楚家旺,李曉軍，李明海

(1.大連交通大學 交通運輸工程學院，遼寧 大連 116028；2.大連市產(chǎn)品質(zhì)量檢測研究院，遼寧 大連 116000)

0　引言

隨著柴油機向節(jié)能和低排放的方向發(fā)展，對燃油噴射系統(tǒng)提出了更高噴射壓力的要求.噴油器中的針閥偶件也是燃油噴射系統(tǒng)中非常重要的一部分，其結(jié)構對燃油系統(tǒng)噴射壓力有很大的影響.燃油在經(jīng)過針閥體上部的環(huán)形槽的時候，油道的截面積突然變大，這樣就造成了一定的壓力損失，使得整個噴油器的噴油壓力降低[1].文獻[2- 4]分別對針閥偶件做了部分改進，在一定程度上提高了燃油噴射特性.一直以來，針閥卡死的現(xiàn)象也是一個令人困擾的問題，也是一個容易被研究者忽略的問題.文獻[5]描述了針閥卡死的現(xiàn)象及原因.在噴油器工作的過程中，由于針閥與針閥體的配合間隙極小，當柴油中帶有雜質(zhì)以及針閥的溫度過高時，很容易導致針閥卡死的現(xiàn)象[5].針閥卡死以后，即使通過清理與修復，往往其性能也會大幅度下降，有相當一部分會不能繼續(xù)使用.而針閥偶件損壞以后，只能成對更換，不同號針閥的偶件不能任意的代用.

本次設計取消了針閥偶件上部的環(huán)形槽，用銷釘把針閥偶件與噴油器體定位，油道直通蓄壓腔，能在一定程度上降低燃油壓力損失.通過把針閥均布的銑掉三部分作為油道，增大了針閥與針閥體間隙，使針閥與針閥體間有良好的潤滑，能在一定程度上改善甚至避免針閥卡死的現(xiàn)象.

1　噴油器針閥偶件的結(jié)構改進與分析

原始的16V280ZJ型噴油器針閥偶件如圖1所示.在16V280ZJ型噴油器的基礎上，做了如下三種的改進，如圖2、3、4所示.方案一(圖2所示)通過把針閥均布的銑掉厚度為d的三部分作為油道，并在針閥體內(nèi)部開環(huán)形槽把針閥與針閥體間的三個間隙連接起來，并且調(diào)整三個側(cè)向進油道的角度，讓從三個側(cè)向油道下來的燃油并不是直達蓄壓腔，而是經(jīng)過針閥與針閥體間的間隙再達蓄壓腔.而側(cè)向油道的直徑保持3 mm不變.方案二只對針閥體作部分改進(圖3所示)，在原始針閥體的基礎上，取消上部的環(huán)形槽，用兩個銷釘把針閥偶件與噴油器體定位.方案三相當于綜合了方案一與方案二(圖4所示)，在方案一的基礎上，取消了針閥偶件上方的環(huán)形油槽，用銷釘把針閥偶件與噴油器體定位.銑針閥的時候，應選擇合適的厚度，使銑去部分的截面積接近于三個側(cè)向油道的截面積，經(jīng)計算取d=0.9 mm.具體的設計方案見表1所示.

(a) 針閥偶件(b) 針閥體(c) 針閥

圖1原始的針閥偶件

(a) 針閥體 (b) 針閥 (c) 針閥剖視圖

圖2方案一的針閥偶件

(a) 針閥體(b) 針閥體俯視圖

圖3方案二的針閥偶件

(a) 針閥體 (b) 針閥 (c) 針閥剖視圖

圖4 方案三的針閥偶件

由于針閥與針閥體的配合間隙極小(尤其是蓄壓腔上部的部分)，當柴油中帶有雜質(zhì)以及針閥的溫度過高時，很容易導致針閥卡死的現(xiàn)象.改進一把針閥銑去三部分作為油道，這樣使得針閥與針閥體之間有一部分空隙，減少了燃油中雜質(zhì)使針閥卡死的現(xiàn)象.同時，由于增加了柴油與針閥的接觸面積，通過柴油的流動，能在一定程度上降低針閥與針閥體的溫度，減少噴油器過熱引起的針閥卡死的現(xiàn)象.改進二通過取消針閥體上部的環(huán)形槽，能在一定程度上降低油道截面積的變化帶來的壓力損失.而改進三綜合了改進一與改進二，既提高了燃油壓力，又能降低針閥卡死的現(xiàn)象.改進過后針閥偶件的開啟壓力與關閉壓力會有所改變，我們可以通過調(diào)節(jié)彈簧的預緊力來進行調(diào)整.

2　模型的計算

2．1　對針閥偶件內(nèi)部油道進行建模

(a) 原始模型(b) 方案一

(c) 方案二 (d) 方案三

圖5改進前后的油道模型

根據(jù)原來16V280ZJ 型針閥偶件圖紙，通過相關計算，利用Solidworks三維軟件建立針閥最大升程時針閥偶件內(nèi)部油道模型，如圖5所示.將模型存儲為step格式文件，由于模型是對稱的，取模型的1/2導入到hypermesh中進行網(wǎng)格劃分，將劃分好的CFD網(wǎng)格導入到Fluent進行求解.

