一种新型燃油喷嘴结构设计及仿真分析

贾原杰，廖义德，杨 凯，杜彰伟

(武汉工程大学 机电工程学院，湖北 武汉 430205)

0 引 言

柴油机是一种经济、 节能、 高效率的动力系统，具有热效率高，可靠性好，耐久性和燃油性强等特点，有广泛的应用前景[1]. 但柴油机颗粒物排放严重地污染环境并危害人类健康，其排出的碳烟颗粒物可吸附大量有机物，是城市灰霾天气形成的重要因素[2-3]，还会引发人体的肺部和呼吸道疾病，严重的可能携带致癌物质导致癌症发生[4-6]. 因此其净化技术一直是人们研究的热点. 颗粒物捕集器(Diesel Particulate Filter, DPF)是控制柴油机颗粒物排放最有效的后处理设备，随着排放法规的日益严格，其应用将越来越广泛[7-8]. 在DPF主动再生中的排气管喷射需要用到燃油喷射单元IU.

燃油喷射单元IU即燃油喷嘴是DPF系统中极为关键的部件，柴油通过喷嘴以一定的雾化夹角均匀地喷射. 若燃油喷嘴的雾化质量差、 雾化夹角不恰当、 喷雾分布不均匀，就会增加污染的排放[9-15]. 现在一般采用离心式和直喷式喷嘴. 离心式喷嘴燃油控制反应快，雾化范围广，但其结构复杂，成本高，供油压力变化大，并且容易积碳和滴漏. 直喷式喷嘴结构简单，流动损失小，但其雾化夹角小，雾化质量差并且容易滴漏[16]. 因此设计了一种新型喷嘴. 这种喷嘴结构简单，可通过选取合适的喷嘴芯前端圆台夹角，控制喷雾夹角并精确地喷射燃油，提高了燃油雾化特性，当喷嘴停止工作时通过喷嘴芯前端圆台密封可以有效地减少滴漏现象的发生，还可通过将喷嘴主体固定在冷却水套中，通过冷却水进一步减少积碳.

这种燃油喷嘴设计时主要考虑喷嘴芯前端圆台夹角大小，它是影响喷嘴雾化效果的关键因素. 主要体现在不同的夹角对雾化夹角、 喷射范围、 出口截面处压力分布、 径向速度分布以及轴向速度分布有着极为重要的影响.

本文应用ANSYS Fluent流体仿真观察不同夹角喷嘴雾化效果，再对喷嘴流体特性进行分析，观察不同夹角对喷嘴射流的影响.

1 喷嘴结构设计和工作原理

燃油喷嘴结构由喷嘴体，喷嘴芯，弹簧，螺套组成. 其结构如图 1 和图 2 所示.

图 1 喷嘴二维截面型图Fig.1 Two-dimensional sectional view of the nozzle

图 2 三维模型Fig.2 3D model

1.1 喷嘴结构参数计算

已知燃油喷嘴的工作压力为p, 流量为Q，由此确定喷嘴的主要结构参数：螺套穿孔直径，喷嘴芯有效直径，喷嘴夹角.

当燃油喷嘴处于工作状态时，弹簧受力压缩，由力的平衡公式得

pA=KΔX,

(1)

式中：p为工作压力；A为有效面积；K为弹簧刚度； ΔX为弹簧压缩量.

假设为理想状态(水流无任何阻力)，喷嘴流量公式为

(2)

由式(2)推导出式(3)为

(3)

Q=d1-d2,

(4)

式中：Q为流量； Δp为进出口压力差；ρ为液体密度；D为有效直径；d1为螺套穿孔直径；d2为喷嘴芯有效直径.

式(3)中π,ρ, Δp均为恒定已知值，因此由式(3)和(4)可以确定螺套穿孔直径d1与喷嘴芯有效直径d2的关系.

利用求得的d1与d2的关系可以求出喷嘴夹角β. 如图 3 所示，当喷嘴工作时，弹簧受力压缩且压缩量为ΔX，因在同一工作压力下，弹簧形变量相同. 利用式(3)，(4)求得(d1-d2)的大小，进而求出喷嘴夹角β.

图 3 喷嘴工作图Fig.3 Nozzle worked diagram

依据三角函数关系式

(5)

式中：β为喷嘴夹角.

