王啟航，張克文，侯方，韓祖豪，趙宏國(guó)

（道依茨一汽（大連）柴油機(jī)有限公司，大連116022）

K系數(shù)噴油嘴的CFD計(jì)算及試驗(yàn)研究

王啟航，張克文，侯方，韓祖豪，趙宏國(guó)

（道依茨一汽（大連）柴油機(jī)有限公司，大連116022）

應(yīng)用AVL FIRE軟件，對(duì)k系數(shù)噴油嘴進(jìn)行了三維流動(dòng)計(jì)算，并在CA4DC2柴油機(jī)上進(jìn)行了k=1.5和k=0噴油嘴的對(duì)比試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果表明：k=1.5系數(shù)噴油嘴全面改善了柴油機(jī)的性能指標(biāo)。

噴油嘴K系數(shù)數(shù)值模擬對(duì)比試驗(yàn)

1 前言

噴油嘴作為燃油噴入氣缸的最后環(huán)節(jié)，其性能直接影響柴油機(jī)的燃燒過(guò)程。國(guó)內(nèi)輕型車(chē)用柴油機(jī)大都采用了每缸2氣門(mén)結(jié)構(gòu)，噴油器偏置，噴孔錐角不同，使得噴油嘴各孔流量的均勻性不同。針對(duì)多孔噴油嘴，在不同的噴油壓力和噴油速率下，測(cè)試了噴射特征和柴油機(jī)性能，發(fā)現(xiàn)噴油嘴的前端結(jié)構(gòu)形狀、壓力室大小、噴孔參數(shù)和流通能力對(duì)燃燒過(guò)程有重要影響[1～3]。

現(xiàn)今制造技術(shù)的發(fā)展使得在噴油嘴上加工不同形狀的噴孔成為可能，包括很小的噴孔直徑、較大的進(jìn)口圓角，以及最新的制造技術(shù)可以在噴油嘴上加工幾排噴孔和錐形孔。在相同的噴油壓力下，不同形狀的噴孔可使排放降低，即在不增加附加損失的情況下降低排放，可以使燃油耗與排放之間有可能得到更好的折衷。近年來(lái)，錐形噴孔逐漸流行起來(lái)。錐形噴孔的噴油速度較高，噴束錐角小，結(jié)果對(duì)碳煙和NOx排放都有利。由于錐形孔會(huì)影響噴油嘴的流量系數(shù)，通常會(huì)調(diào)整噴孔直徑，使噴油嘴總的燃油流量保持相同。錐形噴孔的形狀會(huì)或正或負(fù)地影響到柴油機(jī)的排放和燃油耗[4～5]。

對(duì)于錐形噴油嘴，錐度系數(shù)k的定義（直徑用μm表示）為

本文利用FIRE軟件對(duì)常規(guī)直孔噴油嘴和帶錐度系數(shù)k的噴油嘴進(jìn)行三維流動(dòng)模擬，從理論上比較2種噴油嘴的流量系數(shù)和各孔油量的均勻性。并在CA4DC2發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)，來(lái)驗(yàn)證帶錐度系數(shù)k的噴油嘴對(duì)整機(jī)排放和性能的影響。

2 三維CFD流動(dòng)計(jì)算

噴油嘴規(guī)格參數(shù)見(jiàn)表1，噴油嘴三維數(shù)模由Pro/E構(gòu)建如圖1所示。由于噴油嘴體與噴孔的截面積變化大，對(duì)噴油嘴體與噴孔連接處的過(guò)渡圓角，2種結(jié)構(gòu)的噴油嘴都采用了R=0.02 mm，計(jì)算時(shí)此處的網(wǎng)格區(qū)域進(jìn)行了局部加密處理。網(wǎng)絡(luò)劃分工具采用了FIRE軟件中的FAME模塊。