2.2　運用Fluent對改進前后油道流場進行計算

工作介質(zhì)(0#柴油)的密度為850 kg/m3, 運動粘度取ν=5.882 mm2/s, 則動力黏度μ=0.005 kg/(m·s).關于進出口邊界條件的設定，這里采用壓力進口與壓力出口.查閱16V280ZJ型柴油機相關資料，最大工況下的油管壓力，氣缸壓力，針閥升程隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化曲線如圖6、7所示，這里取針閥最大升程時，油管壓力最高時作為本文的邊界條件.從圖上可以看出，針閥達到最大升程0.6 mm時，最大的油管壓力為108 MPa，對應的氣缸壓力為4.2 MPa.因此，進口壓力為最大的油管壓力108 MPa，出口壓力為對應的氣缸壓力4.2 MPa.

圖6　油管壓力與氣缸壓力隨曲軸轉(zhuǎn)角變化的曲線

圖7　針閥升程隨曲軸轉(zhuǎn)角變化的曲線

3　對Fluent模擬結(jié)果的分析

(a) 原始的(b) 方案一(c) 方案二(d) 方案三

圖8改進前后油道上部壓力云圖

由于整個流場的壓力變化范圍很大，而我們的改進主要在蓄壓腔上面的部分，而上部的壓力變化相對比較小，為了看清蓄壓腔上部的壓力變化，使它能在壓力云圖上清晰地表達出來，我們分兩部分來顯示.把fluent計算后的結(jié)果導入到Tecplot中進行后處理.為了顯示出改進部位的壓力變化情況，我們截取油道的上部，并顯示其壓力與圖，改進前后的壓力云圖如圖8所示.

從圖上可以看出，截取部分的壓力變化相對較小，為了比較明顯的看出四種方案壓力變化的不同，我們在四個油道取壓力變化相同的區(qū)間(9.5E+07～1.08E+8 Pa).對比(a)、(b)、(c)、(d)四幅圖，我們可以看出在進出口邊界條件相同的情況下，方案二的壓力損失最小，其次是方案三，再次是原始的，而改進二(方案一)壓力損失最大.從結(jié)構上來說，對比原始的油道，由于環(huán)形槽的截面積大于三個側(cè)向油道的截面積之和，燃油從環(huán)形槽流向側(cè)向油道的時候就會產(chǎn)生一部分壓力差.而方案二取消了上部的油槽，避免了環(huán)形槽截面積變化帶來的壓力損失.改進一則是在側(cè)向油道與蓄壓腔之間又增加了一個環(huán)形槽，相對于原始的來說又進一步加劇了壓力損失.方案三取消了上部的環(huán)形槽，在三個側(cè)向油道與蓄壓腔之間增加了一個截面積相對較小的環(huán)形槽，相對于改進一來說，壓力損失有所減小，但是壓力損失要大于方案二.而從圖上我們可以看出，方案三的壓力損失小于原始的油道壓損失.為了得出四種方案改進部分具體的壓力損失情況，以原始的針閥偶件為例，如圖9所示，取蓄壓腔下部Y=-37.5 mm的面，在Fluent中得出四個方案Y=-37.5 mm的面Area-Weighted Average(面積加權平均)壓力，如表2所示.

圖9　Y=-37.5 mm面的位置

表2　Y=-37.5 mm面的面積平均加權壓力

為了查看噴孔前的流動情況，我們截取X=0的平面，其壓力云圖如圖10所示，可以看出壓力在噴孔前的某一部位有大幅度的下降，但是其開始下降的點距離噴孔前的距離卻是不一樣的.噴孔前的壓力下降的原因是噴孔節(jié)流作用，噴孔前的速度突然增加，高達幾百米每秒，壓力開始逐漸下降，甚至出現(xiàn)了一部分負壓.相對原始的油道，方案二與方案三明顯的可以看出其開始下降的點離噴孔前的位置比較近，原因就是取消了針閥體上部的環(huán)形槽，使壓力損失降到最低.方案一是四幅圖里面壓力變化最明顯的，由于其在原始的基礎上又增加了一個環(huán)形油槽，導致壓力損失大于原始的油道.

(a) 原始的(b) 方案一(c) 方案二(d) 方案三

圖10X=0平面的壓力云圖

我們?nèi)毫κ抑衁=-67 mm處的面，其位置如圖11所示，在Fluent中得出其面積平均加權圧力.如表3所示.

圖11　Y=-67 mm面的位置

壓力測試面Y=-67mm面平均壓力/MPa原始的91．251方案一90．775方案二93．810方案三93．724

4　結(jié)論

(1)針閥偶件上部的環(huán)形槽會加劇燃油壓力的損失，通過取消環(huán)形槽，使得噴油器的噴射壓力提高;

(2)由于針閥與針閥體的配合間隙極小，通過銑掉針閥的三個面，作為油道的一部分，會使針閥與針閥偶件有良好的潤滑，能降低甚至避免出現(xiàn)針閥卡死的現(xiàn)象;

(3)方案三相對于原始的針閥偶件，既增加的噴油器的噴射壓力，又能降低甚至避免針閥卡死的現(xiàn)象.因此，方案三能夠作為本次設計的最佳方案.

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