单缸柴油机喷油系统的模拟计算与试验研究

柴油机原型喷嘴内线空化现象的试验研究柴油机原型喷嘴内线空化现象的试验研究柴油机是一种高效能、高功率的内燃机，其燃油喷射系统是其关键部件之一。

在柴油机的燃油喷射系统中，喷嘴是起到关键作用的部件之一，其喷油效率和喷油质量直接影响着柴油机的性能和经济性。

然而，在柴油机喷嘴的使用过程中，会出现一种被称为“内线空化”的现象，这种现象会导致喷嘴的喷油效率和喷油质量下降，从而影响柴油机的性能和经济性。

因此，对柴油机原型喷嘴内线空化现象的试验研究具有重要的意义。

内线空化现象是指在柴油机喷嘴内部，由于燃油的高速喷射和喷嘴内部的流动状态，会形成一种低压区域，这种低压区域会导致燃油中的气体被释放出来，形成气泡，从而影响喷油效率和喷油质量。

为了研究内线空化现象，研究人员进行了一系列的试验研究。

首先，研究人员对柴油机喷嘴的内部结构进行了分析和研究，通过对喷嘴内部的流动状态进行模拟和仿真，得出了喷嘴内部的流动状态和压力分布情况。

其次，研究人员对不同喷嘴的内线空化现象进行了试验研究，通过对不同喷嘴的喷油效率和喷油质量进行测试和分析，得出了不同喷嘴的内线空化现象的特点和规律。

最后，研究人员对喷嘴内线空化现象的影响因素进行了分析和研究，得出了喷嘴内线空化现象的主要影响因素和控制方法。

通过以上的试验研究，研究人员得出了以下的结论：1. 喷嘴内线空化现象是由于喷嘴内部的流动状态和燃油的高速喷射所导致的，其主要影响因素是喷嘴的结构和燃油的喷射参数。

2. 喷嘴内线空化现象会导致喷油效率和喷油质量下降，从而影响柴油机的性能和经济性。

3. 控制喷嘴内线空化现象的方法包括改善喷嘴的结构、优化燃油的喷射参数和采用新型的喷嘴材料等。

总之，柴油机原型喷嘴内线空化现象的试验研究对于提高柴油机的性能和经济性具有重要的意义。

通过对喷嘴内线空化现象的深入研究和控制，可以提高柴油机的喷油效率和喷油质量，从而提高柴油机的性能和经济性。

未来，研究人员还需要进一步深入研究喷嘴内线空化现象的机理和控制方法，为柴油机的发展和应用提供更加可靠和高效的技术支持。

机车柴油机燃油喷射系统模拟仿真计算
张晓琨;李明海
【期刊名称】《柴油机》
【年(卷),期】2007(029)004
【摘要】在对某机车柴油机燃油喷射系统改进的过程中,使用计算机模拟软件GT-Fuel对燃油系统的性能进行预分析,在模拟计算的基础上选取合适的方案进行试验验证,结果表明:计算结果和试验结果二者吻合性较好,对设计改进具有指导意义.【总页数】3页(P11-13)
【作者】张晓琨;李明海
【作者单位】大连交通大学交通运输工程学院,辽宁大连,116208;大连交通大学交通运输工程学院,辽宁大连,116208
【正文语种】中文
【中图分类】TK423.8+4
【相关文献】
1.国产机车柴油机燃油喷射系统的改进 [J], 刘建伟;李明海;姜培良
2.国产机车柴油机燃油喷射系统的改进 [J], 李明海
3.大功率柴油机高压燃油喷射系统仿真计算与平台试验验证 [J], 方文超;甘海燕;赵伟;平涛
4.中速高增压机车柴油机燃油喷射系统研究及改进 [J], 程财鹤
5.大功率机车柴油机燃油喷射系统改进 [J], 李明海;王迁;李昂
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电控单体泵燃油喷射系统的仿真策略研究【摘要】21世纪随着工业技术的发展和应用，柴油机的保有量在迅速提高，新世纪保护生态环境、降低污染物排放成为各国发展的主题，因此高污染的特点成为柴油机进一步发展的瓶颈，随着我国颁布和实施国III、国IV排放标准，对电控电梯泵燃油喷射系统的改造升级成为行业面临的重要课题，建立该系统的仿真模型可以从多角度分析燃油喷射系统工作性能的影响因素，为改进工作提供依据。

电控单体泵燃油喷射系统属于电磁阀溢流控制式供油系统，对燃油喷射系统开展仿真研究不仅可以实现对柴油机的改进升级，而且也可以提高其排放的标准。

燃油喷射系统共分为：供油泵、高压油管以及喷油器系统三个部分，文中简单论述了电控单体泵燃油喷射系统的仿真结构，并深入分析了该系统的仿真过程与结果，为燃油喷射系统的匹配工作提供可靠依据。

【关键词】燃油喷射系统；仿真模型；研究分析0.引言21世纪随着工业技术的发展和应用，柴油机的保有量在迅速提高，新世纪保护生态环境、降低污染物排放成为各国发展的主题，因此高污染的特点成为柴油机进一步发展的瓶颈，随着我国颁布和实施国III、国IV排放标准，对电控电梯泵燃油喷射系统的改造升级成为行业面临的重要课题，建立该系统的仿真模型可以从多角度分析燃油喷射系统工作性能的影响因素，为改进工作提供依据。

电控单体泵燃油喷射系统属于电磁阀溢流控制式供油系统，对燃油喷射系统开展仿真研究不仅可以实现对柴油机的改进升级，而且也可以提高其排放的标准。

1.燃油喷射系统结构模型电控单体泵燃油喷射系统的工作原理是首先需要ECU发出驱动信号，然后高压电磁阀就会接通电源，接通电源之后的电磁阀会处于一种关闭的状态，同时柱塞作上升运动对密封燃油进行压缩，燃油进入高压油管之后会受到高压力波的作用，通过传播到喷油器中最终进入燃油喷入气缸[1]。

