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一种先进的轿车发动机喷油器制造关键技术的开发研究

作　者: 崔厚学
导　师: 胡伦骥
学　校: 华中科技大学
专　业: 材料加工工程
关键词: 轿车喷油器高磁性材料热处理激光工艺参数动态分析性能测试
分类号: U464.136
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

作为一种高性能的精密器件,电磁阀式喷油器是轿车发动机电控燃油喷射系统的关键执行机构。它通过接收发动机中央电控单元ECU传输的喷油脉冲信号,精确地计算所需燃油喷射量和喷射时间,并将汽油或柴油从燃油分配管喷入各进气歧管的末端,形成良好的雾状燃油混合气。本文研究了轿车电磁阀式喷油器制造的相关技术,并由此开发了电磁阀式喷油器制造专用材料Y1Cr17TiRe不锈钢,设计出性能优良、结构合理、成本适宜的电磁阀式喷油器,并对电磁阀式燃油喷射装置的关键零部件,如上、下套管、喷孔片、雾孔板和喷孔座的使用材料进行了深入研究,以上零件均选用专门研制的Y1Cr17TiRe不锈钢,喷油器共轭片则选用专门冶炼的1J50铁镍合金,弹簧选用1Cr18Ni9Ti不锈钢。通过对轿车电磁阀式喷油器制造的关键技术进行深入研究,取得如下研究成果：国内首次开发出轿车电磁阀式喷油器制造的专用材料Y1Cr17TiRe不锈钢,详细研究了其热处理温度对材料组织与电磁性能的影响。铸态下Y1Cr17TiRe不锈钢及其在420℃以下的回火组织均为马氏体。其最佳热处理工艺参数为：保温温度860℃,保温时间2小时,随炉冷却。热处理后,材料基体为铁素体,基体上分布着微小铬的碳化物,经热处理后的铬-碳化合物变得更加细小,且呈弥散状分布。热处理后Y1Cr17TiRe材料的磁性能有一定提高,但提高幅度不大。自主冶炼铁镍合金材料1J50的最佳热处理工艺参数是：以每小时300℃的升温速率加热到1100℃,保温3小时,然后以200℃/h的降温速率冷却到350℃,开炉通风快速冷却。铁镍合金1J50在350℃左右会发生有序化相变,同时合金晶胞中的铁、镍原子由完全无序的堆积状态转变为Ni3Fe有序分子结构。经此参数热处理后的铁镍合金材料1J50,即使施加较小的外加磁场,磁感应强度也能迅速达到饱和状态,饱和磁感应强度和电感量也有明显提高。开发出了满足轿车发动机喷油系统的专用激光焊接设备和焊接专用变位装置,可保证喷油器系统结构装夹误差控制在0.01 mm以内,操作方便,结构简单。根据轿车电磁阀式喷油器的的服役特点,使用激光焊接结构的电磁阀式喷油器,并对喷油器整体结构各部分零件的特点、功能进行了详细的分析。轿车电磁阀喷油器采用球阀式设计,使得整体结构简单,功能更加可靠。球阀重量轻,且加工简单,对外加磁场具有很高的灵敏度,保证了发动机喷油的定量精准和喷射可靠。制定出喷油器七个工序装配和焊接的工艺顺序,形成了轿车电磁阀喷油器焊装加工的技术关键点。国内首次系统研究了电磁阀喷油器的激光焊接工艺参数,探讨了焊接电流、脉冲宽度、脉冲频率、焊接速度、离焦量等工艺参数对焊接过程和质量的影响。主要焊缝Y1Cr17TiRe不锈钢的适宜激光焊工艺参数为：焊接电流110-130A,脉宽2.0-2.5 ms,频率60Hz,焊接速度600mm/min,离焦量-1 mm。得到了喷油器共轭片1J50铁镍合金焊缝7的最优化激光焊参数为：焊接电流120A,焊接速度80mm/min,频率3 Hz,离焦量-1mm,脉宽5.2 ms。根据优化后的工艺参数进行试件加工,可使焊缝成型和装配效果达到最佳。系统研究了电控喷油器喷孔板和孔座的焊缝金属显微组织,焊缝金属的熔合区为奥氏体树枝晶,离熔合区稍远处为奥氏树枝晶与等轴晶的过渡区混合物,而焊缝中心为等轴晶。研究了轿车电控喷油器脉冲激光焊缝组织,结果发现在焊缝组织中出现了分层现象,并通过对激光焊脉冲重叠度和分析熔池液态金属流动性的计算,合理地解释了焊缝组织分层现象。通过对喷油器球阀开启过程中的机械运动、流体运动、电路和磁路四个系统对喷油器开启过程中的影响的详细分析,将与其相关的数学模型建立起来并求解开启时间。开启电磁阀喷油器的动态过程可分为：在电磁线圈中使得控制电压,电流和磁通增长,直至电磁力等于大于弹簧力、液压力与球阀重力的合力,球阀开始运动的开启过程,然后球阀在电磁力的持续作用下,从开启到完全打开的过程。分别对两个过程进行了详细的理论分析和实践验证,建立了两个过程时间的计算公式。对所研制电磁阀喷油器进行了了全面测试,结果表明其喷油偏差、喷雾质量、高温性能、低温性能及可靠性等试验结果完全符合相关标准。经测定,喷油器的启喷时间为1.1 ms,偏差低于5%,完全符合行业标准的要求。喷油时长为3 ms脉宽,2700次喷油,实验结果偏差均低于设计标准。从距离喷口40 mm处观察喷雾质量试验发现：喷油成雾状,未发现连续油柱现象,符合行业标准的要求。进行了高温、低温和可靠性试验,喷油器分别于120℃高温环境中保温8小时,-30℃低温保温8小时,并经过5.4×105次循环后进行喷油试验,喷油器未出现异常偏差。将研制的轿车喷油系统安装在轿车上路试2万公里,工作正常,完全达到使用要求。经与德国BOSCH公司产品对比试验表明：新研制的电磁阀喷油器性能与国外同类产品先进水平相当。

