基于CFD仿真和正交試驗(yàn)的噴油嘴針閥公差分析*

孫永厚，張宇軒，黃美發(fā)，肖振泉

(1．桂林電子科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，廣西 桂林　541004；2．廣西制造系統(tǒng)與先進(jìn)制造技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 桂林　541004)

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基于CFD仿真和正交試驗(yàn)的噴油嘴針閥公差分析*

孫永厚1,2，張宇軒1，黃美發(fā)1,2，肖振泉1

(1．桂林電子科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，廣西 桂林541004；2．廣西制造系統(tǒng)與先進(jìn)制造技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 桂林541004)

摘要：為了降低柴油機(jī)噴油嘴的流量分散度，找出影響噴油嘴出口流量的主要形位公差。首先利用計(jì)算流體力學(xué)軟件FLUENT，建立了噴油嘴三維流場(chǎng)模型，得到了公稱(chēng)模型下噴油嘴出口流量值;然后選取針閥外圓柱工作面的圓度、軸線的直線度和密封圓錐的圓錐度為主要因素，采用正交設(shè)計(jì)的方法，通過(guò)極差分析，得到了各形位公差影響噴油嘴出口流量的規(guī)律，并得到了優(yōu)化后的公差組合；最后根據(jù)其優(yōu)化方案進(jìn)行了CFD仿真，通過(guò)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比表明，該形位公差方案降低了噴油嘴流量分散度，證明了正交試驗(yàn)的可行性，對(duì)噴油嘴針閥的形位公差設(shè)計(jì)提供了一種參考。

關(guān)鍵詞：噴油嘴針閥；流量分散度；CFD仿真；正交試驗(yàn)

0引言

噴油嘴針閥偶件是柴油機(jī)燃油系統(tǒng)的三大精密偶件之一。在一定壓力作用下，燃油經(jīng)過(guò)針閥偶件的配合間隙噴射進(jìn)入燃燒室，其主要特點(diǎn)是體積小、幾何形狀位置誤差精度高，而且配合精度及表面質(zhì)量要求嚴(yán)格，特別是針閥偶件的圓度、直線度等形位公差直接決定噴油嘴的出口流量以及噴射流量的均勻性(即流量分散度)，對(duì)柴油機(jī)的功率、扭矩、油耗、排放等性能指標(biāo)產(chǎn)生重要影響。在實(shí)際加工中，由于刀具、設(shè)備等因素，使得噴油嘴針閥偶件存在誤差，當(dāng)噴油嘴的實(shí)際流量偏差超過(guò)一定值時(shí)，就會(huì)降低柴油機(jī)的性能。因此，在噴油嘴針閥的公差設(shè)計(jì)中，保證噴油嘴針閥偶件具有較小的流量分散度具有重要意義[1]。

國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)噴油嘴精密偶件進(jìn)行了大量研究，目前對(duì)噴油嘴針閥的研究主要集中在分析針閥運(yùn)動(dòng)對(duì)噴油嘴流動(dòng)特性的影響[2-3]；以及噴油嘴針閥形位誤差與產(chǎn)品功能之間的關(guān)系[4]，并沒(méi)有考慮到針閥主要形位公差對(duì)噴油嘴的綜合影響。本文采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，通過(guò)計(jì)算流體力學(xué)軟件FLUENT對(duì)某噴油嘴出口流量進(jìn)行了CFD(Computational Fluid Dynamics,既計(jì)算流體力學(xué))仿真，探討了幾種主要形位公差對(duì)于噴油嘴出口流量的影響規(guī)律。

1CFD仿真

1.1數(shù)學(xué)模型

由于柴油機(jī)噴油嘴噴孔截面尺寸很小，燃油的流速又非常高，當(dāng)高速流動(dòng)的燃油經(jīng)過(guò)噴孔時(shí)，燃油的局部靜壓有可能低于燃油的飽和蒸汽壓，引起燃油氣化，產(chǎn)生空穴現(xiàn)象，形成氣液兩相流。由量級(jí)分析法得，氣液兩相可被看做是均勻混合體，不考慮之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，可以簡(jiǎn)化為均勻兩相流。離散方程采用有限容積法，此時(shí)主要控制方程為[5]：

質(zhì)量守恒方程：

(1)

動(dòng)量守恒方程：

(2)

式中，ρ表示混合密度，p表示壓強(qiáng)，F(xiàn)表示體積力，μ表示混合粘性，v表示質(zhì)點(diǎn)平均速度。

在FLUENT中，由于標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型精度高，穩(wěn)定性好。根據(jù)噴油嘴的實(shí)際情況，本文研究選取標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型。標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型的湍動(dòng)能k及湍動(dòng)能耗散率ε的輸運(yùn)方程如下[5]：

(3)

(4)

(5)

