共軌系統參數對柴油機霧化特性影響的研究

邵利民，徐慧峰

（海軍上海地區裝備修理監修室，上海200136）

0 引言

噴霧混合過程對柴油機燃燒及其性能具有決定性的影響，燃油噴霧是高壓燃油噴入燃燒室后，以空氣動力霧化機理起主導作用，形成的一個由連續液體、離散油滴、燃油蒸氣和空氣組成的兩相混合物的場[1]。在高壓共軌柴油機中，共軌系統參數，諸如噴射壓力、噴嘴直徑以及缸內背壓等對噴霧發展過程影響較大[2]。

本文利用AVL公司開發用于模擬內燃機噴霧、燃燒過程的CFD軟件FIRE對噴嘴噴霧場進行三維瞬態數值模擬，仿真研究共軌系統參數對噴霧發展過程的影響規律，并建立了噴霧試驗臺架，對仿真計算的準確性進行了驗證。

1 計算網格

計算網格質量在CFD模擬計算中非常關鍵，直接影響到計算結果的精度和解析的斂散性。根據噴嘴各處不同的流動特點，對針閥和針閥體間的區域，噴孔內流動區域、噴孔入口以及壁面區域的網格數量及疏密程度進行了不同的處理，本文中噴孔入口附近區域網格最密，最大網格尺寸小于10-5m[3]。本文噴嘴的計算網格如圖1所示。噴嘴型號分別為8 mm×0.13 mm和6 mm×0.2 mm。

圖1 噴嘴計算網格

為了模擬燃油在高背壓環境下的霧化發展過程，建立了與試驗條件相同的高壓容器計算網格，網格如圖2所示，網格總單元數為86 400個。

圖2 高壓容器計算網格

2 模型選擇及邊界條件

采用k-ε-f模型為湍流模型，選用KH-RT破碎模型為液滴破碎模型，采用WAVE離散模型為燃油霧化模型，采用Dukowicz模型為蒸發模型[2]。為使噴霧模擬結果更加接近真實的噴霧形態，將計算的包含噴孔出口區域湍流信息的nozzle文件作為邊界條件輸入，進行噴霧的數值模擬[4]。仿真計算時氣體的初始速度可通過渦流比計算，渦流比取1.2，計算步長為 0.25°CA。

3 仿真計算結果及分析

3.1 噴射壓力對噴霧的影響

圖3、圖4為噴射壓力對噴霧貫穿距和索特平均直徑（SMD）的影響圖。由圖可得出，噴霧貫穿距隨著噴射壓力的增大而增加，而索特平均直徑則減小。這是因為噴射壓力的增大，相同的噴孔直徑使噴注的初始速度和動能變大，導致噴霧貫穿距的增加，索特平均直徑減小。圖5、圖6為不同噴射壓力下噴霧發展過程，圖中可以明顯的看出，從噴注的中段開始，噴射壓力為150 MPa的噴霧直徑明顯減小。

圖3 噴射壓力對噴霧貫穿距的影響

圖4 噴射壓力對索特平均直徑的影響

圖5100 MPa下噴霧發展過程

圖6150 MPa下噴霧發展過程

3.2 孔徑對噴霧的影響

從圖7、圖8中可以得出，噴霧貫穿距和索特平均直徑都隨著噴嘴直徑的減小而較小。噴孔直徑減小，燃油霧化情況更好，霧束動能減小，從而使噴霧貫穿距降低。圖9、圖10為不同孔徑下模擬的噴霧發展過程，從圖中可以看出，孔徑小的噴霧直徑更小，霧束更加飽滿。

圖7 噴孔直徑對噴霧貫穿距的影響

圖8 噴孔直徑對索特平均直徑的影響

圖9 噴孔直徑為0.13mm時的噴霧發展過程

圖10 噴孔直徑為0.2mm時的噴霧發展過程

3.3 缸內背壓對噴霧的影響

從圖11、圖12可以得出，噴霧貫穿距隨著背壓的減小而增加，索特平均初始變化不大，后期慢慢減小。主要是因為背壓減小噴射動能變大，噴霧貫穿距必然增加，索特平均直徑后期受高壓氣體的擾動變多隨之減小。圖13、圖14為不同背壓下噴霧發展過程，從圖中可以看出，在噴注末端，背壓低的噴霧直徑更小。

圖11 噴射背壓對噴霧貫穿距的影響

圖12 噴射背壓對索特平均直徑的影響

圖13 背壓為3MPa時的噴霧發展過程

圖14 背壓為2MPa時的噴霧發展過程

4 試驗

4.1 試驗裝置及方法

在高壓共軌噴射高速閃光攝像測試臺架上，采用高速閃光攝像技術，測試噴油器的噴霧特性，獲取不同背壓下噴霧形態發展過程、噴霧貫穿距等噴霧的宏觀特性參數，以此驗證高壓噴射噴霧模型的準確性。高壓噴射高速攝影試驗臺架主要由拍攝系統、控制系統、高壓共軌系統和背壓系統四個部分組成，其構成如圖15所示[4]。

圖15 高壓噴霧高速攝影試驗臺架示意圖

圖16 所示為噴霧高速攝影試驗原理圖，控制系統在噴油信號發出后的t時刻發出閃光拍攝信號，攝像機拍出此時刻的霧束圖像，不斷調整時間t，獲取不同時刻的噴霧圖像，從而近似獲取一個工況下完整的霧束發展過程[4]。

圖16 噴霧高速攝影試驗原理圖

4.2 試驗結果

試驗中，噴射背壓為3 MPa，試驗環境溫度為27℃，高壓共軌腔壓力保持在110 MPa不變，噴油脈寬為2 ms，噴射用柴油為0#輕柴油。圖17為6孔噴油器和8孔噴油器各霧束形態及位置編號。由于噴油器各孔與噴油器軸線不對稱，噴孔內流場流動特性不同，造成各噴孔噴油量和霧束形態存在較大的差異。圖18為6孔噴油器各霧束發展過程。從圖19的噴霧貫穿距仿真計算結果與試驗測量值對比可以看出，仿真計算與試驗結果誤差不大，噴霧形態模擬與試驗結果比較吻合，說明噴霧仿真計算有一定的準確性。

圖176 孔和8孔噴油器霧束形態及位置編號

圖18 背壓為3MPa時6孔噴油器霧束發展過程

圖19 噴霧貫穿距仿真與實測結果對比

5 結束語

（1）利用CFD技術可進行噴嘴噴霧場三維瞬態數值模擬，研究噴霧霧束發展形態及影響因素。

（2）共軌系統參數中，對噴霧霧束發展形態及霧化特性影響較大的為共軌壓力、噴孔直徑以及缸內背壓。

（3）噴霧貫穿距隨噴射壓力的增大、噴孔直徑的增大、背壓的減小而增大；索特平均直徑隨噴射壓力的增大、噴孔直徑的減小、背壓的減小而減小。