（材料加工工程专业论文）轿车电磁阀式喷油器制造关键技术研究.pdf

华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 i 摘 要 对汽油机用电磁阀式喷油器进行结构设计，采用球阀式结构，减轻了喷油耦合 件的重量，使喷油器在较小的电磁力下能较快的开启。在满足焊接性、耐腐蚀性和 抗疲劳性能条件下，对喷油器各部件所用材料进行了选择。 详细研究了喷油器激光焊接工艺，获得了最佳焊接工艺参数。主要焊缝在焊接 参数为：电流 110120a，脉宽 2.02.5ms，频率为 60hz，焊速 600mm/min，离焦 量- 1mm时能获得最佳焊缝。系统研究了喷油器激光焊接焊缝的显微组织，其主要为 枝晶和等轴晶，焊缝边界处枝晶结晶方向垂直于熔合线指向焊缝中心，到焊缝中部 枝晶的结晶方向变的杂乱，并出现等轴晶。部分焊缝组织晶粒特征有明显的分层现 象，并通过脉冲激光焊重叠度和熔池液态金属的流动特对分层现象进行解释。随着 脉冲峰值功率密度的加大，焊缝容易出现根部气孔、下塌、裂纹等缺陷。 为了提高喷油器共轭片的磁性能，对共轭片进行了退火热处理。保温温度在 01100时，在同样保温 3 小时情况下，随着保温温度的提高，热处理后 1j50 的晶粒尺寸明显变大。但当保温温度超过 1100时，晶粒长大变的不明显。获得了 最佳热处理工艺：以 300/h的升温速率，升至 1100保温 3 小时，然后以 200/h 的降温速度降至 350，打开炉门通风让其快冷。 经过热处理后材料在较小的磁场强 度下，磁感应就能迅速达到饱和，而饱和磁感应强度也有明显的提高。热处理后电 感量随磁性能也有明显提高。 对喷油器球阀的开启过程进行了详细分析，建立了开启时间计算的数学模型， 并用 vb 语言开发出了计算喷油器开启时间的软件。用该软件分析了弹簧力 ft、球 阀行程量 h0、电磁阀线圈工作电压 u、线圈匝数 n 以及线圈电阻等因素对喷油器开 启时间的影响。增大弹簧力 ft、球阀行程量 h0、线圈匝数 n 以及线圈电阻都会增大 开启时间，而增大线圈工作电压会使开启时间大幅减小。 关键词：喷油器；激光焊接；焊接工艺；磁性能；热处理；动态过程分析 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 ii abstract the structural of electromagnetic valve injector in gasoline engine was designed, by adopting a ball valve structure to the injector , the weight of coupling valve was greatly reduced, so the injector can open faster under a lesser electromagnetic force. the materials of fuel injector components were investigated and choiced. the performance of these materials must meet some require of work, such as better welding properties、good anti- fatigue properties and good corrosion resistance properties detailed experimental study was made on the laser welding process of the injector, and getting the best welding process., the best welding seam can be got when the welding parameters are as follow: current:110a120a, pulse duration:1.82.0ms, pulse frequency:60hz, welding speed:600mm/min, clearance between focal point:- 1mm.the microstructure property of welding seam was analysed. the main organization of welding seam are austenitic dendrite and equiaxed crystal. on the weld border, crystallization direction of dendrite is perpendicular to fusion line, point to fusion center. dendrite crystallization direction become unsystematic in the middle of the fusion line, and equiaxed crystal began to emerge. some weld grain