由式(5)推导出式(6)

(6)

依据求得的(d1-d2)及式(6)可以求得喷嘴夹角β.

由以上公式可以得出，喷嘴夹角β与流量成反比，夹角越大流量越小，雾化锥角越大. 夹角越小流量越大，雾化锥角越小. 在DPF主动再生系统中一般要求燃油喷射单元IU的雾化夹角为45°～60°之间，在满足雾化锥角和流量要求的前提下选择夹角为45°，50°，55°，60°，65°，70°的喷嘴，利用Fluent观察其雾化效果并进行射流仿真分析.

1.2 喷嘴原理

在喷嘴未启动工作之前，弹簧给予螺套向上的力，螺套带动喷嘴芯向上，此时喷嘴口关闭，这个力称为开启压力. 当燃油进入喷嘴，燃油压力大于开启压力时，螺套受力带动喷嘴芯移动，弹簧被压缩，油从喷嘴芯前端多个小孔流出，再从喷嘴芯与喷嘴体形成的环带雾化喷出. 当燃油压力低于开启压力时，喷嘴芯被拉回同时与喷嘴体密封，结束工作.

2 ANSYS仿真分析

2.1 网格划分

在ANSYS Workbench网格划分模块中依次设定喷嘴的入流口、 出流口、 边界层以及网格划分精度后进行网格划分，网格划分结果如图 4 所示.

图 4 喷嘴网格划分图Fig.4 Nozzle grid diagram

2.2 边界条件设定

喷嘴的初始条件如表 1 所示，湍流模型选用standardk-ε，解算器参数设定为非耦合隐式求解，二阶迎风格式，并且只考虑流体运动不考虑传热等问题，其余参数设置默认.

表 1 边界条件设置

3 仿真结果

3.1 不同夹角喷嘴的速度云图

通过Fluent仿真结果观察不同夹角的速度云图可直观地看到各种夹角的喷射效果. 在喷嘴工作时，雾化的燃油薄膜将途经的空气带走，在雾化薄膜两侧产生压力差，使雾化薄膜受到竖直和水平方向的力，进而产生竖直向上和水平方向的速度，形成如图 5～图 10 所示的不同夹角的速度云图，从中可以看出，这种喷嘴结构具有较好的雾化效果. 从图5～图6可看出，在夹角较小时，喷射区竖直方向长，水平方向窄.

图 5 夹角45°的速度云图Fig.5 45° angular velocity nephogram

图 6 夹角50°的速度云图Fig.6 50° angular velocity nephogram

从图5～图10可看出，随着夹角增大，喷射区竖直方向逐渐变短，水平方向逐渐变宽. 并且随着夹角的增大，雾化薄膜受到竖直向上的力逐渐变大，使得速度变化更为明显. 该结果与流体运动学分析结论一致.

图 7 夹角55°的速度云图Fig.7 55° angular velocity nephogram

图 8 夹角60°的速度云图Fig.8 60° angular velocity nephogram

图 9 夹角65°的速度云图Fig.9 65° angular velocity nephogram

图 10 夹角70°的速度云图Fig.10 70° angular velocity nephogram

3.2 不同夹角喷嘴出口处截面压力分布

从图 11～图 16 可得出，喷嘴夹角小于55°时喷嘴出口截面处压力变化趋势基本一致，在最靠近圆心处处于最大值，随着径向距离的增大，下降缓慢，在靠近外侧边缘处急剧下降.

图 11 夹角45°喷嘴出口截面处的压力分布Fig.11 Pressure distribution at the exit section of the 45° angular nozzle

图 12 夹角50°喷嘴出口截面处的压力分布Fig.12 Pressure distribution at the exit section of the 50° angular nozzle

图 13 夹角55°喷嘴出口截面处的压力分布Fig.13 Pressure distribution at the exit section of the 55° angular nozzle

在60°～70°之间，靠近圆心区域的压力处于最大值并且变化幅度很小，随着径向距离的增大，下降缓慢，在靠近外侧边缘处急剧下降. 随着夹角的增大，近圆心处的压力变化幅度越来越小，基本保持不变.

