王憲成，趙文柱,2，李本正，黃勇，張志遠

(1.陸軍裝甲兵學院車輛工程系, 北京 100072；2.武警工程大學烏魯木齊校區(qū)裝甲車技術系，新疆 烏魯木齊 830049)

噴油器作為燃油供給系統(tǒng)的關鍵部件，其技術狀況直接決定噴霧質量，對燃燒性能有很大影響。在柴油機工作過程中，噴油器噴孔受高溫條件的影響，容易產生積炭，堆積在噴孔周圍，導致噴霧和燃燒質量變差[1-2]，制約柴油機性能的正常發(fā)揮。

研究表明[3-6]：溫度是影響積炭形成的關鍵因素之一，溫度不同，積炭結構和生成量也不相同。目前，柴油機燃燒室組件溫度場的研究主要集中在活塞、缸套和氣缸蓋等部件[7-10]，對噴油器針閥體溫度場的研究較少。柴油機工作環(huán)境惡劣，缸內溫度和壓力急劇變化，噴油器噴孔直徑尺寸較小，因此很難通過試驗測量噴孔內部以及出口區(qū)域的溫度分布。袁江濤[11]等對噴油嘴邊界進行區(qū)域劃分，分析了噴油和噴油終了時的邊界條件，對噴油嘴進行了三維有限元分析，計算得到了噴油嘴在噴油和噴油終了時的溫度場，噴油終了時噴油嘴頂端最高溫度達到510 K，但是噴油終了時刻噴嘴溫度并未達到最高值。李潛[12]采用流固耦合傳熱和流場分析方法，開展了噴嘴氣、液、固多場耦合數值模擬，計算了一個工作循環(huán)內噴嘴自身溫度分布，噴嘴溫度最高可達到580 K。但是其缸內壓力是通過準維模型計算得到，并不能完全反映噴嘴外表面的實際邊界條件，邊界條件并不準確。

本研究通過分析噴油器針閥體傳熱方式，采用噴孔內部流動和缸內三維燃燒仿真計算，得到針閥體各區(qū)域準確的邊界傳熱條件，基于流固耦合開展針閥體溫度場仿真計算，為分析針閥體溫度分布以及噴孔積炭形成原因提供理論依據。

1 針閥體傳熱分析

1.1 傳熱方式分析

圖1示出某型8孔噴油器針閥體物理模型，噴孔直徑0.35 mm，長徑比3.5。根據各部分傳熱方式的不同，將針閥體分為3個區(qū)域[11]。其中1區(qū)為針閥體上端外表面，該部分固定在缸蓋中，與缸蓋間隙較小，傳熱方式為導熱[13]。2區(qū)為針閥體頂端外表面，該部分完全暴露在燃燒室內，與缸內高溫燃氣直接接觸，傳熱方式為熱輻射和對流換熱。3區(qū)為針閥體內表面，針閥開啟時燃油噴射帶走針閥體一部分熱量，傳熱方式為強制對流換熱。針閥關閉時針閥體油道和壓力室內有少量燃油殘留，傳熱方式為導熱。

圖1 噴油器針閥體物理模型

1.2 邊界條件分析

通過對針閥體傳熱方式的分析，可以確定針閥體3個區(qū)域的邊界條件。

1區(qū)傳熱方式為導熱，溫度條件與同一位置處的缸蓋相似，給定第一類邊界條件，具體溫度參考缸蓋溫度值[14]。

2區(qū)傳熱方式為熱輻射和對流換熱，給定第二類邊界條件，熱流量Φ可以通過式(1)計算：

Φ=qA。

(1)