characteristics show significantly layered phenomenon. the characteristics of stratification phenomenon have been explained through laser welding overlapping and flow characteristics of liquid pool metal. as the power density of pulse peak increased, weld prone to produce pores, surface depression, cracks and other defects. in order to make fuel injector establish a preferable magnetic field, the heat treatment was done to improve the magnetic properties of the injector conjugate flake. when the heating preservation temperature is between 0 to 1000,and the holding time is 3 hours .the grain size of 1j50 become lager along with the improve of heating preservation temperature.but the grain size no longer become lager when the heating preservation temperature beyond 1100.the best process parameters are as follow: improve the 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 iii temperature at the rate 300/h, and the heating preservation temperature is 3 hours .when the temperature is down to 350 at cooling rate 200/h,the samples get fast- cooling by opening the gate of furnace.after heat treatment, material grain obviously grown up than the untreated state, but with the insulation temperature increases, the grain growth was not obvious. after heat treatment, sensitivity of material react to magnetic field was stronger, in a smaller magnetic field strength situation, materials magnetic induction can be quickly reached capacity, and the saturation magnetic induction intensity has significantly improved. after the heat treatment, the inductance of magnetic properties increased significantly too. a detail analysis on the open process of injector valve has been carried out, a calculation model of time to open the mathematical has been established, a software programmed with vb was developed to calculate the time to open. analysis on the impaction of various factors on the fuel injector opening time has been carried out based on this software. key words : fuel- injector ; laser welding ; welding process ; magnetism; heat treatment ; analyse of dynamic processes 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保 密 ，在_年解密后适用本授权书。 