对该系统的仿真研究主要集中在燃油喷射系统的喷射过程，并需要考虑以下几点：①忽略喷射过程中燃油的温度变化；②高压油管的长度小于1m的时和最高喷射压力不是过高的情况下，可以忽略掉油路的摩擦，而且可以按照胜诉不变的微波管流进行处理；③将各个集中容积腔中的燃油视为均匀状态；④忽略燃油喷射系统的弹性变形等因素。

柴油机燃用小桐子油的喷油及燃烧过程模拟王子玉;罗福强;梁昱;郭健【摘要】Based on three dimension CFD software, a simulation model was established for the work processes of diesel engine fueled with diesel or Jatropha curcas oil. The combustion process and spray development process of different fuels were simulated. The verifying of proposed model on single-cylinder direct injection diesel engine illuminates that simulation results are well consistent with test results. The spray development process and the fuel mass fraction distribution of 2 fuels were compared to discuss the spray difference. The results show that the distribution variation tendency of fuel mass fraction for different fuels is similar. The spray speed of Jatropha curcas oil is slightly larger at early injection stage and slower at main injection stage than those of diesel with low spray penetration. The injection timing of Jatropha curcas oil is early with smaller fuel mass fraction variation velocity than that of diesel. The zone of high fuel mass fraction of Jatropha curcas oil at later combustion stage is larger than that of diesel.%运用三维CFD软件,建立柴油机分别燃用纯柴油和小桐子油的计算模型.分析了柴油机燃用2种燃油的燃烧过程,模拟了喷雾的发展历程,通过在一台单缸直喷式柴油机上燃用柴油、小桐子油的试验采验证模型,模拟所得结果与试验结果较为吻合.通过对2种燃料的油滴颗粒发展和缸内燃油质量分数分布进行比较,对喷雾特性差异的成因进行了探讨.结果表明:不同燃油的质量分数分布变化的趋势大体相同,与柴油相比,小桐子油在喷射的初始阶段的喷射速度较柴油的略大,但主喷射期的喷射速度较低,油束的贯穿距离较小,小桐子油的喷射时间较早,在开始喷射后,小桐子油的质量分数分布变化速度明显小于柴油,到了燃烧后期,其燃油质量分数较高的区域较大.【期刊名称】《江苏大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2012(033)002【总页数】5页(P150-154)【关键词】直喷柴油机;小桐子油;喷油过程;三维模拟;燃烧【作者】王子玉;罗福强;梁昱;郭健【作者单位】江苏大学汽车与交通工程学院,江苏镇江212013;中国北方发动机研究所,山西大同037036;江苏大学汽车与交通工程学院,江苏镇江212013;贵阳学院机电系,贵州贵阳550003;江苏大学汽车与交通工程学院,江苏镇江212013【正文语种】中文【中图分类】TK464能源短缺和环境污染已成为影响内燃机应用和发展的关键因素.因此，开发新的对环境友好的可再生清洁能源日益得到各国的重视.在我国云南、广西、贵州、四川等一带山地，油料植物资源丰富，其中以小油桐最为突出，有望在这些地区用小桐子油作柴油机的辅助燃料.许多国内外学者已经开展了小桐子油作为柴油机代用燃料的研究［1-6］.但试验研究的周期长、成本高，且不能系统全面地研究发动机的缸内过程，制约了小桐子油在柴油机中的应用研究.多维燃烧模型能够研究缸内各参数随时间和空间分布的变化规律，不但能重现缸内过程宏观的表面特性，而且还能揭示并反映其微观机理.通过数值模拟对小桐子油在柴油机中的燃烧过程进行仿真，可弥补试验研究的不足.由于小桐子油的理化特性与柴油有所不同，因此燃烧过程与燃用柴油时相差较大，而目前针对小桐子油的燃烧过程的数值模拟研究鲜见报道.笔者使用CFD软件对燃用小桐子油的柴油机工作过程进行三维模拟，建立柴油机分别燃用纯柴油和小桐子油的计算模型，研究柴油机燃用2种燃油的燃烧过程，模拟喷雾的发展历程，并通过在一台单缸直喷式柴油机上燃用柴油、小桐子油进行试验验证.1 发动机台架试验采用自行开发的柴油机工作过程测量分析系统分别测量柴油机内的喷油和燃烧过程.试验装置见文献［7］.小桐子油和柴油的理化特性见文献［8］.试验工况为柴油机的标定工况，柴油机转速为2 200 r·min-1，平均有效压力为0.64 MPa，供油提前角为18°(文中的角度为曲轴转角)，喷孔直径为0.32 mm.试验燃料分别为柴油和小桐子油.依据上述系统测量了油管压力数据和缸内压力数据，如图1，2 所示. 图1 标定工况下不同燃料的油管压力对比图2 标定工况下不同燃料的气缸压力对比曲线从图1可以看出，由于2种燃料的黏度和密度不同，在相同的喷油泵、工况、喷油器和喷油控制策略下，与柴油相比，燃用小桐子油时油管压力峰值较大，其对应的相位提前(约4°)，油管压力上升始点提前.相应地，燃用小桐子油时的气缸压力峰值所在相位比燃用柴油时有所提前.从图2可以看出，由于燃用小桐子油时柴油机的喷油始点提前，着火始点也随之提前，比燃用柴油要早.2 CFD的建模2.1 计算网格的生成采用六面体单元对缸内的几何空间进行网格划分，划分时对缸内中心区域和顶部区域的网格进行了加密.动网格设置中，对于ω燃烧室内的网格设定为刚性运动网格;ω燃烧室上部的网格则根据活塞运动通过加层或减层来适应空间的变化.计算过程从进气门关闭时开始到排气门打开时结束，对应于文中柴油机的配气相位，计算从上止点前(BTDC)142°，到上止点后(ATDC)125°.图 3 为燃烧室的三维几何模型以及导入FIRE软件后的燃烧室模型.活塞在上止点时燃烧室网格数为52 288，在下止点时，网格数为106 048.图3 燃烧室模型2.2 相关计算模型运用连续性方程、动量守恒方程和标准k-ε模型，建立气体流动的CFD模型;设置的数值求解方法:二阶迎风差分格式离散对流项，中心差分格式离散扩散项，全隐式格式离散非稳态项.由于燃油的喷射过程十分复杂，是一种多相流现象，因而在进行数值计算时需要同时求解气相和液相的守恒方程［9］.对于液相，常基于离散液滴法(DDM)来进行数值模拟.气相控制方程求解采用欧拉法，液滴在计算网格中采用拉格朗日法对单个液滴进行追踪，两相间的耦合作用采用气液相互作用的附加源项来考虑.在模拟的子模型选用适合直喷式柴油机的模型:①破碎模型采用Wave模型，它的可调整参数不多，结果可靠，适用于多喷孔的柴油机;② 液滴扩散模型选用Enable 模型，碰壁模型选用walljet 1模型;③蒸发模型选用Dukowicz模型，它不需要进行迭代，计算时间短［9］.2.3 初始条件与边界条件模拟过程的计算从进气门关闭时开始，到排气门打开时结束，计算过程以曲轴转角作为时间步，计算步长为0.5°.计算中假设缸内的初始压力和温度均匀，初始压力和温度通过试验得到.初始涡流比按试验机型取值，为2.0.