上述方程中，Gk表示平均速度梯度引起的湍動(dòng)能，Gb表明浮力引起的湍動(dòng)能，YM表示可壓縮湍流脈動(dòng)膨脹對(duì)總的耗散率的影響。μt為湍流粘性系數(shù)。在FLUENT中，通常取Cμ=0.09,C1ε=1.44，C2ε=1.92,C3ε=0.09,σk=1.0,σε=1.3。

噴油嘴在穩(wěn)定流動(dòng)狀態(tài)下，出口流量L0的方程為：

(6)

式中，A為噴孔有效流通面積，v表示質(zhì)點(diǎn)平均速度。

1.2網(wǎng)格模型與邊界條件設(shè)定

本文以德?tīng)柛RSN011-F噴油嘴為例，噴油嘴偶件由針閥與針閥體組成如圖1所示，左側(cè)為3個(gè)進(jìn)油口，右側(cè)為6個(gè)均布噴油孔。針閥在全升程時(shí)的噴油嘴內(nèi)部三維流場(chǎng)模型，如圖2所示。網(wǎng)格采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，并對(duì)壁面和噴孔入口處的網(wǎng)格進(jìn)行加密，如圖3所示。模型邊界條件采用壓力邊界，進(jìn)口壓力通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定(具體實(shí)驗(yàn)見(jiàn)第3節(jié))，測(cè)得進(jìn)口壓力為170MPa，出口壓力為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，其余為避免邊界。工作介質(zhì)選用0號(hào)柴油，各物理參數(shù)如表1所示：

1.針閥 2.進(jìn)油口3.針閥腔 4.針閥體 5.噴孔

圖2　噴油嘴內(nèi)部流場(chǎng)圖

圖3　噴油嘴前端網(wǎng)格模型

參數(shù)0#柴油粘度(kg/m-s)0.005密度(kg/m3)850比熱(J/kg-K)2105導(dǎo)熱率(W/m-K)0.149飽和蒸汽壓(kPa)1.28

1.3仿真計(jì)算

根據(jù)數(shù)學(xué)模型及邊界條件的設(shè)定，通過(guò)FLUENT迭代計(jì)算出針閥在公稱(chēng)模型下噴油嘴流量為：L0=0.053836kg/s，流量分散度R由以下公式求得[4]：

(6)

式中，L0為公稱(chēng)模型下的噴油嘴流量；L為包含形位公差模型下的噴油嘴流量。

2正交試驗(yàn)

2.1試驗(yàn)因素和試驗(yàn)方案的確定

正交試驗(yàn)是一種科學(xué)安排多因素試驗(yàn)的方法，由于其快速高效的特點(diǎn)得到了廣泛應(yīng)用。柴油機(jī)噴油嘴針閥偶件的形位公差類(lèi)型較多，彼此相互作用較大，利用正交試驗(yàn)法來(lái)分析針閥各個(gè)形位公差對(duì)噴油量的影響是一種科學(xué)高效的方法。

噴油嘴針閥偶件的功能要求主要有針閥外圓柱面與閥體內(nèi)圓柱面之間的滑動(dòng)以及圓錐面對(duì)噴孔的密封作用，根據(jù)噴油嘴針閥的功能要求及其失效形式可以確定其主要形位公差類(lèi)型有：針閥外圓柱工作表面的圓度、針閥軸線的直線度、密封圓錐的圓錐度。采用海克斯康global 07·10·07三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)對(duì)噴油嘴針閥進(jìn)行測(cè)量，如圖4所示。得到該型號(hào)針閥的各形位誤差范圍為：圓度誤差0.014～0.046mm；直線度誤差0.020～0.050mm；圓錐度誤差0.032～0.064mm，選擇的因素水平如表2所示。

圖4　三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)

單位：mm

根據(jù)因素水平表及標(biāo)準(zhǔn)正交表本次試驗(yàn)采用L9(33)正交表。針閥取各個(gè)公差值下的最大變動(dòng)尺寸，閥體取公稱(chēng)尺寸，建立相應(yīng)的流場(chǎng)模型。通過(guò)FLUENT按照第1節(jié)所述方法對(duì)出口流量進(jìn)行模擬，得到了各個(gè)因素對(duì)噴油嘴流量L、流量分散度R的最終結(jié)果。試驗(yàn)安排與結(jié)果如表3所示。

表3　試驗(yàn)安排與結(jié)果

2.2試驗(yàn)極差分析

極差反映各個(gè)因素水平變化對(duì)最終結(jié)果的影響大小，極差越大，該因素下的水平變化對(duì)結(jié)果的影響越大。表4為極差分析表，從極差可以看出噴油嘴針閥外圓柱工作表面的圓度對(duì)噴油量結(jié)果的影響最大，其次是軸線直線度，影響最小的因素是密封圓錐的圓錐度。本次正交試驗(yàn)的目的是使噴油嘴流量分散度盡量降低。從平均值看，外圓柱工作表面的圓度是一水平最好，應(yīng)選用0.025mm；軸線直線度是一水平最好，應(yīng)選用0.025mm；密封圓錐是三水平最好，應(yīng)選用0.075mm。綜合考慮，得到優(yōu)化后的公差組合為圓度0.025mm，直線度0.025mm，圓錐度0.075mm。