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 本论文属于 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 1 绪言 1.1 引言 自汽车诞生以来，为改善汽车的使用性能，其机械结构一直处在不断发展和完 善的过程中。在经历多年的发展后，汽车在机械结构方面己经非常完善，所以靠改 变传统的机械结构和有关结构参数来提高汽车的性能已临近极限1。 这时候由于电子 技术的发展，汽车工业开始变革。随着大规模集成电路的出现，满足汽车复杂控制 问题所需的模拟电路不仅可做得体积小重量轻，且性能优良可靠性高，并首先在发 动机燃油喷射系统的应用中取得成功。根据发动机的工况，把精确计量的燃油准时 地喷入气缸是降低发动机排放、提高发动机工作效率的技术关键，通过传统的机械 装置解决这一问题已非常困难，而电子控制装置为进一步提高发动机的性能提供了 新的途径，电子控制燃油喷射技术应运而生。 由于传统发动机因使用化油器而混合气调节不精确，导致汽车尾气排放废气 (co、hc、nox 化合物等)含量过高2，对大气、环境的污染也日益严重，这是造成 全球气候变暖，产生温室效应的一个十分重要的因素。在发动机上使用化油器，带 给汽油供给装置的最困难的问题是，如何把相同空燃比的混合气均匀地送到每一气 缸里，因混合气必须经过不同长度及宽度的进气歧管。空气通过不同形状的通道及 转角时很容易，而汽油颗粒由于其惯性的作用，要经过弯的进气歧管是困难的，结 果使汽油粒子连续地移动到进气歧管的末端，造成末端的混合气过浓。为了使其它 气缸也有足够的混合气浓度，必须供给较浓的混合气，但是如此一来，末端气缸的 排气中将含有过多的未完全燃烧的有害成分如 hc、co 与 nox。 为减少机动车排放污染，保护大气环境，2007 年 6 月 29 日国家环保总局和国家 质量监督检验检疫总局联合发布了新的国家机动车排放标准。新标准的排放控制水 平相当于欧洲实施的 3 号排放法规的水平，控制的污染物包括氮氧化物、一氧化碳、 碳氢化合物和颗粒物3 4。国家日益严格的排放标准对，汽车发动机的制造提出了很 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 大的挑战。 电控喷油系统由于其精确的喷油量和喷油时间，能显著的提高燃油使用率、降 低废气排放以及降低燃油消耗。采用多点式汽油喷射作为汽油供给装置，则刚好可 以解决进气歧管中混合气分配不均的问题，喷油器位于发动机各缸靠进气门的位置， 如此每一缸可以得到相等的汽油量，使吸入汽缸内的混合气空燃比一致，因此，发 动机可以在较稀薄的混合气下工作， 则排气中可以减少hc 和co的含量且节省汽油。 此外使用电控喷射发动机还具有以下优点5- 7： （1）在进气系统中，由于没有象化油器供油那样的吼管部位，进气压力损失较 小。只要合理设计进气管道，就能充分利用吸入空气的惯性增压作用，增大充气量， 提高输出功率，增加发动机的动力性。 （2）在汽车加减速行驶的过渡运转阶段，空燃比控制系统能够迅速响应，使汽 车加减速反应灵敏。 （3）当汽车在不同地区行驶时，对大气压力或外界环境温度变化引起的空气密 度变化，可以进行适量的空燃比修正。 （4）在发动机启动时，可以用 ecu计算出起动供油量，并且能使发动机顺利经 过暖机运转。使发动机起动更容易，且暖机性能提高。 （5）能提供各种工况下最适当的混合气空燃比，且汽油雾化好，各缸分配均匀， 使燃烧效率提高。因此，能有效的降低排放，节省汽油。 （6）减速断油功能，亦能降低排放，节省汽油。减速时，节气门关闭，发动机 仍以高速运转，进入汽缸的空气量减少，进气歧管内的真空度增大。在化油器中， 此时会使粘附于进气歧管壁面的汽油由于歧管内的真空度急骤升高而蒸发后进入汽 缸，使混合气变浓，燃烧不完全，排气中 hc 的含量增加。而在电控汽油喷射发动 机中，当节气门关闭而发动机转速超过预定转速时，喷油就会停止，使排气中的 hc 减少，并可降低汽油消耗。 从中可以看出，电控汽油喷射发动机能很好的适应减少排放、降低油耗、提高输 出功率及改善驾驶性能等使用要求，因此，电控喷射发动机已成为现代汽油发动机 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 3 的主流。 1.2 电控喷油装置发展历程及喷油器分类 1.2.1 喷油系统的发展过程： （1）泵- 管- 嘴系统8 1927年德国人rebort bosch发明了世界上第一套喷油装置即泵- 管- 嘴喷油系统， 这是发动机发展史上的一个里程碑9。如图1- 1，系统利用一个高压油泵将油压入供 油路中，高压供油泵始终为系统提供恒定压力的高压燃油。当不需供给燃油时，油 管中的高压油经由电控旁通溢流阀的旁通口泄流回油箱中。当电控单元ecu根据发 动机工况信号认为应对发动机提供高压燃油时，ecu向电控旁通溢流阀发出控制脉 冲命令，此时电控旁通溢流阀的旁通口关闭，喷油泵和喷油器之间的油路接通，高 压油经由电控旁通溢流阀流入喷油器中，形成高压燃油喷射。于是，可以通过控制 电控旁通溢流阀的关闭时刻来控制喷油定时(喷油始点)， 通过控制电控旁通溢流阀关 闭时间的长短来控制喷油量的大小口这样，通过对旁通泄流阀的控制就实现了对汽 车燃油喷射的直接控制。 