进气门关闭时的湍动能E TK和湍流长度尺度S TL［9］为式中:h为冲程;n为发动机转速;h v为气门最大升程.边界条件则包括速度边界和温度边界.温度边界采用恒温边界，分别取缸盖底部温度556 K、活塞凹坑温度593 K、气缸壁温度403 K.速度边界设定:气缸盖、气缸壁为静止壁面，速度为0.活塞顶的速度等于活塞运动速度.喷油过程的相关计算参数:喷孔直径为0.32 mm，喷孔数为4，燃油温度为353 K，环境温度为298 K，环境压力为0.1 MPa.3 计算模型的验证为了验证所选计算模型的模拟精度，选取标定点的缸内压力模拟值与试验数据进行对比.图4为标定工况下，燃用不同油时柴油机缸内压力的模拟值与试验值的对比.除了压力峰值部分略有差距外，燃烧的模拟结果与试验值吻合良好，整个运行工况下误差值在5%以内.图4 气缸压力试验与模拟值的对比4 模拟结果分析图5，6分别为标定工况时柴油机燃用柴油和小桐子油时缸内液滴颗粒图.d为液滴直径.图5a，b，c的曲轴转角分别为365°，370°，375°，图 6a，b，c 的曲轴转角分别为365°，370°，375°.由于喷油器的开启油压相同，而小桐子油的密度大，压缩率低(体积弹性模量高)，喷射时压力升高和传输更快，所以在喷射的初始阶段小桐子油的喷射速度较柴油的略大(见图5a，6a).但由于小桐子油的黏度高，流动性差，喷射时粒径较大，所以在主喷射期(上止点后10°)的喷射速度低于柴油，从而其油束的贯穿距离要小于柴油(图5b，6b).小桐子油产生的难以雾化的重质化合物会影响油气混合过程，在燃烧过程中局部富油缺氧而产生较多的CO.其高黏度导致喷射时产生的油滴索特平均直径也较大(约为柴油的1.8倍)，使得油滴的蒸发时间增长，从而降低油气混合速率，气缸压力峰值较燃用柴油时略低［7］.此后，不同的燃油液滴颗粒碰壁，气缸内的液滴逐渐减少.对比图5c，6c中的液滴颗粒数量，可以发现小桐子油的液滴数量较多，即其液滴颗粒存在时间较长，说明其混合、雾化进程比较慢.图7，8分别为标定工况时柴油机燃用柴油和小桐子油时缸内燃油质量分数分布图.w为燃油质量分数，图 7a，b，c，d，e 的曲轴转角分别为365°，370°，375°，380°，400°，图8a，b，c，d，e 的曲轴转角分别为365°，370°，375°，380°，400°.不同燃油的燃油质量分数分布变化趋势大体相同.其中，小桐子油的喷射时间较早，但是开始喷射后，小桐子油的燃油质量分数分布变化速度明显小于柴油，直到上止点后10°，小桐子油的燃油分布才发生明显的变化，这是由于前期缸内温度较低的情况下，小桐子油的黏度高，表面张力大，因此蒸发速度落后于柴油.此外，在燃烧后期，小桐子油的燃油质量分数高的区域分布较广，这是由于小桐子油挥发性能差，不利于燃烧的及时完成.不过2种燃油的组分都相对集中在燃烧室壁面附近，此时的燃烧以壁面的扩散燃烧为主.5 结论1)建立了柴油机燃用小桐子油的三维CFD模型，通过试验验证，气缸压力模拟结果与试验结果吻合较好.2)由于燃料的理化性质不同，与柴油相比，小桐子油在喷射的初始阶段喷射速度较柴油的略大，但喷射的粒径较大，所以在主喷射期的喷射速度较低，从而其油束的贯穿距离较小.3)通过对模拟结果燃油质量分数分布分析，可知小桐子油由于物理化学性质的原因，开始喷射后，其质量分数分布变化速度明显小于柴油;而在燃烧后期，燃油质量分数高的区域分布较广.参考文献(References)【相关文献】［1］ Sahoo P K，Das bustion analysis of Jatropha，Karanja and Polanga based biodiesel as fuel in a diesel engine［J］.Fuel，2009，88(6):994-999.［2］ Agarwal A K，Rajamanoharan K.Experimental investigations of perfprmance and emissions of Karanja oil and its blends in a single cylinder agricultural diesel engine ［J］.Applied Energy，2009，86(1):106-112.［3］ Banapurmath N R，Tewari P G，Hosmath R S.Performance and emission characteristics of a DI compression ignition engine operated on Honge，Jatropha and sesame oil methyl esters［J］.Renewable Energy，2008，33(3):1982-1988.［4］ Kumar M S，Ramesh A，Nagalingam B.An experimental comparison of methods to use methanol and Jatropha oil in a compression ignition engine［J］.Biomass and Bioenergy，2003，25:309-318.［5］楼狄明，石健，胡志远，等.发动机燃用麻疯树油制生物柴油的非常规排放特性研究［J］.内燃机工程，2010，31(5):69-73.Lou Diming，Shi Jian，Hu Zhiyuan，et al.Research on unregulated emissions in diesel engine fueled with biodiesel from Jatropha curcas oil ［J］.Chinese Internal Combustion Engine Engineering，2010，31(5):69-73.(in Chinese) ［6］ Pramanik K.Properties and use of Jatropha curcas oil and diesel fuel blends in compression ignitionengine［J］.Renewable Energy，2003，28:239-248.［7］罗福强，王子玉，梁昱，等.直喷式柴油机燃用加热小桐子油的性能与排放［J］.内燃机学报，2010，28(5):414-419.Luo Fuqiang，Wang Ziyu，Liang Yu，et al.Investigations on the performance and emissions of a direct injection diesel engine using preheated Jatropha curcas oil as fuel［J］.Transactions of CSICE，2010，28(5):414-419.(in Chinese)［8］罗福强，王子玉，梁昱，等.作为燃油的小桐子油的物化性质及黏温特性［J］.农业工程学报，2010，26(5):227-231.Luo Fuqiang，Wang Ziyu，Liang Yu，et al.Physicochemical properties and viscosity-temperature characteristic of Jatropha curcasl oil as fuel［J］.Transactions of the CSAE，2010，26(5):227-231.(in Chinese)［9］焦运景，张惠明，田远，等.直喷式柴油机燃烧室几何形状对排放影响的多维数值模拟研究［J］.内燃机工程，2008，28(4):11-15.Jiao Yunjing，Zhang Huiming，Tian Yuan，etal.Multidimensional simulation of effect of combustion chamber geometry on emission inDI diesel engine［J］.Chinese Internal Combustion Engine Engineering，2008，28(4):11-15.(in Chinese)。

