賈原杰，廖義德，楊 凱，杜彰偉

(武漢工程大學 機電工程學院，湖北 武漢 430205)

0 引 言

柴油機是一種經濟、 節(jié)能、 高效率的動力系統(tǒng)，具有熱效率高，可靠性好，耐久性和燃油性強等特點，有廣泛的應用前景[1]. 但柴油機顆粒物排放嚴重地污染環(huán)境并危害人類健康，其排出的碳煙顆粒物可吸附大量有機物，是城市灰霾天氣形成的重要因素[2-3]，還會引發(fā)人體的肺部和呼吸道疾病，嚴重的可能攜帶致癌物質導致癌癥發(fā)生[4-6]. 因此其凈化技術一直是人們研究的熱點. 顆粒物捕集器(Diesel Particulate Filter, DPF)是控制柴油機顆粒物排放最有效的后處理設備，隨著排放法規(guī)的日益嚴格，其應用將越來越廣泛[7-8]. 在DPF主動再生中的排氣管噴射需要用到燃油噴射單元IU.

燃油噴射單元IU即燃油噴嘴是DPF系統(tǒng)中極為關鍵的部件，柴油通過噴嘴以一定的霧化夾角均勻地噴射. 若燃油噴嘴的霧化質量差、 霧化夾角不恰當、 噴霧分布不均勻，就會增加污染的排放[9-15]. 現(xiàn)在一般采用離心式和直噴式噴嘴. 離心式噴嘴燃油控制反應快，霧化范圍廣，但其結構復雜，成本高，供油壓力變化大，并且容易積碳和滴漏. 直噴式噴嘴結構簡單，流動損失小，但其霧化夾角小，霧化質量差并且容易滴漏[16]. 因此設計了一種新型噴嘴. 這種噴嘴結構簡單，可通過選取合適的噴嘴芯前端圓臺夾角，控制噴霧夾角并精確地噴射燃油，提高了燃油霧化特性，當噴嘴停止工作時通過噴嘴芯前端圓臺密封可以有效地減少滴漏現(xiàn)象的發(fā)生，還可通過將噴嘴主體固定在冷卻水套中，通過冷卻水進一步減少積碳.

這種燃油噴嘴設計時主要考慮噴嘴芯前端圓臺夾角大小，它是影響噴嘴霧化效果的關鍵因素. 主要體現(xiàn)在不同的夾角對霧化夾角、 噴射范圍、 出口截面處壓力分布、 徑向速度分布以及軸向速度分布有著極為重要的影響.

本文應用ANSYS Fluent流體仿真觀察不同夾角噴嘴霧化效果，再對噴嘴流體特性進行分析，觀察不同夾角對噴嘴射流的影響.

1 噴嘴結構設計和工作原理

燃油噴嘴結構由噴嘴體，噴嘴芯，彈簧，螺套組成. 其結構如圖 1 和圖 2 所示.

圖 1 噴嘴二維截面型圖Fig.1 Two-dimensional sectional view of the nozzle

圖 2 三維模型Fig.2 3D model

1.1 噴嘴結構參數(shù)計算

已知燃油噴嘴的工作壓力為p, 流量為Q，由此確定噴嘴的主要結構參數(shù)：螺套穿孔直徑，噴嘴芯有效直徑，噴嘴夾角.

當燃油噴嘴處于工作狀態(tài)時，彈簧受力壓縮，由力的平衡公式得

pA=KΔX,

(1)

式中：p為工作壓力；A為有效面積；K為彈簧剛度； ΔX為彈簧壓縮量.

假設為理想狀態(tài)(水流無任何阻力)，噴嘴流量公式為

(2)

由式(2)推導出式(3)為

(3)

Q=d1-d2,

(4)

式中：Q為流量； Δp為進出口壓力差；ρ為液體密度；D為有效直徑；d1為螺套穿孔直徑；d2為噴嘴芯有效直徑.

式(3)中π,ρ, Δp均為恒定已知值，因此由式(3)和(4)可以確定螺套穿孔直徑d1與噴嘴芯有效直徑d2的關系.

利用求得的d1與d2的關系可以求出噴嘴夾角β. 如圖 3 所示，當噴嘴工作時，彈簧受力壓縮且壓縮量為ΔX，因在同一工作壓力下，彈簧形變量相同. 利用式(3)，(4)求得(d1-d2)的大小，進而求出噴嘴夾角β.

圖 3 噴嘴工作圖Fig.3 Nozzle worked diagram

依據(jù)三角函數(shù)關系式

(5)

式中：β為噴嘴夾角.