图1- 1 泵- 管- 嘴喷油系统 （2）泵喷嘴系统 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 4 泵喷嘴系统是将压送燃油的柱塞部分与喷油器部分合并为一体后安装在发动机 的缸盖上，由发动机凸轮轴、挺杆和摇臂驱动喷油器从动体，使柱塞往复运动将高 压燃油从喷油嘴喷入燃烧室。齿条往复运动时，带动柱塞副上齿圈使柱塞旋转，改 变柱塞上斜槽与柱塞套上油孔相对位置以改变喷油量其结构紧凑，便于检查、维修， 但总体布置较复杂，且驱动扭矩大，对噪声不利。在欧美各国一般用于大型商用车 上。 （3）单体泵 单体泵系统最初是由直列泵系统和单缸机的需求发展而来， 属于分列式喷油泵， 因此单体泵在发展的第一阶段，其工作与控制原理与直列泵相同。但单体泵具有独 特优点：喷油泵总成不带凸轮轴，其固定以双孔法兰装在柴油机机体上，由柴油机 凸轮轴驱动，每个单体泵经一根很短的高压油管与喷油器连接，很大程度上减小了 有害容积，改善了液力特性，提高了喷射压力。单体泵由于泵体具有很好的刚度、 以及高压系统的有害容积小等因素，能承受很高的泵端压力，并且功率覆盖面大远 远超过了直列泵所能达到的单缸功率，是从汽车到大型船舶常见的喷油装置。在欧 洲，从小型汽车到一部分大型汽车上获得应用。 （4）共轨喷油系统 图 1- 2 bosch高压共轨燃油喷射系统 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 5 目前该系统是最先进的喷油装置如图1- 210 11，该系统抛弃凸轮驱动、高压脉动 供油的原理，通过共轨方式使燃油加压，采用压力 时间计量原理通过电磁阀控制 喷油过程。共轨式喷油系统在一定限度内的喷油压力不受发动机转速和喷油量的影 响，同时，通过提高喷油压力及预喷射和复合喷射可改善燃烧质量和排放指标12。 此外，采用共轨系统对发动机无须做较大改动，为其设计及应用提供了灵活性。 共轨系统取消了齿条、调速器等传统的油量控制机构，利用电磁阀控制系统的 喷油量、喷油定时、喷射压力和喷油速率等，实现了燃油系统的全电子控制，将高 压喷射与电子控制完美地结合起来49 50。正是由于共轨电控燃油系统具有其它电控 系统无法代替的优点及巨大的发展潜力，目前已成为汽车电控喷油系统研究领域的 重要课题和发展趋势。因此，该系统是现在乃至今后的主要喷油装置之一。 1.2.2 电磁阀式喷油器 电磁喷油器是发动机电控汽油喷射系统的一个关键的执行器，它的作用是将汽 油从燃油分配管喷入各进气歧管末端，并形成良好雾状，它接受电控单元 ecu送来 的喷油脉冲信号，精确地计算汽油喷射量。因此，它是一种加工精度非常高的精密 器件。要求其动态流量范围大、抗堵塞抗污染能力强以及雾化性能好，为了满足这 些性能要求，各个公司先后开发研制了各种不同结构型式的电磁喷油器13，主要有： 球阀式、轴针式和片阀式等。电磁喷油器的磁化线圈可按任何特性值绕制，但典型 的一种是低电阻型喷油器，阻值为 23；另一种是高电阻型喷油器，其阻值为 13175。 从喷油器结构上来看，喷油器可以分为以下三类： （1）轴针式电磁喷油器 它主要由喷油器外壳、喷油嘴、针阀、套在针阀上的衔铁以及根据喷油脉冲信 号产生电磁吸力的电磁线圈。电磁线圈无电流时，喷油器内的针阀被螺旋弹簧压在 喷油器出口处的密封锥形阀座上。电磁线圈通电时，产生磁场吸动衔铁上移，衔铁 带动针阀从其座面上升约 0.1mm，汽油从精密环形间隙中流出。为使汽油充分雾化， 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 6 针阀前端磨出一段喷油轴针。喷油器吸动及下降时间约为 1ms1.5ms。轴针式喷油 器在开启和关闭时加速度要比片阀式和球阀式喷油器大的多，阀座及电磁铁受到的 冲击和磨损比较大，以至于针阀长时间工作会产生断续喷射及卡死现象，工作可靠 性差。但其高压密闭性较好。 （2）片阀式电磁喷油器 片阀式电磁喷油器最早是英国卢卡斯公司（lucas）研制开发的，其内部结构的 主要特点是质量轻的阀片和孔式阀座，它们与磁性优化的喷油器总成结合起来，使 喷油器不仅具有较大的动态流量范围， 而且抗堵塞能力较强6。 汽油从喷油顶部注入。 当喷油器处于未激励状态（阀关闭）时，阀片被螺旋弹簧力和液压力压紧在阀座上。 当来自 ecu的喷油脉冲通过喷油线圈时，即产生磁场，在电磁力足以克服弹簧力和 液压力的合力之前，阀片仍将压紧在阀座上。一旦电磁力超过两者的合力，阀片即 开始脱离阀座上的密封环，被铁芯吸住，于是具有压力的汽油进入阀座密封环中的 计量孔。反之，一旦来自 ecu的喷油脉冲结束，电磁力开始衰减，但是阀片仍瞬时 保持阀开启状态，直到喷油器弹簧力克服衰减的电磁力为止。当弹簧力大于衰减的 电磁力时，阀片将脱离挡圈返回到阀座上，切断汽油喷射。 片阀式电磁喷油器由于其片阀的结构特点，在关闭过程中所受的液压阻力要比 轴针式喷油器和球阀式喷油器大得多。因此平面阀关闭时所需的弹簧力也要大得多， 即平面阀在开启时需要更大的电磁力，对电磁阀要求较高。 （3）球阀式电磁喷油器 球阀式与轴针式电磁喷油器的主要区别在于阀针的结构。球阀式的阀针是由钢 球、导杆和衔铁用激光束焊接成整体制成的，其质量减轻到只有普通轴针式阀针的 一半，这是采用短的空心导杆实现的。