孔直径、喷孔个数与燃油压力、喷孔直径与喷孔个数之间的交互作用。

图12 为喷油器喷孔直径与燃油压力对最大喷油量的交互作用响应曲面。当喷孔个数位于中心水平时（喷孔个数为8），燃油压力与喷孔直径的变化都会对最大喷油量产生影响。

图12 燃油压力与喷孔直径交互作用响应曲面Fig.12 Response surface of interaction between fuel pressure and orifice diameter

可以看出，随着燃油压力以及孔径的增大，喷油器最大喷油量是逐渐增大的，这主要是因为燃油压力的变化对初始喷射速率影响较大，高压产生高喷射速率，大喷孔能够有效降低节流作用。而且，燃油压力与喷孔直径的变化都能影响针阀开闭时刻，高压和大喷孔能够减少针阀落座时间，提高喷油器的响应特性。此外，燃油压力与喷孔直径的交互作用对最大喷油量影响较为敏感。

图13 为喷油器喷孔个数与燃油压力对最大喷油量的交互作用响应曲面。如图13 所示，喷孔直径处于中心位置时(喷孔直径为0.13 mm），随着喷孔个数与喷油压力的增大，最大喷油量也逐渐增多，这是因为喷孔个数的增加能够增大喷嘴的流通面积，使喷嘴腔燃油压力降低，腔内压差增大，喷油速率上升，燃油压力对最大喷油量的影响比喷孔个数对最大喷油量产生的影响更为显著。

图13 喷孔个数与燃油压力交互作用响应曲面Fig.13 Response surface of interaction between orifice number and fuel pressure

图14 为喷油器喷孔直径与喷孔个数对最大喷油量的交互作用响应曲面。如图所示，燃油压力位于中心位置时（燃油压力为15 MPa），喷孔直径变化能够改变喷入燃油的流通面积，喷孔直径与燃油流通面积呈现正相关，开启时液压力减少导致针阀开启响应减慢。针阀开启后喷油速率提高，喷油率峰值增加；关闭时喷嘴腔体压降降低导致关闭响应加快。与喷孔个数对最大喷油量的影响相比，喷孔直径参数影响更显著。

图14 喷孔直径与喷孔个数交互作用响应曲面Fig.14 Response surface of interaction between orifice diameter and orifice number

6 结论

（1）根据GDI 喷油器的组成及工作原理，建立了AMEsim 机液系统模型，可有效分析预测喷油器的液力响应特性。

（2）单因子影响分析：重点分析了燃油温度、燃油压力、喷孔直径及喷孔个数对GDI 喷油器喷油特性的影响，结果表明：燃油压力、喷孔直径和个数对GDI 喷油器喷油速率影响很大，同时喷孔直径与喷孔个数对针阀关闭时刻影响较大，而燃油压力对针阀开启和落座时刻均有影响。

（3）单因子间交互作用分析：选取燃油压力、喷孔直径及喷孔个数为因素，以GDI 喷油器最大喷油量为响应变量，建立3 水平3 因素设计表，得到了最大喷油量的响应面模型。响应面模型显著性分析表明：考虑各单因子交互作用建立的最大喷油量响应面模型预测一致性较好，喷孔直径与燃油压力、喷孔直径与喷孔个数、喷孔个数与燃油压力间交互作用对最大喷油量影响显著。