由式(5)推導出式(6)

(6)

依據(jù)求得的(d1-d2)及式(6)可以求得噴嘴夾角β.

由以上公式可以得出，噴嘴夾角β與流量成反比，夾角越大流量越小，霧化錐角越大. 夾角越小流量越大，霧化錐角越小. 在DPF主動再生系統(tǒng)中一般要求燃油噴射單元IU的霧化夾角為45°～60°之間，在滿足霧化錐角和流量要求的前提下選擇夾角為45°，50°，55°，60°，65°，70°的噴嘴，利用Fluent觀察其霧化效果并進行射流仿真分析.

1.2 噴嘴原理

在噴嘴未啟動工作之前，彈簧給予螺套向上的力，螺套帶動噴嘴芯向上，此時噴嘴口關閉，這個力稱為開啟壓力. 當燃油進入噴嘴，燃油壓力大于開啟壓力時，螺套受力帶動噴嘴芯移動，彈簧被壓縮，油從噴嘴芯前端多個小孔流出，再從噴嘴芯與噴嘴體形成的環(huán)帶霧化噴出. 當燃油壓力低于開啟壓力時，噴嘴芯被拉回同時與噴嘴體密封，結束工作.

2 ANSYS仿真分析

2.1 網格劃分

在ANSYS Workbench網格劃分模塊中依次設定噴嘴的入流口、 出流口、 邊界層以及網格劃分精度后進行網格劃分，網格劃分結果如圖 4 所示.

圖 4 噴嘴網格劃分圖Fig.4 Nozzle grid diagram

2.2 邊界條件設定

噴嘴的初始條件如表 1 所示，湍流模型選用standardk-ε，解算器參數(shù)設定為非耦合隱式求解，二階迎風格式，并且只考慮流體運動不考慮傳熱等問題，其余參數(shù)設置默認.

表 1 邊界條件設置

3 仿真結果

3.1 不同夾角噴嘴的速度云圖

通過Fluent仿真結果觀察不同夾角的速度云圖可直觀地看到各種夾角的噴射效果. 在噴嘴工作時，霧化的燃油薄膜將途經的空氣帶走，在霧化薄膜兩側產生壓力差，使霧化薄膜受到豎直和水平方向的力，進而產生豎直向上和水平方向的速度，形成如圖 5～圖 10 所示的不同夾角的速度云圖，從中可以看出，這種噴嘴結構具有較好的霧化效果. 從圖5～圖6可看出，在夾角較小時，噴射區(qū)豎直方向長，水平方向窄.

圖 5 夾角45°的速度云圖Fig.5 45° angular velocity nephogram

圖 6 夾角50°的速度云圖Fig.6 50° angular velocity nephogram

從圖5～圖10可看出，隨著夾角增大，噴射區(qū)豎直方向逐漸變短，水平方向逐漸變寬. 并且隨著夾角的增大，霧化薄膜受到豎直向上的力逐漸變大，使得速度變化更為明顯. 該結果與流體運動學分析結論一致.

圖 7 夾角55°的速度云圖Fig.7 55° angular velocity nephogram

圖 8 夾角60°的速度云圖Fig.8 60° angular velocity nephogram

圖 9 夾角65°的速度云圖Fig.9 65° angular velocity nephogram

圖 10 夾角70°的速度云圖Fig.10 70° angular velocity nephogram

3.2 不同夾角噴嘴出口處截面壓力分布

從圖 11～圖 16 可得出，噴嘴夾角小于55°時噴嘴出口截面處壓力變化趨勢基本一致，在最靠近圓心處處于最大值，隨著徑向距離的增大，下降緩慢，在靠近外側邊緣處急劇下降.

圖 11 夾角45°噴嘴出口截面處的壓力分布Fig.11 Pressure distribution at the exit section of the 45° angular nozzle

圖 12 夾角50°噴嘴出口截面處的壓力分布Fig.12 Pressure distribution at the exit section of the 50° angular nozzle

圖 13 夾角55°噴嘴出口截面處的壓力分布Fig.13 Pressure distribution at the exit section of the 55° angular nozzle

在60°～70°之間，靠近圓心區(qū)域的壓力處于最大值并且變化幅度很小，隨著徑向距離的增大，下降緩慢，在靠近外側邊緣處急劇下降. 隨著夾角的增大，近圓心處的壓力變化幅度越來越小，基本保持不變.

