柴油机喷油嘴内喷射压力对燃油流动的影响

程琳源，应永乐，蔡志鑫

柴油机喷油嘴内喷射压力对燃油流动的影响

程琳源，应永乐，蔡志鑫

（长安大学，陕西 西安 710000）

喷油嘴是柴油机最重要的工作部件之一，其性能直接影响柴油机的燃烧过程，故研究喷嘴内柴油的喷射特性以及燃油的喷雾特性是非常有必要的。但是喷油嘴内部空间非常狭小，却有很高的燃油流动速度和喷射压力，要对其进行试验有非常大的难度。文章通过Gambit软件进行喷油嘴几何建模，然后进行合理的网格划分，最后将几何模型导入Fluent软件。通过改变喷射压力，来模拟喷孔内的燃油流动速度、压力分布情况，对其进行分析研究。结果表明：提高喷射压力，使喷孔内部燃油的流速增大。

仿真柴油；喷油嘴；燃油流动；数值模拟

引言

面对各种压力，内燃机性能燃油系统的优化成为重要的问题。内燃机燃油系统的研究主要从两个方面展开[1]。

一方面，要在保证发动机输出功率满足现代车辆需求的同时，提高燃料的利用率[2]；另一方面，必须不断减少汽车尾气中的污染物排放[3]。

高压共轨燃油喷射系统可以大大提高燃油喷射压力，从而使燃油雾化效果更好[4]，是一个值得深入研究的方向[5]。

1 柴油机喷嘴内部燃油流动情况

柴油喷管的流动是一个非常复杂的过程。为了简单有效地研究喷管内部的流动，现通过计算机数值模拟[6-7]。

1.1 发展现状

目前柴油机的发展方向基本都为燃油流速高、喷射压力较大，排放低等[8-10]。

其中，对于喷油嘴喷孔的加工，其质量也直接影响着柴油机在喷雾场中的雾化特性[11]。同时，作为制约柴油机发展的关键技术，喷油嘴微细喷孔加工成型技术很受重视[12-13]。

其中，喷孔的加工质量对喷雾场中的雾化特性有直接影响[14-15]。

1.2 本文主要研究内容

为了进一步分析喷嘴结构参数的变化对柴油机喷嘴内流动特性的影响，可以通过CFD进行数值模拟，用这种计算方法来研究喷嘴内部燃料流动的喷嘴参数及其变化，并获得合理的结果，从而提高燃料热效率。

2 数值模拟设置

复杂的网格结构将对网格和网格的质量产生很大的影响，网格数将导致长时间甚至是计算机计算崩溃，网格质量计算精度不高会使可信度降低，从而使仿真结果降低。

因此，适当简化具有复杂结构的燃料喷嘴的物理模型可以提高网格质量并控制网格数量。

2.1 柴油喷嘴几何模型简化

图1 喷油嘴几何结构

本文采用的是三孔喷嘴模型。Gambit用于构建三维几何模型。喷嘴型号是最大升程的针阀，如图1所示，=1.0 mm，喷嘴与针阀轴线之间的夹角为45°，建立的喷油嘴模型，采用非结构化网格对喷嘴模型进行网格划分，并对喷孔的进出口进行加密。

本文只采用了三分之一的喷管模型进行数值仿真可节约计算资源，提高仿真效率。

2.2 柴油喷嘴几何模型网格划分

为喷嘴的燃料入口，喷嘴的流壁，可变截面的喷嘴壁和喷嘴的燃料出口建立了part，以控制不同区域的网格尺寸和质量。根据几何模型的实际尺寸划分网格时，最大网格尺寸为0.2 mm，用于细化喷嘴孔的最大网格尺寸为0.1 mm。

图2 柴油喷嘴内部网格模型

2.3 网格独立性验证

分别画网格数量为386 709、597 172、640 029、844 064的四套网格，具体数目如表1所示。对表1出口处速度值为变量，将出口处的温度值在不同的网格数下连线，如图3所示。

分别绘制了四组网格，分别为386 709、597 172、640 029和844 064，具体数目见表1。

将表1中网格总数作为自变量，出口处的速度值作为因变量，将其一一对应，如图3所示。

表1 四种计算网格

网格1234 总数386 709597 172640 029844 064 喷油嘴372 974527 829624 081824 321 喷油孔13 73569 34315 94819 743

