柴油機(jī)高壓噴油嘴噴射過(guò)程空化效應(yīng)數(shù)值模擬

摘要：為揭示柴油機(jī)高壓噴油嘴噴射過(guò)程空化機(jī)理，根據(jù)質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒、混合組分平衡的基本規(guī)律建立了高壓噴油嘴噴射過(guò)程空化效應(yīng)數(shù)學(xué)模型，并對(duì)高壓噴油嘴噴射過(guò)程空化效應(yīng)進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，得出了曲率半徑、壓力波動(dòng)幅度及柴油的部分物理參數(shù)對(duì)高壓噴油嘴噴射過(guò)程空化效應(yīng)的影響規(guī)律：隨著噴油嘴入口處的曲率半徑增大，噴孔內(nèi)氣相體積分?jǐn)?shù)越來(lái)越小，空穴層的厚度也越來(lái)越薄，高壓噴油嘴霧化性能變差；隨著壓力波動(dòng)幅度的減少，噴油嘴出口質(zhì)量流量變化越來(lái)越小，有利于噴油嘴噴油量的精確控制；燃油溫度、噴油壓力的提高使得噴油嘴內(nèi)部空化現(xiàn)象得到加強(qiáng)，但是壓力的增大更有利于空穴增強(qiáng)，從而有利于燃油霧化.

關(guān)鍵詞：噴油嘴；空穴流動(dòng)；壓力波動(dòng)；數(shù)值模擬

中圖分類(lèi)號(hào)：TK402文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

隨著嚴(yán)格排放法規(guī)的制定及人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，擁有良好排放性能的柴油機(jī)高壓燃油噴射系統(tǒng)越來(lái)越引起關(guān)注.實(shí)驗(yàn)研究表明＼[1-3＼]，柴油機(jī)高壓噴射過(guò)程中噴油嘴內(nèi)部的空化過(guò)程對(duì)燃料在氣缸內(nèi)霧化及燃燒起著非常重要的作用.一方面由于噴孔內(nèi)部流動(dòng)的不規(guī)則及極度紊亂，油束在噴孔出口處已經(jīng)分裂為細(xì)小的油滴，在離開(kāi)噴嘴時(shí)，霧束表面已經(jīng)形成了初始擾動(dòng)源，即所謂的初次霧化，使得油滴和氣體的混合更加均勻，使噴霧錐角增加，取得良好的霧化特性；另一方面，隨著噴油壓力的提高，空穴造成流體流動(dòng)紊亂，引起能量損失，使得噴油嘴流量系數(shù)降低，影響噴油器工作可靠性，甚至使噴油嘴堵塞，造成柴油機(jī)工作故障和性能惡化＼[4-5＼].因此，全面深入地研究探討噴油嘴內(nèi)部的空化機(jī)理顯得非常重要.

對(duì)于柴油機(jī)高壓噴油嘴而言，其幾何尺寸非常小，工作壓力高，通過(guò)噴孔的流速可達(dá)到幾百米每秒的數(shù)量級(jí)，在可視化技術(shù)手段不成熟的條件下，很難通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法獲得噴油嘴內(nèi)部詳細(xì)流場(chǎng)參數(shù)，數(shù)值模擬便成為研究的重要手段＼[6＼].本文采用擬流體模型模擬對(duì)稱垂直四孔柴油機(jī)噴油嘴內(nèi)部的空化流動(dòng)過(guò)程，并研究曲率半徑、噴油嘴壓力波動(dòng)等因素影響噴油嘴空化流動(dòng)過(guò)程和噴油嘴出口截面流量的規(guī)律.

1空化效應(yīng)數(shù)學(xué)模型

高壓噴油嘴噴射過(guò)程柴油氣泡兩相湍流動(dòng)相當(dāng)復(fù)雜，為此，提出以下假設(shè)：①柴油氣泡兩相湍流流動(dòng)為稀疏懸浮體兩相流動(dòng)；②高壓噴油嘴噴射過(guò)程為物理過(guò)程，不考慮化學(xué)過(guò)程；③高壓噴油嘴噴射過(guò)程溫度恒定，無(wú)需求解能量方程.

3 結(jié)論

1）高壓噴油嘴噴射過(guò)程空化效應(yīng)數(shù)值模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：隨著噴油嘴入口處的曲率半徑增大，噴孔內(nèi)氣相體積分?jǐn)?shù)越來(lái)越小，空穴層的厚度也越來(lái)越薄，高壓噴油嘴霧化性能變差；隨著壓力波動(dòng)幅度的減少，噴油嘴出口質(zhì)量流量變化程度越來(lái)小，有利于噴油嘴噴油量的精確控制.

