机车柴油机喷油嘴三维流场数值模拟及其改进研究[1]

维普资讯 http://www.cqvip.com 第２８卷第４期　２００７年８月　内燃机工程　Ｖｏ１．２８　ＮＯ．４　Ａｕｇ．２００７　Ｃｈｉｎｅｓｅ　Ｉｎｔｅｒｎａｌ　Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ　Ｅｎｇｉｎｅ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　文章编号：１ＯＯｏ一０９２５（２００７）ｏ４一ｏ３２一ｏ４　２８００６７　机车柴油机喷油嘴三维流场数值模拟及其改进研究　李明海。张晓琨，崔洪江，关颖　（大连交通大学交通运输工程学院，大连１１６２０８）　Ｉｍｐｒｏｖｅｄ　Ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　Ｔｈｒｅｅ—ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ　Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｎｏｚｚｌｅ　ｏｆ　ａ　Ｌｏｃｏｍｏｔｉｖｅ　Ｄｉｅｓｅｌ　Ｅｎｇｉｎｅ　ＬＩ　Ｍｉｎｇ－ｈａｉ，ＺＨＡＮＧ　Ｘｉａｏ—ｋｕｎ，ＣＵＩ　Ｈｏｎｇ－ｊ　ｉａｎｇ，ＧＵＡＮ　Ｙｉｎ　（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｔｒａｆｆｉｃ　ａｎｄ　Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ，Ｄａｌｉａｎ　Ｊｉａｏｔｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｄａｌｉａｎ　１１６０２８，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｔｈｒｅｅ—ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ　ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｂｌｅ　ｆｌｏｗ　ｉｎｓｉｄｅ　ｔｈｅ　ｎｏｚｚｌｅ　ｔｉｐ　ｗａｓ　ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ　ｂｙ　ｕｓｉｎｇ　ＦＬＵＥＮＴ　ｓｏｆｔｗａｒｅ．Ｔｈｅ　ｓｔｕｄｙ　ｓｈｏｗｓ　ｔｈａｔ　ｔｈｅｒｅ　ｉｓ　ｌｅｓｓ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｌｏｓｓ　ｉｎ　ｓｅａｌ　ｓｅａｔ　ｓｕｒ—　ｆａｃｅ　ｗｉｔｈ　９０。ａｎｇｌｅ　ｃｏｍｐａｒｅｄ　ｗｉｔｈ　６０。ａｎｇｌｅ：ａｓ　ｔｈｅ　ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｉｎｃｒｅａｓｅｓ，ｔｈｅ　ｄｉｓｃｈａｒｇｅ　ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｎｏｚｚｌｅ　ｄｅｃｒｅａｓｅｓ；ｔ［ａｅ　ｄｉｓｃｈａｒｇｅ　ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ　ｗｏｕｌｄ　ｂｅｃｏｍｅ　ｌａｒｇｅｒ　ｉｆ　ｔｈｅ　ｆｉｌｌｅｔ　ｏｆ　ｎｏｚｚｌｅ　ｈｏｌｅ　ｉｓ　ａｐｐｌｉｅｄ，　ｗｈｉｃｈ　ｗｉｌｌ　ｈｅｌｐ　ｔｏ　ｒｅｄｕｃｅ　ｔｈｅ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｌｏｓｅ　ｃａｕｓｅｄ　ｂｙ　ｈｉｇｈ　ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ．