航空发动机喷油器

1、航空发动机喷油器性能测试论文作者：李博指导老师：杜发荣 二一四年九月北京航空航天大学暑期科研实践论文航空发动机喷油器性能测试The performance of aero engine fuel injection test论文作者： 李博 指导老师： 杜发荣能源与动力工程学院二一四年九月目录摘要IIAbstractII第1章 绪论1第2章 喷油器工作原理1第3章 电磁喷油器的工作特性23.1、响应特性：23.2、喷油器的喷雾特性：33.3、喷油器的电路设计：3第4章、电磁阀磁力计算过程34.1、控制阀芯运动模型：34.2、电路方程：44.3、磁路方程：4第5章 COMSOL软件电磁模拟仿真计

2、算6第6章 电磁喷油器计算方案86.1、喷油器计算指标：8第7章 喷油器的实际测量与计算9总结与展望10参考文献11III摘要作为飞机的心脏，航空发动机在飞机的运行中起着至关重要的作用，而在发动机的运行中喷油器的性能往往决定成败，所以一款性能良好的喷油器是不可或缺的，喷油器作为发动机燃油供给系统中的重要元件，在发动机的工作过程中，其喷射的燃油对混合气的形成以及燃烧过程产生重要的影响。喷射系统的优劣直接影响到发动机的动力性、经济性、排放性等。性能好的喷油器可以大大增加发动机的运行寿命以及飞机的安全。这次暑期科研实践 ，我就跟着自己的导师准备亲自测试一款喷油器的性能。在测试喷油器之前，需要对于喷油

3、器的原理进行细致的分析与了解，分析出喷油器需要测试的方面，制定出相应的测试方案与性能指标。通过与同伴查询资料文献等，最后总结出喷油器的性能好坏可以通过几个方面体现：单次喷油量、喷射率、响应快慢、喷油持续期、雾化质量。而只是知道需要测试的方向是不够的，需要通过精密的数学计算与数值仿真，在电脑上进行多次的模拟测试后，有了一定的把握之后才能真正开始测试，而要对于喷油器进行仿真模拟测试，需要用到有限元分析软件，例如COMSOL软件，不仅能够进行三维仿真设计，而且可以进行电磁等方面的仿真测试，这也是我们这次暑期科研实践重点需要学习的。关键词: 共轨喷油器电磁阀 COMSOL有限元分析 响应快慢 Abst

4、ractAs the heart of a plane, aircraft engine plays a vital role in the operation of aircraft, and the operation of the engine in the performance of the injector is often determines the success or failure of the injector, so a good performance is indispensable, injector as an important element of eng

5、ine fuel supply system, the working process of the engine, the jet fuel has important influence on the mixture formation and combustion process. Injection system directly affects the engine power, economic, emission etc. The well performance of the injector can greatly increase the service life of t

6、he engine and aircraft safety. The summer research practice, performance I followed his mentor is ready to test a fuel injector. Before testing the injector, need to analyze and understand detailed the principle of injector, the injector analysis need to test, develop test plan and the corresponding

7、 performance indicators. With the peer query literature, finally summarizes the performance of injector can be embodied through the following aspects: single injection quantity, injection rate, response speed, continuous injection quality atomization period. But just know need to test the direction

8、is not enough, need through the precise mathematical calculation and numerical simulation, simulation testing repeatedly on the computer, after a certain grasp can really begin to test, but for the injector simulation test, need to use finite element analysis software, such as COMSOL software, not o

9、nly can make 3D simulation design, and simulation test of electromagnetic fields, this is we in this summer research practice period needs to focus on.Keywords: common rail injector solenoid valve response speedCOMSOL finite element analysis 北京航空航天大学 能源与动力工程学院 暑期科研计划第1章 绪论发动机的功率调节实行的是量调节，即通过改变节气门开度的

10、变化以改变进入气缸的混合气量来实现的。发动机燃料供给的基本任务就是按照运行工况的需要，控制供给的燃油量，使之能与吸入气缸的空气量相适应，以形成空燃比恰当的可燃混合气。 喷油器作为发动机燃油供给系统中的重要元件，在发动机的工作过程中，其喷射的燃油对混合气的形成以及燃烧过程产生重要的影响。喷射系统的优劣直接影响到发动机的动力性、经济性、排放性等。喷油器的燃油喷射量与喷油器的绝对压力以及喷油器的开启时间有关。喷油器的绝对压力是指喷油器前后压力差，在数值上就等于燃油总管油压与进气歧管压力之差。假设发动机工作时压力室的油压不变，则喷油器的喷油压力随发动机的负荷和转速发生变化。好的喷油器决定了发动机品质的