式中：q為熱流密度；A為面積。其中熱流密度通過缸內三維燃燒仿真計算得到。

3區(qū)傳熱方式為強制對流換熱，傳熱量與燃油流動狀態(tài)相關，可給定溫度初始條件和速度邊界條件進行求解。速度邊界條件通過噴孔內部流動仿真計算得到。

2 數值計算模型建立

2.1 噴孔內部流動模型

圖2示出噴孔內部燃油物理模型，基于流體體積法(Volume of Fluid，VOF)計算噴孔內部流動，流體體積法通過追蹤自由界面來確定流動狀態(tài)。在VOF模型中，流體和氣體共享同一個動量方程和能量方程，通過計算網格中的孔隙率α表征網格中流動狀態(tài)。模型中加入Shields等人[15]提出的空化模型，湍流模型選用κ-ε模型。入口、出口均為壓力邊界。入口壓力根據噴油泵臺架試驗測得的噴油器嘴端壓力給出，嘴端壓力通過Kistler 4624A壓力傳感器測量。出口背壓為2 MPa，背景氣體為空氣。壁面為無滑移壁面。計算流體為柴油，密度834 kg/m3?；A網格尺寸為0.002 m，由于噴孔尺寸較小，對噴孔區(qū)域進行圓柱形7級網格加密。圖3示出模型整體網格。

利用噴油泵試驗臺架，采用長管法進行了噴油規(guī)律試驗，對噴孔內部流動模型進行驗證。長管法通過測量細長管內壓力隨時間的變化確定噴油規(guī)律[16]，噴油規(guī)律(質量流量)可以表示為

(2)

式中：A為細長管截面積；a為聲速；p為長管內壓力。

圖2 噴孔內部燃油物理模型 圖3 模型整體網格

噴油壓力波在長管端會產生反射波，因此細長管長度要足夠長才能保證噴油規(guī)律的測量精度。圖4示出細長管噴油壓力和噴油規(guī)律曲線。

圖4 細長管噴油壓力和噴油規(guī)律曲線

圖5示出噴孔噴油規(guī)律(出口質量流量)仿真值與試驗值對比。圖5a示出噴油泵轉速700 r/min(發(fā)動機轉速1 400 r/min)時噴油規(guī)律仿真值與試驗值對比，圖5b示出噴油泵轉速1 000 r/min(發(fā)動機轉速2 000 r/min)時噴油規(guī)律仿真值與試驗值對比。從圖中可知，仿真值與試驗值最大誤差為4.2%，表明噴孔內部流動模型具有較好的準確性。

圖5 噴油規(guī)律仿真值與試驗值對比

圖6示出最大扭矩點噴孔內部速度分布。圖7示出標定工況點噴孔內部速度分布。從計算結果可知，由于噴孔入口處流動發(fā)生分離，流通截面積減小，噴孔內部流速明顯增加。標定工況點噴孔內部流動速度高于最大扭矩工況點。噴孔內部流速增加，燃油靜壓下降，噴孔內部靠近上壁面處出現空化現象。

圖6 最大扭矩點噴孔內部速度分布

圖7 標定工況點噴孔內部速度分布

2.2 缸內燃燒模型

建立某型柴油機三維燃燒模型，柴油機主要技術參數如表1所示。

表1 柴油機主要技術參數

選擇1/8燃燒室作為計算區(qū)域，基礎網格尺寸為0.002 m，通過自適應網格加密對計算區(qū)域進行網格加密，對噴孔區(qū)域進行2級固定空間網格加密。噴霧模型選擇KH-ACT模型，燃燒模型選擇SAGE模型，湍流模型選擇κ-ε模型。計算時間為進氣門關閉(-130°曲軸轉角)至排氣門打開(130°曲軸轉角)，計算步長為5×10-6s。

圖8示出外特性工況點缸壓仿真值與試驗值對比。從圖中可知，仿真值與試驗值的最大誤差在5%以內，模型比較準確。

圖8 外特性工況點缸壓仿真值與試驗值對比

通過對三維燃燒計算結果的后處理，選取缸內針閥體頂端外表面位置處曲面的熱流密度平均值作為針閥體外表面的計算邊界條件。圖9示出針閥體頂端外表面熱流密度平均值。從圖9可知，1 400 r/min時，熱流密度最大值為5.0×106W/m2，2 000 r/min時，熱流密度最大值為6.7×106W/m2。

圖9 針閥體頂端外表面熱流密度平均值

2.3 針閥體流固耦合模型

流固耦合傳熱計算的關鍵是實現固體域和流體域的熱量傳遞，由能量守恒可知，在耦合交界面處，流體傳出的熱量等于固體吸收的熱量[14]。熱量傳遞可以表示為

(3)

