基于CFD的柴油機(jī)多孔噴油器各孔內(nèi)部流動特性差異研究

孔凡志，廖善彬，馬星海

(江鈴汽車股份有限公司，江西南昌 330001)

基于CFD的柴油機(jī)多孔噴油器各孔內(nèi)部流動特性差異研究

孔凡志，廖善彬，馬星海

(江鈴汽車股份有限公司，江西南昌 330001)

采用混合多相流空穴模型，進(jìn)行噴孔軸線與針閥軸線夾角各異的多孔噴油器噴嘴內(nèi)三維氣液兩相流數(shù)值模擬，詳細(xì)研究多孔噴油器各孔內(nèi)部流動特性的差異及噴油壓力和噴油背壓對其影響規(guī)律。結(jié)果表明：對于噴孔軸線與針閥軸線夾角各異的多孔噴油器，相同噴射條件下，隨著噴孔軸線與針閥軸線夾角的增大，噴孔內(nèi)的空化效應(yīng)逐漸增強(qiáng)，質(zhì)量流量和流量系數(shù)逐漸降低；隨著噴油壓力的提高，各孔內(nèi)的空化效應(yīng)均逐漸增強(qiáng)，質(zhì)量流量均逐漸升高，流量系數(shù)均逐漸降低；隨著噴油背壓的提高，各孔內(nèi)的空化效應(yīng)逐漸減弱，質(zhì)量流量逐漸降低，但流量系數(shù)卻逐漸提高。

多孔柴油機(jī)噴油器；流動特性；噴油壓力；噴油背壓

0 引言

對于柴油機(jī)，隨著排放法規(guī)的日益嚴(yán)格及燃油經(jīng)濟(jì)性要求的逐步提高，噴油器已成為當(dāng)今柴油機(jī)性能改進(jìn)、排放升級及全新開發(fā)等最為關(guān)鍵的部件之一[1]且多為多孔式噴油器。對于多孔式噴油器，由于各孔加工精度及液力研磨等的差異，各孔的孔徑、圓度、表面粗糙度、噴孔入口圓角半徑、噴孔軸線與針閥軸線間夾角等均會存在一定的差異。這將導(dǎo)致各孔內(nèi)部流動特性的差異，并進(jìn)一步導(dǎo)致各孔噴射特性的差異，最終引起燃燒室內(nèi)燃油不均勻的空間及時(shí)間分布，進(jìn)而導(dǎo)致燃燒室內(nèi)不一致的熱負(fù)荷及燃燒排放的惡化[2-7]。

對于多孔柴油機(jī)噴油器各孔內(nèi)部流動特性的差異，國內(nèi)外僅有較少學(xué)者開展過相關(guān)研究，且所研究的噴油器多是各孔分布具有一定周期性特點(diǎn)的噴油器：王謙等人針對各孔均布的雙排8孔噴油器(孔徑相同的8個(gè)噴孔、分為上下兩層、沿周向交錯(cuò)均勻分布)，基于噴孔布置的周期性，選取相鄰的兩個(gè)噴孔(噴孔軸線和針閥軸線夾角不同)分析了內(nèi)部流動特性的差異[8]；何志霞等基于各孔均布的4孔噴嘴，采用三維數(shù)值模擬的方法，對針閥偏心時(shí)各孔內(nèi)部流動特性的差異進(jìn)行過相關(guān)研究[9]。然而，對于各孔分布不具有周期性分布特點(diǎn)的多孔式噴油器，還鮮有人對其各孔內(nèi)部流動特性間的差異進(jìn)行過系統(tǒng)研究。由于各孔分布不具有周期性分布特點(diǎn)的多孔式噴油器應(yīng)用廣泛，為對該類型噴油器的相關(guān)特點(diǎn)進(jìn)行系統(tǒng)了解，并進(jìn)一步為該類型噴油器的設(shè)計(jì)改進(jìn)及其與燃燒室的匹配優(yōu)化進(jìn)行技術(shù)和理論積累，開展各孔內(nèi)部流動特性差異及其機(jī)制分析的相關(guān)研究，就顯得很有意義。

