辅助加热喷油器内流场结构对燃油传热影响研究

曹加文，张振东

（1.200093 上海市 上海理工大学；2.215332 江苏省 昆山市 硅湖职业技术学院 ）

0 引言

醇类燃油是一种清洁的替代燃料，具有辛烷值高、含氧大的特点[1]，发动机可采用更高压缩比，在提高热效率的同时，降低污染物排放。然而，醇类燃油的蒸发潜热大，蒸发速度慢，着火性能差，直接对混合气形成和燃烧过程造成不利影响，在冷启动情况下，醇类燃油或酒精汽油经常导致发动机出现冷启动困难和燃油燃烧不充分等问题。改善醇类燃料的蒸发性能是实现醇类燃料的清洁、高效燃烧的关键，而达到这一目的的方法是对燃油的加热。国内处众多学者对此进行了大量研究，Fedor[2]等在单缸发动机上通过感应共轨加热方法，对GDI发动机油轨内的燃油进行加热；Raja[3]等为了减少火花式点火发动机冷启动时HC 排放，提出了一种进气加热的方法，减少150 CC 摩托车发动机HC排放；郝瑞东[4]等设计了一种汽车喷油嘴加热模块，通过软件测试其加热过程的电流、电压、频率以及占空比等喷油嘴实际工作过程中的参数，模拟了乙醇汽油冷启动加热的工作过程；Mangalla[5-6]等为了改善喷雾的蒸发、提高发动机的燃烧效率和降低排放，设计了一种局部接触微波加热喷油嘴，通过数值模拟和实验方法相结合对其乙醇喷雾特性进行研究。本文以进气道喷油器为对象，从燃油内部加热角度开展研究，通过在喷油器内部安装导热元件对燃油进行快速加热，提升燃油的温度，进而改善醇类燃油的蒸发性能。

1 模型建立

1.1 加热喷油器模型的建立

相对于传统的进气道喷油器，加热喷油器在结构设计上有较大改变，在喷油器油腔外增加了一个用于产生热量的零件——加热元件；在喷油器油腔内部，增加了一个用于改变燃油流动方向及轨迹的零件——导热元件，其目的是通过导热元件与下导管的稳态传热，使导热元件具有较高的温度。其结构如图1 所示。

图1 加热喷油器结构模型Fig.1 Structure model of heating injector

1.2 导热元件模型建立

在相同的喷射压力条件下，燃油从加热喷油器入口处到喷孔出口处的时间几乎是相同的。为了延缓燃油从喷孔喷出，延长燃油流动在喷油器油腔内的时间，使燃油在喷油器油腔内具有更长时间吸收更多的热量，因此，对喷油器的结构进行改进，增加了导热元件。为了研究辅助加热喷油器内部结构的变化对其燃油传热的影响，本文建立3 种结构模型的导热元件，并对不同结构模型的辅助加热喷油器进行燃油加热模拟研究。图2 为导热元件的参数定义，图2 中，NF——流道数量；θF——导流角度。图3 为不同参数的导热元件。

图2 导热元件模型及参数定义Fig.2 Thermal conductive element model and parameter definition

图3 不同导流角度的导热元件模型Fig.3 Thermal conductive element model with different conductivity angles

不同导热元件的加热喷油器模型定义：导流角为30°、流道数量为6 的模型定义为30A6F 喷油器，同理，定义50A6F 和90A6F 喷油器；不使用导热元件的加热喷油器定义为without AF 喷油器。

2 参数设置

2.1 零件材料特性

辅助加热喷油器由不同材料特性的零件组成，为了节省有限元计算时间，去除加热喷油器模型中对仿真结果影响较小的零件，如滤网、恢复弹簧、及密封圈等。加热喷油器模型的材料及其物化特性如表1 所示。

表1 加热喷油器主要零件材料属性表[7]Tab.1 Material properties of main parts of heating injector

2.2 仿真参数设置

为了比较不同模型燃料温度分布情况，对各个模型在相同的初始边界条件（相同的时间、步长、初始燃油温度、环境温度、加热条件等）下进行仿真，比较不同结构模型流体域的温度分布情况。喷油器的工作参数及测试燃油的物化参数如表2 所示。

