喷嘴结构对多孔喷油器喷射特性影响的研究.pdf

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第31卷第6期内燃机工程V01．31No．62010年12月ChineseInternalCombustionEngineEngineeringDecember．2010文章编号：1000--0925(2010)06一0043一06喷嘴结构对多孔喷油器喷射特性影响的研究310118邵利民1一。常汉宝1，周加东1’3，金华军3。施文杰3(1．海军工程大学船舶与动力学院，武汉430033；2．海军上海地区装备修理监修室，上海200136；3．中国人民解放军海军91860部队，上海200433)StudyonInfluenceofNozzleGeometricParametersonInjectionCharacteristicofMulti—HoleInjectorSHAOLi—rainl“，CHANGHan—ba01，ZHOUJia-don91”，JINHua-jun3，SHIWen-jie3(1．CollegeofNavalArchitectureandPower，NavalUniversityofEngineering，Wuhan430033，China；2．ShanghaiNavyEquipmentRepairMonitorSection，Shanghai200136，China；3．Navy91860UnitofPLA，Shanghai200433，China)Abstract：Theexperimentalstudywascarriedouttoanalyzetheinfluenceofasymmetricalnozzlegeo-metricparametersonitsinjectionrateandsprayshapeusingEFS8246instantaneousruelmassinstrumentandhighspeedflashphotographicsystem，andtheinternalflowfieldandcavitationsinnozzleholeswerere—searchedbytheCFDcodeFIREbasedontwo—phaseflowmodel．Thenozzlegeometricparametersincludedholenumberanddiameter，holeangleandholelength-diameterratio(L／D)．Resultsshowthatthesegeo—metricparametersofnozzleinfluenceinvaryingdegreesonflowcoefficient，sprayshape，fuelflowdifferenceamongholesandcycle-to-cyclevariationsoffuelmass，themagnitudeisdependentonthecavitationintensioninsidethenozzleholeandpressuresac．0概述摘要：利用EFS8246单次喷射测量系统和高速闪光摄影系统对不同结构参数的非轴对称喷嘴的喷油规律和油束形态进行了试验研究。利用CFD软件Fire的两相流模型对各喷嘴内部流动和气蚀现象进行了仿真模拟。喷嘴结构参数包括喷孔数、喷孔直径、喷孔夹角和喷孔长径比。研究结果表明：各结构参数对喷嘴流量系数、雾束形态、各孔问流量差异、各次喷射的一致性均有不同程度的影响，而具体的影响程度由压力室和喷孔内的气穴强度决定。关键词：内燃机；非轴对称喷嘴；喷油规律；喷雾形态；空穴；三维数值模拟Keywords：ICengine；asymmetricalnozzle；injectionrate；sprayshape；cavitation：three—dimensionnumericalsimulation中图分类号：TK423．8文献标识码：A电控高压共轨系统由于具有较高的喷射压力、精确控制的喷油量以及可柔性控制的喷油规律等特点在现代柴油机上广泛运用。喷油器是共轨系统的关键部件，其喷嘴结构参数，如喷孔数、喷孑L直径、喷孔夹角和喷孔长径比等对喷油规律、喷雾特性有着直接的影响，从而影响柴油机的燃烧过程与排放特性。特别是对于各孔非轴对称(喷油器轴线)的喷油器而言，喷嘴结构对各孔间的流量差异、各孔雾柬在空间的分布以及雾化质量具有较大的影响u’2]，目前，国内关于这类问题研究的文献不多。