从图中可以看出，从38万网格数时，59万网格数时，64万网格数时，84万网格数时，喷油孔出口速度只有非常小的变化，此时，可以认为38万网格已经达到独立要求，将38万网格作为本仿真计算的网格数目。

图3 网格无关性验证结果图

3 喷射压力对喷孔内部燃油流速、压力的影响

本章研究的主要内容为：在不同燃油喷射压力下，喷油孔内部燃油流速、压力的变化情况，从而得出速度、压力分布图并分析其原因及变化趋势。

3.1 速度分布

图4为不同喷射压力下时，喷油嘴及喷油孔内部燃油流动的速度分布云图。

图4 改变喷射压力对喷油嘴内部燃油流动速度分布的影响

从图4可以看出，喷嘴中燃料的流速从小到大变化。云图像中的红色部分表示较大的燃料流速，而蓝色部分表示最小的燃料流速。

三种情况下喷射速度最大分别达到394 m/s、492 m/s、549 m/s。燃油从喷嘴入口处的速度最小，在喷油孔出口处的速度最大。

3.2 压力分布

从图5可以看出，当孔径不发生变化，喷射压力变化时，对燃料流量压力分布图的影响较小。

根据速度压力公式=，随着喷射压力的增加，喷嘴入口和喷嘴出口两者之间的压力差增大小。喷孔上的流速很大，使燃油从喷孔喷涌而出，液滴的雾化过程得以促进。

图5 喷射压力下喷油嘴内部燃油流动的压力分布的影响

4 总结

随着喷射压力的增加，喷管出口燃油的平均速度和压力逐渐增大，喷管孔内压差也随之增大，当燃油喷射到雾化场时，油滴粒径变小，贯穿距离变长，燃油流动速度增大，喷雾锥角变大，相反，浓度减小。

因此，提高燃油喷射压力可以促进油滴的形成。破碎，使燃料有较好的雾化效果。

[1] 王丹.基于Fluent的柴油喷嘴内部燃油流动情况及喷雾特性的数值模拟研究[D].西安:长安大学, 2019.

[2] 赵春立.高气液比井气锚-防气泵组合瞬态流动仿真研究[D].成都:西南石油大学,2017.

[3] 李艳娜.连续压机活动式机架结构设计与热力耦合特性研究[D].哈尔滨:东北农林大学,2020.

[4] 张天宇.离子液体烷基化旋流反应器内混合特性的数值模拟研究[D].成都:中国石油大学,2017.

[5] 李霞.太阳能跨季节储存地下水箱蓄热特性的模拟研究[D].重庆:重庆大学,2017.

[6] 张志文.内燃机冷却系统强化传热的探讨[D].大连:大连理工大学,2014.

[7] 余同谱.微流控系统中被动与主动式强化换热模拟研究[D].合肥:安徽工业大学,2018.

Influence of Injection Pressure on Fuel Flow in Diesel Injector Nozzles

CHENG Linyuan, YING Yongle, CAI Zhixin

( Chang 'an University, Shaanxi Xi 'an 710000 )

Injector nozzle is one of the most important working parts of diesel engine, its performance direct ly affects the combustion process and discharge performance of diesel engine, so it is very necessary to study the injection characteristics of diesel fuel and fuel spray characteristics in the nozzle.But the internal space of the nozzle is very narrow, but there is a very high fuel flow speed and injection pressure, it is very difficult to test it.Gambit software was used for the geometric modeling of the nozzle, and then the reasonable mesh division was car ried out. Finally, the geometric model was imported into Fluent software.By changing the injection pressure, the flow velocity and pressure distribution of the fuel in the nozzle are simulated, and the results show that increasing the injection pressure increases the flow velocity of the fuel in the nozzle.

Simulation diesel; Nozzle; Fuel flow; The numerical simulation

TK422

A

1671-7988(2022)02-111-04

TK422

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10.16638/j.cnki.1671-7988.2022.002.025

程琳源，女，硕士，就读于长安大学，研究方向：柴油机喷油器。