柴油机非对称喷油嘴内部空化流动特性的数值研究

苏航宇, 韩振南, 刘邱祖

(太原理工大学， 山西 太原 030024)

柴油机非对称喷油嘴内部空化流动特性的数值研究

苏航宇, 韩振南, 刘邱祖

(太原理工大学， 山西 太原 030024)

柴油机喷油嘴内部喷嘴流量和空化现象直接影响到燃油的喷射和雾化，进而影响柴油机的性能和排放。以两种非对称柴油机喷油嘴——小压力室喷油嘴(mini-sac)和无压力室喷油嘴(VCO)为例，通过Fluent软件对其进行空化和流量数值仿真，研究入口压力和背压参数对质量流量变化的影响。研究结果表明：在相同进出口压力下，mini-sac型喷油嘴各孔的流量均比VCO型的大；在较低和中等进口压力下VCO型喷油嘴各孔比mini-sac型更容易产生空化，而在较高的进口压力下这两种类型喷油嘴各孔产生空化难易程度基本一致；当进口压力不变时，随着出口压力的降低，在无空化产生时其质量流量与压力差呈线性关系；当空化出现时其质量流量继续增加，当出现超空化现象时该孔的质量流量不再变化；随着各孔的轴向夹角的增大，流量越小，空化越容易；对于这两种喷油嘴来说，只有mini-sac型孔3和孔4的空化出现在喷孔的上端和下端，其余孔的空化都只产生在上端。

柴油机； 喷油嘴； 空化； 数值模拟

在实际商业使用中的现代柴油机喷油器喷嘴有很多类型，而最常见的两种是小压力室喷油嘴和无压力室喷油嘴。不同种类和结构的喷油嘴其内部的流动特性和空化程度也不同，喷嘴内高度的湍流强度和气液两相的存在使得油液的流动变得很复杂。针对喷油嘴内部流动，大量的学者对此进行了研究：何志霞等[1]通过数值模拟和可视化试验分析了流量系数与空穴参数之间的关系；钟汶君等[2]通过可视化试验发现，增大喷孔长度和减小喷孔与喷嘴轴线间夹角都能抑制喷孔内空化现象；仇滔等[3]通过试验得出喷油器出口压力对喷油率的影响；Qiu T等[4]通过数值模拟研究了喷射背压对喷嘴内部空化发展的影响，特别是在堵塞过程中的流动特性；邵壮等[5]将高速摄影和长工作距离显微成像技术应用在可视化试验台上，分析了喷嘴几何结构对空穴临界初生现象的影响。

由于现代柴油机的压缩比逐渐提高，其进气压力也在不断增加，并且预喷会使在开始主喷时缸内压力很高，导致喷油嘴的出口压力不断增加，因此，柴油机燃油喷射特性必须考虑出口压力的影响。本研究采用不同的进口压力和背压来分析两种非对称喷油嘴(mini-sac和VCO)内部流动的质量流量和其空化特性。

1 数学模型

本研究采用Ansys 16.2 fluent软件进行数值计算。喷油嘴内部流动为三维空化两相湍流模型，此模型考虑了气液两相的相对滑动，并在湍流黏性计算中考虑因空化气泡产生的涡黏性的影响，能够反映流体更多细节[6]。其方程的具体描述如下：

连续性方程形式为

(1)

式中：l和k表示物质状态，k=1表示气相，k=2表示液相；ak为k相体积分数；ρk为k相密度；vk为k相的速度；t为时间；Γkl为k相和l相的质量传输。

k相体积分数必须满足

(2)

动量方程为

-αk··p+

(3)

两相间质量传输模型采用线性空化模型，方程如下：

(4)

相间动量传输模型采用空化多拽模型，方程如下：

(5)