为了保证密封，轴针式阀针必须有较长的导 向杆，而球阀具有自动定心作用，无须较长的导向杆，减轻阀针质量并提高弹簧预 紧力，对获得宽广的动态流量范围十分有效。同时，用球阀简化计量部位的结构， 有助于提高喷油量精度。此外，喷油器体和盖用导磁不锈钢制成，提高了耐蚀性。 因此，球阀式的阀针质量轻，且具有较高的密封能力，明显优于轴针式针阀。 总之，研制的球阀式电磁喷油器相对于传统轴针式电磁喷油器与片阀式电磁喷 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 7 油器来说，工作可靠性能强、其球阀阀体质量轻、球阀打开关闭响应时间短、结构 简单与加工方便、成本低廉，非常适合于汽油发动机喷射系统。 1.3 喷油器所用材料国内外研究现状 由于喷油器一直在高压油的工作环境下要求有一定的力学性能和较强的耐腐蚀 性能，同时要求要求有较好的磁性能，不锈钢在喷油器制造领域应用的较广。它的 特色在于不仅具有优良的耐蚀性能和一定的磁性能，而且磁性能对温度、应力、甚 至辐射等，比其它软磁合金有更好的稳定性，从而提高了电子元器件的可靠性。共 轨喷油系统技术， 兴于90年代， 其喷射电磁阀用料， 已有一些商品牌号。 如mer1(日)、 qmr3l(日)、chrome12(美)、chrome13(美)，主要成分是crl318，并含有特殊添加 元素14。这几个牌号的主要性能指标饱和磁感应强度bs为1.211.40 t 。矫顽力hc 为38200a/m，电阻率?为5799o cm。 此外大部分喷油器还会用一些软磁合金的制成的共轭片来加强磁场，常用的有 铁镍合金，铁镍软磁合金在低磁场下具有很高的导磁率和很低的矫顽力，广泛用于 制作灵敏度高、尺寸精、体积小、高频损耗小、时间和温度稳定性好的电子元器件。 镍量为4550%的镍铁合金，具有镍铁合金中最高的饱和磁感应强度(bs= 1.55t)，同 时由于?1000和k1较小而具有中等大小的磁导率(i11000)。因此，这种合金材料 很适合用于喷油器共轭片的制造。 1.4 喷油器控制阀国内外研究现状 目前电磁阀的发展代表着电磁阀式喷油器的发展，近些年来电磁阀式喷油器的 发展主要是向着压电式和磁致伸缩式。如表1- 1国外用于高压共轨系统的高速电磁阀 15。这些高速电磁阀都是各个燃油系统制造商在开发高压共轨系统时根据自己的喷 油器和供油泵的结构开发的。国内目前的电磁阀开发水平和生产水平还远远满足不 了高速电磁阀的要求，国内唯一的高速电磁阀产品是航空工业系统引进美国bkm公 司技术生产的hsv系列电磁阀，其最高压力仅仅20mpa，响应时间23ms，满足不了 高压共轨系统的要求。国内的高等院校在开发共轨系统等电控喷射装置时做过一些 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 8 探索，但从响应时间、驱动能量等方面综合考虑，还不能满足高压共轨系统的需要， 其主要问题在于电磁材料、衔铁结构、驱动电路以及电磁阀的生产工艺等方面。 表1- 1 国外的高速电磁阀结构参数 制造商 应用位置 电磁铁类型 控制阀类型 响应时间ms 德国bosch 喷油器控制阀 螺线管 常闭球阀 0.3 日本denso 喷油器控制阀 螺线管 常闭平衡阀 0.4 美国delphi 喷油器控制阀 螺线管 常闭平衡阀 0.3 德国siemens 喷油器控制阀 压电材料 常闭锥阀 0.2 德国ganser 喷油器控制阀 螺线管 常闭平面阀 0.2 用于高速电磁阀的电磁铁元件有以下3种: (1)螺线管电磁铁其特点是: 结构简单，工艺成熟 可靠性好 成本低 (2)压电陶瓷元件: 压电式执行元件像一个在电压下立即就能充电的电容器，其关键元件是陶瓷压 电薄膜，它在加上电压以后的0.1ms 以内就会发生晶体晶格的畸变，国外有报道采 用压电陶瓷片叠合成的压电堆作电磁铁，德国的bosch公司、siemens公司都在研究 这种元件。但国内的压电材料还不过关，容易碎裂，伸缩量很小。试验证明40mm高 的压电堆仅能够产生27m的位移，远远满足不了高速电磁阀的需要。国外有样品提 供，但价格昂贵。使用压电式喷油器有以下特点16： 位移控制精度高，可达0.01m 响应快，约0.1ms，无机械吻合间隙，可实现电压随动式位移控制 有较大的力输出，约3.9kn/cm2 功耗低，比电磁式驱动器低一个数量级，并且当使物体保持一定位置时，器 件几乎无功耗 是一种固体器件，易与电源、传感器、微机等实现闭环控制 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 9 可以实现刚性随动控制、刚性脉动控制、共振交变控制 上述这些特点充分说明，如果能用压电陶瓷驱动器构成压电陶瓷阀，其性能将 比其它电液开关阀优越许多，能更好地满足电控喷油系统的特殊需要。 图1- 3 压电和磁致伸缩共轨喷油系统 (3) 磁致伸缩电磁阀: 所谓的磁致伸缩，是指铁磁材料和亚铁磁材料在磁场的作用下将导致其体积和 长度发生微小变化的现象。 能产生磁致伸缩的材料称为磁致伸缩材料。 