全文目录

摘要  4-7
Abstract  7-13
1 绪言  13-41
  1.1 引言  13-19
  1.2 轿车喷油装置发展历程及喷油器分类  19-29
  1.3 喷油器所用材料国内外研究现状  29-30
  1.4 喷油器控制阀的国内外研究现状  30-33
  1.5 激光焊接技术研究现状  33-36
  1.6 高磁性材料的激光焊接  36
  1.7 本课题研究目的及意义  36-37
  1.8 本课题研究的内容  37-41
2 新型高磁性喷油器材料的研制  41-59
  2.1 Y1CR17TIRE高磁性不锈钢的研制及热处理  43-51
  2.2 1J50铁镍合金材料的研制及热处理  51-57
  2.3 本章小结  57-59
3 新型电磁阀式喷油器结构设计与制造关键技术  59-72
  3.1 电磁阀式喷油器的结构设计  59-61
  3.2 电磁阀式喷油器的材料设计  61-63
  3.3 电磁阀式喷油器激光焊接工序设计  63-67
  3.4 电磁阀式喷油器激光焊接夹具设计  67-70
  3.5 本章小结  70-72
4 新型电磁阀式喷油器用Y1CR17TIRE不锈钢激光焊接工艺研究  72-104
  4.1 试验用激光器及其运行参数  75-78
  4.2 喷油器试验材料及试验方法  78-79
  4.3 Y1CR17TIRE不锈钢的激光焊工艺参数  79-91
  4.4 Y1CR17TIRE不锈钢激光焊缝金相组织  91-98
  4.5 Y1CR17TIRE不锈钢激光焊缺陷及预防  98-101
  4.6 本章小结  101-104
5 新型电磁阀式喷油器动态响应过程研究  104-117
  5.1 新型电磁阀式喷油器开闭过程数学模型  105-111
  5.2 电磁阀式喷油器开闭时间的影响因素及理论分析  111-115
  5.3 本章小结  115-117
6 新型电磁阀式喷油器性能测试研究  117-125
  6.1 喷油器的喷油偏差测试  118
  6.2 喷油器的喷雾质量测试  118-119
  6.3 喷射性能及可靠性测试  119-120
  6.4 喷油器低温工作稳定性能测试  120-121
  6.5 喷油器高温工作稳定性能测试  121-122
  6.6 喷油器与国外同类产品的对比试验  122-123
  6.7 本章小结  123-125
7 总结  125-128
致谢  128-129
参考文献  129-137
附录作者在攻读博士学位期间发表的论文  137

一种先进的轿车发动机喷油器制造关键技术的开发研究

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