11、好坏，因此对于喷油器性能的研究是至关重要的。第2章 喷油器工作原理首先，在进行测试前我们需要设计合理的喷油器性能测试方案。在对某一型号的喷油器进行性能测试之前需要熟悉喷油器的工作原理，我们这次测试的喷油器属于共轨式电磁喷油器，其喷油过程关键是由电磁阀控制。其工作步骤主要分为以下几步：1、 在电磁铁未通电时，控制阀弹簧将控制阀芯压在泄油空上，泄油孔关闭。2、 低压油从进、回油孔进入，充满喷嘴腔内，并通过阀芯上的小孔进入阀控制腔，此时两腔内油压相等。由于弹簧的作用阀芯紧压在阀座内壁，燃油不能从喷油嘴喷出，两腔内油压升高。3、 电磁铁通电后，将衔铁与控制阀芯向上吸，泄油孔打开，由于压差作用高压油从泄

12、油孔进入，并导致 阀芯向上移动。4、 阀芯与阀座不在贴合，高压油亦从喷油嘴喷出。5、 电磁铁断电控制阀弹簧将控制阀芯压回泄油孔。当燃油作用在阀芯锥面上的压力小于弹簧力时，阀芯被重新压回与阀座贴合，喷油即时停止。两腔内重新开始进油，建立油压，随着电磁铁的开关开始循环喷油。第3章 电磁喷油器的工作特性3.1、响应特性：讨论喷油器的工作特性，主要是讨论其响应特性，由于喷油器响应受到针阀惯性、电磁线圈的滞后性以及液力传递滞后性的影响，直接导致喷油行为相对于电流或者电压的变化有一定的滞后效应。当喷油脉冲加载在喷油器电磁线圈后，针阀升至最大升程时刻相对驱动脉冲滞后的时间为；脉冲完全消失后，针阀完全落座关闭

13、相对驱动脉冲滞后。阀门开启的滞后时间较阀门关闭的滞后时间长，故与的差值称为无效的喷射时间。我们需要验证的就是在不同的工作电压与不同的脉冲频率之下，哪种是最适合我们所测试的这型号喷油器，适合的电磁线圈脉冲信号需要满足以下要求：1）、精准性要求根据ECU传输的信号，能够精准的控制喷射时间，从而控制喷油量和喷油率。2）、响应性要求 由于发动机工况时刻在变化，从各个传感器收集信号到ECU处理信号发出指令再到针阀开启进行喷油，不可避免的会有一定的延迟作用，因此要尽量的降低延迟的时间，即提高响应性，并尽量缩短无效喷射时间。这就要求电磁铁从脉冲一加载就应该具有最大的电磁力吸引衔铁运动。3）、运动合理性 线圈

14、通电后，衔铁克服控制阀弹簧弹力抬起，随着气隙的减小，磁阻大大减小，因此此时只需保持一个较小的电流就能保持足够的电磁力。为了尽量减小衔铁关闭以及针阀关闭时的落座力，延长使用寿命，在衔铁触及电磁铁铁前应该有一个减速过程，减小其速度进而减小撞击力，这就要求电磁力不能够太大，以便使控制阀的弹力可以足够抵消一部分；同理，在回程时靠弹簧弹力闭合，因此在这个过程中也保持一个小的电流信号，以减少控制针阀对阀座的力的作用。3.2、喷油器的喷雾特性：喷油器的喷雾质量决定了燃油的燃烧是否充分，从而也决定了发动机所能产生的推力是否足够、是否稳定，这对于飞机的运行很重要。并且燃油的充分燃烧也能使燃料充分利用，提升经济性

15、。而喷油器的喷雾特性根据给定的汽油的物性、喷射压力以及喷口几何，运用的计算方法，计算出其喷雾特性，包括喷雾角度、喷雾均匀性等。3.3、喷油器的电路设计：为了使喷油器做出合理的喷油运动规律，并且满足快速响应以及驱动力的要求，驱动电路的设计变得尤为重要。电路的设计可以先用Multisim电路模拟软件进行模拟，当得到合理的参数在进行设计测试。第4章、电磁阀磁力计算过程在设计喷油器电磁阀的电压脉冲时需要考虑的是当电压转化为磁力时对于喷油器阀芯作用力的大小，需要考虑阀芯上升与下降时的加速减速过程，还要考虑磁力的大小，从而保证阀芯既可以正常工作又可以有长时间的工作寿命。我与科研同伴一起，在学长的指导下查阅

16、各种资料文献，寻找以前的专家对于喷油器电磁阀磁力的计算方法。经过整理后，我们设计了一下的计算方案：4.1、控制阀芯运动模型：设控制阀衔铁、控制阀垫片和控制阀芯总质量为，弹簧刚度为，电磁力为，位移为，则可根据牛顿第二定律可建立平衡方程：方程用其中P为相对压强，为小孔面积；为衔铁上方油压，为衔铁上表面积。4.2、电路方程：电磁阀的运动规律取决于电磁阀的驱动电路和驱动形式，电路和输入能量的大小及其变化率，会影响到电磁阀的动态性能。根据电路的等效简化原则，可以将电磁阀的电路写成： ；即可表示为：其中，表示电磁阀驱动电压，表示为线圈电感，为电路中电流，为电路中的等效电阻，为系统磁链。在电磁阀运动的过程中

