K系数喷油嘴的CFD计算及试验研究

王启航，张克文，侯方，韩祖豪，赵宏国

（道依茨一汽（大连）柴油机有限公司，大连116022）

K系数喷油嘴的CFD计算及试验研究

王启航，张克文，侯方，韩祖豪，赵宏国

（道依茨一汽（大连）柴油机有限公司，大连116022）

应用AVL FIRE软件，对k系数喷油嘴进行了三维流动计算，并在CA4DC2柴油机上进行了k=1.5和k=0喷油嘴的对比试验研究，试验结果表明：k=1.5系数喷油嘴全面改善了柴油机的性能指标。

喷油嘴K系数数值模拟对比试验

1 前言

喷油嘴作为燃油喷入气缸的最后环节，其性能直接影响柴油机的燃烧过程。国内轻型车用柴油机大都采用了每缸2气门结构，喷油器偏置，喷孔锥角不同，使得喷油嘴各孔流量的均匀性不同。针对多孔喷油嘴，在不同的喷油压力和喷油速率下，测试了喷射特征和柴油机性能，发现喷油嘴的前端结构形状、压力室大小、喷孔参数和流通能力对燃烧过程有重要影响[1～3]。

现今制造技术的发展使得在喷油嘴上加工不同形状的喷孔成为可能，包括很小的喷孔直径、较大的进口圆角，以及最新的制造技术可以在喷油嘴上加工几排喷孔和锥形孔。在相同的喷油压力下，不同形状的喷孔可使排放降低，即在不增加附加损失的情况下降低排放，可以使燃油耗与排放之间有可能得到更好的折衷。近年来，锥形喷孔逐渐流行起来。锥形喷孔的喷油速度较高，喷束锥角小，结果对碳烟和NOx排放都有利。由于锥形孔会影响喷油嘴的流量系数，通常会调整喷孔直径，使喷油嘴总的燃油流量保持相同。锥形喷孔的形状会或正或负地影响到柴油机的排放和燃油耗[4～5]。

对于锥形喷油嘴，锥度系数k的定义（直径用μm表示）为

本文利用FIRE软件对常规直孔喷油嘴和带锥度系数k的喷油嘴进行三维流动模拟，从理论上比较2种喷油嘴的流量系数和各孔油量的均匀性。并在CA4DC2发动机上进行了对比试验，来验证带锥度系数k的喷油嘴对整机排放和性能的影响。

2 三维CFD流动计算

喷油嘴规格参数见表1，喷油嘴三维数模由Pro/E构建如图1所示。由于喷油嘴体与喷孔的截面积变化大，对喷油嘴体与喷孔连接处的过渡圆角，2种结构的喷油嘴都采用了R=0.02 mm，计算时此处的网格区域进行了局部加密处理。网络划分工具采用了FIRE软件中的FAME模块。

表1 喷嘴规格

图1 2种喷油嘴的三维数模

2.1 边界条件

CA4DC2柴油机采用了BOSCH第2代CRS2.0共轨系统。MAP图中部分工况的标定轨压已达到140 MPa，所以针阀在最大升程条件下，计算进口压力采用了140 MPa，出口压力为8 MPa（缸压）。由于喷油嘴内燃油高速流动，以及大的流动变向会使局部压力突然降到相应的饱和蒸气压力下，从而产生气泡，影响燃油喷射量。所以采用了多相流计算模型进行稳态计算，从理论角度分析锥度系数分别为k=1.5和k=0两种喷油嘴喷孔内的流动特性。

2.2 计算结果

喷油嘴内燃油的气态与液态体积分布云图见图2。从图中可知，k=0喷油嘴的喷孔进口处液态燃油已经产生明显的气蚀现象（白色表示燃油已经雾化），在140 MPa的高压下，喷孔内液态的燃油已经雾化。而在相同的压力下，k=1.5喷油嘴由于喷孔入口截面积更大，有效地缓解了压力的突变，降低了流动损失，从而明显地减轻了气蚀现象的产生，仅在位于喷油嘴本体和喷油孔连接处产生气蚀现象，且区域相对较小。

图3至图6分别给出了2种喷油嘴近壁面压力场分布云图、速度场分布云图、速度矢量场分布云图和湍动能分布云图。虽然在喷孔与喷油嘴体的结合部位通过液体挤压珩磨而获得的导向圆角的过渡半径为R=0.02 mm，对于k=0的喷油嘴，当轨压提高到140 MPa时，仍产生了较明显的气穴现象，也正是因为入口压力的增大，导致了出口压力损失的增大。而对于k=1.5的喷油嘴，出口处则没有出现大的压力损失，也就没有出现大面积的柴油气化现象，同时喷油嘴出口处的柴油速度明显得到了提高。这是因为流体的速度与截面积成反比，当喷孔收缩后，横截面积的减小，使速度增大而压力降低。

