K系數噴油嘴的CFD計算及試驗研究

王啟航，張克文，侯方，韓祖豪，趙宏國

（道依茨一汽（大連）柴油機有限公司，大連116022）

K系數噴油嘴的CFD計算及試驗研究

王啟航，張克文，侯方，韓祖豪，趙宏國

（道依茨一汽（大連）柴油機有限公司，大連116022）

應用AVL FIRE軟件，對k系數噴油嘴進行了三維流動計算，并在CA4DC2柴油機上進行了k=1.5和k=0噴油嘴的對比試驗研究，試驗結果表明：k=1.5系數噴油嘴全面改善了柴油機的性能指標。

噴油嘴K系數數值模擬對比試驗

1 前言

噴油嘴作為燃油噴入氣缸的最后環(huán)節(jié)，其性能直接影響柴油機的燃燒過程。國內輕型車用柴油機大都采用了每缸2氣門結構，噴油器偏置，噴孔錐角不同，使得噴油嘴各孔流量的均勻性不同。針對多孔噴油嘴，在不同的噴油壓力和噴油速率下，測試了噴射特征和柴油機性能，發(fā)現噴油嘴的前端結構形狀、壓力室大小、噴孔參數和流通能力對燃燒過程有重要影響[1～3]。

現今制造技術的發(fā)展使得在噴油嘴上加工不同形狀的噴孔成為可能，包括很小的噴孔直徑、較大的進口圓角，以及最新的制造技術可以在噴油嘴上加工幾排噴孔和錐形孔。在相同的噴油壓力下，不同形狀的噴孔可使排放降低，即在不增加附加損失的情況下降低排放，可以使燃油耗與排放之間有可能得到更好的折衷。近年來，錐形噴孔逐漸流行起來。錐形噴孔的噴油速度較高，噴束錐角小，結果對碳煙和NOx排放都有利。由于錐形孔會影響噴油嘴的流量系數，通常會調整噴孔直徑，使噴油嘴總的燃油流量保持相同。錐形噴孔的形狀會或正或負地影響到柴油機的排放和燃油耗[4～5]。

對于錐形噴油嘴，錐度系數k的定義（直徑用μm表示）為

本文利用FIRE軟件對常規(guī)直孔噴油嘴和帶錐度系數k的噴油嘴進行三維流動模擬，從理論上比較2種噴油嘴的流量系數和各孔油量的均勻性。并在CA4DC2發(fā)動機上進行了對比試驗，來驗證帶錐度系數k的噴油嘴對整機排放和性能的影響。

2 三維CFD流動計算

噴油嘴規(guī)格參數見表1，噴油嘴三維數模由Pro/E構建如圖1所示。由于噴油嘴體與噴孔的截面積變化大，對噴油嘴體與噴孔連接處的過渡圓角，2種結構的噴油嘴都采用了R=0.02 mm，計算時此處的網格區(qū)域進行了局部加密處理。網絡劃分工具采用了FIRE軟件中的FAME模塊。

表1 噴嘴規(guī)格

圖1 2種噴油嘴的三維數模

2.1 邊界條件

CA4DC2柴油機采用了BOSCH第2代CRS2.0共軌系統(tǒng)。MAP圖中部分工況的標定軌壓已達到140 MPa，所以針閥在最大升程條件下，計算進口壓力采用了140 MPa，出口壓力為8 MPa（缸壓）。由于噴油嘴內燃油高速流動，以及大的流動變向會使局部壓力突然降到相應的飽和蒸氣壓力下，從而產生氣泡，影響燃油噴射量。所以采用了多相流計算模型進行穩(wěn)態(tài)計算，從理論角度分析錐度系數分別為k=1.5和k=0兩種噴油嘴噴孔內的流動特性。

2.2 計算結果

噴油嘴內燃油的氣態(tài)與液態(tài)體積分布云圖見圖2。從圖中可知，k=0噴油嘴的噴孔進口處液態(tài)燃油已經產生明顯的氣蝕現象（白色表示燃油已經霧化），在140 MPa的高壓下，噴孔內液態(tài)的燃油已經霧化。而在相同的壓力下，k=1.5噴油嘴由于噴孔入口截面積更大，有效地緩解了壓力的突變，降低了流動損失，從而明顯地減輕了氣蝕現象的產生，僅在位于噴油嘴本體和噴油孔連接處產生氣蝕現象，且區(qū)域相對較小。

圖3至圖6分別給出了2種噴油嘴近壁面壓力場分布云圖、速度場分布云圖、速度矢量場分布云圖和湍動能分布云圖。雖然在噴孔與噴油嘴體的結合部位通過液體擠壓珩磨而獲得的導向圓角的過渡半徑為R=0.02 mm，對于k=0的噴油嘴，當軌壓提高到140 MPa時，仍產生了較明顯的氣穴現象，也正是因為入口壓力的增大，導致了出口壓力損失的增大。而對于k=1.5的噴油嘴，出口處則沒有出現大的壓力損失，也就沒有出現大面積的柴油氣化現象，同時噴油嘴出口處的柴油速度明顯得到了提高。這是因為流體的速度與截面積成反比，當噴孔收縮后，橫截面積的減小，使速度增大而壓力降低。