17、，为了在通电开始阶段就能使衔铁获得最大的电磁力，使其响应性达到最佳，应该加载一个比较大的电压；而随着衔铁的运动，气隙逐渐减小，导致磁阻减小，使电磁阀保持高加速度需要的电压也会减小，因此此时只需加载一个较小的电压，另外，为了减小撞击力，在回程过程中，可以加载一个更小的电压。即：4.3、磁路方程：计算磁路模型，主要是为了建立求解电磁力的计算方程，如下图所示表示的是衔铁与电磁线圈的相对位置，未通电时，衔铁与线圈之间的气隙为。在电磁阀工作时，忽略磁漏的影响，那么磁路的总磁阻可以表示为：其中，为铁芯磁阻，为为衔铁磁阻，为空气磁阻。其中气隙磁阻为：设衔铁位移为，则气隙的厚度为，此时气隙磁阻为：则总磁阻为：

18、根据能量守恒定律，忽略磁滞和涡流等现象，输入电磁阀的电能除了热能消耗以外，其余能量转化为线圈的电能。在时间输入的电能：；式中，为电磁阀驱动电压，为线圈电流，为电路电阻，为线圈电感，为线圈总磁链。根据能量守恒原理，电磁线圈净增电能等于磁场能增量和机械能增量之和，即：电磁力在竖直方向上做功：由以上三式可得：磁场能可表示为：即可得：由上两式可得：式中，为磁路的磁势，为气隙中的磁场强度，为导磁材料的磁路长度，为导磁材料的磁场强度，为吸合面积为对应的磁感应强度，为吸合面积为对应的磁感应强度。由上两式可得电磁力表达式为：电磁力方向朝着气隙减小的方向。第5章 COMSOL软件电磁模拟仿真计算COMSOL M

19、ultiphysics是一款大型的高级数值仿真软件。广泛应用于各个领域的科学研究以及工程计算，被当今世界科学家称为“第一款真正的任意多物理场直接耦合分析软件”。模拟科学和工程领域的各种物理过程，COMSOL Multiphysics以高效的计算性能和杰出的多场双向直接耦合分析能力实现了高度精确的数值仿真。COMSOL Multiphysics是以有限元法为基础，通过求解偏微分方程（单场）或偏微分方程组（多场）来实现真实物理现象的仿真，被当今世界科学家称为“第一款真正的任意多物理场直接耦合分析软件”。为了模拟电磁发的工作，我们选用ACDC模块，并进行了一些算例演算，如下图：图片1附注1：该图是为

20、了计算电磁力所将建立的算例模型图片2附注2：该图是给模型加入电流后的状态图片3附注3：该图是软件显示下的磁感线分布状况第6章 电磁喷油器计算方案6.1、喷油器计算指标：1、单次喷油量：喷油嘴在给定工况下每循环喷出的燃油量。其由喷射速率和喷射时间确定。速率反映在体系中就是油压，时间就是脉宽。油压越大，电磁脉宽越宽，单次喷油量就越大。2、喷油率：喷油过程中每秒从喷油器喷出的燃油量，单位为mm3/s。喷油速率：单位时间从喷油嘴的喷孔喷出的燃油量，控制不同的燃油规律。对其排放和噪声有重要的影响。测量方法有动量法、压力升程法、博世长管法。3、响应快慢：喷油器由电磁阀、阀芯、油压构成传力系统。控制电磁阀的

21、脉冲电信号经过电磁阀、阀芯再作用到喷嘴部分有一定的机械传递延迟，即相对于喷油脉宽，喷油器针阀开启有一定的滞后时间，这个时间就是衡量响应快慢的物理量。喷油器液力控制系统的动态响应指标：喷油器的开时的延迟时间、上升时间、喷油器关闭时的延迟时间4、喷油持续期 ：针阀每次开启喷油从开始到结束的时间差。这个时间差要小于脉宽。因为当控制喷油电脉冲到达喷油器时，由于喷油器电磁线圈具有电感阻抗，延缓了电磁线圈内电流的增大，使喷油器针阀的开启滞后与电脉冲到达的时刻，而喷油器针阀关闭的时刻和电脉冲消失的时刻基本上一致，因此导致实际的喷油时间，即喷油持续期小于电脉冲宽度。6、 雾化质量：雾化是指油机中，在高压和高密度空气阻力的作用下，燃烧室内的燃料被分裂成直径非常细微的油滴的过程。这样做可以极大的增加油粒的表面积，从而极大的提高与空气的接触及混合，增大导热性，加快蒸发速率。雾化质量的评价指标有：（1） 贯穿距离L：表征喷雾在高压空气中的贯穿能力的参数（2） 喷雾锥角：表征喷雾在燃烧室内离散能力的参数（3） 油粒细度：表示油粒的大小，即雾化细度，采用油滴平均直径来表示（4） 油粒均匀度：指喷束中油粒尺寸大小的分布情况，有四种表达式：数量积分分布、数量微分分布、重量积分分布、重量微分分布第7章 喷油器的实际测量与计算在进行完数据仿真测试与计算方案设计之后，我们在学长的带领下开始了对某型