1972年， clark 等首次发现laves相稀土 铁化合物rfe2( r代表稀土元素铽tb，镝dy，钬ho，铒er， 钐sm，铥tm等)的饱和磁致伸缩应变量达到1.510- 3210- 3，相当于fe、ni等传统 磁致伸缩材料的2050倍，并且高于pzt，plzt压电陶瓷，因而称rfe2化合物为超 磁致伸缩材料gmm (giant magnetostriction material)。但由于rfe2化合物必须在很高 的外加磁场中才有较大的长度变化，因而不具有实用价值。后来经过了大量的研究 和试验，美国海军研究所又提出了伪二元tbxdy1- xfe2- y (0x1，0y0.2)合金。这种 合金克服了rfe2化合物必须加很高的外磁场才能得到超磁致伸缩的缺点，使超磁致 伸缩材料真正具有实用性17。 90年代以后，一些国家已经有商品化的材料供应，如美国的edge technology公 司的“terfenol- d”， 瑞典feredyn ab公司的“magmek86”。 美国的edge technology 公司的“terfenol- d”，是伪三元超磁致伸缩棒材，这种材料的典型成分是 tb0.27dy0.73fe1.9。terfenol- d中的ter表示元素铽(terbium)，fe表示元素铁，nol代表该 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 10 材料的开发实验室的名称:naval ordinance laboratory，字母d代表元素(dysprosium)， 表示加入dy后磁晶各向异性变小18。 超磁致伸缩材料，比较有代表性的材料为terfenol- d。它的原理是通过控制驱动 线圈的电流，来驱动具有负磁致伸缩的棒，使得针阀提起或放下，如图1- 3。这种设 计，省去了机械部件的连接，可使燃料在注入过程中实现快速、高准确度的流动无 级控制，优化了燃烧过程。 使用terfenol- d磁致伸缩材料设计的电磁铁其主要特点: 响应时间0.2ms，材料伸缩率1.5% 线圈电流小 需要线圈磁激励，体积大 我国在“八五”期间开始了稀土超磁致伸缩材料的研究工作16。目前，己经有 多家单位研究和生产，如包头稀土研究院、中科院物理所、中科院上海冶金材料研 究所等。但目前国内的压电陶瓷和磁致伸缩材料还不能应用于工程实际；国外的磁 致伸缩材料价格很高，无法实际应用。 因此我们研究中采用螺线管电磁阀，从筛选电磁材料、电磁铁、衔铁的加工工 艺入手解决电磁阀的可靠性问题。 1.5 研究目的及意义 在我国“八五”期间的汽车工业发展规划中，已把发展轿车技术、开发电控汽 油喷油器列入重点研究课题，但由于当时加工设备、材料等关键因素的限制，至今 关键技术仍限制于国外。目前电控喷油器需求量大增，而国内市场却处于国外 bosch、日本电装等公司的垄断下，我国对喷油电控技术的研究起步比较晚基础薄 弱与世界先进水平相比还有很大的差距，我国自80年代后期开始黄家裕等人开发了 节流式电控喷油系统并在柴油机上进行了实机试验。 清华大学研究开发了泵- 管- 阀嘴 (ppvi)电控喷油系统，高速电磁阀的响应时间1ms，一汽汽车研究所开发了一种可 变预行程的电控喷油系统天津大学开发了一种paricui共轨蓄压式单体喷油器喷油 系统，无锡油泵油嘴研究所正在开发一种ed021高压共轨电控喷油系统， 上海交通大 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 11 学、北京理工大学等科研机构也在进行这方面的工作15，但大多数停留在实验研究 和理论研究阶段至今无成功产品。面对汽车行业、摩托车行业的高速发展，喷油器 的市场需求量大幅增加，而目前国内市场处于国外几个公司垄断之下，价格较高。 开发出拥有自主产权的喷油器，不仅能带来巨大的经济效益还能促进发动机、汽车 产业的飞速发展。 1.6 本课题研究内容 在喷油器的研制中，面临着一系列的问题需要解决，其中比较关键有喷油器结 构的设计、材料选择、加工工艺以及最终性能的好坏等等。围着着这些问题，本文 主要的研究内容为以下几个方面： 1）电磁阀式喷油器结构设计与材料选择 2）喷油器激光焊焊接工艺的制定及焊后焊缝组织分析。 3）喷油器主要部件提高磁性能热处理研究。 4）喷油器加工成形后动态过程分析与性能检测。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 12 2 喷油器结构设计与加工工艺设计 2.1 电磁阀式喷油器结构设计与工作原理 轿车的喷油系统是十分精密的电磁阀控制系统，其形状结构设计对控制油量的 大小起决定性作用，因此轿车喷油系统的结构设计十分重要。在高压油下靠电磁阀 来控制喷油，综合国内外的轿车喷油系统的结构设计优点，同时要求有良好的互换 性和广泛的使用性，在保证预设工作原理下尽可能的简化结构，所设计结构设计如 图 2- 1 所示，它由喷孔片、下管套、球阀（衔铁、小球和导管） 、弹簧、弹簧定位销、 滤网、上管套、共轭片、阀座、雾孔板共十三个零件组成。 1、喷孔片 2、下管套 3、球阀 4、电磁阀 5、弹簧 6、弹簧定位销 7、滤网 8、上管套 9、共轭片 10、衔铁 11、阀座 12、雾孔板 图 2- 1 电磁阀式喷油器结构图 结构简介：参考许多国外喷油器结构控制喷油的耦合件大多为针阀式或片阀式， 由于轿车用汽油发动机的工作油压相对柴油机较小，为了简化结构便于控制，采用 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 13 球阀式耦合件，见图 2- 1 中的球阀，它是由衔铁、套管、小球三部分构成。