收稿日期：2009-06·05基金项目：国防。+一五”预研项目(4010103010401)作者简介：部利民11979一)。男．博士生。主要研究方向为柴油机工作过程的建模与仿真。E-mail：slmzn226@sina．con。 ‘44’内燃机工程2010年第6期本文针对喷嘴结构非轴对称多孔喷油器喷射特由表1可见：喷嘴结构参数对流量系数有不同性的影响进行试验和仿真研究。利用EFS8246单程度的影响，其中，长径比影响最大；孔径次之；喷孔次喷射测量仪对喷油器进行瞬时喷油量和喷油规律夹角影响较小；喷孔数影响最弱。望型苎；型要i篓。S三?篓竺三i?要耋竺竺!『?竺鎏苎2喷射特性测试系统和气蚀现象进行模拟；利用闪光摄影装置对喷柬的⋯⋯⋯。。’。’。宏观特征进行测试。通过此研究，可以为共轨喷射2．1喷油规律测试系统系统与燃烧系统的最优匹配提供理论指导。EFS8246单次喷射测量系统采用定容积法对喷⋯⋯．油规律进行测试，喷射的燃油冲击EMl2单次喷射l喷嘴结构仪的运动活塞，导致其克服复位弹簧力和背压而向由于喷油器在柴油机缸头上的布置受结构的影下运动，对应的位移即反映了瞬时油量的大小，然后响，其中心线与气缸中心线及燃烧室中心线存在着由数据采集系统采集存储。EFS系统可进行多次喷一定量的偏移和夹角。根据此特点，本文按研究需射一致性的检测，给出以上各测量结果的最大值、最要设计了8种不同喷孔直径和个数、不同长径比、不小值、平均值和均方差值。测试台架实物如图2同喷孑L夹角的喷嘴，其型式为mini—sac，安装夹角均所示。为20。，设计的喷嘴结构及安装位置如图l所示。具体的设计方案见表1。图1喷嘴结构及其安装位置表1喷嘴设计方案喷孔夹角Ca方案孔数孔径／ramL}D／(。)(△p=10MPa)160．21403．50．6411260．151404．60．8261360．21103．5O．6528460．21104．50．7440580．131405．40．8548680．131105．40．710078O．131106．9O．91880．21403．50．6275在喷嘴高压液体流量试验台上，对各喷嘴偶件在△户=loMPa，油温为(40±2)℃时的流量进行了测试，按照公式(1)对各喷嘴的流量系数Cd进行了计算：Cd=——=兰兰=(1)A,／2p(Pi—Pb)式中，而为喷嘴质量流率，kg／s；A为喷嘴总面积，m2；』D为燃油密度，kg／m3；Pi、Pb分别为喷孔进、出口压力，Pa。图2喷油规律测试台架2．2喷雾形态测试系统采用高速闪光照相系统对喷雾形态进行测试。系统主要由高压容器、空气压缩机、高压气瓶、电子闪光灯、数码相机等组成，如图3所示。其中，高压容器压力可达5MPa，利用可控硅的特性设计了闪光灯触发控制电路。试验中，试验控制台通过串口通信对ECU中的轨腔压力、喷油脉宽和闪光脉冲时刻进行设置。图3燃油喷雾测试台架 2010年第6期内燃机工程·45·3喷嘴内多相流的数值模拟用CFD软件Fire对喷嘴内流场进行仿真计算。计算时将柴油看作为不可压缩的介质，不考虑流动过程中的能量转换和损失，以及燃油黏度随压力变化的影响。湍流模型选用对标准h方程修正后的是一}．厂模型求解动量守恒和连续性方程，压力速度耦合采用Simple算法，喷油嘴内的气液两相流计算采用欧拉一欧拉算法，壁面边界条件采用标准壁面函数法，进出口均设为压力边界条件，为了便于与试验结果进行比较，均采用与试验相一致的进出口压力[3]。由于试验中未进行针阀位移的测量，本文利用AVL公司的Hydsim软件建立了电控喷油器的模型，使仿真的喷油规律与测试的曲线相吻合，由此获得针阀位移曲线，在Fire网格运动中使用。图4为方案6在喷油压力110MPa、喷油脉宽3．7ms时，仿真与测试的喷油规律曲线及针阀位移曲线。计算网格及喷孔序号如图5所示。e，I￥槲煅囊螫时间／ms(a)喷油速率量谂曩本时间／msCo)针阀位移图4喷油规律及针阀位移的仿真曲线图5计算网格示例4仿真与试验结果分析4．1喷孔数与孔径的影响在喷油脉宽为2ms、喷射压力为110MPa、喷射背压为1MPa时，对方案2和方案5的喷嘴进行了喷油规律的试验，喷嘴2和5具有基本相同的流通截面积，而孔数和孔径不同。试验结果如图6所示。，晕童蕃制囊螫时间／ms图6方案2和方案5的喷油规律根据Nuriek的研究[43，评价喷孔内部气穴流动的最主要参数为空穴数K，即：K=(A—P，)／(夕i—Pb)(2)式中，P，为燃油饱和蒸气压。