表2 仿真参数设置Tab.2 Simulation parameter setting

3 仿真过程及结果分析

加热喷油器工作过程中燃油传热是一个复杂的过程，其传热过程受外部环境、燃油性质、燃油喷射压力及内部流动结构等因素的影响。对于喷油器固体域来说，它既产生热量，同时热量又不断被燃油吸收；对于燃油来说，它吸收着喷油器固体域产生的热量，由于燃油具有流动性，所以燃油吸热过程不是一种稳态过程，它随着燃油喷射压力的改变而改变，随着燃油种类的不同而变化。因此本文基于Workbench 工作平台，以瞬态热计算模块Transient Thermal 和流体力学计算模块Fluid Flow（Fluent）联合仿真，其流固体耦合传热过程如图4 所示。固体域的加热发生在项目B 模块中，产生热量；流体域的吸热发生在项目E 模块中。它们在某一时刻的传热情况都会在项目C 模块中耦合发生。由于加热喷油器加热的工作方式是固体域温度先升流体域才吸热的逻辑关系，因而在运算顺序上，项目B 瞬态加热优先于项目C 流动吸热。

图4 燃油传热耦合过程图Fig.4 Fuel heat transfer coupling process

3.1 不同模型固体域的温度分布情况

图5 所示为模型喷油器经过4 s 仿真后的温度分布情况。从图5 所知，应用导热元件的模型的喷油器温度上升规律几乎相同，工作4 s 后最高温度达到441.9 K，而without AF 模型其工作4 s 后最高温度达到528.7 K。由图5（a）可见温度在喷油器上不同零件的分布状况，加热元件产生的热大部分沿纵向传递，即喷油器轴线方向上下传热，横向只有较少热量传导到喷油器的塑料外壳上，without AF 模型温度上升最高。相比之下，应用导热元件的模型其传热情况变化较大，从图5（b）—图5（d）可以看出，部分热量除了纵向沿喷油器轴线上下传递之外，大部分热量沿径向向轴心传递，导致加热元件的大部分热量传递到导热元件、阀杆和钢球等零件上，使其温度上升。从图5（b）—图5（d）各模型温度分布可以看出，随着导流角度的增加，传递到导热元件的热量增加，导热元件温度上升。

图5 加热喷油器固体域温度分布Fig.5 Temperature distribution in solid area of heating injector

加热元件作为加热喷油器的热源，其温度随着工作时间的增加而上升，不同模型工作过程的加热元件温升曲线变化如图6 所示。由图6 可知，工作4 s 后应用导热元件的模型其加热元件最高温度为439 K，而without AF 模型最高温度达到了528.7 K。90A6F 模型温度上升速度略大于30A6F 和50A6F模型。加热过程中without AF 模型温度曲线斜率大于其他模型的斜率，说明其温度上升过快，这主要是因为without AF 模型只沿加热喷油器轴线方向上下传热，径向方向与燃油进行对流传热，尽管下导管的壁厚较小，但是径向方向的对流传热的效率还是远低于轴线上下方向固体零件之间的热传递效率。相反，由于导热元件的设计，应用导热元件的模型径向方向的固体域传热面积远远大于轴向方向的传热面积，因而其主要是沿着径向方向传递，少部分热量沿着轴向方向进行传递。

图6 加热元件温度变化曲线Fig.6 Heating element temperature change curve

3.2 不同模型流体域温度分布情况

流体域温度分布情况如图7 所示。图7（a）中，从流体域外表面温度分布情况来看，虽然without AF 模型其燃油表面温度最高达到501.9 K，但是从其剖面温度分布情况来分析，其高温燃油仅仅是分布在与加热元件同一高度位置处的流—固接触面附近，而且沿着径向方向的深度很浅。这是因为该模型产生的热量一部分沿着轴向方向传递，一部分沿着径向方向与燃油进行对流换热，由于轴向方向下导管的壁厚较小，随着热量的增加，轴向方向传热速率受限，因而下导管位置处聚集大量的热，从而导致该位置处燃油温度普遍偏高。但是由于受燃油流速的影响，径向深度较大的位置的燃油还未进行燃油间的热传递时，就在燃油压力的作用下快速流走。相反，从图7（b）—（d）可以看出，应用导热元件的模型其燃油最高温度仅为391.5 K，这是因为加热元件作用在下导管上的热量除了轴向方向的热量传递和径向方向与燃油进行对流换热外，径向方向还与导热元件、阀杆和钢球等零件进行稳态传热，这正如图6 所示应用导热元件的模型固体域温度低于without AF 模型固体域温度的原因。由于导热元件等零件参与的对流换热，30A6F 模型流体域内部燃油温度分布相对于without AF 模型的流体域燃油温度分布来说较为均匀，几乎所有燃油都参与了对流换热。

