柴油機噴油嘴內(nèi)噴射壓力對燃油流動的影響

程琳源，應(yīng)永樂，蔡志鑫

柴油機噴油嘴內(nèi)噴射壓力對燃油流動的影響

程琳源，應(yīng)永樂，蔡志鑫

（長安大學(xué)，陜西 西安 710000）

噴油嘴是柴油機最重要的工作部件之一，其性能直接影響柴油機的燃燒過程，故研究噴嘴內(nèi)柴油的噴射特性以及燃油的噴霧特性是非常有必要的。但是噴油嘴內(nèi)部空間非常狹小，卻有很高的燃油流動速度和噴射壓力，要對其進行試驗有非常大的難度。文章通過Gambit軟件進行噴油嘴幾何建模，然后進行合理的網(wǎng)格劃分，最后將幾何模型導(dǎo)入Fluent軟件。通過改變噴射壓力，來模擬噴孔內(nèi)的燃油流動速度、壓力分布情況，對其進行分析研究。結(jié)果表明：提高噴射壓力，使噴孔內(nèi)部燃油的流速增大。

仿真柴油；噴油嘴；燃油流動；數(shù)值模擬

引言

面對各種壓力，內(nèi)燃機性能燃油系統(tǒng)的優(yōu)化成為重要的問題。內(nèi)燃機燃油系統(tǒng)的研究主要從兩個方面展開[1]。

一方面，要在保證發(fā)動機輸出功率滿足現(xiàn)代車輛需求的同時，提高燃料的利用率[2]；另一方面，必須不斷減少汽車尾氣中的污染物排放[3]。

高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)可以大大提高燃油噴射壓力，從而使燃油霧化效果更好[4]，是一個值得深入研究的方向[5]。

1 柴油機噴嘴內(nèi)部燃油流動情況

柴油噴管的流動是一個非常復(fù)雜的過程。為了簡單有效地研究噴管內(nèi)部的流動，現(xiàn)通過計算機數(shù)值模擬[6-7]。

1.1 發(fā)展現(xiàn)狀

目前柴油機的發(fā)展方向基本都為燃油流速高、噴射壓力較大，排放低等[8-10]。

其中，對于噴油嘴噴孔的加工，其質(zhì)量也直接影響著柴油機在噴霧場中的霧化特性[11]。同時，作為制約柴油機發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)，噴油嘴微細(xì)噴孔加工成型技術(shù)很受重視[12-13]。

其中，噴孔的加工質(zhì)量對噴霧場中的霧化特性有直接影響[14-15]。

1.2 本文主要研究內(nèi)容

為了進一步分析噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化對柴油機噴嘴內(nèi)流動特性的影響，可以通過CFD進行數(shù)值模擬，用這種計算方法來研究噴嘴內(nèi)部燃料流動的噴嘴參數(shù)及其變化，并獲得合理的結(jié)果，從而提高燃料熱效率。

2 數(shù)值模擬設(shè)置

復(fù)雜的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)將對網(wǎng)格和網(wǎng)格的質(zhì)量產(chǎn)生很大的影響，網(wǎng)格數(shù)將導(dǎo)致長時間甚至是計算機計算崩潰，網(wǎng)格質(zhì)量計算精度不高會使可信度降低，從而使仿真結(jié)果降低。

因此，適當(dāng)簡化具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的燃料噴嘴的物理模型可以提高網(wǎng)格質(zhì)量并控制網(wǎng)格數(shù)量。

2.1 柴油噴嘴幾何模型簡化

圖1 噴油嘴幾何結(jié)構(gòu)

本文采用的是三孔噴嘴模型。Gambit用于構(gòu)建三維幾何模型。噴嘴型號是最大升程的針閥，如圖1所示，=1.0 mm，噴嘴與針閥軸線之間的夾角為45°，建立的噴油嘴模型，采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對噴嘴模型進行網(wǎng)格劃分，并對噴孔的進出口進行加密。

本文只采用了三分之一的噴管模型進行數(shù)值仿真可節(jié)約計算資源，提高仿真效率。

2.2 柴油噴嘴幾何模型網(wǎng)格劃分

為噴嘴的燃料入口，噴嘴的流壁，可變截面的噴嘴壁和噴嘴的燃料出口建立了part，以控制不同區(qū)域的網(wǎng)格尺寸和質(zhì)量。根據(jù)幾何模型的實際尺寸劃分網(wǎng)格時，最大網(wǎng)格尺寸為0.2 mm，用于細(xì)化噴嘴孔的最大網(wǎng)格尺寸為0.1 mm。

圖2 柴油噴嘴內(nèi)部網(wǎng)格模型

2.3 網(wǎng)格獨立性驗證

分別畫網(wǎng)格數(shù)量為386 709、597 172、640 029、844 064的四套網(wǎng)格，具體數(shù)目如表1所示。對表1出口處速度值為變量，將出口處的溫度值在不同的網(wǎng)格數(shù)下連線，如圖3所示。