圖7和圖8分別給出了2種噴油嘴的流量系數和各噴孔流量的百分比對比圖?？梢悦黠@地看出，相對于k=0噴油嘴，k=1.5噴油嘴在140 MPa的噴射壓力下，流量系數從0.76提高到0.83，且明顯改善了各噴孔流量的均勻性。

圖2 2種噴油嘴近壁面二相流體積分布云圖

圖3 2種噴油嘴近壁面壓力場分布云圖

3 試驗研究

3.1 試驗發(fā)動機

試驗機為1臺CA4DC2型共軌柴油發(fā)動機，該機是長春一汽集團技術中心和一汽集團大連柴油機分公司聯合開發(fā)的擁有自主知識產權的國Ⅲ共軌柴油機。該機采用了BOSCH公司第2代CRS2.0共軌系統(tǒng)，最高允許軌壓為145 MPa。CA4DC2柴油機主要技術參數見表2。

3.2 試驗設備

排放試驗按GB 17691－2005《車用壓燃式、氣體燃料點燃式發(fā)動機與汽車排氣污染物排放限值及測量方法》（中國Ⅲ、Ⅳ、V階段）、GB/T 17692－1999《汽車用發(fā)動機凈功率測試方法》和ESC規(guī)定的試驗循環(huán)十三工況進行。主要設備及儀器如表3所示。

圖4 2種噴油嘴近壁面速度場分布云圖

圖5 2種噴油嘴近壁面速度場分布云圖

圖6 2種噴油嘴近壁面湍動能分布云圖

圖7 2種噴油嘴流量系數比較（140 MPa工況下）

圖8 2種噴油嘴各噴孔流量百分比

表2 CA4DC2柴油機技術參數

表3 設備及儀器

3.3 試驗結果

2種方案噴油嘴的外特性試驗曲線如圖9所示。從圖中曲線可以看出，在相同的標定數據和試驗條件下，k=1.5系數噴油嘴在外特性煙度方面較k=0的噴油嘴優(yōu)勢較明顯，在1 800～3 200 r/min外特性體現出了較好的經濟性指標。從外特性的整體性能來看，k=1.5系數的噴油嘴在煙度和油耗指標上取得了一定的優(yōu)勢。特別是在1 800～3 200 r/min的外特性區(qū)域，由于軌壓標定都在120～140 MPa的范圍內，k=1.5系數噴油嘴在高壓噴射下反映出的性能優(yōu)勢越明顯。

13工況的試驗結果如圖10所示。從試驗結果可以看出，在A100、B100、C100的全負荷工況點，k=1.5系數噴油嘴特別在煙度方面體現出了明顯的優(yōu)勢。采用BOSCH公司的k=1.5系數噴油嘴，為CA4DC2柴油機滿足國Ⅲ排放的前提下，為獲得更有競爭力的燃油經濟性提供了基礎和保障。

圖9 2種噴油嘴外特性性能結果對比

圖10 2種噴油嘴13工況性能及煙度對比

4 結束語

應用FIRE CFD流體計算軟件對k=1.5和k=0的噴油嘴進行了穩(wěn)態(tài)工況下的三維流動計算，并在CA4DC2國Ⅲ共軌柴油機上進行了對比試驗，結論如下：

（1）采用k=1.5系數的噴油嘴在140 MPa的軌壓下，相對k=0的噴油嘴，流量系數從0.76提升到0.83。

（2）相對于k=0噴油嘴，k=1.5噴油嘴改善了6個噴孔流量的均勻性。

（3）相對于k=0噴油嘴，k=1.5系數噴油嘴在CA4DC2整機的外特性和13工況排放對比試驗中，k=1.5系數噴油嘴在整機的煙度、燃油經濟性方面具有一定的優(yōu)勢。這種優(yōu)勢尤其體現在標定軌壓較高的負荷區(qū)域。

1王啟航，童彤，張松濤等．2種結構噴油嘴的流體動力學（CFD）計算及試驗研究[J]．現代車用動力，2005（4）：33-36．

2趙洪學，陳兆坤．噴油器及流量控制[J]．現代車用動力，2002（4）：34-37．

3徐波，張宗杰，戚茂國等．柴油機多孔式噴油嘴中燃油三維流動分析[J]．現代車用動力，2005（1）：17-21．

4王啟航、張克文、張松濤等．兩種5孔噴油嘴的流體動力學（CFD）計算及試驗研究[J]．車用發(fā)動機，2008（增刊）.

5田春霞、王啟航、張克文等．噴油嘴噴孔內氣液兩相流動的三維模擬[J].柴油機設計與制造，2008（3）.

CFD Calculation and Experiment Study on K-Coefficient Nozzle

Wang Qihang,Zhang Kewei,Hou Fang,Han Zhuhao,Zhao Hongguo
（DEUTZ（Dalian）Diesel Engine Works,Dalian,116022 China）

Three dimensional simulations were made for K-coefficient nozzle by means of AVL FIRE software.Comparative experiments of nozzles of k=1.5 and k=0 were carried out on CA4DC2 Engine.It was found that the engine performance was overall improved with the nozzle of k=1.5.

nozzle,K-coefficient,numerical simulation,comparative test

10.3969/j.issn.1671-0614.2012.03.001

來稿日期：2012-05-19

王啟航（1971－），男，工學碩士，主要研究方向為輕型車用柴油機整機開發(fā)。