柴油机电控喷油器模型仿真设计研究李菲菲;贾利;吕慧;肖维【摘要】根据喷油器的结构与工作原理,基于准稳态模型提出喷油器模型的逻辑算法.喷油器模型以柴油机各部件的稳态特性数据为基础,采用特性MAP的方式建立.通过试验验证,在不同工况下单缸单循环喷油量与理论值误差不大,具备对控制策略先期验证及系统后期全面、快速仿真测试的能力.通过喷油器模型开展硬件在回路仿真测试可大大减少发动机台架试验的时间,有效缩短项目研发周期.【期刊名称】《电子测试》【年(卷),期】2018(000)016【总页数】2页(P44-45)【关键词】柴油机;喷油器模型;仿真测试【作者】李菲菲;贾利;吕慧;肖维【作者单位】中国北方发动机研究所,天津,300400;中国北方发动机研究所,天津,300400;中国北方发动机研究所,天津,300400;中国北方发动机研究所,天津,300400【正文语种】中文1 喷油器结构与工作原理电控喷油器是燃油系统中最关键和最复杂的部件，它的作用是根据ECU发出的控制信号，通过控制电磁阀的开启和关闭，将高压油轨中的燃油以最佳的喷油定时、喷油量和喷油率喷入柴油机的燃烧室。

图1 喷油器结构高压燃油进入喷油器后分为两部分，一部分经节流阀流入控制腔，另一部分进入喷嘴腔。

当电磁阀不通电时，在电磁阀弹簧预紧力的作用下，电磁阀处于关闭状态，出油节流孔关闭，相同的油压同时作用在控制活塞的顶部和针阀承压锥面上，由于控制活塞顶部面积大于针阀锥面面积，因此针阀被压向座面，喷油器不喷油。

当ECU给电磁阀通电后，由于电磁吸力的作用，衔铁向上运动，出油节流孔开启，控制腔压力下降，作用在控制活塞顶部的燃油压力降低，这时作用在针阀承压锥面上的燃油压力克服弹簧压力和作用在控制活塞顶部的燃油压力将针阀升起，喷油嘴打开，开始喷油。

当电磁阀断电时，在电磁阀回位弹簧力的作用下，电磁阀关闭，共轨中的燃油又一次进入控制腔，控制腔的压力上升，控制活塞下行，喷嘴针阀关闭，停止喷油。

150AUTO TIMEAUTO PARTS | 汽车零部件最新柴油机尾气排放的标准是CO 不超过2.2g/km ，CH 不得超过1.13g/km ，颗粒物不得超过0.18g/km ，由于车辆的排气管是接近地面，处于人群的呼吸地带，所以这些尾气和颗粒物的排放对人体的呼吸系统有很大的影响。

实验表面柴油在气缸内燃烧质量的好坏会直接影响柴油机尾气的排放质量，柴油在缸内燃烧越充分，尾气排放质量越好。

而进一步实验表明，提高柴油的雾化效果能够使其在缸内燃烧更加充分，进而能降低尾气的排放[1-2]。

为了满足国家排放标准，柴油机的喷射压力不断提高，喷油器的喷孔尺寸也在不断变小，以获得良好的缸内雾化效果[3]。

随之带来的影响是喷孔内更容易出现空化现象[4]。

研究表面，流体中形成的空化奔溃会产生高温、高压、放电、和激震波等，这不仅会引起机器的噪声、震动、磨损等问题，还会对气缸内的燃油的雾化和油气混合过程产生显著影响，因此进行研究柴油的高压喷射的同时必须考虑柴油机喷孔内的空化流动特性[5]。

汪翔等[6]对柴油机单孔喷油嘴的研究表明: 喷油嘴的喷射压力提高会加剧入口压力的波动，而入口压力的波动现象会使不同时刻喷孔内的空化形态不同，越靠近喷孔出口的空化气泡动力特性越不稳定，也就是说对压力波动越敏感。

邓海鹏利用比尺效应建立了放大的可视化喷嘴，并开展了喷嘴空化特性研究。

结果发现，喷孔直径越大，空化区域也变大，并且空化区域从喷油孔壁面逐步向喷油孔中心位置发展[7]。

颜学升[8]对比例放大透明喷嘴内空穴流动的可视化试验表明，空穴现象的发生与雷诺数没有直接的联系,空穴现象的发生只有空穴数有关，随着喷孔直径的减小，空穴初生临界压力越大,小口径乃至原型喷嘴，其喷嘴内部较难出现空穴现象。

此外，柴油机喷嘴喷孔长径比和倾角以及针阀升程、压力室形状等几何结构因素都会影响其内部空穴流动特性；喷射燃料的物理特性对柴油机喷嘴空穴流动有重要影响，生物柴油比柴油更难出现空穴现象，且生物柴油出现水力柱塞流状态的压力要比柴油高,说明生物柴油保证获得良好喷雾状态的喷射压力要高于柴油。