為此，采用經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證過的用于分析噴嘴內(nèi)部流動特性的三維氣液兩相流空穴模型，以各孔軸線與針閥軸線均具有一定差異的5孔噴油器為例，對不同噴油壓力及不同噴油背壓下針閥全開時(shí)各孔內(nèi)部流動特性的差異進(jìn)行了深入研究。

1 噴嘴內(nèi)空穴流動模型

采用研究漸縮形噴孔及漸擴(kuò)形噴孔內(nèi)空穴流動特性時(shí)經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證的混合多相流空穴模型[2-3]，進(jìn)行多孔噴油器各孔內(nèi)部流動特性的差異研究。

詳細(xì)的數(shù)學(xué)模型的建立過程、求解過程和驗(yàn)證過程見文獻(xiàn)[2-3]。

所研究的孔徑為0.2 mm的5孔噴油器詳細(xì)的結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖1所示，最大針閥升程時(shí)噴嘴的計(jì)算求解區(qū)域如圖2所示，所生成的網(wǎng)格全部為六面體網(wǎng)格并對噴孔入口處進(jìn)行了加密處理，進(jìn)出口邊界均采用壓力邊界。

圖1 噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖2 噴嘴計(jì)算網(wǎng)格

2 計(jì)算結(jié)果對比分析

2.1 不同噴油壓力下各孔內(nèi)部流動特性的差異

表1所示為噴油背壓5 MPa，噴油壓力60、120及185 MPa時(shí)最大針閥升程處各孔內(nèi)的空穴分布。

表1 不同噴油壓力下各孔內(nèi)部空穴分布(噴油背壓5 MPa)

從表1可以看出：在相同噴射條件下，隨著噴孔軸線與針閥軸線夾角βi的增大(β4β3β2β5β1)，噴孔內(nèi)空穴分布區(qū)域的長度逐漸增加，厚度逐漸變厚，氣相體積分?jǐn)?shù)較大的區(qū)域及其峰值均逐漸增大，空化效應(yīng)逐漸增強(qiáng)。同時(shí)，對于βi較小的噴孔，如噴孔4，其內(nèi)部空穴分布的區(qū)域是沿著噴孔壁面發(fā)展的;但對于βi較大的噴孔，如噴孔1，噴孔出口部位空穴的分布區(qū)域有和噴孔壁面相分離并往噴孔中心部位發(fā)展的趨勢。另外，從表1還可看出：對于任一噴孔，隨著噴油壓力的增加，噴孔內(nèi)空穴分布區(qū)域的長度也是逐漸增加的，厚度也是逐漸變厚的，氣相體積分?jǐn)?shù)較大的區(qū)域及其峰值也均是逐漸增大的，即空化效應(yīng)也是逐漸增強(qiáng)的。

羅福強(qiáng)等在研究基于噴霧動量的各孔噴油規(guī)律瞬態(tài)測試方法[10]時(shí)，定義了如公式(1)所示的孔間噴油量不均勻系數(shù)。為詳細(xì)分析各孔內(nèi)部流動特性的差異，特定義如公式(2)所示的孔間質(zhì)量流量不均勻系數(shù)：

(1)

(2)

其中：qmax、qmin、qmean分別為各孔間最大、最小和平均循環(huán)噴油量；Rmax、Rmin、Rmean分別為各孔間最大、最小和平均質(zhì)量流量。

不同噴油壓力下最大針閥升程時(shí)各孔質(zhì)量流量的差異及孔間質(zhì)量流量不均勻系數(shù)如圖3所示，各孔流量系數(shù)的差異如圖4所示。

圖3 不同噴油壓力下各孔質(zhì)量流量及不均勻系數(shù)

圖4 不同噴油壓力下各孔流量系數(shù)