表1 噴嘴規(guī)格

圖1 2種噴油嘴的三維數(shù)模

2.1 邊界條件

CA4DC2柴油機(jī)采用了BOSCH第2代CRS2.0共軌系統(tǒng)。MAP圖中部分工況的標(biāo)定軌壓已達(dá)到140 MPa，所以針閥在最大升程條件下，計(jì)算進(jìn)口壓力采用了140 MPa，出口壓力為8 MPa（缸壓）。由于噴油嘴內(nèi)燃油高速流動(dòng)，以及大的流動(dòng)變向會(huì)使局部壓力突然降到相應(yīng)的飽和蒸氣壓力下，從而產(chǎn)生氣泡，影響燃油噴射量。所以采用了多相流計(jì)算模型進(jìn)行穩(wěn)態(tài)計(jì)算，從理論角度分析錐度系數(shù)分別為k=1.5和k=0兩種噴油嘴噴孔內(nèi)的流動(dòng)特性。

2.2 計(jì)算結(jié)果

噴油嘴內(nèi)燃油的氣態(tài)與液態(tài)體積分布云圖見(jiàn)圖2。從圖中可知，k=0噴油嘴的噴孔進(jìn)口處液態(tài)燃油已經(jīng)產(chǎn)生明顯的氣蝕現(xiàn)象（白色表示燃油已經(jīng)霧化），在140 MPa的高壓下，噴孔內(nèi)液態(tài)的燃油已經(jīng)霧化。而在相同的壓力下，k=1.5噴油嘴由于噴孔入口截面積更大，有效地緩解了壓力的突變，降低了流動(dòng)損失，從而明顯地減輕了氣蝕現(xiàn)象的產(chǎn)生，僅在位于噴油嘴本體和噴油孔連接處產(chǎn)生氣蝕現(xiàn)象，且區(qū)域相對(duì)較小。

圖3至圖6分別給出了2種噴油嘴近壁面壓力場(chǎng)分布云圖、速度場(chǎng)分布云圖、速度矢量場(chǎng)分布云圖和湍動(dòng)能分布云圖。雖然在噴孔與噴油嘴體的結(jié)合部位通過(guò)液體擠壓珩磨而獲得的導(dǎo)向圓角的過(guò)渡半徑為R=0.02 mm，對(duì)于k=0的噴油嘴，當(dāng)軌壓提高到140 MPa時(shí)，仍產(chǎn)生了較明顯的氣穴現(xiàn)象，也正是因?yàn)槿肟趬毫Φ脑龃?，?dǎo)致了出口壓力損失的增大。而對(duì)于k=1.5的噴油嘴，出口處則沒(méi)有出現(xiàn)大的壓力損失，也就沒(méi)有出現(xiàn)大面積的柴油氣化現(xiàn)象，同時(shí)噴油嘴出口處的柴油速度明顯得到了提高。這是因?yàn)榱黧w的速度與截面積成反比，當(dāng)噴孔收縮后，橫截面積的減小，使速度增大而壓力降低。

圖7和圖8分別給出了2種噴油嘴的流量系數(shù)和各噴孔流量的百分比對(duì)比圖?？梢悦黠@地看出，相對(duì)于k=0噴油嘴，k=1.5噴油嘴在140 MPa的噴射壓力下，流量系數(shù)從0.76提高到0.83，且明顯改善了各噴孔流量的均勻性。

圖2 2種噴油嘴近壁面二相流體積分布云圖

圖3 2種噴油嘴近壁面壓力場(chǎng)分布云圖

3 試驗(yàn)研究

3.1 試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)

試驗(yàn)機(jī)為1臺(tái)CA4DC2型共軌柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，該機(jī)是長(zhǎng)春一汽集團(tuán)技術(shù)中心和一汽集團(tuán)大連柴油機(jī)分公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)的擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的國(guó)Ⅲ共軌柴油機(jī)。該機(jī)采用了BOSCH公司第2代CRS2.0共軌系統(tǒng)，最高允許軌壓為145 MPa。CA4DC2柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表2。

3.2 試驗(yàn)設(shè)備

排放試驗(yàn)按GB 17691－2005《車(chē)用壓燃式、氣體燃料點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)與汽車(chē)排氣污染物排放限值及測(cè)量方法》（中國(guó)Ⅲ、Ⅳ、V階段）、GB/T 17692－1999《汽車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)凈功率測(cè)試方法》和ESC規(guī)定的試驗(yàn)循環(huán)十三工況進(jìn)行。主要設(shè)備及儀器如表3所示。