Ａ　ｍｅｄｉｕｍ　ｓｐｅｅｄ　ｌｏｃｏｍｏｔｉｖｅ　ｄｉｅｓｅｌ　ｅｎｇｉｎｅ　ｅｑｕｉｐｐｅｄ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ　ｎｏｚｚｌｅ　ｈａｓ　ｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅｄ　ｍｏｒｅ　ｔｈａｎ　２２０　０００　ｋｍ　ｏｆ　ｐｒａｃｔｉｃａｌ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔ　ｉｎｄｉｃａｔｅｓ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｒａｔｅ　ｏｆ　ｆａｉｌｕｒｅ　ｏｆ　ｎｅｅｄｌｅ　ｃｏｕｐｌｅ　ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ　ｒｅｄｕｃｅｓ，ａｎｄ　ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ　ａｎｄ　ｄｕｒａ—　ｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｎｏｚｚｌｅ　ｉｎｃｒｅａｓｅ．　摘要：通过ＦＬＵＥＮＴ软件利用可压缩流体的三维湍流模型和无粘流动模型对改进前后　喷油嘴内流场进行了数值模拟。对比研究发现，９０。密封座面的压力损失小于６０。密封座面；随　着喷射压力的提高喷油嘴流量系数有减小的趋势；喷孔倒角可以增大喷油嘴流量系数，同时可　以减少高压喷射带来的压力损失。在高强化中速机车柴油机上２２０　０００　ｋｍ的实际运用结果　表明，该型针阀偶件大大减少了故障率，并且其工作可靠性、使用寿命有大幅度提高。　关键词：内燃机；三维数值模拟；柴油机；喷嘴　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ＩＣ　ｅｎｇｉｎｅ；ｔｈｒｅｅ—ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａ１　ｎｕｍｅｒｉｅａ１　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｄｉｅｓｅ１　ｅｎｇｉｎｅ；　ｉｎｊ　ｅｃｔｏｒ　ｎｏｚｚｌｅ　中图分类号：ＴＫ４２１　文献标识码：Ａ　０概述　设计不尽合理。测试和计算结果表明，国产机车柴　油机喷油器针阀偶件工作时零部件温度在２００℃～　３００℃之间，针阀对针阀体的冲击应力高达８８２～　９３１　ＭＰａ，其抗冲击性能较差。统计分析表明：近３　随着柴油机向节能、低排放的方向发展，对柴油　机燃油喷射系统高压、高喷射速率的要求更加苛刻。　铁路客运提速以来大功率机车柴油机燃油喷射系统　出现了很多问题，如喷油器工作可靠性差、寿命短，　造成机车柴油机工作故障和性能恶化。机车运用部　门频繁的检修不但浪费了大量的人力、物力，而且配　件的消耗量很大。究其原因，主要是喷油嘴的结构　年ＤＦ１１内燃机车在４０　０００　ｋｍ检修时，平均每台机　车有８个左右喷油器因雾化不良需更换。为减少冲　击应力，需要在保证喷油泵针阀流通能力的前提下　尽量减小针阀升程，从而提高使用寿命。在改进研　究过程中发现通过合理设计喷油嘴前端结构可以有　收稿日期：２００６－０７－２０　作者简介：李明海（１９６２一）。男．教授．主要研究方向为柴油机性能优化及仿真。Ｅ－ｍａｌｌ：ｄｌｍｉｎｇｈａｉ＠ｖｉｐ．ｓｉｎａ．ｃｏｒｎ。　维普资讯 http://www.cqvip.com ２００４年第４期　内燃机工程　效增大流通能力，减小压力损失。所以在喷油嘴的　设计中，对喷嘴内流场的研究很有必要。但是由于　喷嘴内体积小，其流场状态很难通过试验得到，通过　ＣＦＤ模型进行研究可以弥补这一缺陷。文献［２，３］　研究了喷油嘴内压力与流量变化的特性。文献Ｅ４］　通过混合多相流空化模型研究了气穴对喷射的影　响。