图7 加热喷油器流体域温度分布Fig.7 Temperature distribution in fluid area of heated injector

3.3 喷孔出口流体温度分布情况

图8 所示为不同模型喷孔出口处燃油温度分布情况。如图8（a）所示，without AF 模型其喷孔出口处燃油温度最高为326.5 K，而且分布不均匀，出口处燃油温度大部分面积属于低温区域，高、低温度差较大，这主要是其流体域表面温度较高，仅仅小部分燃油进行对流换热，流体域内部大部分燃油仍然没有参与对流换热或者高低温燃油之间的热传递，而这小部分高温燃油在流出喷孔前与低温燃油进行混合并传热，因而其喷孔出口处燃油温度较低。相比之下应用导热元件的模型中，30A6F、50A6F 和90A6F 模型喷油器其喷孔出口温度为最高，分别达到338.1，334.9，334.1 K，而且喷孔出口处燃油温度差较小，出口燃油温度分布较为均匀。

图8 给出喷孔出口处模型的喷孔出口处的燃油温度分布范围。从图8 可以看出，不同模型喷油器燃油温度提升范围各不相同，without AF 模型其喷孔出口燃油温度差为15.0 K，而应用导热元件的模型中，30A6F 模型的为3.0 K，50A6F 模型的为4.9 K，90A6F 模型的为7.5 K。说明不同结构的导热元件对其喷孔出口处燃油温度差影响过大。为了进一步分析喷孔出口处燃油各温度点的分布情况，本文利用MATLAB 图像处理技术，即数字图像颜色主分量和颜色分量比例获取方法，对这两种模型喷孔出口燃油温度云图各温度点颜色进行提取，算出各温度点颜色所占的百分比例，并对各温度点比例值进行曲线拟合，得出各模型出口处燃油温度比例分布规律，如图9 所示。

图8 不同模型喷孔出口温度分布情况Fig.8 Temperature distribution of nozzle outlets of different models

图9 喷孔出口燃油温度百分比分布Fig.9 Percentage distribution of fuel temperature at nozzle outlet

图9 中，点Min 表示喷孔出口处燃油最低温度点所占百分比，Max 点表示燃油最高温度点所占的百分比。从图9 中看出，without AF 模型其出口处最低温度值的燃油大约占45%，高温燃油大约占3%；而应用导热元件的模型中，30A6F模型的喷孔出口处最低燃油温度大约占41%；50A6F 模型的喷孔出口处最低燃油温度大约占52%；90A6F 模型的喷孔出口处最低燃油温度大约占33%。从图9 看出，不同模型的喷孔出口处燃油温度差各不相同，without AF 模型燃油温度差最大，30A6F 模型最小。这说明导热元件的增加大大改善喷油器内部燃油的传热效率，而且传热效率随着导流角的增加而下降。

4 结论

本文利用流体力学及热力学原理，结合CFD（Computational Fluid Dynamics）仿真技术，研究分析4 种加热喷油器模型的内部燃油传热情况，得到以下结论：

（1）利用数值模拟方法对辅助加热喷油器的燃油传热进行仿真，得到不同模型喷油器的燃油传热规律，揭示了不同结构对其燃油传热规律的影响。

（2）从流固耦合仿真结果分析：对于without AF 模型，其固体域温度上升速率较快，应用导热元件的模型其固体域温度上升速度大致相近；流体域温度分布中，without AF 模型较少的面积参与耦合传热，应用导热元件模型的较多面积参与耦合传热，其内部燃油温度分布较为均匀。with AF 模型喷孔出口处燃油温差较大，应用导热元件模型的喷孔出口处燃油温度差较小，且随着导流角度的减小而增加，燃油温度分布越均匀。

（3）运用MATLAB 图像颜色主分量和颜色分量比例获取方法，对比不同模型喷孔出口处各燃油温度段所占的面积比，得出4 种结构模型中的传热效果最好的为30A6F 模型。

综上所述，为了得到较好的传热效率，可以选择30A6F 模型这个方案。