分別繪制了四組網(wǎng)格，分別為386 709、597 172、640 029和844 064，具體數(shù)目見表1。

將表1中網(wǎng)格總數(shù)作為自變量，出口處的速度值作為因變量，將其一一對應(yīng)，如圖3所示。

表1 四種計算網(wǎng)格

網(wǎng)格1234 總數(shù)386 709597 172640 029844 064 噴油嘴372 974527 829624 081824 321 噴油孔13 73569 34315 94819 743

從圖中可以看出，從38萬網(wǎng)格數(shù)時，59萬網(wǎng)格數(shù)時，64萬網(wǎng)格數(shù)時，84萬網(wǎng)格數(shù)時，噴油孔出口速度只有非常小的變化，此時，可以認(rèn)為38萬網(wǎng)格已經(jīng)達(dá)到獨立要求，將38萬網(wǎng)格作為本仿真計算的網(wǎng)格數(shù)目。

圖3 網(wǎng)格無關(guān)性驗證結(jié)果圖

3 噴射壓力對噴孔內(nèi)部燃油流速、壓力的影響

本章研究的主要內(nèi)容為：在不同燃油噴射壓力下，噴油孔內(nèi)部燃油流速、壓力的變化情況，從而得出速度、壓力分布圖并分析其原因及變化趨勢。

3.1 速度分布

圖4為不同噴射壓力下時，噴油嘴及噴油孔內(nèi)部燃油流動的速度分布云圖。

圖4 改變噴射壓力對噴油嘴內(nèi)部燃油流動速度分布的影響

從圖4可以看出，噴嘴中燃料的流速從小到大變化。云圖像中的紅色部分表示較大的燃料流速，而藍(lán)色部分表示最小的燃料流速。

三種情況下噴射速度最大分別達(dá)到394 m/s、492 m/s、549 m/s。燃油從噴嘴入口處的速度最小，在噴油孔出口處的速度最大。

3.2 壓力分布

從圖5可以看出，當(dāng)孔徑不發(fā)生變化，噴射壓力變化時，對燃料流量壓力分布圖的影響較小。

根據(jù)速度壓力公式=，隨著噴射壓力的增加，噴嘴入口和噴嘴出口兩者之間的壓力差增大小。噴孔上的流速很大，使燃油從噴孔噴涌而出，液滴的霧化過程得以促進。

圖5 噴射壓力下噴油嘴內(nèi)部燃油流動的壓力分布的影響

4 總結(jié)

隨著噴射壓力的增加，噴管出口燃油的平均速度和壓力逐漸增大，噴管孔內(nèi)壓差也隨之增大，當(dāng)燃油噴射到霧化場時，油滴粒徑變小，貫穿距離變長，燃油流動速度增大，噴霧錐角變大，相反，濃度減小。

因此，提高燃油噴射壓力可以促進油滴的形成。破碎，使燃料有較好的霧化效果。

[1] 王丹.基于Fluent的柴油噴嘴內(nèi)部燃油流動情況及噴霧特性的數(shù)值模擬研究[D].西安:長安大學(xué), 2019.

[2] 趙春立.高氣液比井氣錨-防氣泵組合瞬態(tài)流動仿真研究[D].成都:西南石油大學(xué),2017.

[3] 李艷娜.連續(xù)壓機活動式機架結(jié)構(gòu)設(shè)計與熱力耦合特性研究[D].哈爾濱:東北農(nóng)林大學(xué),2020.

[4] 張?zhí)煊?離子液體烷基化旋流反應(yīng)器內(nèi)混合特性的數(shù)值模擬研究[D].成都:中國石油大學(xué),2017.

[5] 李霞.太陽能跨季節(jié)儲存地下水箱蓄熱特性的模擬研究[D].重慶:重慶大學(xué),2017.

[6] 張志文.內(nèi)燃機冷卻系統(tǒng)強化傳熱的探討[D].大連:大連理工大學(xué),2014.

[7] 余同譜.微流控系統(tǒng)中被動與主動式強化換熱模擬研究[D].合肥:安徽工業(yè)大學(xué),2018.

Influence of Injection Pressure on Fuel Flow in Diesel Injector Nozzles

CHENG Linyuan, YING Yongle, CAI Zhixin

( Chang 'an University, Shaanxi Xi 'an 710000 )

Injector nozzle is one of the most important working parts of diesel engine, its performance direct ly affects the combustion process and discharge performance of diesel engine, so it is very necessary to study the injection characteristics of diesel fuel and fuel spray characteristics in the nozzle.But the internal space of the nozzle is very narrow, but there is a very high fuel flow speed and injection pressure, it is very difficult to test it.Gambit software was used for the geometric modeling of the nozzle, and then the reasonable mesh division was car ried out. Finally, the geometric model was imported into Fluent software.By changing the injection pressure, the flow velocity and pressure distribution of the fuel in the nozzle are simulated, and the results show that increasing the injection pressure increases the flow velocity of the fuel in the nozzle.

Simulation diesel; Nozzle; Fuel flow; The numerical simulation

TK422

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1671-7988(2022)02-111-04

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10.16638/j.cnki.1671-7988.2022.002.025

程琳源，女，碩士，就讀于長安大學(xué)，研究方向：柴油機噴油器。