文献［５，６］研究了考虑燃油可压缩性和粘温一　粘压关系下的柴油机喷嘴流场。本文就某型铁路机　车用柴油机喷油嘴的各种改进方案进行了模拟，通　过喷嘴内流场的分布，分析了喷嘴改进设计的合理　性，并提出了进一步改进的方向。　１计算模型　１．１喷嘴内流道结构　喷油嘴主要改进参数如表１所示。所建简化模　型如图１、图２所示。　表１　改进前后的结构参数　改进项目　结构Ａ　结构Ｂ　（原针阀偶件）　（改进后针阀偶件）　中孔直径×升程／ｒａｍ　８×０．６　８×０．５　座面锥角　６０。　９０。　起喷压力／ＭＰａ　２６　２８　压力室直径／ｒａｍ　２．５　２　喷孔直径×数量／ａｒｍ　０．５×８　０．４×５＋０．４５×５　（上下排布）　图１结构Ａ的流道模型（由于对称性，取１／１６建模）　图２结构Ｂ（由于对称性，取１／２建模）　为进一步提高喷射性能，对改进后喷油嘴喷孔　内侧倒角（Ｒ一０．１　ａｒｍ）形成结构Ｃ。　１．２数学模型　采用三维稳态模拟方法。并做如下假设和简　化：（１）忽略流动过程中化学反应的影响。（２）由于　对比试验在油泵试验台进行，忽略温度梯度。（３）燃　油喷射系统中燃油的可压缩性不可忽略，密度采用　Ｄ．Ｄｏｗｓｏｎ和Ｇ．Ｒ．Ｈｉｇｇｉｎｓｏｎ提出的无量纲密度随　压力变化的函数。　Ｐ—　（　＋　）　㈩　式中，１０为密度；　为压力。　１．３网格划分　对不同的部分依据其结构特点分别划分网格，　并利用对称性选取流场的１／２计算（６０。座面喷嘴选　取１／１６），在导向面附近形状规则处采用六面体网　格，其余采取四面体网格。　１．４边界条件的设定　选取入口压力条件和出口压力条件为边界条　件，按照《ＤＦ４，ＤＦ１１型机车用柴油机质量抽检细　则》，在油泵试验台上，在凸轮转速为５００　ｒ／ｍｉｎ，油　泵齿条刻线为１４．２，启喷压力为２８．１ＭＰａ的方案里　测得的压力波曲线和针阀运动曲线确定入口压力。　由试验可知，当入口压力为６０　ＭＰａ时，针阀已达到　最大升程。选取６Ｏ　ＭＰａ，８Ｏ　ＭＰａ和峰值压力１０５　ＭＰａ作为计算方案。　喷嘴内流场湍流强度很大，对流场入口湍流参　数设置不敏感。选用湍流强度和水利直径作为设定　参数，依照以下公式计算　Ｉ一０．１６（Ｒ　）－－１／８　（２）　式中，Ｉ为湍流强度；Ｒ　为按水利直径计算得到的雷　诺数［　。　出口压力选用与油泵试验台一致的出口压力，　即１个大气压。由于迭代计算过程中有可能产生　回流，所以出口湍流参数对收敛有影响，湍流强度　取预计算时出口的湍流强度，水利直径选取喷嘴　直径。　１．５燃油性质　根据文献Ｅ８］，油泵试验台用油为０号轻柴油与　机油的混合油，它在２Ｏ℃下密度为８５０ｋｇ／ｍ。，有效　粘性系数为０．０５　ｋｇ／ｍｓ。　１．６数值方法　采用Ｓｉｍｐｌｅ压力场修正算法。考虑粘性时，打　开能量方程，为可压缩流体开启Ｖｉｓｃｏｕｓ　Ｈｅａｔｉｎｇ计　算由于湍流而引起的动能向内能的转化。温度参　维普资讯 http://www.cqvip.com 内燃机工程　２００７年第４期　考文献［８］中相关规定为２９３　Ｋ。考虑到喷嘴内流　场湍流强度很大，且喷嘴入口附近流线弯曲程度　比较大，湍流模型采用ＲＮＧ　ｋ－￣模型。由于喷嘴　内导向面和密封座面处流场长和宽的尺度远大于　其厚度，壁面对流场的影响很大，所以采用非平衡　壁面函数修正ＲＮＧ　ｋ－￣法只适用于高雷诺数的湍　流核心区域对近壁计算的失真。设定Ｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅ　ｋｉｎｅｔｉｃ　ｅｎｅｒｇｙ和Ｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅ　ｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎ　ｋａｔｅ项采　用二阶迎风格式差分计算，其余参数使用一阶迎　风格式。　２各喷嘴不同压力下流动对比分析　２．１结构Ａ与结构Ｂ在峰值压力下的比较分析　表２为１０５　ＭＰａ峰值压力下结构Ａ与结构Ｂ　的流量和流量高数对比。　