表4　極差分析表　　　 單位：%

3噴油嘴流量分散度仿真與實(shí)驗(yàn)對(duì)比

根據(jù)以上確定的優(yōu)化公差方案，利用正態(tài)分布隨機(jī)生成一組針閥各公差的數(shù)學(xué)變動(dòng)模型，根據(jù)隨機(jī)生成的公差數(shù)學(xué)模型，保持針閥基本尺寸不變，生成包含相應(yīng)公差的零件規(guī)范模型[8]，如圖5所示。通過(guò)FLUENT利用第1節(jié)方法模擬得到針閥在優(yōu)化公差下，噴油嘴流量值L與流量分散度R。

圖5　誤差放大200倍流場(chǎng)剖面圖與正常誤差流場(chǎng)剖面圖

利用如圖6所示的發(fā)動(dòng)機(jī)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行噴油嘴出口流量實(shí)驗(yàn)，將得到的原公差下噴油嘴實(shí)際流量分散度與上述規(guī)范模型下的模擬值進(jìn)行對(duì)比分析[12]。首先測(cè)得在固定進(jìn)口壓力170MPa下的噴油嘴流量實(shí)際值，將噴油嘴流量的實(shí)驗(yàn)分散度與模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比得到圖7a所示的對(duì)比圖。然后將4個(gè)規(guī)范模型和4個(gè)實(shí)際模型在不同進(jìn)口壓力下的流量分散度進(jìn)行對(duì)比，得到圖7b所示的對(duì)比圖。從兩圖中可以看出在優(yōu)化公差方案下噴油嘴流量分散度的平均值得到了一定的降低。

圖6　發(fā)動(dòng)機(jī)傳感器檢測(cè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)與高壓共軌噴油器局部圖

圖7　較優(yōu)公差模擬與實(shí)驗(yàn)的對(duì)比

4結(jié)論

本文利用正交試驗(yàn)的方法，通過(guò)FLUENT得到了噴油嘴針閥主要形位公差對(duì)噴油嘴流量的影響規(guī)律，并從中選取了優(yōu)化的公差尺寸，對(duì)優(yōu)化公差方案的模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比表明，該方法降低了噴油嘴流量分散度，為針閥公差優(yōu)化提供了理論依據(jù)，證明了公差優(yōu)化方案的可行性。

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(編輯趙蓉)

Design of Form Tolerance For the Nozzle Needle Valve Based on CFD Orthogonal Test

SUN Yong-hou1,2,ZHANG Yu-xuan1,HUANG Mei-fa1,2,XIAO Zhen-quan1

(1.Electromechanical Engineering College,Guilin University of Electronic Technology, Guilin Guangxi 541004,China;2.GuangXi Key Laboratory of Manufacturing System & Advanced Manufacturing Technology,Guilin Guangxi 541004,China)

Abstract：In order to reduce diesel engine nozzle flow dispersity, find out the main form tolerances which influences nozzle outlet flow. Firstly,establishingthe three-dimensional flow field model of nozzle by using computational fluid dynamics software FLUENT, getting the nozzle outlet flowunder nominal model; And then select the needle valve outer cylinder roundness,axis straightness and taper error as the main factors, through the analysis of rangeby using the orthogonal test, got the influence lawsofform tolerance on nozzle outlet flow, and get the optimized combination of tolerance; Comparing the optimizationis carried out by the CFD simulation and experiment,results show that the form tolerance scheme reduces the nozzle flow dispersity, prove the feasibility of the orthogonal test, provides a referenceof the nozzle needle valve form tolerance design.

Key words：nozzle needle valve; flow dispersity; CFD simulation; the orthogonal test

中圖分類(lèi)號(hào)：TH16;TG506

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：孫永厚(1967—)，男，山東沂水人，桂林電子科技大學(xué)教授，工學(xué)碩士，研究方向?yàn)楝F(xiàn)代設(shè)計(jì)與制造技術(shù)、新一代GPS標(biāo)準(zhǔn)體系理論以及故障診斷專(zhuān)家系統(tǒng)，(E-mail)zyx881123@163.com。

*基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金(51365009)；廣西制造系統(tǒng)與先進(jìn)制造技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任課題(13-051-09-009Z)資助項(xiàng)目；桂林電子科技大學(xué)研究生教育創(chuàng)新計(jì)劃資助項(xiàng)目(GDYCSZ201445)

收稿日期：2015-01-18；修回日期：2015-02-25

文章編號(hào)：1001-2265(2015)12-0053-03

DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.12.015