式中：λ為固體側導熱系數；T為熱力學溫度；n為垂直等溫線的坐標軸；q為熱流密度；h為傳熱系數；Tf為流體溫度；Tw為壁面溫度。

由于流體域的特征時間遠小于固體傳熱的特征時間，計算時先對流體域進行一定時間的計算，將結果平均用于固體傳熱穩(wěn)態(tài)計算，如此循環(huán)直到固體溫度達到穩(wěn)定。

圖10示出流固耦合幾何模型?；A網格尺寸為0.002 m，對流固交界面處進行網格加密，圖11示出計算模型切面網格。

圖10 流固耦合幾何模型 圖11 計算模型切面網格

針閥體材料密度為7 830 kg/m3，比熱容為434 J/(kg·K)，熱導率為63.9 W/(m·K)。根據傳熱邊界條件的分析，通過噴孔內部流動以及缸內三維燃燒仿真計算，分別得到了3區(qū)和2區(qū)準確的邊界條件，將其帶入到流固耦合模型中，求解針閥體溫度場。

3 計算結果分析

圖12示出最大扭矩點針閥體最高溫度分布(12°曲軸轉角)。從計算結果可知：針閥體從上到下，溫度逐漸增大，最高溫度出現在針閥體頂端，最高溫度為565 K；燃油噴射過程中，燃油溫度增加不明顯；噴孔內部由進口到出口溫度逐漸增大，噴孔出口溫度最高為528 K，噴孔下側溫度高于噴孔上側。

圖12 最大扭矩點針閥體最高溫度分布

圖13示出標定工況點針閥體最高溫度分布(8°曲軸轉角)。從計算結果可知：標定工況點針閥體溫度分布規(guī)律與最大扭矩點相似，針閥體從上到下溫度逐漸增大，最高溫度出現在針閥體頂端，最高溫度為613 K，高于最大扭矩點；噴孔內部從進口到出口溫度逐漸增大，噴孔出口溫度最高為580 K，噴孔下側溫度高于噴孔上側。

圖13 標定工況點針閥體最高溫度分布

文獻[7-9]試驗結果表明，當針閥體頂端溫度超過493 K時，針閥體即可產生積炭。文獻[10]試驗結果表明，當柴油暴露在573 K以上的溫度時即可生成網狀不溶的積炭。根據針閥體溫度仿真計算結果可知，噴孔內部靠近出口一側以及噴孔出口周圍的壁面溫度都超過了積炭形成的最低溫度，針閥體壁面本身的溫度足以產生積炭。燃燒室內燃氣的溫度最高可達1 800～2 000 K，完全可以導致積炭的形成。

圖14示出該型柴油機400 h保險期臺架試驗結束后噴油器頂端以及噴孔積炭圖像。從圖中可知，噴油器針閥體積炭主要集中在噴孔出口周圍，沿噴孔出口分布比較均勻，噴孔內部積炭較少。針閥關閉后，孔內殘余的燃油大多擴散至噴孔出口，形成液體油膜。在針閥體本身壁面溫度和高溫燃氣的共同作用下發(fā)生裂化、聚合等一系列反應，形成積炭并積累在噴孔出口。相對于噴孔內部，噴孔出口處的油膜條件和溫度條件更容易導致積炭的產生。

圖14 噴油器頂端以及噴孔積炭圖像

4 結論

a) 針閥體從上到下溫度逐漸增大，最高溫度出現在針閥體頂端；噴孔內部從進口到出口溫度逐漸增大，噴孔出口溫度最高；針閥體外表面噴孔下側溫度高于噴孔上側；噴孔內部出口側以及針閥體外表面噴孔處的溫度均達到了積炭形成的最低溫度；

b) 針閥體壁面本身溫度可以形成積炭，在針閥體溫度和高溫燃氣的共同作用下，噴孔出口殘留的燃油發(fā)生裂化、聚合等反應形成了積炭，不斷積累在噴孔出口周圍。噴油器針閥體實際積炭主要集中在噴孔出口周圍，沿噴孔圓周均勻分布，噴孔內部積炭較少。