离散方程均采用基于内节点的有限容积法，对压力场的修正采用PISOE算法，在空间离散利用高斯迎风格式以提高稳定性，其余的采用二阶迎风格式，时间采用隐式离散法。

2 物理模型

2.1 几何模型和计算网格

以两个孔数为5的不同喷嘴为研究对象，研究喷油器在最大针程下的空化特性和流动状况。各孔的分布规律见图1。

图1 喷孔分布参数

为方便比较两种非均匀类型的喷油嘴内部流动特性，这两种喷嘴选用相同的不均匀角度，其部分二维截面见图2。两个喷油嘴除底座结构不一致，喷孔长度和直径都相同，分别为970.7μm和170μm。

图2 喷油嘴结构

利用ICEM软件建立两种喷油器在其最大针程下内部流动区域的三维模型，并对其进行了网格划分。由于喷油管的流动特性比较复杂，所以采用混合网格，并对管壁网格进行加密处理。三维计算网格结果见图3。

图3 三维计算网格

2.2 边界条件

边界条件的设置见图4。入口处设置为压力入口，设定固定的喷射压力，出口为压力出口。为了更好地描述和比较在空化和非空化条件下的喷嘴，根据实际发动机运行条件，选择3个有代表性的喷射压力：低喷射压力(30MPa)，中等喷射压力(80MPa)和高喷射压力(160MPa)。出口压力是根据模拟结果来设定的，在临界空化状态时出口压力值设置得比较密集，以便于更准确地估计临界空化时的出口压力值。经过模拟得到了试验过程中所设定的出口压力值(见表1)。

图4 边界条件

进口压力/MPa喷嘴类型出口压力/MPa30mini⁃sac0，1，2，3，4，5，6，7，8，9，10，11，13，15，20VCO0，1，2，3，4，5，6，7，8，9，10，11，13，15，2080mini⁃sac1，3，4，5，6，7，8，9，10，13，15，18，20，21，22，23，24，25，26，27，28，29，30，31，32，33，35，40，50VCO1，3，4，5，6，7，8，9，10，13，15，18，20，21，22，23，24，25，26，27，28，29，30，31，32，33，35，40，50160mini⁃sac1，3，5，7，9，13，15，20，25，30，33，35，38，40，42，45，46，47，48，49，50，53，55，57，60，63，65，70，80VCO1，3，5，7，9，13，15，20，25，30，35，40，43，45，47，50，53，55，60，70，80

3 模拟计算结果与分析

表1的参数设定主要为达到两个目标：一方面，可以比较在大范围雷诺数(6 000～24 000)中流动的空化状态；另一方面，捕捉在固定喷射压力条件下的临界空化状态。

3.1 总流量与压力差关系的对比分析

图5示出了mini-sac和VCO两种喷油器5个孔的总流量与进出口压力差之间的关系。由图5可知，在任何相同的进出口压力下，mini-sac型的质量流量都比VCO型的大,这是由于mini-sac型喷油嘴在其喷孔进口上端处锥面存在一个偏转，从而减小了壁面对流动的阻碍。这两种喷油嘴的质量流量和压降的关系趋势在总体上是一致的。在进口压力不变的情况下，随着进出口压力差的不断增大，喷油器的质量流量也不断增大，且呈现线性增加趋势。当进出口压力差增大到一定值时，继续增大进出口压力其质量流量不再变化，此时的出口压力值被称为临界空化压力值。在文献[7-10]的空化试验中描述了这种现象。产生这种现象的主要原因是内部流动产生了空化，空化主要是通过喷嘴入口和出口的压力差来控制的。这种现象的捕获是通过对恒定的入口喷射压力和宽范围的出口背压进行数值模拟。由于在喷油管处的面积突然减少，局部压力低于蒸气压力，导致气穴的出现。此时燃料喷嘴内开始出现两相流动，称为空化初生(见图6)。随着压差的增加，气穴将不断地向喷油出口方向延伸。在空穴接近出口时燃料质量流量的增加速度减慢。一旦气穴到达喷嘴出口，就形成了超空化现象(见图5)。此时在喷油嘴出口处出现完全两相流动的情况，燃料的质量流率不随压降变化，这种现象被称为“堵塞”。整个过程对燃料雾化过程有重要影响。

