16V265H油机喷孔结构对内部流场的影响

宋少文，王娟，李明海

(大连交通大学 交通运输工程学院，辽宁 大连 116028)

16V265H油机喷孔结构对内部流场的影响

宋少文，王娟，李明海

(大连交通大学 交通运输工程学院，辽宁 大连 116028)

针对16V265H柴油机喷油器，以三维CFD软件FIRE为平台，对喷孔内部空化流动进行了数值模拟.结果发现空化现象十分明显，特别是超空化流动在整个喷油过程中高达90%.另外，从空化分布、速度分布以及流量系数这三个角度分析了入口圆角半径、喷孔夹角以及喷孔长度等几何结构对喷孔内部流动情况的影响.

喷油嘴；空化；速度；流量系数

0 引言

喷油嘴是燃油喷射系统的核心部件，燃油在其内部的流动情况相当复杂，直接影响到燃油的雾化、燃烧及排放效果.根据质量守恒和动量守恒定律，当燃油经过喷孔入口处时，由于拐角以及流通横截面积减小会使得燃油的流速急剧增大，导致喷孔入口处产生压力降，当压力一旦低于燃油的饱和蒸汽压时，就会产生气泡，即空化现象[1- 2].

燃油喷雾与周围空气之间的摩擦只是影响燃油雾化的一个重要因素，而喷嘴内部的流动情况(湍流和空化)也起着举足轻重的作用[3].空化为燃油流动的不稳定性提供了原始动力，它对燃油的喷射速度和喷雾锥角有很大的影响.然而通过实验直接观察喷孔内部的流动情况很不现实，因为喷孔内部的流动情况不仅非常复杂，而且通常喷孔直径只有零点几毫米，再加上喷油持续期一般又非常短暂，使得CFD数值模拟成为研究喷嘴内部流动情况的有效途径.16V265H柴油机是我国为“和谐3”型内燃机车最新引进的配套产品，它是一款典型的大功率(最大功率为6 000马力)、高强化(最高喷射压力达到了160 MPa)柴油机，所以对其喷孔内部燃油流动情况进行研究非常有必要.本文采用三维CFD软件FIRE对16V265H柴油机喷孔内部的流动情况进行了仿真模拟.

1 数学模型

喷孔内部的流体主要成分是液态柴油和柴油蒸汽，所以计算采用双流体模型，连续性方程和动量方程作为基本控制方程，为了保证计算的精度以及稳定性，湍流模型采用k-ε双方程模型分别针对燃油的液态和气态，空化模型选择线性空化模型[4].

2 标况下喷孔内部的流动情况

2.1 标况下工作条件

该柴油机标准转速为1 000r/min.喷油器针阀升程为0.5mm，喷油持续期为-18～10°CA，当曲轴转角为5°CA时喷油压力达到最大值，约为160MPa.

2.2 喷油器模型

16V265H柴油机喷油器喷孔为9×Φ0.45mm，喷孔长度为1.6mm，喷孔夹角为154°.鉴于喷孔分布的特点具有对称性，所以为了简化模型以及减少计算时间，计算模型只有20°(单个喷孔的一半).图1(a)为Pro/E生成的三维实体模型，图1(b)为采用FIRE软件生成的三维网格模型.网格单元数为51 660.

(a)实体模型 (b)网格模型

图1 喷油器油路三维油路模型

2.3 边界条件

模型的进、出口均使用压力边界条件定义，进口压力随曲轴转动而变化，出口压力定义为4 MPa.柴油的饱和蒸汽压力设为892 Pa.

2.4 结果分析

喷孔内部流动状态一般划分为单向流、空化初生、部分空化以及超空化[5].-18～-16.9°CA期间都是单向流，即喷孔内的燃油都为液态，从-16.9°CA开始，燃油中开始出现气泡，即空化初生，随着喷油压力增大，气泡逐渐增多，空化现象更加明显，即部分空化，当曲轴转角为-16.5°CA时，空化区域已经蔓延至喷孔出口处，即为超空化现象.分析整个喷油过程发现空化现象十分普遍，特别是从-16.5～8.7°CA绝大多数时刻都是超空化流，占到整个喷油过程的90%.