流量系数Cd为：Cd=Cc4-K(3)式中，C。为喷孔收缩系数。柴油的饱和蒸气压为892Pa，在此试验工况下空穴数接近于1，喷孔内必将发生气穴现象，使喷嘴有效流动截面积减小。由图6可见：与喷嘴5相比，孔径较大、孔数较少的喷嘴2的气穴更为严重，使实际流量减小。图7为同等试验条件下两个喷嘴在开始喷射后(ASOI)2．0ms时的喷雾图像。由图7可见：与方案5相比，方案2的贯穿距较大，且各雾束间的贯穿距也较一致。这主要是由于液滴直径随着喷孔直径的减小而减小，因此雾化质量相对较好，而孔数增加，使各孔间流量差异也变大。此外，与喷油器轴线夹角较大的喷孔，其喷雾锥角也较大，如方案2的第4孔、方案5的第5孔，通过无喷射背压的图8中可以清楚地看出。这是由于夹角较大的喷孔使流体流动方向剧烈改变，使得在拐角处更容易出现低压甚至是负压区，而产生较强的气穴现象，增强了喷孔内部的湍流流动程度，如图9所示，湍流和空穴的溃灭引起的扰动加强了液滴的一次雾化，使近喷嘴区的雾柬锥角变大∞]。从图7中还可以发现，雾束存在不对称现象，在空穴较厚的一面，由于气泡破灭，导致这一侧锥角变大，雾化变好，对于孔径较大的喷孔而言，这种现象更加明显[6]。 ·46·内燃机工程2010年第6期图7方案2和方案5的喷雾图像(￡=2msASOI，Pb=1MPa)图8方案2和方案5的喷雾图像(￡=2msASOI，户b=0．1MPa)图9方案5第1孔和第5孔的气穴和湍流动能分布(f=2msASOI)4．2喷孔夹角的影响喷油控制脉宽固定在2nls、喷射压力为110MPa时，分别对采用方案5和方案6以及方案1和方案3的两组喷嘴进行了试验，结果如图10和图11所示。由图10可见：随着喷孔夹角的增加，流量系数增大，但是对于总流通截面积较大的方案1和方案3，这种影响效果并不明显。f晕g喜艘囊螫时间／ms图10方案5和方案6的喷油规律0，量饕蚕时同／ms图11方案1和方案3的喷油规律通过仿真计算发现，方案6喷孔夹角减小后，除了原来与喷油器轴线夹角较大的孔4、孔5和孔6流量提高外，其他各孔流量均比方案5的小，使总流量减小，如图12所示。这主要是因为在夹角变小之后，喷孔也越往压力室底部靠近，各孔间间隔减小，孔间干扰变大，尤其是最底部的孔l、孔2和孔8流量减小较多，反而使喷嘴流量系数减小。对于方案1和方案3，与上述两个方案具有类似的现象，方案3的孔3、孔4和孔5流量提高，但由于孔数少、孔间干扰变小，除孔1流量减小较大外，孔2和孔6流量相差不多，从而方案3的流量系数略有提高，如图13所示。e善量赢艘蓉图12方案5和方案6的各喷孔流量(最大针阀位移时)著竹‘量饕蓍时间／ms图13方案1和方案3的各喷孔流量(最大针阀位移时) 2010年第6期内燃机工程图14和图15为两种方案喷嘴在喷射后2ms时的喷雾图像。由图14、15可见：喷孔夹角减小时，各孔气穴现象也相应有所减弱，喷雾锥角有所减小，各孔流量对贯穿距有很大的影响，流量较大的孔，贯穿距也较大。图14方案5和方案6的喷雾图像(t----2msASol，pb一1MPa)图15方案1和方案3的喷雾图像(f一2msASOI，Pb=1MPa)4．3喷孔长径比的影响在喷油脉宽为2ms、喷射压力为110MPa、喷射背压为lMPa时，对采用方案6和方案7的喷嘴进行了试验，结果如图16所示。由图16可见：随着长径比增大，喷油规律峰值增大。萝要蓉时间／ms图16方案6和方案7的喷油规律通过Fire计算后发现，在喷孔出口面上长径比小的喷孔气穴强度大但整体区域较小；而长径比大的喷孔气穴强度稍弱但整体区域面积大，减小了出口有效流动面积。但平均流速增加较多，如图17所示。由公式(4)可以得出方案7的流量系数将会增大，出口流量也会增加。Cd=cacv(4)式中，C。为喷孔出1：3面的收缩系数；C，为出口面的速度系数。图17方案6和方案7的第1孔出口面的速度分布图18为两种喷嘴在喷射后1．6ms时的喷雾图像。由图18可见：长径比变大后，雾束的均匀性有所改善。图18方案6和方案7的喷雾图像(￡=1．6msASOI，户b一1MPa)在试验中还发现，方案1和方案3在小流量，即较低喷射压力和较小脉宽时，喷油量一致性较差，喷射始点也不一致，且喷油延迟越大，实际喷油脉宽就越小，于是喷油量也就越小，如图19所示。由图19可见：比较方案1、3和4，主要是喷射夹角和长径比不同，从前面的分析可以知道，喷射夹角对6孔喷嘴喷油规律的影响较小，说明这种不一致主要是由长径比引起的。