柴油机高压喷油嘴喷射过程空化效应数值模拟鄂加强;邢德跃;王曙辉;龚金科;袁文华;钱承【摘要】In order to reveal the cavitation mechanism of diesel injection process, a numerical model has been developed to investigate the cavitation processes in injector nozzle according to the conservation of mass, momentum and the basic rules of the mixture fraction balance. Then, the numerical simulation results of cavitation effect were analyzed. It is discovered that the atomization performance of high pressure injection nozzle becomes poor and the vapor volume fraction and the thickness of cavitation in the injector nozzle decrease, and the radius of the nozzle inlet rounding lip tends to increase. The numerical study also points out that the amplitude of inlet pressure is reduced with the small variations of outlet mass flow, which is better for the accurate control of injection quantity. The nozzle internal cavitation phenomenon is strengthened at elevated fuel temperature and injection pressure conditions. However, increasing the injection pressure is more conducive to enhancement atomization.%为揭示柴油机高压喷油嘴喷射过程空化机理,根据质量守恒、动量守恒、混合组分平衡的基本规律建立了高压喷油嘴喷射过程空化效应数学模型,并对高压喷油嘴喷射过程空化效应进行了数值模拟分析,得出了曲率半径、压力波动幅度及柴油的部分物理参数对高压喷油嘴喷射过程空化效应的影响规律:随着喷油嘴入口处的曲率半径增大,喷孔内气相体积分数越来越小,空穴层的厚度也越来越薄,高压喷油嘴雾化性能变差；随着压力波动幅度的减少,喷油嘴出口质量流量变化越来越小,有利于喷油嘴喷油量的精确控制；燃油温度、喷油压力的提高使得喷油嘴内部空化现象得到加强,但是压力的增大更有利于空穴增强,从而有利于燃油雾化.【期刊名称】《湖南大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2013(040)002【总页数】7页(P45-51)【关键词】喷油嘴;空穴流动;压力波动;数值模拟【作者】鄂加强;邢德跃;王曙辉;龚金科;袁文华;钱承【作者单位】湖南大学机械与运载工程学院,湖南长沙410082【正文语种】中文【中图分类】TK402随着严格排放法规的制定及人们环保意识的增强，拥有良好排放性能的柴油机高压燃油喷射系统越来越引起关注.实验研究表明［1－3］，柴油机高压喷射过程中喷油嘴内部的空化过程对燃料在气缸内雾化及燃烧起着非常重要的作用.一方面由于喷孔内部流动的不规则及极度紊乱，油束在喷孔出口处已经分裂为细小的油滴，在离开喷嘴时，雾束表面已经形成了初始扰动源，即所谓的初次雾化，使得油滴和气体的混合更加均匀，使喷雾锥角增加，取得良好的雾化特性；另一方面，随着喷油压力的提高，空穴造成流体流动紊乱，引起能量损失，使得喷油嘴流量系数降低，影响喷油器工作可靠性，甚至使喷油嘴堵塞，造成柴油机工作故障和性能恶化［4－5］.因此，全面深入地研究探讨喷油嘴内部的空化机理显得非常重要.对于柴油机高压喷油嘴而言，其几何尺寸非常小，工作压力高，通过喷孔的流速可达到几百米每秒的数量级，在可视化技术手段不成熟的条件下，很难通过实验的方法获得喷油嘴内部详细流场参数，数值模拟便成为研究的重要手段［6］.本文采用拟流体模型模拟对称垂直四孔柴油机喷油嘴内部的空化流动过程，并研究曲率半径、喷油嘴压力波动等因素影响喷油嘴空化流动过程和喷油嘴出口截面流量的规律.1 空化效应数学模型高压喷油嘴喷射过程柴油－气泡两相湍流动相当复杂，为此，提出以下假设：①柴油－气泡两相湍流流动为稀疏悬浮体两相流动；②高压喷油嘴喷射过程为物理过程，不考虑化学过程；③高压喷油嘴喷射过程温度恒定，无需求解能量方程.采用拟流体模型，将液相柴油和气相气泡视为连续介质，并考虑油－气体系质量守恒、动量守恒以及柴油－气泡两相组分平衡，在Euler坐标系中导出柴油机高压喷油嘴喷射过程油－气两相湍流流动特性的基本守恒方程，建立高压喷油嘴喷射过程空化效应数学模型.用一个通用的基本参数Φ进行概括，则高压喷油嘴喷射过程油－气两相守恒方程组的通用微分方程为：式中ρ为柴油或气泡所对应的密度，kg／m3；τ为时间，s；ui（i＝1，2，3）为液体或气泡在xi（i＝1，2，3）3个方向流速，m／s；ГΦ为输运系数；SΦ是对应的源项.如表1所示，描述柴油机高压喷油嘴喷射过程油－气两相湍流流动的物理量计有15个：液相密度ρ，液相在xi（i＝1，2，3）3个方向的分速度u，v，w；气相密度ρp，气相在xi（i＝1，2，3）3个方向的分速度up，vp，wp；液相湍流动能k，液相湍流动能耗散率ε，液相混合分数f，液相混合分数脉动均值g和另外3个场变函数：液相压强p，液相有效动力粘性系数μe和气相有效运动粘性系数νp.因此，柴油机高压喷油嘴喷射过程油－气两相湍流流动的数学模型是由15个方程构成的联立方程组以及相应的边界条件所组成的.数学模型中的有关常数如表2所示.其中，C1，C2，Cμ为与k－ε方程有关的常数，cg1，cg2为g方程中常数，σk为湍流动能的有效Prandtl数，σε为湍流动能耗散率的有效Prandtl数，σf为混合分数的有效Prandtl数，σg为混合分数脉动均值有效Prandtl数，σp 为粒相的有效Prandtl数.表1 守恒方程中的变量、输运系数和源项Tab.1 Variables，transport coefficients and sources in the conservation equation注：Gk＝μT（∂uj／∂xi＋∂ui／∂xj）（∂uj／∂xi），μe＝μ0＋μT，其中μ0为气相分子粘性系数，μT ＝Cμρk2／ε，τrg为按Stokes阻力计算的气泡平均运动驰豫时间.守恒方程ΦГΦ SΦ液相质量1 00液相动量uμeρp（vp－v）／τrg－∂p／∂xi＋∂［μe（∂uj／∂xi ＋∂ui／∂xj］／∂xi液相湍流动能kμe／σkGk－ρε液相湍流动能耗散率εμe／σε（C1Gk－C2ρε）ε／k液相混合分数fμe／σf0液相混合分数脉动均值gμe／σgcg1μe（∂f／∂xi）2－cg2ρεg／k气相质量1 0∂［vp（∂ρp／∂xi）／σp］／∂xi气相动量upρpνpρp（vp－v）／τrg＋∂［ρpvp（∂upi／∂xi）］／∂xi＋∂｛νp［upj（∂ρp／∂xi）＋upi（∂ρp／∂xj）］／σp｝／∂x i表2 模型常数Tab.2 Constant of model符号C1C2cg1cg2σkσεσpσgCμσf取值1.44 1.922.8 2.0 0.9 1.3 0.35 0.9 0.09 0.92 空化效应模拟分析2.1 计算工况分析随着燃油喷射系统压力的提高，燃油的压力和温度对密度、体积弹性模量、运动黏度等物理特性参数的影响越来越大.这些物理参数又可以表示成温度和压力的函数.