空化现象会引起喷孔有效流通截面积发生变化，所以流量系数必然受到影响.喷孔的实际流量(模拟结果)与理论流量(计算结果)的比值即为流量系数，其计算公式为：

式中：qma为喷孔实际质量流量；A为出口横截面积；ρ为燃油密度[6].

-15.0～8°CA期间，针阀处于最大升程，喷孔流量系数稳定在0.72左右.但在整个喷油过程中流量系数最大值0.75并非出现在曲轴转角为5°CA时对应的喷油压力峰值处，而在8.1°CA，此时喷油压力仅为53MPa.造成这种现象的原因是5°CA时压力过高导致空化强度太大，使得喷孔有效流通截面积减小，造成流量系数有所下降，但是下降并不十分明显，这是因为超空化时液态燃油的流通面积虽然减小了，但是其轴向速度却大大提高，所以抑制了流量系数的减小.同理，-13°CA时的情况也可以如此解释.

3 喷孔几何结构对空化现象的影响

3.1 入口圆角对空化现象的影响

喷孔入口圆角通常用入口圆角半径和喷孔直径之比r/d表示.从图2中可以看出随着入口圆角半径的增加，空化现象明显减弱，r/d=0.3时，空化的区域基本消失.

入口圆角半径越大意味着喷孔入口附近的过渡更加平缓，流通截面积减少的速率降低，所以燃油通过喷孔入口附近会变得更加流畅，这样能大大降低流动损失，压力损失也会明显减小，从而使得空化现象得以减弱，燃油流动速度增加[7]，如图3所示.随着r/d的增大，流量系数也得到了明显提高，如图4所示，以曲轴转角5°CA时为例，此时针阀位于最大升程处，入口压力也达到了峰值，流量系数相对于原型增加的百分比依次为：0.09%、10.00%、19.90%、21.70%.由此可见，喷孔入口圆角对燃油的流动有很大影响.

(a)r/d=0.05 (b)r/d=0.1 (c)r/d=0.2 (d)r/d=0.3

图2 不同入口圆角半径时空化分布

(a)r/d=0.05 (b)r/d=0.1 (c)r/d=0.2 (d)r/d=0.3

图3 不同入口圆角半径时液态燃油速度分布

图4 不同入口圆角时流量系数

3.2 喷孔夹角对空化现象的影响

首先假设用A表示喷孔轴线与喷油嘴轴线之间所夹的锐角，即喷孔夹角的1/2，A角的变化值用ΔA表示.由图5可知，随着A角的减小，空化现象有减弱的趋势.

由于燃油在经过喷孔前的流动方向是自上而下的，所以A角减小时，燃油经过喷孔入口处时，能够更好地保持原来的方向，减少流动损失以及压力损失，从而使得空化现象减弱，燃油流动速度增加，这可以从图6中看出.随着A角的减小，喷孔流量系数也得到了一定提高，如图7所示，但是影响效果远远没有入口圆角明显.同样以曲轴转角5°CA时为例，喷孔流量系数相对于原型增加的百分比依次为：-2.21%、-1.08%、0.18%、0.22%.

(a)ΔA=10° (b)ΔA=5° (c)ΔA=-5° (d)ΔA=-10°

图5 不同喷孔夹角时空化分布

(a)ΔA=10° (b)ΔA=5° (c)ΔA=-5° (d)ΔA=-10°

图6 不同喷孔夹角时液态燃油速度分布

图7 不同喷孔夹角时流量系数

3.3 喷孔长度对空化现象的影响

喷孔长度与直径之比L/d是一个无量纲参数.如图8所示，随着喷孔长度的增加，喷孔入口附近空化现象基本相同，但是出口处的情况截然不同.

