不同針閥頭型對噴油嘴性能的仿真研究 Nozzle Flow Simulation for Different Needle Type

牛燕華NIU Yan-hua 梁永勝LIANG Yong-sheng 季昊成JI Hao-cheng

摘要：利用CFD軟件對噴油嘴進行三維建模，在油嘴升程0.05mm、0.15mm、0.25mm、0.35mm時，對油嘴噴孔處噴油量和噴油壓力進行仿真研究。通過仿真結果可知，在相同升程下，雙錐針閥噴孔處流速、壓力比單錐平頭型針閥高，流量系數更大;在不同升程下，雙錐和平頭針閥流量系數隨升程增加而增加，且流量系數增速變緩。

Abstract： The model of nozzle was built by CFD . The nozzle pressure and flow rate were simulated when the nozzle lift was 0.05mm， 0.15mm， 0.25mm and 0.35mm.The simulation results show that： at the same nozzle lift， the double-cone needle valve has higher nozzle flow and injection pressure at the nozzle orifice， flow coefficient .Under different nozzle lift， the flow coefficient of double-cone and flat-head needle valve increases with the increase of nozzle lift， and the increase of flow coefficient slows down.

關鍵詞：仿真模型;噴孔壓力;噴油嘴流量

Key words： simulation model;nozzle orifice pressure;nozzle flow rate

中圖分類號：TK413.84? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2021）22-0017-02

0? 引言

隨著全球排放法規(guī)的不斷升級，在商用領域中的柴油發(fā)動機燃油噴射系統(tǒng)高壓共軌技術是目前排放升級的關鍵技術之一。噴油器作為主要的影響因素，對其進行研究勢在必行。噴油器由控制閥偶件、噴油嘴偶件、電磁閥元件、噴油器體等零件構成，燃油由噴孔噴出，噴出的速度和壓力決定了燃燒室燃燒狀況[1-3]。

受時間與成本的制約，數值仿真計算成為研究針閥結構的手段之一，本文以計算流體力學分析（CFD）為手段，對噴油嘴建立三維模型，進行流場仿真，研究不同油嘴升程下噴孔處噴油壓力與流速以及噴油嘴流量的變化情況，評估不同針閥頭型對燃油流動的影響。

1? 模型的建立與驗證

1.1 模型的建立

噴油嘴工作時，油針抬起，燃油通過針閥體進油孔進入壓力室，最后通過噴孔將高壓油束噴入燃燒室進行燃燒。噴嘴流動狀態(tài)受控于針閥升程，為全面了解不同針閥升程的流動，針對兩種針閥頭型，做系列升程計算（0.05mm、0.15mm、0.25mm、0.35mm）。

仿真模型計算邊界條件：穩(wěn)態(tài)計算，k-e湍流模型，不考慮針閥瞬態(tài)開啟的影響，與噴嘴穩(wěn)態(tài)臺架測試類似;且在模型中不考慮油道摩擦的影響，進出口恒定壓差，進口101bar，出口1bar;為保證計算精度每個計算模型的網格數均約350～400萬單元之間，具體如圖1（平頭型為現有結構，雙錐為最新設計結構），主要技術參數如表1所示。

1.2 測量驗證

為了驗證所建模型的準確性，通過液體流量測試臺進行驗證，如表2所示為測試臺測量條件。

本文選取油嘴升程0.35的進行驗證，單件流量和偶件流量測量與仿真流量如表3。噴嘴流量計算值與測試值很好吻合，考慮到摩擦損失以及測試儀器本身的測量誤差，計算結果與實際工作狀態(tài)之間必然存在一些差異，但相對誤差都在5%以內，在容許的誤差范圍內，表明所建噴油嘴模型能較準確地模擬不同升程下的流速和壓力，滿足后續(xù)計算需要。

2? 仿真結果分析

2.1 不同升程下噴油嘴流量變化

理論體積流量計算公式如下：

分析結果如圖2顯示，針閥頭型結構對噴油嘴偶件流量有較大的影響，范圍可達7～32%，相較于平頭針閥，雙錐針閥在同等條件下流量更大，主要是由于針閥座面下端截流位置不同，截流面積不同，雙錐油針的截流面積更大，更利于燃油噴出。

在升程h≤0.25mm時，流量相差大于10%，最高可達30%（h=0.10mm），伴隨針閥升程加大，使用兩種頭型針閥的噴油嘴偶件流量差異逐漸變小。

2.2 不同升程下噴孔壓力變化

通過仿真結果，得到不同升程下的壓力云圖，升程相同時，雙錐頭型噴孔處壓力高于單錐頭型，又因噴孔出口壓力相同，壓力越大流速越高;隨著升程增加，流通截面積相應增加，噴孔處壓力提升、流速增大，具體見圖3。

3? 結論

①模擬分析結果與試驗測試結果在單件及0.35mm升程兩點相一致：噴嘴單件及在h=0.35mm時兩點流量計算值與測試值很好吻合，表明噴孔內的流動預測效果好。

②經模擬結果分析，不同針閥頭型對噴油嘴流量影響不同：使用雙錐針閥的噴油嘴比使用平頭針閥的噴油嘴流量相對較大，流量高出7～32%。

③使用雙錐針閥的噴油嘴偶件壓力室內液體壓力在同等條件下大于使用平頭針閥的油嘴偶件，座面及噴孔壓力，流速較大，流量相對較高。

參考文獻：

[1]何志霞，鐘汶君，黃云龍，等.針閥運動對柴油機噴嘴瞬態(tài)流動特性的影響[J].內燃機學報 2012，30（4）：336-339.

[2]馬寧，王帥.共軌噴油器關鍵參數對總成油量的影響分析[J].內燃機與配件，2020（18）：44-45.

[3]方文超，甘海燕，趙偉，等.大功率柴油機高壓燃油噴射系統(tǒng)仿真計算與平臺試驗驗證[J].柴油機，2008，30（5）：13-17.