表２　结构Ａ与结构Ｂ在峰值压力下的流量和流量系数　喷嘴类型及　无粘性时流量／　有粘性时流量／　流量系数　入口压力　ｋｇ·ｓ　ｋｇ·ｓ　及增加百分比　结构Ａ　０．５７６　０．５Ｏ３　０．８７３　结构Ｂ　０．４９Ｏ　０．４３４　０．８８５（＋１．４　）　由表２可以看到，在峰值压力下，改进后的喷油　嘴流量减少，但是流量系数增加了。其原因是改进　前喷嘴出口端为８×ＲＯ．２５　ｍｌＴｌ的喷孔，流通截面积　为１．５７１　ＩＴＩ１ＴＩ　。改进后为５×Ｒｏ．２　ｍｍ＋５×Ｒ０．２２５　ｍｍ的喷孔，流通截面积为１．４８８ｍｌＴｌ。。由于流通截　面积的减少，所以流量有所下降。与改进后相比，改　进前６Ｏ。密封座面处流通截面积相对较小，而喷嘴流　通截面积又相对较大，造成座面流通截面积与喷嘴　流通截面积比值较小，所以压力损失较大，流量系数　较小。这说明改进后喷嘴更符合从入口到出口流通　截面积依次减小的要求。　图３结构Ａ对称面上的静压力等高线云图　压：Ｄ／Ｐａ　１．０４ｅ＋０８　■８＿７．－９５６０ｅ＋０７　ＩＩ６·０４ｅ＋０７　图４结构Ｂ对称面上的静压力等高线云图　图３、图４为改进前后对称面上的静压力等高　线云图。由图３、图４可见，改进后喷嘴流场在针　阀与座面之间的压降要小于改进前。在喷孔入口　处存在一个负压区，在实际中由于空化作用负压区　比图中所示压力高。精确的空化、穴蚀计算应该在　瞬态计算中解决，但是从本次稳态计算的压力云图　中也显示了容易发生穴蚀的区域在密封座面与针　阀之间的喷孔入口处，从现场长期使用的实际情况　来看也是如此。应该指出的是，尽管改进后喷嘴流　量略减少，但是改进后喷嘴喷孔数量增加，半径减　少，增大了喷雾同空气接触的面积，有利于燃油　雾化。　２．２结构Ｂ在不同压力下的比较分析　表３为结构Ｂ在不同压力下流量和流量系数。　表３结构Ｂ在不同压力下的流量和流量系数　入口压力　无粘性流量／　有粘性流量／　流量系数及　ｋｇ·ｓ一　ｋｇ·ｓ　增加百分比　６ＯＭＰａ　０．３７０　０．３４４　０．９２９　８ＯＭＰａ　０．４２６　０．３８８　０．９１０（一１．０　）　１Ｏ５ＭＰａ　０．４９Ｏ　０．４３４　０．８８５（一３．２　）　随着压力的提高，流量系数呈下降趋势。这是　因为入口压力提高，湍流强度增大，湍流造成的能量　损失相对较多。所以燃油系统喷射压力越高，对喷　孔进行倒角就越有必要。　２．３倒角对流场的影响　倒角对流场影响的计算结果见表４、图５和　图６。　表４结构Ｂ与结构Ｃ在峰值压力下的流量和流量系数　喷嘴类型　无粘性流量／　有粘性流量／　流量系数及　（入口压力１０５ＭＰａ）　ｋｇ·ｓ一　ｋｇ·Ｓ　增加百分比　结构Ｂ　０．４９０　０．４３４　０．８８５　结构Ｃ　０．５４０　０．５０８　０．９４０（＋７．５　）　维普资讯 http://www.cqvip.com ２００４年第４期　内燃机工程　速度／ｍ．Ｓ　４．４０ｅ＋０２　３．９６ｅ＋０２　截止２００５年１２月２日，０３５１机车走行２０１　５４１　ｋｍ，０３８５机车走行２２５　６９１　ｋｍ。经统计新针阀偶件每　３２　８　３　９　５●９　６　４　２　９　７　７　３　Ｏ　●６　２　４　２　Ｏ　ｅ　ｅ　ｅ　ｅ　ｅ　ｅ　ｅ　ｅ　ｅ　ｅ　ｅ　登３．５２ｅ＋０２　６０　０００ｋｍ不良数为０．２２副。该段前期使用的针阀偶　＋＋＋＋＋　件平均每６０　０００　ｋｍ不良数为１２．８副。截止２００５年　１　３２．０８ｅ＋０２　１　２６４ｅ＋０２　２０ｅ＋０２　２　２　２　２　２　２　２　２Ｏ　Ｏ　Ｏ　Ｏ　Ｏ　Ｏ　Ｏ　Ｏ　Ｏ　Ｏ　Ｏ　●●Ｏ　＋＋＋＋＋＋８月２Ｏ日，０３５１机车、０３８５机车均走行１６０　０００ｋｍ以　上。２台机车（共３２副针阀偶件）在此期间只有２副　＿：Ｉ　＝　８．８０ｅ＋０１　偶件出现雾化不良，其不良率达到一个超低的水平。　２００４年６月在沈阳铁路局本溪机务段配属的　１０５１号、１０４７号２台内燃机车上使用。截止到２００５　■４．■４０ｅ＋０１　ｏ．