体积弹性模量可表达为［7］：式中p0为温度为T时的环境压力；E0（p）是压力为p，温度为T时的体积弹性模量.柴油的密度是柴油最重要的物理特性，它随温度和压力的变化而变化.Arcoumanis C，Varde K S等人对柴油的特性进行了研究，但是推导的经验公式和弹性模量的经验公式是相互独立的，为了更准确表达燃油密度同弹性模量的关系，引用文献［7］的密度表达式：式中ρ0（T）为在压力为p，温度为T时的密度.柴油的运动黏度对管路的压力损失影响较大，建立准确的运动黏度模型可减小仿真误差.黏度采用Roelands黏压－黏温关系式：式中μ0为一个大气压下温度为T0时燃油的黏度.z＝α／［5.1×10－9（lnμ0＋9.67）］，s＝β（T0－138）／（lnμ0＋9.67），β的取值范围0.03～0.061／K，一般情况下取中间值.α＝［0.612＋0.427 3ln（1 000 μ0）］×10－8.为此，本文以如图1所示的垂直四孔对称的喷油嘴为例，喷油嘴喷孔长度L＝1.2mm，喷油嘴喷孔直径D＝0.28mm，各喷孔沿圆周均匀分布，喷孔中心线与针阀轴线夹角均为72.5°.根据图2和图3可知，所选用的介质柴油20℃时ρfuel＝830kg／m3，动力黏度μe＝0.005kg／（m·s），柴油饱和气体的蒸气压力ps ＝890Pa，柴油的蒸气密度为ρ＝0.04kg／m3，动力黏度为6×10－6 kg／（m·s）.计算的初始及边界条件为：喷油压力pin＝60MPa，100 MPa，120MPa，喷油嘴出口背压pout＝6.0MPa（代表着喷油时刻缸内的压力），喷油嘴喷孔入口曲率半径R＝0mm，0.014mm，0.028mm，0.056mm，0.072mm，针阀固定在h＝0.3mm的位置.进行依赖时间的瞬态求解，时间步长Δτ＝2×10－8s；入口湍流强度I＝0.16×Re－1／8，湍流长度尺度：l＝0.07D；壁面为无渗透、无滑移壁面，压力的法向分量为0，采用标准壁面函数法.图1 喷油嘴三维计算模型Fig.1 3－D computation of nozzle model图2 弹性模量与压力的关系Fig.2 Bulk modulus versus pressure2.2 喷嘴内流量系数影响分布2.2.1 空穴的产生过程对空穴的研究可引进一无量纲参数，即空穴数K可表示为［8］：式中pin为喷孔入口喷油压力，pout为喷孔出口喷油压力，ps为在某个温度下流体的饱和蒸气压力.空穴数K值反映了喷油嘴内部空穴发展情况：K值越大，空穴发展的程度越微弱. 图3 柴油密度与压力变化的关系Fig.3 Diesel density versus pressure对于不同结构的喷油嘴，存在不同的临界空穴数K0：①当K＞K0时，流体是单相流，不会发生空穴现象；②当K＜K0时，流体会发生空穴现象.随着空穴数K值的不断减小，以至于喷油孔内的空穴区会一直延伸超出喷孔，形成“超空穴”现象［6］..在温度恒定的情况下，K值的大小主要取决于喷油嘴的喷油压差及上游喷油压力.基于喷油嘴内空穴分布，空穴流动发展可以分为4个过程：单相流、喷油嘴紧缩处产生空穴、空穴在喷嘴紧缩处到出口的发展、超空穴.超空穴通过提高流体的流速及减小流层的厚度，明显提高了流体的雾化效果.空穴发展的4个过程如图4所示.图4 喷嘴孔内空穴产生及发展过程Fig.4 Generation and development of cavity flow in the nozzle2.2.2 流量系数柴油在喷油嘴喷孔流动过程中，由于受到湍流摩擦涡旋和喷孔几何形状等的影响，产生流动损失，喷油嘴喷孔出口处柴油的实际质量流量已不同于理想流动下的质量流量［8］，故对流经整个喷孔的流动引入流量系数［9］Cd（即实际质量流量与理论质量流量的比值）：式中m为喷油嘴实际质量流量；Ath为喷油嘴喷管出口截面的横截面积.为简化公式，引入收缩系数Cc：式中Aeff为喷油嘴出口液体所占的有效横截面积.收缩系数Cc与喷孔几何尺寸（R／D）可表示如下：当Aeff＜Ath时，即产生超空穴现象时，由式（2）和式（6）可知，流量系数Cd和空穴数K存在如下关系：当进口压力为80MPa，背压为6MPa时发生空穴现象，喷嘴的临界空穴数K0约为1.2［10］，本文模型所模拟的结果（如图5所示）与Nurick关系式所预测的结果一致，证明了所用模型的可靠性与准确性.图5 流量系数随空化数的变化Fig.5 The flow coefficient with the change of the cavitation numbers2.3 喷嘴入口处的曲率半径对空化效应影响分析空穴流的产生及发展和喷油嘴的几何参数（喷嘴入口处的曲率半径R、喷嘴的长度L、喷孔的直径D）有着密切的联系.以进口压力100MPa为例，由图6分析可知，在喷油嘴进出口压力及其他参数保持恒定的情况下，随着喷油嘴入口曲率半径的增大，喷孔内流体的气体体积分数随之减小.喷油嘴喷孔内气体体积分数的减小意味着喷油嘴雾化效果的变差.入口的曲率半径对流体的雾化程度有着显著的影响，当R＜0.056 mm时，曲率半径对流体的雾化效果有着较大影响，尤其是喷油嘴入口为锐边时雾化效果最好.随着曲率半径的增大喷孔内雾化效果迅速的减弱.当R增大到一定程度，R＞0.056mm时喷孔内流体的气体体积分数的变化减弱，曲率半径对流体雾化的影响明显减小且趋于稳定.图6 pin＝100MPa时不同入口曲率半径下气相体积分数Fig.6 Vapor fraction distributions of different lip roundings Rfor pin＝100MPa研究发现［5－6］，喷嘴进出口的压差对喷孔内的空穴形成及发展有着很大的影响.通过表3及图7～图8可以看出，喷油嘴进出口的压力差对喷孔内气相体积分数有很大的影响，入口高压对喷孔内流体的雾化作用比较明显，这也是需不断努力提高柴油机喷油压力的重要原因.通过图7对出口流量的分析，可以看出随着曲率半径增大，R＜0.056mm时喷油嘴出口流量变化幅度较大，当R＞0.056mm时，喷孔出口流量基本稳定.结合表3可知，随着曲率半径增大，喷孔内气体体积分数越来越小，空穴层的厚度也越来越薄，喷孔内流体的有效流通面积变大，流量就越大.同时由式（8）可知喷嘴入口圆角半径R越大，即R／D越大，入口圆角边越圆，紧缩系数增大，综合以上两种不同的工况，在喷油嘴的设计中，为提高喷油嘴的综合喷油性能，要权衡雾化即空穴层越薄，同时延伸长度也越短.但考虑雾化效果和喷嘴出口流量的影响，不能牺牲流量刻意追求锐边过渡.图7 pin＝100MPa不同曲率半径下喷孔出口流量及流量系数变化Fig.7 Outlet mass flow and discharge coefficient variations under different lip roundings Rfor pin＝100MPa表3 不同压力pin和曲率半径R条件下的气相体积分数Tab.3 Vapor fraction distributions of different lip roundings Rand inlet pressure pinR／mm a ／%pin＝60MPa pin＝100MPa pin ＝120MPa 0 90.3 94.0 96.7 0.014 74.6 80.8 85.6 0.028 62.2 67.6 70.4 0.056 41.6 49.5 53.9 0.072 37.6 42.5 47.92.4 喷嘴压力波动对空化效应影响分析实际高压喷油过程中，柴油机喷油嘴入口处将不可避免地产生高频率的压力波动，而这种高频率的压力波动已被证实对喷油嘴喷孔内的空穴分布产生较显著的影响［11－12］.设柴油机喷油嘴入口处平均压力pavg＝100MPa，当入口半径R＝0.014mm其压力变化幅度Δp1＝10MPa，Δp2＝5MPa，压力的变化频率f＝50kHz，其压力波动曲线分别为：不同压力波动幅度对柴油出口流量的影响如图9～图10所示.在压力增大的过程中，喷孔出口流量随之减小，但在压力增大到峰值110MPa时，喷孔出口流量的变化却没有降到最低，直到压力再次减小到108MPa时喷孔出口的流量才达到最小值.同样当压力减小至波谷位置τ＝70μs时，喷孔出口的流量也没达到最大值.