图5 喷油嘴出口总流量与压力差关系曲线

3.2 各孔流动特性对比分析

为了分析非对称结构每个喷油孔的瞬态流动特性的差异，图7示出了每个喷油管在进口压力分别为30MPa，80MPa，160MPa时，在不同背压时质量流量与压力差开方值的关系。

图7 各孔质量流量与压力差开方的关系曲线

由图7可知，在相同的进出口压力下，mini-sac型喷油器的各孔的喷油率都比VCO型的高，只是每个喷油孔所达到完全空化时所对应的压力差不一样。根据质量流量的变化趋势和数值模拟显示的两相的体积分数云图可以近似得到在最大针程下的临界完全空化状态时的出口压力值(见表2)。

表2 临界完全空化出口压力值

由表2可知，在进口压力为30MPa和80MPa时，mini-sac型喷油器各孔的临界完全空化出口压力值都大于VCO型，其临界完全空化压力值由大到小依次为孔1、孔5、孔2、孔3、孔4;在进口压力为160MPa时，mini-sac型喷油器各孔的临界完全空化压力值与VCO型喷油器的相同。这说明在低等和中等的进口喷射压力下，VCO型喷油孔比mini-sac型喷油孔更容易产生空化。由图7可以看出，在中等进口压力的条件下，VCO型喷油器比mini-sac型的空化程度更强，尤其体现在孔3和孔4。这是因为mini-sac型喷油嘴有个较小的压力室，燃油进入压力室后有一个缓冲的效果，从而降低了压力室内部燃油和喷孔内部燃油的压力差；VCO型喷油器没有压力室，燃油直接从密封锥面流入喷油孔，这使得燃油的流动方向发生了较大的偏转，从而在喷油孔处形成了较大的压力差，燃油压力更容易在饱和蒸气压之下，更容易产生空化。而在高的进口压力下，绝对压力太大而使mini-sac型喷油器压力室的缓冲效果不明显，从而mini-sac型和VCO型喷油器的临界空化出口压力基本相同。

通过对比图7可以发现，mini-sac型喷油器和VCO型喷油器中各孔的质量流量大小顺序相同，依次为孔4、孔3、孔2、孔5、孔1。这与各孔的临界完全空化压力值次序恰好相反。根据该研究最初建立的物理模型可知，mini-sac型喷油器和VCO型喷油器各孔轴线与针阀轴线夹角(称为轴向夹角)是不同的，由大到小分别为孔1、孔5、孔2、孔3、孔4。由此可知，角度越大质量流量越小，其临界空化出口压力值越大。这是因为轴向夹角越小，燃油流动发生的偏转越小，从而使得壁面对燃油的阻碍较小，所以轴向角越小质量流量越大。然而燃油偏转越小则密封锥面与喷孔内部的燃油压力差越低，从而产生空化也就越难。

通过对比图8可以发现，mini-sac型喷油器孔3和孔4的空化发生在喷孔进口处的上端和下端，其余的基本上都发生在喷孔上端。这是因为mini-sac型喷油器孔3和孔4的轴向夹角较小，在其压力室产生的回流和喷孔入口下端燃油的压力差变大，使喷孔下端局部压力低于饱和蒸气压力，从而产生了下端的空化。

图8 产生空化时气相体积分数云图

4 结论

a) 在相同进出口压力下，mini-sac型喷油器对应各孔的流量均比VCO型的大；在较低和中等进口压力下VCO型喷油器各孔比mini-sac型更容易产生空化，而在较高的进口压力下这两种类型喷油器各孔产生空化难易程度基本一致；

b) 在一定的进出口压力下，对于mini-sac型和VCO型喷油器来说，各孔流量大小顺序相同，产生空化的容易程度顺序也相同，这说明随着各孔轴向夹角的增大，其流量越小，空化越容易；

