共轨喷油器主要结构参数对燃油流动和喷雾特性的影响

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共轨喷油器主要结构参数对燃油流动和喷雾特性的影响夏兴兰、郭立新、杨海涛、许吉吉（中国一汽无锡油泵油嘴研究所江苏无锡214063）摘要：根据喷油嘴流量系数试验和喷雾形态试验结果分别对燃油在喷油嘴的流动模型和喷雾模型进行标定，利用标定后的模型进行CFD计算分析，研究了共轨喷油器的主要结构参数（包括进油量孔直径、出油量孔直径、控制腔容积、喷孔K系数、喷孔入口园角半径、喷孔直径）对燃油在喷油嘴内的流动和喷雾特性的影响。关键词：喷油器、喷雾、贯穿度、流量系数、SMD主要软件：Fire,Hydsim喷油器是柴油机供油系统的重要组成部分，喷油器的结构对喷孔内部燃油的[1]流动特性和喷雾特性有着重要的影响，它不仅影响喷雾质量、喷雾油束与燃烧室的配合，而且影响喷油时刻、喷油持续期、喷油规律等喷油特性，所有这些都直接影响发动机的动力性、经济性和排放性。但是喷孔内部流动空间的几何尺寸极小，燃油以很高的压力和速度流经喷孔，且是强湍流流动，这使得直接观察和测量喷孔内的流动相当困难。此外喷孔内部的流动还会伴随有空穴现象，使流动成为气液两相流问题，故试验测量难度相当大。采用数值模拟方法可以详细的研究喷油器的结构参数对燃油在喷孔内流动和喷雾的影响，为喷油器的结构设计奠定理论基础。1计算模型1.1计算流程喷油器结构如图1所示，喷油器的主要结构参数（如进油量孔直径、出油量孔直径、控制腔容积和喷油嘴中的喷孔K系数、喷孔入口园角半径、喷孔直径等）直接影响到燃油[2]在喷孔中的流动，进而影响油嘴的喷雾特性，从而影响发动机的燃烧和排放。为了研究共轨喷油器中的主要结构参数对油嘴喷雾特性的影响，需要对喷油器中不同的流动过程，分别进行一维和三维的流动计算。图2为喷油嘴喷雾计算的流程图，首先利用Hydsim软件对供油系统进行液力计算，得到喷油嘴入口处的压力边界条件；再以此压力为边界条件在喷油嘴内部进行三维多项流计算，然后根据喷油嘴内部流动计算得到的喷孔出口处的流体速度、湍流状况等边界条件进行燃油喷雾计算，并用喷雾试验台的测量结果对喷雾模型进行标定，最后把经过标定后的喷雾模型应用到发动机中进行喷雾、燃烧和排放的计算。 图1共轨喷油器结构示意图用Hydsim进行供油用Fire进行油嘴内部三燃油在定容弹里系统计算维多项流的流动计算的喷雾计算发动机中喷雾、燃烧和排用喷雾试验台测量结果放计算对喷雾模型进行标定图2喷雾计算流程图图3油嘴内部流动计算边界条件设置图4流量系数标定 1.2计算边界条件喷油嘴内部流动计算的入口和出口边界都采用压力边界条件，在稳态计算过程中时，针阀升程固定为0.28mm，进口压力为120MPa，出口压力为5MPa。在瞬态计算时，喷油电信号持续时间为1.5ms，由Hydsim计算得到针阀升程和进口压力曲线，根据气缸压力得到出口压力曲线，如图3所示。油嘴内部流动计算时，壁面边界条件采用混合壁面函数，即当近壁湍流雷诺数y+较大时采用标准的壁面函数，当近壁湍流雷诺数y+较小时采用Popovac&Hanjalic提出的壁面函[2]数。1.3计算模型的标定在进行油嘴内部流动计算时先要对计算模型进行标定，标定方法是：采用和油嘴流量试验台试验时相一致的进出口压力（进口压力10MPa，出口压力0.1MPa），在不同的针阀升程条件下，将计算所得到的流量系数与实测的流量系数进行比较，并将误差控制在5%以内，如图4所示。在对油嘴内部流动计算模型进行标定以后，再进行油嘴内部流动的稳态和瞬态计算。在喷雾过程计算时，也要对喷雾模型进行标定，将计算所得到的喷雾形态与喷雾试验台测量结果进行对比，如图5所示。实验计算t=0.8mst=1.0mst=1.2mst=1.4ms图5喷雾模型的标定2计算结果与分析2.1喷油器进油量孔直径的影响喷油器进油量孔直径dz的大小直接影响油嘴针阀的运动规律和喷油规律，从而影响燃油在油嘴中的流动过程，并对燃油喷雾过程产生重要的影响。