基于CFD的柴油机多孔喷油器各孔内部流动特性差异研究

孔凡志，廖善彬，马星海

(江铃汽车股份有限公司，江西南昌 330001)

基于CFD的柴油机多孔喷油器各孔内部流动特性差异研究

孔凡志，廖善彬，马星海

(江铃汽车股份有限公司，江西南昌 330001)

采用混合多相流空穴模型，进行喷孔轴线与针阀轴线夹角各异的多孔喷油器喷嘴内三维气液两相流数值模拟，详细研究多孔喷油器各孔内部流动特性的差异及喷油压力和喷油背压对其影响规律。结果表明：对于喷孔轴线与针阀轴线夹角各异的多孔喷油器，相同喷射条件下，随着喷孔轴线与针阀轴线夹角的增大，喷孔内的空化效应逐渐增强，质量流量和流量系数逐渐降低；随着喷油压力的提高，各孔内的空化效应均逐渐增强，质量流量均逐渐升高，流量系数均逐渐降低；随着喷油背压的提高，各孔内的空化效应逐渐减弱，质量流量逐渐降低，但流量系数却逐渐提高。

多孔柴油机喷油器；流动特性；喷油压力；喷油背压

0 引言

对于柴油机，随着排放法规的日益严格及燃油经济性要求的逐步提高，喷油器已成为当今柴油机性能改进、排放升级及全新开发等最为关键的部件之一[1]且多为多孔式喷油器。对于多孔式喷油器，由于各孔加工精度及液力研磨等的差异，各孔的孔径、圆度、表面粗糙度、喷孔入口圆角半径、喷孔轴线与针阀轴线间夹角等均会存在一定的差异。这将导致各孔内部流动特性的差异，并进一步导致各孔喷射特性的差异，最终引起燃烧室内燃油不均匀的空间及时间分布，进而导致燃烧室内不一致的热负荷及燃烧排放的恶化[2-7]。

对于多孔柴油机喷油器各孔内部流动特性的差异，国内外仅有较少学者开展过相关研究，且所研究的喷油器多是各孔分布具有一定周期性特点的喷油器：王谦等人针对各孔均布的双排8孔喷油器(孔径相同的8个喷孔、分为上下两层、沿周向交错均匀分布)，基于喷孔布置的周期性，选取相邻的两个喷孔(喷孔轴线和针阀轴线夹角不同)分析了内部流动特性的差异[8]；何志霞等基于各孔均布的4孔喷嘴，采用三维数值模拟的方法，对针阀偏心时各孔内部流动特性的差异进行过相关研究[9]。然而，对于各孔分布不具有周期性分布特点的多孔式喷油器，还鲜有人对其各孔内部流动特性间的差异进行过系统研究。由于各孔分布不具有周期性分布特点的多孔式喷油器应用广泛，为对该类型喷油器的相关特点进行系统了解，并进一步为该类型喷油器的设计改进及其与燃烧室的匹配优化进行技术和理论积累，开展各孔内部流动特性差异及其机制分析的相关研究，就显得很有意义。

为此，采用经试验验证过的用于分析喷嘴内部流动特性的三维气液两相流空穴模型，以各孔轴线与针阀轴线均具有一定差异的5孔喷油器为例，对不同喷油压力及不同喷油背压下针阀全开时各孔内部流动特性的差异进行了深入研究。

1 喷嘴内空穴流动模型

采用研究渐缩形喷孔及渐扩形喷孔内空穴流动特性时经试验验证的混合多相流空穴模型[2-3]，进行多孔喷油器各孔内部流动特性的差异研究。

详细的数学模型的建立过程、求解过程和验证过程见文献[2-3]。

所研究的孔径为0.2 mm的5孔喷油器详细的结构参数如图1所示，最大针阀升程时喷嘴的计算求解区域如图2所示，所生成的网格全部为六面体网格并对喷孔入口处进行了加密处理，进出口边界均采用压力边界。

图1 喷嘴结构参数

图2 喷嘴计算网格

2 计算结果对比分析

2.1 不同喷油压力下各孔内部流动特性的差异

表1所示为喷油背压5 MPa，喷油压力60、120及185 MPa时最大针阀升程处各孔内的空穴分布。

表1 不同喷油压力下各孔内部空穴分布(喷油背压5 MPa)

从表1可以看出：在相同喷射条件下，随着喷孔轴线与针阀轴线夹角βi的增大(β4β3β2β5β1)，喷孔内空穴分布区域的长度逐渐增加，厚度逐渐变厚，气相体积分数较大的区域及其峰值均逐渐增大，空化效应逐渐增强。同时，对于βi较小的喷孔，如喷孔4，其内部空穴分布的区域是沿着喷孔壁面发展的;但对于βi较大的喷孔，如喷孔1，喷孔出口部位空穴的分布区域有和喷孔壁面相分离并往喷孔中心部位发展的趋势。另外，从表1还可看出：对于任一喷孔，随着喷油压力的增加，喷孔内空穴分布区域的长度也是逐渐增加的，厚度也是逐渐变厚的，气相体积分数较大的区域及其峰值也均是逐渐增大的，即空化效应也是逐渐增强的。