2）超空穴流能更好地起到霧化流體的作用，但同時(shí)使得噴油嘴內(nèi)流量系數(shù)減小，降低噴油嘴的工作性能，為提高噴油嘴的噴油性能，應(yīng)綜合考慮噴油嘴初次霧化及出口流量等因素.

3）噴油壓力的提高及燃油溫度的變化使得燃油的物理特性產(chǎn)生變化，燃油溫度、壓力升高使得噴油嘴內(nèi)部空化現(xiàn)象得到加強(qiáng)，但是壓力的增大更有利于空穴增強(qiáng)從而有利于燃油霧化.

4）柴油機(jī)高壓噴油嘴噴射過(guò)程空化效應(yīng)數(shù)值模擬研究結(jié)果可為柴油機(jī)高壓噴油嘴的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)與技術(shù)保障.

參考文獻(xiàn)

[1]TAMAKI N， SHIMIZU M， NISHIDA K， et al . Effects of cavitation and internal flow on atomization of a liquid jet＼[J＼]. Atomization and Sprays， 1998， 8（2）： 179-197.

＼[2＼]SOTERIOU C， ANDREWS R， SMITH M. Further studies of cavitation and atomization in diesel injection＼[C＼]//SAE Paper .1999-01-1486， 1999.

＼[3＼]CHAVES H， KNAPP M， KUBITZEK A. Experimental study of cavitation in the nozzle hole of diesel injectors using transparent nozzles＼[C＼]// SAE Paper. 950290， 1995.

＼[4＼]成曉北，黃榮華，王志，等. 柴油機(jī)噴油器噴孔空泡霧化的研究＼[J＼]. 內(nèi)燃機(jī)工程，2002，23（2）：60-64.

CHENG Xiaobei， HUANG Ronghua， WANG Zhi， et al .The study on injector nozzle cavitation atomization in a diesel engine＼[J＼]. Chinese Internal Combustion Engine Engineering， 2002，23（2）：60-64.（In Chinese）

＼[5＼]魏明銳，文華，劉會(huì)猛，等. 柴油機(jī)孔式噴油嘴內(nèi)空穴流動(dòng)的模擬分析＼[J＼]. 內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2006， 24（6）：526-530.

WEI Mingrui， WEN Hua，LIU Huimeng，et al. Simulation analysis on cavitation flow in a diesel engine nozzle＼[J＼].Transactions of CSICS， 2006， 24（6）： 526-530. （In Chinese）

＼[6＼]何志霞，李德桃，胡林峰，等. 噴油嘴噴孔內(nèi)部空穴兩相流動(dòng)數(shù)值模擬分析＼[J＼]. 內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)， 2004， 22（5）： 433-438.

HE Zhixia， LI Detao， HU Linfeng， et al . Numerical simulation and analysis of twophase flow of inner cavitation in injection nozzles＼[J＼]. Transactions of CSICS， 2004， 22（5）： 433-438. （In Chinese）

＼[7＼]CATANIA A E， FERRARI A.Temperature variations in the simulation of highpressure injectionsystem transient flows under cavation.＼[J＼].Heat and Mass Transfer，2008（51）： 2090-2107.

＼[8＼]王謙，柏金，何志霞，等. 柴油機(jī)噴嘴空穴流動(dòng)特性分析＼[J＼]. 車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)， 2010（3）： 27-34.

WANG Qian， BO Jin， HE Zhixia， et al. Cavitating flow characterisitics in diesel nozzle＼[J＼]. Vehicle Engine， 2010（3）： 27-34. （In Chinese）

＼[9＼]NURICK W H. Orifice cavitation and its effects on spray mixing＼[J＼]. ASME Journal of Fluids Engineering， 1976， 98（4）： 681-687.

＼[10＼]PAYRI F， BENMUDEZ V， PAYRI R， et al . The influence of cavitation on the internal flow and the spray characteristics in diesel injection nozzles＼[J＼]. Fuel，2004（83）：419-431.

＼[11＼]何志霞，王謙，袁建平，等. 噴油壓力波動(dòng)對(duì)噴油嘴內(nèi)空穴發(fā)展影響的CFD分析＼[J＼]. 內(nèi)燃機(jī)工程， 2009， 30（1）： 64-68.

HE Zhixia， WANG Qian， YUAN Jianping， et al . CFD analysis for effect of injection pressure fluctuation on cavitating flow in diesel engine nozzle＼[J＼]. Chinese Internal Combustion Engine Engineering， 2009， 30（1）： 64-68. （In Chinese）

＼[12＼]WANG Xiang， SU Wanhua. Numerical investigation on relationship between injection pressure fluctuations and unsteady cavitation processes inside highpressure diesel nozzle holes＼[J＼]. Fuel， 2010， 89（9）： 2252-2259