图6为喷油电脉冲信号和利用Hydsim计算的基准参数下的针阀升程曲线。图7为利用Hydsim计算喷油器进油量孔直径大小对喷油特性的影响，从图中可以看出：随着进油量孔直径的减小，油嘴针阀开启速度增加，提前达到最大升程，而针阀关闭时间推迟（图7（a）），这样针阀总的打开时间增加，所以喷油量增加（图7（c）），瞬时油嘴流量系数也增加图6喷油脉冲信号和针阀升程（图7（b））。进油量孔直径的减小后，针阀提前打开，这使得喷油孔内速度增加，速度分布更加均匀，喷油孔内空穴数量减小，如图8所示。这使得喷雾过程贯穿度增加，SMD减小，如图9所 示。从图10的喷雾形态也可以看出：进油量孔直径减小后，喷雾图像更长，喷雾卷吸的空气速度增加，这将有利于油滴的二次破碎，使SMD减小。表1列出了进油量孔直径减小后，喷油过程各参数变化的相对比较，从表中可以看出：进油量孔直径减小0.02mm后，针阀开启时间减小14.3%，针阀落座时间增加16.7%，喷油量增加7.1%，回油量减小7.2%，喷雾贯穿度增加6.3%，SMD减小3.9%.（a）针阀升程（b）瞬时流量系数（c）喷油规律图7喷油器进油量直径孔对喷油特性的影响0076CA76CA0084CA84CAdz-0.02mmdz-0.01mmdzdz+0.01mmdz-0.02mmdz-0.01mmdzdz+0.01mm（a）进油量孔直径对喷油孔内部速度场的影响（b）进油量孔直径对喷油孔内部空穴分布的影响图8喷油器进油量孔直径对燃油流动的影响(a)对贯穿度的影响(b)对SMD的影响图9喷油器进油量孔直径对喷雾特性的影响 084CAdz-0.02mmdz-0.01mmdzdz+0.01mmdz-0.02mmdz-0.01mmdzdz+0.01mm(a)喷雾形态(b)空气卷吸速度图10喷油器进油量孔直径对喷雾形态和空气卷吸速度的影响表1喷油器进油量孔直径对喷雾特性的影响针阀开启时间针阀落座时间回油量喷油量贯穿度SMDdz-0.02↓14.3%↑16.7%↓7.2%↑7.1%↑6.3%↓3.9%dz-0.01↓7.1%↑8.3%↓3.6%↑3.7%↑4.0%↓2.6%dz————————————dz+0.01↑14.3%↓4.2%↑3.3%↓4.6%↓6.1%↑4.2%2.2喷油器出油量孔的影响喷油器出油量孔直径da的大小也会对油嘴针阀的运动规律和喷油规律以及燃油的喷雾过程产生重要的影响。图11为喷油器出油量孔直径大小对喷油特性的影响，从图中可以看出：随着出油量孔直径的增大，油嘴针阀开启速度增加，提前达到最大升程；而出油量孔直径对针阀落座过程几乎没有影响（图11（a））。这样随着出油量孔直径的增加，针阀总的打开时间增加，油嘴瞬时流量系数增加（图11（b）），所以喷油量增加（图11（c））。出油量孔直径的增加后，针阀提前打开，这使得喷油孔内速度增加，速度分布趋于均匀，，空穴数量稍有减小，如图12所示。这样，喷雾过程贯穿度增加，而SMD减小，如图13所示。表2列出了出油量孔直径增加后，喷油过程各参数变化的相对比较，从表中可以看出：出油量孔直径增加0.02mm后，针阀开启时间减小17.9%，针阀落座时间基本不变，喷油量增加3.2%，回油量减小5.7%，喷雾贯穿度增加8.3%，SMD减小3.7%.（a）针阀升程（b）瞬时流量系数（c）喷油规律图11喷油器出油量直径孔对喷油特性的影响 0074CA74CA0080CA80CAda-0.01mmdada+0.01da+0.02mmda-0.01mmdada+0.01da+0.02mm（a）出油量孔直径对喷油孔内部速度场的影响（b）出油量孔直径对喷油孔内部空穴分布的影响图12喷油器出油量孔直径对燃油流动的影响（a）对贯穿度的影响(b)对SMD的影响图13喷油器出油量孔直径对喷雾特性的影响表2喷油器出油量孔直径对喷雾特性的影响针阀开启时间回油量喷油量贯穿度SMDda-0.01↑14.3%↓3.3%↓3.4%↓4.2%↑3.9%da——————————da+0.01↓10.7%↑3.0%↑2.1%↑4.2%↓3.4%da+0.02↓17.9%↑5.7%↑3.2%↑8.3%↓3.7%2.3喷油器控制腔容积的影响图14为喷油器控制腔容积vk的大小对喷油特性的影响，从图中可以看出：随着控制腔容积的减小，针阀开启时间略有提前，喷油量略有增加，喷孔瞬时流量系数也略有增加。