同时，喷孔入口处压力波动越小，柴油出口质量流量的变化就越不明显.这说明喷孔入口处的压力波动和喷孔出口质量流量的波动有一定的时差，两者不是同步变化的，即随入口压力的变化，喷嘴内部任一点的压力和速度的变化存在一定的相位差.因此，在喷油压力快速增加或减小的非稳态变化过程中，瞬态喷油压力最高时刻对应的空化效果并不是最理想.随着压力波动幅度的减少，且τ＝74μs到τ＝80μs的时间段内质量流量变化程度越来不明显，故在工程实际中应尽量避免喷油嘴喷油入口大的压力波动幅度，确保出口喷油质量的误差能有效减小，以增加系统对喷油嘴喷油量的精确控制.图8 pin＝120MPa时不同入口曲率半径下气相体积分数Fig.8 Vapor fraction distributions of different lip roundings Rfor pin＝120MPa2.5 柴油的物理特性对空化效应的影响分析在喷油压力越来越高的燃油喷射系统中，压力对燃油的物理性质的影响越来越大.如图9，图10所示，在高压下，柴油的密度、弹性模量均有明显的变化.然而这些物性参数的变化对燃油喷射系统的仿真结果的准确性有着直接的影响.为了更深入详细地研究柴油物性参数对空化效应的影响，对不同温度条件下某型号柴油，在喷油嘴入口曲率半径为0.014mm，入口喷射压力为60MPa，出口压力为6 MPa的条件下进行了具体的研究分析.图9 压力波动为10MPa时出口质量流量变化Fig.9 Outlet mass flow variations of the inlet pressure fluctuation of 10MPa图10 压力波动为5MPa时出口质量流量变化Fig.10 Outlet mass flow variations of the inlet pressure fluctuation of 5MPa如图11所示，随着温度、压力的升高，喷嘴内部气相体积分数相应的增加.随着温度升高柴油的黏度降低、密度减小，黏度的降低使得柴油在流动过程中压降损失减小，喷油嘴内部气体分数增加，从而有利于燃油的雾化.但是这种影响不甚明显.结合表3相比较而言，入口喷油压力的增大使得喷嘴内部空化现象得到显著加强，压力的增大更有利于燃油的雾化.图11 不同温度下气相体积分数Fig.11 Vapor fraction distributions of different temperature3 结论1）高压喷油嘴喷射过程空化效应数值模拟结果和实验结果表明：随着喷油嘴入口处的曲率半径增大，喷孔内气相体积分数越来越小，空穴层的厚度也越来越薄，高压喷油嘴雾化性能变差；随着压力波动幅度的减少，喷油嘴出口质量流量变化程度越来小，有利于喷油嘴喷油量的精确控制.2）超空穴流能更好地起到雾化流体的作用，但同时使得喷油嘴内流量系数减小，降低喷油嘴的工作性能，为提高喷油嘴的喷油性能，应综合考虑喷油嘴初次雾化及出口流量等因素.3）喷油压力的提高及燃油温度的变化使得燃油的物理特性产生变化，燃油温度、压力升高使得喷油嘴内部空化现象得到加强，但是压力的增大更有利于空穴增强从而有利于燃油雾化.4）柴油机高压喷油嘴喷射过程空化效应数值模拟研究结果可为柴油机高压喷油嘴的优化设计提供坚实的理论基础与技术保障.参考文献［1］ TAMAKI N，SHIMIZU M，NISHIDA K，et al.Effects of cavitation and internal flow on atomization of a liquid jet［J］.Atomization and Sprays，1998，8（2）：179－197.［2］ SOTERIOU C，ANDREWS R，SMITH M.Further studies of cavitation and atomization in diesel injection［C］／／SAE Paper.1999－01－1486，1999.［3］ CHAVES H，KNAPP M，KUBITZEK A.Experimental study of cavitation in the nozzle hole of diesel injectors using transparent nozzles［C］／／SAE Paper.950290，1995.［4］成晓北，黄荣华，王志，等.柴油机喷油器喷孔空泡雾化的研究［J］.内燃机工程，2002，23（2）：60－64.CHENG Xiao－bei，HUANG Rong－hua，WANG Zhi，et al.The study on injector nozzle cavitation atomization in a diesel engine［J］.Chinese Internal Combustion Engine Engineering，2002，23（2）：60－64.（In Chinese）［5］魏明锐，文华，刘会猛，等.柴油机孔式喷油嘴内空穴流动的模拟分析［J］.内燃机学报，2006，24（6）：526－530.WEI Ming－rui，WEN Hua，LIU Hui －meng，et al.Simulation analysis on cavitation flow in a diesel engine nozzle［J］.Transactions of CSICS，2006，24（6）：526－530.（In Chinese）［6］何志霞，李德桃，胡林峰，等.喷油嘴喷孔内部空穴两相流动数值模拟分析［J］.内燃机学报，2004，22（5）：433－438.HE Zhi－xia，LI De－tao，HU Lin－feng，et al.Numerical simulation and analysis of two－phase flow of inner cavitation in injection nozzles［J］.Transactions of CSICS，2004，22（5）：433－438.（In Chinese）［7］ CATANIA A E，FERRARI A.Temperature variations in the simulation of high－pressure injection－system transient flows under cavation.［J］.Heat and Mass Transfer，2008（51）：2090－2107.［8］王谦，柏金，何志霞，等.柴油机喷嘴空穴流动特性分析［J］.车用发动机，2010（3）：27－34.WANG Qian，BO Jin，HE Zhi－xia，et al.Cavitating flow characterisitics in diesel nozzle［J］.Vehicle Engine，2010（3）：27－34.（In Chinese）［9］ NURICK W H.Orifice cavitation and its effects on spray mixing ［J］.ASME Journal of Fluids 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轿车柴油机气门正时和喷油嘴流量仿真与试验研究周岳康;董尧清;韩文艳【摘要】利用AVL BOOST软件建立了柴油机仿真计算模型,针对喷油嘴流量为710 ml/min时全负荷工况下柴油机功率和比油耗进行了计算.计算结果与试验结果的对比表明该计算模型正确有效.在不改变气门升程的情况下,利用该仿真模型对配气正时进行了优化,并在此基础上模拟研究了不同喷油嘴流量对柴油机全负荷性能的影响.结果表明,优化方案可使柴油机中低速扭矩、燃油耗和NOx排放得到改善,且排放可达到欧Ⅳ标准.【期刊名称】《汽车技术》【年(卷),期】2010(000)004【总页数】5页(P12-16)【关键词】轿车柴油机;气门正时;喷油嘴流量;仿真;试验【作者】周岳康;董尧清;韩文艳【作者单位】同济大学上海汽车集团股份有限公司;同济大学;同济大学中北大学【正文语种】中文【中图分类】U464.1721 前言由于环境和能源的压力,世界各国对汽车的动力性、经济性和排放指标的要求日趋严格。