虽然喷孔长度增加，但是喷孔入口处附近的几何结构并没有改变，所以燃油在喷孔入口附近相同位置的流动情况几乎相同，空化现象并无差异，速度分布也相差无几，如图9所示，但是随着喷孔长度的增加，液态燃油又渐渐重新附着在喷孔内壁上，所以喷孔出口处的空化现象大大减弱，燃油的速度分布也明显不同.不同喷孔长度，虽然喷孔的流量系数在针阀上升过程中有少许变化，但是当针阀到达最大升程后几乎没有变化，如图10所示，然而由于针阀在上升过程中的时间相对于整个喷油持续期来说非常短暂，所以，总体来说，喷孔长度对喷孔的流量系数基本没有影响.

(a)L/d=2 (b)L/d=3.56(原型)(c)L/d=5 (d)L/d=8

图8 不同喷孔长径比时空化分布

(a)L/d=2 (b)L/d=3.56(原型)(c)L/d=5 (d)L/d=8

图9 不同喷孔长径比时液态燃油速度分布

图10 不同喷孔长径比时流量系数

4 结论

本文以三维CFD软件FIRE为平台针对16V265H柴油机喷油器对喷孔内部空化流动进行了数值模拟，结论如下：

(1)16V265H柴油机喷油器在标况下喷孔内部的空化现象十分明显，超空化现象持续时间在整个喷油过程中高达90%；

(2)增大入口圆角半径和减小喷孔夹角都会抑制空化现象，增加燃油流速，提高喷孔流量系数，但是喷孔夹角没有入口圆角影响明显；

(3)增加喷孔长度，在喷孔入口附近，流动情况几乎相同，但是出口处的空化现象有所减弱，速度分布也发生变化，喷孔长度对流量系数基本没有影响.

[1]VOLMAJERM，KEGLB.CavitationPhenomenaintheInjectionNozzle：TheoreticalandNumericalAnalysis[J].JournalofKONESInternalCombustionEngines，2004，11(3)：295- 303.

[2]沃恒洲，姚智华，张亚芳，等.发动机喷嘴空化特性研究进展[J]．内燃机，2011(1)：1- 5.

[3]王谦，柏金，何志霞，等．柴油机喷嘴空穴流动特性分析[J]．车用发动机，2010(3)：27- 33.

[4]张军，杜青，杨延相，等.柴油机不同类型喷嘴内部空化流动特性的研究[J].内燃机学报，2010，28(2)：133- 140.

[5]汪翔，苏万华.利用双流体模型研究柴油高压喷嘴内部的空化流动[J].科学通报，2008，53(15)：1864- 1870.

[6]沃恒洲，姚智华，张亚芳，等.发动机喷嘴内部空化初生的数值模拟研究[J].中国机械工程,2011，22(17)：2071- 2074.

[7]胡林峰，夏兴兰，郭立新.喷油嘴偶件内部流动特性的研究[J].现代车用动力,2009(4)：7- 13.

Influence of 16V265H Diesel Nozzle Structure on Internal Flow Field

SONG Shaowen，WANG Juan，LI Minghai

(School of Traffic and Transportation Engineering，Dalian Jiaotong University，Dalian 116028,China)

Aiming at 16V265H diesel injector,a simulation is performed with 3D CFD software FIRE as a platform.It is found that the cavitation is very obvious,especially the super-cavitation flow accounting for 90% in the entire injection process. In addition,the influence to nozzle hole flow situation of inlet rounded radius and angle between nozzle holes and nozzle hole length is analyze from the cavitation distribution,velocity distribution and the flow coefficient aspects.

nozzle;cavitation;velocity;flow coefficient

1673- 9590(2015)01- 0034- 05

2013- 11- 14

宋少文(1987-),男，硕士研究生;李明海(1962-)，男，教授,硕士，主要从事柴油机性能优化的研究

E-mail:Osaka1213@163.com.

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