控制腔容积减小后，喷油孔内速度略有增加，而空穴数量基本不变，如图15。但喷雾贯穿度增加，SMD减小，喷雾特性得到改善，如图16所示。但控制腔容积不能无限缩小，应保证针阀能到达最大升程，并使之完全开启。表3列出了喷油器控制腔容积变化后，喷油过程各参数变化的相对比较，从表中可以看3出：喷油器控制腔容积减小5mm后，喷油量增加2.5%，回油量减小0.3%，喷雾贯穿度增加6.3%，SMD减小5.6%。 （a）针阀升程（b）瞬时流量系数（c）喷油规律图14喷油器控制腔容积对喷油特性的影响0074CA74CA0080CA80CA3333vk-5mmvkvk+5mmvk-5mmvkvk+5mm（a）控制腔容积对喷油孔内部速度场的影响（b）控制腔容积对喷油孔内部空穴分布的影响图15喷油器控制腔容积对燃油流动的影响(c)对贯穿度的影响(d)对SMD的影响图16喷油器控制腔容积对喷雾特性的影响表3喷油器控制腔容积对喷雾特性的影响针阀开启时间回油量喷油量贯穿度SMD3Vk-5mm——↓0.3%↑2.5%↑6.3%↓5.6%Vk——————————3Vk+5mm——↑0.3%↓1.0%↓1.4%↑0.21% 2.4喷孔K系数的影响喷孔K系数的定义为：d−dk=2110式中：d2为喷孔入口直径（μm)，d1为喷孔出口直径(μm)。喷孔K系数对燃油在喷孔里的流动和燃油喷雾都有重要的影响。随着K系数的增加，喷孔内燃油流动速度增加并且趋于均匀，空穴数量减少(图17)。所以喷孔流量系数增加（图18），喷孔贯穿度也增加（图19），当K系数≧1.5时，喷孔中的空穴基本消失。在喷雾初期，由于空穴对雾化的促进作用起主导作用，而此时随着K系数的增加，喷出的空穴数量减小,因此随着K系数增加喷雾初期的SMD增大，如图20（a）所示。在喷雾的中后期随着喷入的燃油量增加和贯穿度加大，二次破碎所占的比例大大增加。在距离喷孔较远的区域，燃油的破碎主要是由于高速运动的油滴和周围气体相互作用产生不稳定波作用引起的，当不稳定波的振幅大于临界值时，液滴即发生破碎。因为随着K系数的增加喷孔的喷射速度加大，二次破碎更加激烈，所以在喷雾过程的中后期，随着K系数的增加SMD减小，如图20（b）所示。图21~22为t=0.8ms时不同K系数下的喷雾形态和喷雾对周围空气的卷吸速度，从图中可以看出：随着K系数的增加，喷雾贯穿度增加，喷雾对周围空气的卷吸速度也增加，这有利于油滴的破碎。K=0K=0.5K=1.0K=1.5K=2.0K=0K=0.5K=1.0K=1.5K=2.0（a）K系数对喷孔中速度发布的影响(b)K系数对喷孔中空穴发布的影响图17K系数对喷孔中燃油流动的影响图18喷孔K系数对瞬态流量系数图19K系数对喷雾贯穿度的影响 t/mst/ms(a)喷油初期（b）整个喷油过程图20K系数对SMD的影响K=0K=0.5K=1.0K=1.5K=2.0K=0K=0.5K=1.0K=1.5K=2.0图21K系数对喷雾形态的影响图22K系数对空气卷吸的影响2.5喷孔入口圆角半径的影响图23为喷孔入口园角半径对喷孔内速度分布的影响，从图中可以看出:随着入口园角半径比r/d的增加，喷孔内速度发布趋于均匀，当K2≧时，喷孔出口处的速度基本均匀。图24为喷孔入口园角半径对喷孔内空穴发布的影响，从图可知：随着入口园角半径比r/d的增加，空穴数量减少，当K1≧且r/d≧1或≧=2时，喷孔内的空穴基本消除。