００ｅ＋００　图５结构Ｂ在峰值压力下对称面上的速度等高线云图　速度／ｍ．Ｓ。　。图６结构ｃ在峰值压力下对称面上的速度等高线云图　从图５、图６可见倒角以后流场在喷孔内的速度　分布更加均匀，绝对值也更大。这是因为结构Ｃ中倒　角减弱了结构Ｂ中锐边对的截流作用，对下游流场影　ｈａ４，。可见喷嘴内倒角能够同时提高喷油量和流量　系数。但是倒角半径不易过大，否则会造成各喷孔相　连接，降低喷孔长度和直径比，影响喷雾贯穿距离。　倒角后较大的流量可以缩短喷油持续期，改善燃烧，　降低排放。在以后的喷油嘴改进工作中，如果对喷嘴　倒角，建议适当减小喷孔直径，提高启喷压力或者改　变柱塞泵凸轮型线以保证总喷油量不变。由于喷嘴　布置已经十分密集，而倒角之后更容易造成压力室内　各喷孔相连，因而通过减小压力室半径来减少压力室　容积已无太大潜力，为进一步减小压力室容积可以填　充压力室前端半球形空间，由速度等高线图可以看　到，半球形空间中燃油流动速度比较慢（０￣５０　ｍ／ｓ）因　而对这部分空间的填补产生的节流作用不大。　３新结构的针阀偶件运用情况　按照上述ＣＦＤ的优化计算结果，对方案Ｂ进行　了试制加工，经过一系列的中间试验，最终在内燃机　车上进行运用考核。　按照新的结构设计了针阀偶件。经实物加工制　造，于２００４年１２月在上海铁路局上海机务段配属　的０３８５号、０３５１号２台ＤＦ１１内燃机车上使用。　年４月２２日，１０５１号、１０４７号两机车均已安全走行　１２万余ｋｍ，３２副针阀偶件质量良好。截止到２００５　年８月２日，２台机车安全走行近１８Ｏ　０００　ｋｍ，在这　期间只更换过１副针阀偶件，其它同类产品一般每　６０　０００　ｋｍ就要更换８副以上，改进后的针阀偶件表　现出非常好的工作可靠性及使用寿命。　４结论　（１）９０。针阀座面能有效提高喷油嘴流通特性，　因而在适当减小针阀升程以提高系统可靠性的条件　下，喷油嘴流量系数依然有提高。　（２）随着喷射压力的提高，流场湍流强度增大，　湍流引起的能量损失增加，流量系数降低，高压喷射　对喷油嘴的流量系数的要求更高。喷油嘴倒角能在　现有产品不做大改动的情况下有效提高喷油嘴在同　样喷射压力下的流量和流量系数。　（３）新设计的针阀偶件经过实际运用考核，其　工作可靠性、使用寿命大幅度提高。　参考文献：　［１］李明海，刘建伟，王千．改进针阀结构延长其使用寿命［Ｊ］．内　燃机，２００６（１）：４８—５０．　Ｅ２３　Ｒｉｃｃｏ　Ｍ，Ｃａｍｐａｎｅｌｌａ　Ｒ，Ｌａｆｏｒｇｉａ　Ｄ，ｅｔ　ａ１．Ｓｐｒａｙ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｆｉｖｅ－ｈｏｌｅ　Ｖ．Ｃ．０　ｎｏｚｚｌｅ　ｏｆ　ａ　ｄｉｅｓｅｌ　ｅｌｅｃｔｒｏ－ｉｎｊｅｃｔｏｒ￣ｃ＿．ＳＡＥ　９４０１９２．　ｒ３］　Ａｒｃｏｕｍａｎｉｓ　Ｃ，Ｇａｖａｉｓｅｓ　ｒｎ，Ｍｎｏｕｒｉ　．Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｌｆｏｗ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｎｏｚ—　ｚＩｅ　ｏｆ　ａ　ｖｅｒｔｉｃａｌ　ｍｕｌｔｉｈｏｌｅ　ｄｉｅｓｅｌ　ｅｎｄ．ｈｅ　ｉｎｊｅｃｔｏｒＥＣ］．ＳＡＥ　９８０８１１．　Ｅ４２何志霞，袁建平，李德桃，等　柴油机喷嘴结构优化数值模拟分　析Ｉ－Ｊ］．内燃机学报，２００６，２４（１）：３５　４１．　Ｅ５３徐波，张宗杰，戚茂国，等．柴油机多　Ｌ式喷油嘴中燃油三维　流动分析［刀．现代车用动力，２００５（１）：１７－２１．　Ｅ６］徐波，张宗杰．三维流场数值模拟在柴油机喷油嘴中的应用　ＥＪ］．柴油机设计与制造，２００５（１）：２９—３３．　１－７３王福军．计算流体力学分析［Ｍ］．北京：清华大学出版社，２００４：　２１４—２１６．　Ｅ８］铁道部产品质量监督抽查细则［ｓ］．铁道部质量监督检验中心　内燃机车检验站，２０００．　（编　辑：孔　毅）