圖4 2種噴油嘴近壁面速度場(chǎng)分布云圖

圖5 2種噴油嘴近壁面速度場(chǎng)分布云圖

圖6 2種噴油嘴近壁面湍動(dòng)能分布云圖

圖7 2種噴油嘴流量系數(shù)比較（140 MPa工況下）

圖8 2種噴油嘴各噴孔流量百分比

表2 CA4DC2柴油機(jī)技術(shù)參數(shù)

表3 設(shè)備及儀器

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

2種方案噴油嘴的外特性試驗(yàn)曲線如圖9所示。從圖中曲線可以看出，在相同的標(biāo)定數(shù)據(jù)和試驗(yàn)條件下，k=1.5系數(shù)噴油嘴在外特性煙度方面較k=0的噴油嘴優(yōu)勢(shì)較明顯，在1 800～3 200 r/min外特性體現(xiàn)出了較好的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)。從外特性的整體性能來(lái)看，k=1.5系數(shù)的噴油嘴在煙度和油耗指標(biāo)上取得了一定的優(yōu)勢(shì)。特別是在1 800～3 200 r/min的外特性區(qū)域，由于軌壓標(biāo)定都在120～140 MPa的范圍內(nèi)，k=1.5系數(shù)噴油嘴在高壓噴射下反映出的性能優(yōu)勢(shì)越明顯。

13工況的試驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，在A100、B100、C100的全負(fù)荷工況點(diǎn)，k=1.5系數(shù)噴油嘴特別在煙度方面體現(xiàn)出了明顯的優(yōu)勢(shì)。采用BOSCH公司的k=1.5系數(shù)噴油嘴，為CA4DC2柴油機(jī)滿足國(guó)Ⅲ排放的前提下，為獲得更有競(jìng)爭(zhēng)力的燃油經(jīng)濟(jì)性提供了基礎(chǔ)和保障。

圖9 2種噴油嘴外特性性能結(jié)果對(duì)比

圖10 2種噴油嘴13工況性能及煙度對(duì)比

4 結(jié)束語(yǔ)

應(yīng)用FIRE CFD流體計(jì)算軟件對(duì)k=1.5和k=0的噴油嘴進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)工況下的三維流動(dòng)計(jì)算，并在CA4DC2國(guó)Ⅲ共軌柴油機(jī)上進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)論如下：

（1）采用k=1.5系數(shù)的噴油嘴在140 MPa的軌壓下，相對(duì)k=0的噴油嘴，流量系數(shù)從0.76提升到0.83。

（2）相對(duì)于k=0噴油嘴，k=1.5噴油嘴改善了6個(gè)噴孔流量的均勻性。

（3）相對(duì)于k=0噴油嘴，k=1.5系數(shù)噴油嘴在CA4DC2整機(jī)的外特性和13工況排放對(duì)比試驗(yàn)中，k=1.5系數(shù)噴油嘴在整機(jī)的煙度、燃油經(jīng)濟(jì)性方面具有一定的優(yōu)勢(shì)。這種優(yōu)勢(shì)尤其體現(xiàn)在標(biāo)定軌壓較高的負(fù)荷區(qū)域。

1王啟航，童彤，張松濤等．2種結(jié)構(gòu)噴油嘴的流體動(dòng)力學(xué)（CFD）計(jì)算及試驗(yàn)研究[J]．現(xiàn)代車(chē)用動(dòng)力，2005（4）：33-36．

2趙洪學(xué)，陳兆坤．噴油器及流量控制[J]．現(xiàn)代車(chē)用動(dòng)力，2002（4）：34-37．

3徐波，張宗杰，戚茂國(guó)等．柴油機(jī)多孔式噴油嘴中燃油三維流動(dòng)分析[J]．現(xiàn)代車(chē)用動(dòng)力，2005（1）：17-21．

4王啟航、張克文、張松濤等．兩種5孔噴油嘴的流體動(dòng)力學(xué)（CFD）計(jì)算及試驗(yàn)研究[J]．車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)，2008（增刊）.

5田春霞、王啟航、張克文等．噴油嘴噴孔內(nèi)氣液兩相流動(dòng)的三維模擬[J].柴油機(jī)設(shè)計(jì)與制造，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

來(lái)稿日期：2012-05-19

王啟航（1971－），男，工學(xué)碩士，主要研究方向?yàn)檩p型車(chē)用柴油機(jī)整機(jī)開(kāi)發(fā)。