在较小针阀升程时，喷嘴的流通面积是由针阀与阀座处的流通面积决定，长径比较小的方案3在开始喷射时针阀与阀座间气穴现象较为严重，并存在较强的湍流扰动，使实际流通面积变小，如图20所示，导致初期流量很小甚至延迟喷射，加上轨腔内的压力波动和针阀的跳动，因此就会出现方案l、3在小脉宽和较小轨压时喷油量相差很大的现象N’8J。5结论(1)高压喷射时，喷孔内必将发生气穴现象，而喷孔内较强的气穴和湍流强度能够加强油柬的雾 ’48。内燃机工程2010年第6期：喷艏油二够／一一04：喷然油■影一一时间／ms(b)方案3。喷船一L／234时间／ms(c)方案4图19方案1、3、4的20次喷射的喷油规律(轨腔压力为60MPa，喷油脉宽为0．8ms)图20方案3的第1孔和第5孔的气穴和湍流动能分布(f=0．05msASOI)化，使喷雾锥角变大，并导致非对称雾柬。(2)对于非轴对称喷嘴，喷孔直径对喷嘴的流量系数有较大影响，喷孔数增加，会导致各孔流量差异变大。(3)小的喷孔夹角会使各孔雾束形态的相似性变差，且使较多喷孔数的喷嘴流量系数减小。(4)喷孔长径比对喷嘴的流量系数影响最大，增大长径比后流量系数变大，且能改善较多孑L数喷嘴雾束的均匀性，较小长径比的喷孔在小油量时各次喷射的一致性较差。参考文献：[13DahlanderP．LindgrenR．Multi—holeinjectorsforD1Slen—gines：nozzlenolenonfigurationinfluenceonsprayformation[C]／／SAE2008—01—0136，2008．[23BenajesJ，PastorJV。PayriR，eta1．Analysisoftheinfluenceofdieselnozzlegeometryintheinjectionratecharacteristic[J]．JournalofFluidsEngineering，2004，126(1)：63-71．[3]GreifD，BergEV，TatschlR．IntegratedcavitatinginjectorflowandspraypropagationsimulationinDIgasolineengine[C]llSAE2005—24—085，2005．[4]GiannadakisE，PapouliasD，GavaisesM．eta1．Evaluationofthepredictivecapabilityofdieselnozzlecavitationmodels[C]／／SAE2007—01—0245，2007．[5]文华。姜水生。魏明锐．基于喷孔两相流场的柴油一次雾化模型[J]．工程热物理学报，2008，29(6)：1069—1073．WenH，JiangSS，WeiMR．Aprimarybreakupmodelfordieselspraybasedontwo-phaseflowininjectornozzle[J]．JournalofEngineeringThermophysics，2008，29(6)：1069—1073．[63汪翔。苏万华．空化过程对柴油喷嘴内流场特性的影响l-J]．内燃机学报．2007。25(6)：481—487．WangX，SuWH，Theinfluenceofcavitationprocessesontheinternalflowcharacteristicsofdieselinjectionnozzles[J]．TransactionsofCSICE，2007，25(6)：481—487．[73BedfordJ，BreretonG，SchockH．MeasurementsofcycletocyclevariabilityoftheinletflowoffuelinjectorsusingLDA[C]／／SAE2006一01—3314，2006．[8]何志霞，王谦，袁建平，等．喷油压力波动对喷嘴内空穴发展影响的CFD分析i-J]．内燃机工程，2009，30(1)：64—68．HeZX，WangQ，YuanJP，eta1．CFDanalysisforeffectofinjectionpressurefluctuationoncavitatingflowindieselenginenozzle[J]．ChineseInternalCombustionEngineEngineering，2009，30(1)：64—68．(编辑：姜文玲)加垢加0{m^1_罄．∞目吕)／静硼曩螯一乙g．n§一＼褥捌震督^1_昌I．c岛茸)／瓣制漂螫