圖 14 夾角60°噴嘴出口截面處的壓力分布Fig.14 Pressure distribution at the exit section of the 60° angular nozzle

圖 15 夾角65°噴嘴出口截面處的壓力分布Fig.15 Pressure distribution at the exit section of the 65° angular nozzle

圖 16 夾角70°噴嘴出口截面處的壓力分布Fig.16 Pressure distribution at the exit section of the 70° angular nozzle

3.3 不同夾角噴嘴出口截面處的徑向速度分布

從圖 17～圖 22 可得出，不同夾角在靠近圓心和外側邊緣區(qū)域其徑向速度較低. 夾角越大，峰值出現(xiàn)的位置越靠近圓心，且數(shù)值越高.

圖 18 夾角50°噴嘴出口截面處徑向速度分布Fig.18 Radial velocity distribution at the exit section of the 50° angular nozzle

圖 19 夾角55°噴嘴出口截面處徑向速度分布Fig.19 Radial velocity distribution at the exit section of the 55° angular nozzle

從圖17～圖19可得出，當角度較小時，在峰值出現(xiàn)后，隨著徑向距離的增大，徑向速度開始緩慢下降，在靠近外側邊緣急劇下降. 從圖20～圖22可得出，當角度大于55°后，在峰值出現(xiàn)后，隨著徑向距離的增大，徑向速度略微下降后，呈現(xiàn)穩(wěn)定趨勢，然后在靠近外側邊緣處急劇下降.

圖 20 夾角60°噴嘴出口截面處徑向速度分布Fig.20 Radial velocity distribution at the exit section of the 60° angular nozzle

圖 22 夾角70°噴嘴出口截面處徑向速度分布Fig.22 Radial velocity distribution at the exit section of the 70° angular nozzle

3.4 不同夾角噴嘴出口截面處的軸向速度分布

從圖 23～圖 28 可得出，不同夾角出口截面軸向速度變化趨勢大致相同，在靠近圓心和外側邊緣區(qū)域其軸向速度較低，隨著徑向距離的增大，軸向速度開始緩慢上升.

圖 23 夾角45°噴嘴出口截面處軸向速度分布Fig.23 Axial velocity distribution at the exit section of the 45° angular nozzle

圖 24 夾角50°噴嘴出口截面處軸向速度分布Fig.24 Axial velocity distribution at the exit section of the 50° angular nozzle

圖 25 夾角55°噴嘴出口截面處軸向速度分布Fig.25 Axial velocity distribution at the exit section of the 55° angular nozzle

軸向速度峰值出現(xiàn)在靠近外側邊緣，且夾角越大，出口截面處軸向最大速度出現(xiàn)位置越靠近圓心，且數(shù)值越低.

圖 26 夾角60°噴嘴出口截面處軸向速度分布Fig.26 Axial velocity distribution at the exit section of the 60° angular nozzle

圖 27 夾角65°噴嘴出口截面處軸向速度分布Fig.27 Axial velocity distribution at the exit section of the 65° angular nozzle

圖 28 夾角70°噴嘴出口截面處軸向速度分布Fig.28 Axial velocity distribution at the exit section of the 70° angular nozzle

4 結 論

1) 從分析結果可以看出，這種噴嘴結構具有良好的霧化效果. 在噴嘴夾角小于55°時，噴射區(qū)豎直方向長，水平方向窄； 噴嘴夾角大于60°時，噴射區(qū)豎直方向逐漸變短，水平方向逐漸變寬. 并且隨著夾角的增大，霧化薄膜受到豎直向上的力逐漸變大，使得速度變化更為明顯.

2) 噴嘴夾角小于55°時，出口截面徑向上的壓力在最靠近圓心處達到峰值，隨著徑向距離的增大，壓力減小，下降幅度增大； 噴嘴夾角大于60°時，出口截面徑向上的壓力在近圓心處壓力基本穩(wěn)定，隨著徑向距離的增加，壓力減小，靠近外側邊緣處下降幅度增大.

3) 隨著噴嘴夾角的增大，出口截面處徑向速度峰值出現(xiàn)的位置越靠近圓心，且數(shù)值越高. 當噴嘴夾角小于60°時，在峰值出現(xiàn)后，隨著徑向距離的增大，徑向速度減?。?噴嘴夾角大于65°時，在峰值出現(xiàn)后，隨著徑向距離的增大，徑向速度會先略微下降并保持，隨后急劇下降.

4) 不同夾角軸向速度變化趨勢大致相同，在靠近圓心和外側邊緣區(qū)域其軸向速度較低，中間區(qū)域隨著徑向距離的增大，軸向速度增長緩慢. 隨著夾角的增大，出口截面處軸向最大速度出現(xiàn)位置越靠近圓心，且數(shù)值越低.