图25~27为喷孔入口园角半径对喷孔瞬时流量系数、喷雾贯穿度和喷雾SMD的影响，从图中可以看出：在针阀升程较小时,喷孔入口园角半径对流量系数影响很小,当针阀升程加大时,随着喷孔入口园角半径的增加,流量系数增加，喷雾贯穿度增加，SMD减小。图28~29为t=0.8ms时的喷雾形态和卷吸空气的速度，从图中可以看出：随着喷孔入口圆角的增加，喷雾贯穿度增加，喷雾周围的气相速度增大，这样加大了卷吸的空气速度，这将有利于燃油雾化及于空气的混合。K=0K=0K=1K=1K=2K=2r/d=0r/d=1r/d=2r/d=0r/d=1r/d=2图23喷孔入口园角半径对速度发布的影响图24喷孔入口园角半径对空穴发布的影响 图25喷孔入口园角半径对图26喷孔入口园角半径对图27喷孔入口园角半径对瞬态流量系数喷雾贯穿度的影响SMD的影响r/d=0r/d=0.0625r/d=0.1r/d=0.2r/d=0.3r/d=0r/d=0.0625r/d=0.1r/d=0.2r/d=0.3图28喷孔入口园角半径对喷雾形态的影响图29喷孔入口园角半径对空气卷吸的影响2.6喷孔直径的影响图30~31为喷孔直径对喷孔内燃油速度分布和空穴分布的影响，从图中可以看出：随着喷孔直径的减小，喷孔出口速度趋于均匀，喷孔内空穴数量减少。图32~34为喷孔直径对瞬态流量系数、喷雾贯穿度和SMD的影响，从图可知：喷孔直径减小后，瞬态流量系数增加，喷雾贯穿度减小,SMD减小。图35~36为t=0.8ms时的喷雾形态和喷雾周围卷吸空气速度，从图可知：喷孔直径减小，喷雾贯穿度减小，喷雾形状变得更加细长，同时，喷雾周围卷吸空气速度也减小。d=0.14mmd=0.15mmd=0.17mmd=0.18mmd=0.20mmd=0.14mmd=0.15mmd=0.17mmd=0.18mmd=0.20mm图30喷孔直径对喷孔速度分布的影响图31喷孔直径对喷孔空穴分布的影响图32喷孔直径对流量系数的影响图33喷孔直径对喷雾贯穿度的影响图34喷孔直径对喷雾SMD的影响 0.14mm0.15mmm0.17mm0.18mm0.14mm0.15mmm0.17mm0.18mm图35喷孔入口园角半径对喷雾形态的影响图36喷孔入口园角半径对空气卷吸的影响3结论用喷油嘴流量系数试验和喷雾形态试验结果分别对燃油在喷油嘴的流动模型和喷雾模型进行标定，利用标定后的模型进行燃油在喷油嘴的流动计算和喷雾计算，研究了喷油器的主要结构参数对燃油在喷油嘴内的流动和喷雾的影响，得到如下结论。a.喷油器进油量孔直径减小，则喷油孔内燃油流动速度增加，速度分布更加均匀，空穴数量减小，喷雾贯穿度增加，SMD减小。b.喷油器出油量孔直径的增加，则喷油孔内燃油流动速度增加，速度分布趋于均匀，空穴数量稍有减小，喷雾贯穿度增加，SMD减小。c.喷油器控制腔容积减小，则喷油孔内速度略有增加，但空穴数量基本不变，而喷雾贯穿度增加，SMD减小，d.喷油孔K系数增加，则喷孔内燃油流动速度增加，并且趋于均匀，空穴数量减少，喷雾贯穿度增加；在喷雾初期，SMD随K系数的增加而增大，在喷雾的中后期，SMD随K系数的增加而减小。e.喷孔入口园角半径增加，则喷孔内燃油流动速度增加，并且趋于均匀，空穴数量减少，喷雾贯穿度增加，SMD减小。f.喷孔直径减小，则喷孔出口速度趋于均匀，喷孔内空穴数量减少。喷雾贯穿度减小，SMD也减小。参考文献:[1]胡林峰,夏兴兰,郭立新.喷油嘴偶件内部流动特性的研究.现代车用动力.2009(4)[2]HanJS,WangTC,XieXB,etc.DynamicsofMultiple-injectionFuelSpraysinaSmall-BoreHSDIDieselEngine.SAE2000-01-1256,2000[3]PopovacM,HanjalicK,CompoundWallTreatmentforRANSComputationsofComplexTurbulentFlows.3rdMITConferenceonComputationalFluidandSolidMechanics.Boston,2005