罗福强等在研究基于喷雾动量的各孔喷油规律瞬态测试方法[10]时，定义了如公式(1)所示的孔间喷油量不均匀系数。为详细分析各孔内部流动特性的差异，特定义如公式(2)所示的孔间质量流量不均匀系数：

(1)

(2)

其中：qmax、qmin、qmean分别为各孔间最大、最小和平均循环喷油量；Rmax、Rmin、Rmean分别为各孔间最大、最小和平均质量流量。

不同喷油压力下最大针阀升程时各孔质量流量的差异及孔间质量流量不均匀系数如图3所示，各孔流量系数的差异如图4所示。

图3 不同喷油压力下各孔质量流量及不均匀系数

图4 不同喷油压力下各孔流量系数

从图3可以看出：随着喷孔轴线与针阀轴线夹角βi的增大(β4β3β2β5β1)，任一喷油压力下喷孔的质量流量均是逐渐降低的；同时，与之相对应，图4所示的各孔流量系数的差异也呈现出相同的变化趋势，这和流量系数的定义是一致的。同时，从图3和图4还可看出：随着喷油压力的升高，各孔的质量流量均是逐渐升高的，流量系数均是逐渐降低的，这和已有的基于各孔均布喷油器的研究结果是一致的[3]。另外，从图3还可看出：随着喷油压力的升高，孔间质量流量的不均匀系数是逐渐降低的，即孔间质量流量的差异在某种程度上是逐渐降低的，这和罗福强等的研究结果也具有一定的一致性[10]：对于机械泵，随着喷油泵转速的升高，孔间喷油量的不均匀系数是逐渐降低的。

2.2 不同喷油背压下各孔内部流动特性的差异

针阀全开、喷油压力60 MPa时各孔内空穴分布差异随喷油背压的变化如表2所示。可以看出：与喷油压力对各孔内空穴分布差异的影响规律相一致，任一喷油背压下，随着喷孔轴线与针阀轴线夹角βi的增加，其内部的空化效应也是逐渐增强的。但与喷油压力对各孔内空穴分布差异的影响规律不同的是：对于任一喷孔，随着喷油背压的增加，从空穴层的长度、空穴层的厚度、气相体积分数的峰值等方面评估的空化效应的强度都是逐渐减弱的，这可从孔1、孔4和孔5很明显地看出。

表2 不同喷油背压下各孔内部空穴分布(喷油压力60 MPa)

图5和图6所示分别为各孔质量流量和流量系数随喷油背压的变化。从图5可以看出：在同一喷油背压下，随着喷孔轴线与针阀轴线夹角βi的增大(β4β3β2β5β1)，喷孔的质量流量仍是逐渐降低的。同时，对于任一喷孔，随着喷油背压的增加，虽然喷孔质量流量的变化不是特别明显，但均呈现出逐渐下降的趋势。

图5 不同喷油背压下各孔质量流量

图6 不同喷油背压下各孔流量系数

从图6可以看出：虽然相同喷射条件下各孔流量系数的变化趋势与各孔质量流量的变化趋势相同：随着喷油背压的增加喷孔的流量系数逐渐降低，但对于任一喷孔，随着喷油背压的增加，喷孔的流量系数却是逐渐提高的，这和各孔均布喷油器喷孔流量系数随喷油背压变化的变化趋势是一致的[3]。

3 结论

(1)对于多孔喷油器，相同喷油压力下，随着喷孔轴线与针阀轴线夹角的增大，喷孔内的空化效应是逐渐增强的，喷孔的质量流量和流量系数是逐渐降低的；随着喷油压力的提高，各孔内的空化效应均是逐渐增强的，质量流量均是逐渐升高的，流量系数均是逐渐降低的。

(2)对于多孔喷油器，相同喷油背压下，随着喷孔轴线与针阀轴线夹角的增加，各孔内的空化效应也是逐渐增强的，质量流量和流量系数也是逐渐降低的；随着喷油背压的提高，各孔内的空化效应均逐渐减弱，质量流量均逐渐降低，流量系数均逐渐提高。

[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，高庆文.喷嘴几何参数对渐缩形喷孔喷嘴流动特性影响研究[J].内燃机,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]郑跃伟，崔慧峰.基于CFD的柴油机渐扩形喷孔喷嘴空穴流动特性研究[J].内燃机,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]王谦，李念，何志霞,等.柴油机双层多孔喷油嘴内部空穴两相流动研究[J].江苏大学学报(自然科学版),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，王谦，等.垂直多孔喷嘴内部空穴两相流动的三维数值模拟分析[J].机械工程学报,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，学士，助理工程师，从事发动机设计开发工作。E-mail：fkong@jmc.com.cn。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.12.010

TK423

A

1674-1986(2017)12-042-04