图7和图8分别给出了2种喷油嘴的流量系数和各喷孔流量的百分比对比图。可以明显地看出，相对于k=0喷油嘴，k=1.5喷油嘴在140 MPa的喷射压力下，流量系数从0.76提高到0.83，且明显改善了各喷孔流量的均匀性。

图2 2种喷油嘴近壁面二相流体积分布云图

图3 2种喷油嘴近壁面压力场分布云图

3 试验研究

3.1 试验发动机

试验机为1台CA4DC2型共轨柴油发动机，该机是长春一汽集团技术中心和一汽集团大连柴油机分公司联合开发的拥有自主知识产权的国Ⅲ共轨柴油机。该机采用了BOSCH公司第2代CRS2.0共轨系统，最高允许轨压为145 MPa。CA4DC2柴油机主要技术参数见表2。

3.2 试验设备

排放试验按GB 17691－2005《车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车排气污染物排放限值及测量方法》（中国Ⅲ、Ⅳ、V阶段）、GB/T 17692－1999《汽车用发动机净功率测试方法》和ESC规定的试验循环十三工况进行。主要设备及仪器如表3所示。

图4 2种喷油嘴近壁面速度场分布云图

图5 2种喷油嘴近壁面速度场分布云图

图6 2种喷油嘴近壁面湍动能分布云图

图7 2种喷油嘴流量系数比较（140 MPa工况下）

图8 2种喷油嘴各喷孔流量百分比

表2 CA4DC2柴油机技术参数

表3 设备及仪器

3.3 试验结果

2种方案喷油嘴的外特性试验曲线如图9所示。从图中曲线可以看出，在相同的标定数据和试验条件下，k=1.5系数喷油嘴在外特性烟度方面较k=0的喷油嘴优势较明显，在1 800～3 200 r/min外特性体现出了较好的经济性指标。从外特性的整体性能来看，k=1.5系数的喷油嘴在烟度和油耗指标上取得了一定的优势。特别是在1 800～3 200 r/min的外特性区域，由于轨压标定都在120～140 MPa的范围内，k=1.5系数喷油嘴在高压喷射下反映出的性能优势越明显。

13工况的试验结果如图10所示。从试验结果可以看出，在A100、B100、C100的全负荷工况点，k=1.5系数喷油嘴特别在烟度方面体现出了明显的优势。采用BOSCH公司的k=1.5系数喷油嘴，为CA4DC2柴油机满足国Ⅲ排放的前提下，为获得更有竞争力的燃油经济性提供了基础和保障。

图9 2种喷油嘴外特性性能结果对比

图10 2种喷油嘴13工况性能及烟度对比

4 结束语

应用FIRE CFD流体计算软件对k=1.5和k=0的喷油嘴进行了稳态工况下的三维流动计算，并在CA4DC2国Ⅲ共轨柴油机上进行了对比试验，结论如下：

（1）采用k=1.5系数的喷油嘴在140 MPa的轨压下，相对k=0的喷油嘴，流量系数从0.76提升到0.83。

（2）相对于k=0喷油嘴，k=1.5喷油嘴改善了6个喷孔流量的均匀性。

（3）相对于k=0喷油嘴，k=1.5系数喷油嘴在CA4DC2整机的外特性和13工况排放对比试验中，k=1.5系数喷油嘴在整机的烟度、燃油经济性方面具有一定的优势。这种优势尤其体现在标定轨压较高的负荷区域。

1王启航，童彤，张松涛等．2种结构喷油嘴的流体动力学（CFD）计算及试验研究[J]．现代车用动力，2005（4）：33-36．

2赵洪学，陈兆坤．喷油器及流量控制[J]．现代车用动力，2002（4）：34-37．

3徐波，张宗杰，戚茂国等．柴油机多孔式喷油嘴中燃油三维流动分析[J]．现代车用动力，2005（1）：17-21．

4王启航、张克文、张松涛等．两种5孔喷油嘴的流体动力学（CFD）计算及试验研究[J]．车用发动机，2008（增刊）.

5田春霞、王启航、张克文等．喷油嘴喷孔内气液两相流动的三维模拟[J].柴油机设计与制造，2008（3）.

CFD Calculation and Experiment Study on K-Coefficient Nozzle

Wang Qihang,Zhang Kewei,Hou Fang,Han Zhuhao,Zhao Hongguo
（DEUTZ（Dalian）Diesel Engine Works,Dalian,116022 China）

Three dimensional simulations were made for K-coefficient nozzle by means of AVL FIRE software.Comparative experiments of nozzles of k=1.5 and k=0 were carried out on CA4DC2 Engine.It was found that the engine performance was overall improved with the nozzle of k=1.5.

nozzle,K-coefficient,numerical simulation,comparative test

10.3969/j.issn.1671-0614.2012.03.001

来稿日期：2012-05-19

王启航（1971－），男，工学硕士，主要研究方向为轻型车用柴油机整机开发。