從圖3可以看出：隨著噴孔軸線與針閥軸線夾角βi的增大(β4β3β2β5β1)，任一噴油壓力下噴孔的質(zhì)量流量均是逐漸降低的；同時(shí)，與之相對應(yīng)，圖4所示的各孔流量系數(shù)的差異也呈現(xiàn)出相同的變化趨勢，這和流量系數(shù)的定義是一致的。同時(shí)，從圖3和圖4還可看出：隨著噴油壓力的升高，各孔的質(zhì)量流量均是逐漸升高的，流量系數(shù)均是逐漸降低的，這和已有的基于各孔均布噴油器的研究結(jié)果是一致的[3]。另外，從圖3還可看出：隨著噴油壓力的升高，孔間質(zhì)量流量的不均勻系數(shù)是逐漸降低的，即孔間質(zhì)量流量的差異在某種程度上是逐漸降低的，這和羅福強(qiáng)等的研究結(jié)果也具有一定的一致性[10]：對于機(jī)械泵，隨著噴油泵轉(zhuǎn)速的升高，孔間噴油量的不均勻系數(shù)是逐漸降低的。

2.2 不同噴油背壓下各孔內(nèi)部流動特性的差異

針閥全開、噴油壓力60 MPa時(shí)各孔內(nèi)空穴分布差異隨噴油背壓的變化如表2所示?？梢钥闯觯号c噴油壓力對各孔內(nèi)空穴分布差異的影響規(guī)律相一致，任一噴油背壓下，隨著噴孔軸線與針閥軸線夾角βi的增加，其內(nèi)部的空化效應(yīng)也是逐漸增強(qiáng)的。但與噴油壓力對各孔內(nèi)空穴分布差異的影響規(guī)律不同的是：對于任一噴孔，隨著噴油背壓的增加，從空穴層的長度、空穴層的厚度、氣相體積分?jǐn)?shù)的峰值等方面評估的空化效應(yīng)的強(qiáng)度都是逐漸減弱的，這可從孔1、孔4和孔5很明顯地看出。

表2 不同噴油背壓下各孔內(nèi)部空穴分布(噴油壓力60 MPa)

圖5和圖6所示分別為各孔質(zhì)量流量和流量系數(shù)隨噴油背壓的變化。從圖5可以看出：在同一噴油背壓下，隨著噴孔軸線與針閥軸線夾角βi的增大(β4β3β2β5β1)，噴孔的質(zhì)量流量仍是逐漸降低的。同時(shí)，對于任一噴孔，隨著噴油背壓的增加，雖然噴孔質(zhì)量流量的變化不是特別明顯，但均呈現(xiàn)出逐漸下降的趨勢。

圖5 不同噴油背壓下各孔質(zhì)量流量

圖6 不同噴油背壓下各孔流量系數(shù)

從圖6可以看出：雖然相同噴射條件下各孔流量系數(shù)的變化趨勢與各孔質(zhì)量流量的變化趨勢相同：隨著噴油背壓的增加噴孔的流量系數(shù)逐漸降低，但對于任一噴孔，隨著噴油背壓的增加，噴孔的流量系數(shù)卻是逐漸提高的，這和各孔均布噴油器噴孔流量系數(shù)隨噴油背壓變化的變化趨勢是一致的[3]。

3 結(jié)論

(1)對于多孔噴油器，相同噴油壓力下，隨著噴孔軸線與針閥軸線夾角的增大，噴孔內(nèi)的空化效應(yīng)是逐漸增強(qiáng)的，噴孔的質(zhì)量流量和流量系數(shù)是逐漸降低的；隨著噴油壓力的提高，各孔內(nèi)的空化效應(yīng)均是逐漸增強(qiáng)的，質(zhì)量流量均是逐漸升高的，流量系數(shù)均是逐漸降低的。

(2)對于多孔噴油器，相同噴油背壓下，隨著噴孔軸線與針閥軸線夾角的增加，各孔內(nèi)的空化效應(yīng)也是逐漸增強(qiáng)的，質(zhì)量流量和流量系數(shù)也是逐漸降低的；隨著噴油背壓的提高，各孔內(nèi)的空化效應(yīng)均逐漸減弱，質(zhì)量流量均逐漸降低，流量系數(shù)均逐漸提高。

[1]SOMA S,RAMIREZA I,LONGMAND E,et al.Effect of Nozzle Orifice Geometry on Spray,Combustion,and Emission Characteristics under Diesel Engine Conditions[J].Fuel,2011,90(3):1 267-1 276.