c) 当进口压力不变时，随着出口压力的降低，在无空化产生时其质量流量与压力差呈线性关系；当空化出现时其质量流量继续增加，当出现超空化现象时该孔的质量流量不再变化；

d) 对于这两种喷油器来说，只有mini-sac型孔3和孔4的空化出现在喷孔的上端和下端，其余孔的空化都只产生在上端。

[1] 何志霞，柏金，王谦,等．柴油机喷嘴内空穴流动可视化试验与数值模拟[J]．农业机械学报，2011，42(11)：6-9．

[2] 钟汶君，何志霞，王谦，等．柴油机喷嘴内部流动可视化试验[J]．内燃机学报，2013，31(5)：431-435．

[3] 仇滔，冯祥，雷艳,等．出口压力对柴油喷油器流量特性影响的试验研究[J]．兵工学报，2013，36(5)：777-780．

[4]QiuT，SongX，LeiY，etal．Effectofbackpressureonnozzleinnerflowinfuelinjector[J]．Fuel，2016，17(3)：79-89．

[5] 邵壮，何志霞，钟汶君，等. 柴油机喷嘴内部空穴临界初生现象的试验研究[J].内燃机工程,2016,37(4):161-165.

[6] 丁红元，刘芬，黄荣华，等.直喷汽油机多孔喷油器喷嘴内部流动数值模拟[J].农业机械学报，2013,44(3)：6-11.

[7] 仇滔，徐慧，雷艳,等.柴油机喷孔内空化过程及影响参数的试验研究[J].兵工学报，2016,37(11)：2114-2119.

[8]SalvadorFJ,Martínez-LópezJ,CaballerM,etal.StudyoftheinfluenceoftheneedleliftontheinternalflowandcavitationphenomenonindieselinjectornozzlesbyCFDusingRANSmethods[J].EnergyConversManage, 2013,66(3):246-256.

[9]PayriF,BermúdezV,PayriR,etal.Theinfluenceofcavitationontheinternalflowandthespraycharacteristicsindieselinjectionnozzles[J].Fuel,2004,83(4/5):419-431.

[10] Payri F,Payri R,Salvador F J,et al.A contribution to theunderstanding of cavitation effects in diesel injector nozzles through a combined experimental and computational investigation [J].Computers and Fluids,2012,58(58):88-101.

[编辑： 姜晓博]

Numerical Investigation on Cavitation Flow Characteristics Inside Diesel Asymmetric Injection Nozzle

SU Hangyu, HAN Zhennan， LIU Qiuzu

(Taiyuan University of Science and Technology, Taiyuan 030024, China)

The nozzle flow and cavitation of diesel engine nozzle directly affected the fuel injection and atomization, which affected the performance and emissions of diesel engine. Taking two asymmetric nozzles of mini-sac and VCO as examples, the influences of entrance pressure and back pressure on mass flow rate were researched through the simulation of cavitation and flow with Fluent software. The results show that the flow of each orifice for mini-sac nozzle is larger than that for VCO nozzle. VCO nozzle is easier to produce cavitation at low and medium pressure，but the probability to generate cavitation for both types of nozzles is nearly the same at high pressure. The mass flow is linear to pressure difference with the decrease of outlet pressure at constant inlet pressure when the cavitation doesnot occur, increases continually when the cavitation happens and keeps unchanged when the super cavitation happens. In addition, the mass flow becomes small and the cavitation becomes sensitive with the increase of axial included angle. For the two types of nozzles, the cavitation of orifice happens mainly at upper part except that that the cavitation of third and fourth orifice for mini-sac nozzle happens at upper and lower part.

diesel engine; injection nozzle; cavitation; numerical simulation

2017-04-18；

2017-07-20

苏航宇(1993—)，男，硕士，主要研究方向为柴油机燃油喷射系统的优化设计；2280310396@qq.com。

韩振南(1958—)，男，教授，主要研究方向为车辆传动故障诊断分析、车辆振动与噪声控制；zhennan_han@hotmail．com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2017.04.010

TK423.84

B

1001-2222(2017)04-0048-05