柴油机凭借其较低的燃油消耗正逐渐向轿车领域渗透，因此其性能的提高也面临着严峻的挑战[1]。

目前对柴油机性能的优化，比较简单而有效的手段主要是改善燃烧以提高柴油机性能，而配气正时与喷油参数是影响燃烧过程的重要参数。

近年来，许多学者通过数值模拟和试验的方法研究了进、排气系统与供油系统参数对柴油机性能影响，如2000年杨世友提出的AVIEIT系统有效改善了高速柴油机低速大扭矩点的气缸充量[2]。

本文在不改变硬件配置的情况下，对某增压中冷轿车柴油机配气正时和喷油嘴流量进行了优化仿真与试验研究。

2 柴油机基本参数研究所采用柴油机为2.0 L高速直喷直列四缸8气门轿车柴油机，该柴油机采用高压共轨燃油喷射装置、带冷却EGR和涡轮增压中冷，其基本参数见表1所列。

表1 柴油机基本参数缸径/mm 84.45 共轨压力/MPa 160行程/mm 88.9 最高爆发压力/MPa 14.5排量/L 2.0 点火顺序 1-3-4-2每缸气门数 2 燃烧室型式 W型额定功率/kW 100 最大扭矩/N·m 300额定转速/r·min-1 4 000 最大扭矩转速/r·min-1 2 0003 仿真与试验结果分析3.1 计算模型柴油机仿真计算模型（图1）采用AVL BOOST软件建立。