为了减轻 球阀重量，在套管上打 34 个圆孔，小球可将侧面削平，保留与喷孔座接触面为圆 面。在不工作状态时球阀在弹簧的压力下，紧紧的关闭喷孔，弹簧采用定位销定位， 其具体定位销距上管套下断面距离 l，依据弹簧预压缩量决定，通过调整 l 来调整 弹簧的预压缩量。 球阀行程量 d 是个关键参数，影响着喷油器起喷开启反应的灵敏性与喷油量， 当 d 变大时，随着球阀行程量的变大单个脉冲喷油量与总喷油量都会变大，此外喷 孔片上喷孔的大小也对喷油量有着决定性的影响。 喷孔的大小不仅决定着喷油量，而且决定着喷油的雾化效果。雾化效果越好， 燃烧越充分，废弃排放也越少，能源利用率越高，相应平均油耗也越低，精确的喷 油量和良好的雾化效果，是现在电控喷油技术的追求的最终目标。而小尺寸圆孔的 加工与加工精度是喷油技术面临的重要问题。我们可以采用在已有的加工的手段在 完全满足大批量加工时喷孔加工的一致性与精密性的前提下，设计一定的喷孔尺寸， 然后通过调节球阀行程量 d，利用两个因素相互协调，来达到预期的精确喷油量。 共轭片的作用是同喷油器上下管套建立磁路，并加强磁场。通过磁场对衔铁产 生吸引力从而带动整个球阀运动。 工作原理：高压油通过滤网进入喷油器，电磁阀在脉冲电信号下快速建立磁场， 吸附衔铁带动球阀克服弹簧力和油压力向上运动，接触到上管套下端面时停止，此 时球阀完全打开，高压油从喷油孔喷出雾化。当电磁阀的脉冲电信号消失时，电磁 阀建立的磁场也随之消失，施加在球阀上的吸引力消失，球阀在弹簧力和油压力的 作用下迅速向下运动，关闭喷油孔停止喷油过程。 2.2 电磁阀式喷油器的材料选用 材料是研制轿车电磁阀式喷油器的关键，轿车电喷系统工作在腐蚀环境中，并 且承受交变载荷，在外加交变磁场作用下进行往复运动。所以，轿车喷油系统的材 料必须满足以下要求： 1、有较好的焊接性能，焊缝具有一定的强度； 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 14 2、适合批量生产、成本不能太高； 3、在高压油环境中，应具有较好的耐腐蚀性能； 4、承受交变载荷，应有良好的抗疲劳性能； 5、具有一定的软磁性能，由于为磁控元件，对喷油系统有一定的磁性能要求， 要求大部分材料具有磁导率高、矫顽力低、剩磁小的性能。不同的零件在磁路中的 作用不一样，因此磁性能要求也不同。 通过调查研究国外关于喷油器用材现状，发现喷油器为了使其具有较好的耐腐 蚀性能和较好的抗疲劳性能一般采用不锈钢， 大多集中在cr13cr17系列不锈钢14， 而起控磁作用的共轭片一般采用铁镍合金，因为这种软磁材料具有了高导磁、低磁 滞、低矫顽力的特点。 球阀、上下套管要求有较高的耐腐蚀性和耐疲劳性能，此外它们还是磁路的一 部分，所以要求具有一定的软磁性能，由于上下套管涉及到多个喷油器装配加工的 定位面，要求加工精度非常高，而且工序较多且要求批量生产，综合国外喷油器研 究现状的相关经验，并经过后续的相关实验，上下套管选用易切削的铁素体不锈钢 y1cr17，其膨胀系数小、抗氧化性好、抗应力腐蚀优良。其化学成分见表 2- 1，其在 退火状态下的力学性能见表 2- 2。 表 2- 1 y1cr17 化学成分表（） c si mn p s ni cr mo fe 0.12 1.00 1.00 0.04 0.03 (*) 16.0018.00 () 余量 *允许含有小于或等于 0.60% ni 可以加入小于或等于 0.60% mo 表 2- 2 y1cr17 的退火状态下的力学性能 规定非比例 延伸强度 rp0.2 n/mm2 抗拉强度 n/mm2 断后伸长率 % 断面收缩率 % 冲击吸收功 j 硬度 hbw 205 450 22 50 - 183 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 15 共轭片的作用是同喷油器上下管套建立磁路，并加强磁场。通过磁场对衔铁产 生吸引力从而带动整个球阀运动，这就要求共轭片具有很好的软磁性能，高饱和磁 感应强度、磁导率与低矫顽力。而参考国内外相关的研究情况选用铁镍合金 1j50， 这类合金含镍量为 3650，其特点具有晶体织构成磁畴织构，沿着易磁化方向(轧 制方向)磁化。在不太大的磁场下，有较高的磁导率和较大的饱和磁感应强度。其化 学成分见表 2- 3，其在冷轧带状下主要磁特性参数见表 2- 419。 表 2- 3 1j50 化学成分表（） c si mn p s ni cu mo fe 0.03 0.15- 0.3 0.30.6 0.02 0.02 4951 0.02 - 余量 表 2- 4 1j50 主要磁性能 厚度（mm） m（mh/m） 0.8(mh/m) hc（a/m） bs（t） 0.25 102.0 8.5 3.5 1.5 出于防腐的目的，喷孔片、雾孔片材料与弹簧材料选用 1cr18ni9。其抗晶界腐 蚀能力优秀； 在未进行热处理的情况下， 亦能保持良好的耐蚀性， 使用温度在- 196 800。