某型比例閥內流仿真及流量線性分析

重慶紅江機械有限責任公司 李亞洲 付健 梁宏喜 郭元

一、引言

比例閥對流量線性調節和響應速度是整個控油系統的關鍵，在柴油機燃油系統中比例閥出口處燃油經過泵體低壓進油道后進入油腔，比例閥起著控制進入柱塞腔燃油量的作用，從而控制泵入共軌管中高壓燃油的數量，實現對軌壓的動態控制。為滿足共軌油泵對比例閥流量線性要求，根據給定的供油邊界條件，文中設計了三種不同的結構，分析各結構下比例閥內部流場分布情況及供油特性，以獲得較大流量線性比例極限。

二、設計方案

以國內某型柴油機比例閥為分析對象，該閥開口處的幾何尺寸如圖1所示，為了研究矩形開口尺寸及出口管道類型對比例閥流量調節的線性度和響應速度的影響情況，本文設計三種研究方案，其設計方案如表1所示。

圖1 比例閥開口結構示意圖

表1 比例閥研究方案

三、建模

該比例閥由閥芯、閥套、閥殼體、彈簧和銜鐵等零件組成，其剖面結構如圖2所示。比例閥內部流域從低壓進油接頭到出油口之間的區域，因此抽取流道時僅對管接頭、閥芯、閥套、閥殼體之間的區域建模。

圖2 比例閥流域模型剖面圖

四、網格及邊界條件

本文采用mesh對模型進行網格劃分，閥口處采用了相同尺寸的網格（0.1mm）劃分，設置全局網格尺寸為0.5mm，最終生成的網格單元數量約280萬，網格模型如圖3所示。閥穩定工作狀態時燃油密度823k g/m3，粘度為0.003kg/m·s；進口端壓力設為0.4MPa，湍流強度為0.5%；出口端連接柱塞低壓吸油腔，本文是為了比較各種結構比例閥在相同邊界條件下的流通特性，因此出口壓力統一設置為0MPa，湍流強度為2%，參考壓力0.1MPa。

圖3 比例閥網格模型

五、計算模型

從RNGk-ε湍流模型相比于標準k-ε湍流模型，在復雜剪切流動，旋流以及存在流動分離的場合中具有很好的預測效果,結合比例閥內部的結構特點和流動狀況，選擇該模型作為分析比例閥內部流場的湍流模型。

RNG k-ε湍流模型的湍動能和湍流耗散的輸運方程如下：

式中：Gk為由層流速度梯度而產生的湍動能項；Gb為由浮力產生的湍動能項；YM表示在可壓縮流動中，湍流脈動膨脹到全局流程中對耗散率的貢獻項；Sk、Sε為用戶定義的湍動能項和湍流耗散源項；C1ε、C2ε為模型常量；σk、σε為湍動能k和耗散率ε對應的湍流Prandt數。

六、計算結果及試驗對比

本文采用FLUENT軟件對比例閥內部流動過程進行仿真，對比各結構比例閥組件在共軌油泵中的供油特性，結合試驗數據結果得到具有較好的流通特性比例閥結構，然后對比分析各方案的開度-流量曲線情況。

1.壓力場分析

圖4、圖5為A、B截面的壓力云圖，可以看出當比例閥開度為4mm時，在閥口區域產生的壓降約占總壓降的47%，在低壓油道內產生的壓降約占總壓降的33%。方案二壓力云圖與方案一相似，都是由于低壓油道的存在產生了較明顯的壓力損失，導致比例閥的有效壓差明顯降低。閥口區域產生的壓降約占總壓降的44%，在低壓油道內產生的壓降約占總壓降的35%；方案三改進了閥低壓出口段結構，低壓油道中產生了的壓力損失大大減少，比例閥的有效壓差得到保證。閥口區域產生的壓降約占總壓降的64%，在低壓油道內產生的壓降約占總壓降的7%；因此方案三具有較好的壓力效果。

圖4 A截面壓力云圖

圖5 B截面壓力云圖

2.速度場云圖

圖6、圖7是A、B截面的速度云圖，可以看出方案一和方案二的B截面在油道的兩個拐角下游，流速分布不均勻，最大局部速度達18m/s，約為平均速度的2倍。而從方案三的B截面速度場云圖中可以看出，由于油道拐角數量由2個減少到1個，速度場分布較為均勻，最大局部速度達13m/s，約為平均速度的1.25倍。故方案三比例閥具有較好的流動特點。

圖6 A 截面速度云圖

圖7 B截面速度云圖

3.進口流量特性

圖8是各方案的開度-流量曲線圖，橫坐標代表開度，縱坐標代表流量。方案一可以看出在小開度區間流量具有明顯線性，當開度達到75%以上流量隨開度增加略微減緩，一定程度上破壞了比例閥的線性特性，在最大開度下流量值為23.48L/min。方案二比例閥流量曲線在小開度區間具有明顯線性，在最大開度下流量值分別為23.49 L/min，與方案一相比并無明顯的流量提升，前兩種方案的流通能力相同。方案三比例閥流量曲線在80%以下的開度區間內具有較好的線性特性，其流量線性比例極限為87.5%；最大開度下流量值分別為29.22L/min，相比前兩種方案有明顯的流量提升，且流量特性的線性度較好。因此，方案三的比例閥設計方案具有最寬廣的線性工作區間和較大的流通能力。

圖8 開度-流量曲線特性

4.實驗分析

圖9為比例閥實驗回路圖，裝置總共由泵、蓄能器、溢流閥、溫度計、壓力表、比例閥以及流量計組成，圖10是比例閥實驗現場實驗臺，通過調節電流大小控制閥芯的往復運動，隨控制電流的增大，閥逐漸關閉。圖11是控制電流與流量的關系，從圖11中可以看出閥關閉過程與開啟過程流量特性曲線相吻合；在全開狀態下，流量為29.1L/min，與仿真結果的相對誤差為0.04%，在0.2～28L/min范圍有較好的線性特征，線性比例極限達88%，與仿真結果一致。

圖9 比例閥實驗回路

圖10 比例閥實驗臺

圖11 電流-流量

七、結語

經數值模擬和實驗分析得到如下結論：(1）方案三內部流速分布均勻，最大局部速度為13m/s，閉口區域壓降占總壓降64%，低壓流道壓降占總壓降7%。(2）方案三比例閥設計具有較寬的線性工作區間和較大的流通能力。(3）方案三比例閥流量特性曲線仿真與實驗結果相一致，該方案下閥結構更適合燃油系統進油要求。

閥口尺寸及低壓管道類型會影響比例閥內流場分布，為了獲得較大流量線性極限，本文采用了數值模擬與實驗相結合的方法設計三種方案。結果表明：閥開度為4mm時，方案三與前兩種方案相比閉口區域壓降上升約為18%，低壓管道壓降下降約為27%；方案三流速分布較均勻，局部最大速度為13m/s；方案三在80%開度以下流量線性特性較好，線性比例極限為87.5%，最大流量為29.22L/min；方案三的流量特性實驗與仿真結果一致，綜述，方案三設計具有較好的線性區間和較大的流通能力，適合燃油系統供油要求。