图 14 夹角60°喷嘴出口截面处的压力分布Fig.14 Pressure distribution at the exit section of the 60° angular nozzle

图 15 夹角65°喷嘴出口截面处的压力分布Fig.15 Pressure distribution at the exit section of the 65° angular nozzle

图 16 夹角70°喷嘴出口截面处的压力分布Fig.16 Pressure distribution at the exit section of the 70° angular nozzle

3.3 不同夹角喷嘴出口截面处的径向速度分布

从图 17～图 22 可得出，不同夹角在靠近圆心和外侧边缘区域其径向速度较低. 夹角越大，峰值出现的位置越靠近圆心，且数值越高.

图 18 夹角50°喷嘴出口截面处径向速度分布Fig.18 Radial velocity distribution at the exit section of the 50° angular nozzle

图 19 夹角55°喷嘴出口截面处径向速度分布Fig.19 Radial velocity distribution at the exit section of the 55° angular nozzle

从图17～图19可得出，当角度较小时，在峰值出现后，随着径向距离的增大，径向速度开始缓慢下降，在靠近外侧边缘急剧下降. 从图20～图22可得出，当角度大于55°后，在峰值出现后，随着径向距离的增大，径向速度略微下降后，呈现稳定趋势，然后在靠近外侧边缘处急剧下降.

图 20 夹角60°喷嘴出口截面处径向速度分布Fig.20 Radial velocity distribution at the exit section of the 60° angular nozzle

图 22 夹角70°喷嘴出口截面处径向速度分布Fig.22 Radial velocity distribution at the exit section of the 70° angular nozzle

3.4 不同夹角喷嘴出口截面处的轴向速度分布

从图 23～图 28 可得出，不同夹角出口截面轴向速度变化趋势大致相同，在靠近圆心和外侧边缘区域其轴向速度较低，随着径向距离的增大，轴向速度开始缓慢上升.

图 23 夹角45°喷嘴出口截面处轴向速度分布Fig.23 Axial velocity distribution at the exit section of the 45° angular nozzle

图 24 夹角50°喷嘴出口截面处轴向速度分布Fig.24 Axial velocity distribution at the exit section of the 50° angular nozzle

图 25 夹角55°喷嘴出口截面处轴向速度分布Fig.25 Axial velocity distribution at the exit section of the 55° angular nozzle

轴向速度峰值出现在靠近外侧边缘，且夹角越大，出口截面处轴向最大速度出现位置越靠近圆心，且数值越低.

图 26 夹角60°喷嘴出口截面处轴向速度分布Fig.26 Axial velocity distribution at the exit section of the 60° angular nozzle

图 27 夹角65°喷嘴出口截面处轴向速度分布Fig.27 Axial velocity distribution at the exit section of the 65° angular nozzle

图 28 夹角70°喷嘴出口截面处轴向速度分布Fig.28 Axial velocity distribution at the exit section of the 70° angular nozzle

4 结 论

1) 从分析结果可以看出，这种喷嘴结构具有良好的雾化效果. 在喷嘴夹角小于55°时，喷射区竖直方向长，水平方向窄； 喷嘴夹角大于60°时，喷射区竖直方向逐渐变短，水平方向逐渐变宽. 并且随着夹角的增大，雾化薄膜受到竖直向上的力逐渐变大，使得速度变化更为明显.

2) 喷嘴夹角小于55°时，出口截面径向上的压力在最靠近圆心处达到峰值，随着径向距离的增大，压力减小，下降幅度增大； 喷嘴夹角大于60°时，出口截面径向上的压力在近圆心处压力基本稳定，随着径向距离的增加，压力减小，靠近外侧边缘处下降幅度增大.

3) 随着喷嘴夹角的增大，出口截面处径向速度峰值出现的位置越靠近圆心，且数值越高. 当喷嘴夹角小于60°时，在峰值出现后，随着径向距离的增大，径向速度减小； 喷嘴夹角大于65°时，在峰值出现后，随着径向距离的增大，径向速度会先略微下降并保持，随后急剧下降.

4) 不同夹角轴向速度变化趋势大致相同，在靠近圆心和外侧边缘区域其轴向速度较低，中间区域随着径向距离的增大，轴向速度增长缓慢. 随着夹角的增大，出口截面处轴向最大速度出现位置越靠近圆心，且数值越低.