[2]崔慧峰，廖善彬，高慶文.噴嘴幾何參數(shù)對漸縮形噴孔噴嘴流動特性影響研究[J].內(nèi)燃機(jī),2016(6):1-4.

CUI H F,LIAO S B,GAO Q W.Numerical Simulation for Effect of Geometric Parameters of Injector Hole on Flow Characteristics in Diesel Nozzle with Convergent Hole[J].Internal Combustion Engines,2016(6):1-4.

[3]鄭躍偉，崔慧峰.基于CFD的柴油機(jī)漸擴(kuò)形噴孔噴嘴空穴流動特性研究[J].內(nèi)燃機(jī),2015(2):18-22.

ZHENG Y W,CUI H F.Study on Cavitation Flow Characteristics in Diesel Nozzle with Divergent Hole Based on CFD[J].Internal Combustion Engines,2015(2):18-22.

[4]MARCIC M.Sensor for Injection Rate Measurements[J].Sensors,2006,6(10):1367-1382.

[5]MARCIC M.Measuring Method for Diesel Multihole Injection Nozzles[J].Sensors and Actuators A Physical,2003,107(2):152-158.

[6]PAYRI F,PAYRI R,SALVADOR F J,et al.Comparison between Different Hole to Hole Measurement Techniques in a Diesel Injection Nozzle[R].SAE Paper No.2005-01-2094.

[7]MARCIC M.Deformational Injection Rate Measuring Method[J].Review of Scientific Instruments,2002,73(9):3 373-3 377.

[8]王謙，李念，何志霞,等.柴油機(jī)雙層多孔噴油嘴內(nèi)部空穴兩相流動研究[J].江蘇大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2015,36(2):142-147.

WANG Q,LI N,HE Z X,et al.Cavity Flow in Double-layer Multi-holes Diesel Injector Nozzle[J].Journal of Jiangsu University(Natural Science Edition),2015,36(2):142-147.

[9]何志霞，李德桃，王謙，等.垂直多孔噴嘴內(nèi)部空穴兩相流動的三維數(shù)值模擬分析[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2005,41(3):92-97.

HE Z X,LI D T,WANG Q,et al.Three-dimensional Numerical Simulation and Analysis of Cavitating Two-phase Flow in a Vertical Multi-hole Nozzle[J].Journal of Mechanical Engineering,2005,41(3):92-97.

[10]LUO F Q,CUI H F,DONG S F.Transient Measuring Method for Injection Rate of Each Nozzle Hole Based on Spray Momentum Flux[J].Fuel,2014,125(2):20-29.

StudyonInternalFlowCharacteristicsofEachNozzleHoleinMulti-holeDieselNozzleBasedonCFD

KONG Fanzhi，LIAO Shanbin，MA Xinghai

(Jiangling Motors Co.,Ltd., Nanchang Jiangxi 330001, China)

Based on a multi-hole diesel nozzle with different nozzle hole in terms of the angle between nozzle hole axis and needle axis (ABNN), the three-dimensional numerical simulation of gas-liquid two-phase flow was carried out by using the mixed multi-phase cavitation flow model, and not only the internal flow characteristics of each nozzle hole but also the influences of injection pressure and injection back pressure on them were analyzed in detail. The results show that with the increment of ABNN, the hole cavitation effect is enhanced gradually and the hole mass flow rate and the hole discharge coefficient are decreased little by little for the multi-hole diesel nozzle under the same injection condition;for each nozzle hole, the cavitation effect is enhanced, the mass flow rate is improved, and the discharge coefficient is decreased gradually with the increase of injection pressure;however, with the increment of the injection back pressure, the cavitation effect is weakened, the mass flow rate is decreased, and the discharge coefficient is improved little by little for each nozzle hole.

Multi-holediesel injector; Flow characteristic; Injection pressure; Injection back pressure

2017-08-24

孔凡志(1986—)，男，學(xué)士，助理工程師，從事發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)開發(fā)工作。E-mail：fkong@jmc.com.cn。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.12.010

TK423

A

1674-1986(2017)12-042-04