完全满足喷油器在缸内直喷时的耐高温的使用要求。而阀座选用的材料为 9cr18。 2.3 喷油器焊接成形施焊工艺设计 早在 20 世纪 70 年代国外激光焊接技术已经开始初步应用在喷油器的加工制造 中，到了 90 年代已应用的非常成熟20，激光焊具有焊接速度快、变形小、受位置限 制较小、精密定位等特点，因此喷油器的成形采用激光焊接的方法。从图 2- 1 喷油器 结构图中看出，喷油器一共有 13 个零件组成，其中球阀由衔铁、套管、小球组成。 零件尺寸小，加工精度要求高。从喷油器的装配结构上看，可以用 7 道焊接工序来 完成喷油器的焊接成形。 工序一：喷孔片与阀座的焊接，见图 2- 2。由于喷孔片很薄，可采用中心穿透熔 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 16 化焊的焊接方式，焊缝为环形，在焊接时需焊透喷孔片在阀座需形成一定的熔深。 激光仅照射喷孔片，通过热传导方式使光能向喷孔片深处与阀座金属传递，形成一 定深度的熔池。 图 2- 2 喷油孔片与阀座的激光焊缝 工序二：在完成喷孔片与阀座的焊接后，将其放入下套管底部将喷孔片凸沿焊 到套管内壁上见图 2- 3，采用单卷边角接的接头形式21。这个工序加工比较困难，需 要制作特殊夹具，来实现焊接时的夹持和定位，焊缝为环形。 图 2- 3 喷孔片、阀座与下套管的激光焊缝 工序三：见图 2- 4，完成工序二后紧接着将雾孔片紧贴喷孔片放入，同工序二一 样将雾孔片凸沿焊到下套管内壁，焊接方式和方法同工序二一样。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 17 图 2- 4 挡片与下套管的激光焊缝 工序四： 紧接着是将球阀小球与球阀套管的焊接见图 2- 5。 采用对焊的焊接方式， 为了达到较好的喷油孔密封效果，在实现小球与套管的焊接时，必须保证小球与球 阀套管的同轴度，焊接时激光光斑应略偏向小球一侧，因小球表面是弧面，能量吸 收少，如果光斑在小球侧少的话，会造成焊接接头强度不够甚至焊不上去的后果。 工序五：在把小球与球阀套管成批焊好后，再来进行工序五的加工。这是因为 球阀的长度要根据装配关系来适当的调整，工序一中喷孔与阀座在往下管套内壁焊 时可能会有误差存在，为了消除这个误差，确保球阀行程量 d 的精确性，就必须根 据每个喷油器的加工情况对球阀装配长度进行适当的调整，调整球阀管套在衔铁中 的压入量。采用中心穿透熔化焊的焊接方式，同工序一的焊接方法一样，但因为壁 厚的原因激光功率要稍微加大。 图 2- 5 球阀的激光焊焊缝 工序六: 完成球阀的焊接后将球阀装入套管中，测量球阀距下套管端面的距离， 此距离减去上套管凸沿台阶长度即是球阀的行程距离 d，其精度控制在0.01mm。然 后在上套管内压入弹簧定位销，并严格控制 l 长度，其精度同样控制在0.01mm。 放入弹簧后进行上下套管的焊接，采用端焊的焊接方式，用特制夹具夹持。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 18 图 2- 6 上下管套的激光焊焊缝 工序七: 在进行完以上加工工序后，进行焊接加工的最后一道工序，将共轭片两 端焊到上下套管上。先将电磁阀套上套管，再将共轭片按预设位置将电磁阀压紧， 共轭片不仅起到建立磁路、加强磁场的作用还有对电磁阀的固定作用，此焊缝仅起 固定共轭片的作用，因此对其强度要求不高，只要形成一定熔深即可。 图 2- 7 共轭片与套管的激光焊焊缝 2.4 本章小结 设计了喷油器体的结构，采用结构简单的球阀式喷油器，球阀加工简单，重量轻， 从而能对磁场作出迅速的反应。 对喷油器的工作原理以及装配加工时需注意的关键点进 行了分析介绍。并针对各零件进行了材料的选用， 在满足有一定软磁性能， 强耐腐蚀性 能和抗疲劳性能的条件下，上下套管的材料选用铁素体不锈钢 y1cr17，喷孔片、雾孔 片与弹簧的材料选用奥氏体不锈钢 1cr18ni9，共轭片材料选用铁镍合金 1j50，喷孔座 选用马氏体不锈钢9cr18。采用激光焊接技术来进行喷油器的成形加工，并对喷油器的 焊接施焊位置进行设计，设计 7 道焊接工序来完成喷油器的焊接成形。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 19 3 喷油器激光焊接工艺试验 喷油器的零件尺寸普遍较小，焊缝尺寸小，装配精度高，有些焊接位置难以接 触。综合以上特性，选用激光焊接最为适宜。 激光焊相对其他焊接方法有以下优点21：1、焊接速度快、变形小。2、可焊难 熔金属。3、可焊接难以接近的部位，受位置限制较小。4、可进行微型焊接，激光 束经聚焦后可获得很小的光斑，且能精密定位。 3.1 激光器的制造与参数 激光焊接设备是由武汉华工激光工程有限公司专门针对喷油器的加工特点而研 制、生产的 hgllwy300 型激光焊接机。该激光焊接机由 yag固体激光器、脉冲 激光电源、光学聚焦系统、激光专用制冷冷却系统、控制系统、工作台、ccd 监视 系统等几部分组成。该设备是光机电一体化的系统集成设备，主要用于各种金属材 料的焊接。该激光焊接机主要技术指标如表 3- 1 所示