基于Fluent的噴油器柱塞間隙靜態(tài)泄漏分析

楊羽佳，彭如恕

(南華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，湖南 衡陽(yáng) 421001)

0 引 言

電控噴油器是高壓共軌系統(tǒng)最核心的部件，能夠根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)各缸工況準(zhǔn)確的控制噴油時(shí)間及噴油量。要實(shí)現(xiàn)噴油器定時(shí)、定量、定壓的噴射，偶件之間的密封極為重要，控制柱塞偶件作為電磁閥與針閥之間的動(dòng)力傳遞橋梁，其間隙直接影響了柱塞的密封性[1]。

控制柱塞與柱塞套之間的間隙大小設(shè)計(jì)，既要保證柱塞運(yùn)動(dòng)的靈活性，又要盡可能地減小泄漏量，以實(shí)現(xiàn)高壓噴射。其中，靜態(tài)泄漏由于控制腔壓力大、泄漏時(shí)間長(zhǎng)，是造成噴油器泄漏的主要原因，因此，分析控制柱塞偶件間隙處的靜態(tài)流場(chǎng)運(yùn)動(dòng)極為重要[2]。

1 噴油器工作原理及間隙泄漏分析

電控噴油器主要由3個(gè)部分組成:高速電磁閥部件、控制柱塞及控制柱塞套部件和噴油嘴部件，結(jié)構(gòu)如圖1所示。當(dāng)噴油器的高速電磁閥未通電時(shí)，球閥落座將出油節(jié)流孔關(guān)閉，此時(shí)，控制柱塞上部的控制腔和噴嘴中的蓄壓腔壓力等于共軌管內(nèi)壓力，由于控制柱塞上端面的燃油作用面積大于針閥錐面和針閥下端圓錐面的垂直投影面積，因此針閥關(guān)閉，噴油器不噴油。當(dāng)電控單元發(fā)出指令，電磁閥線圈開始通電，球閥升起將出油節(jié)流孔打開，柱塞上部的控制腔內(nèi)的燃油迅速卸壓，針閥克服彈簧預(yù)緊力升起，高壓燃油從噴孔噴入氣缸。當(dāng)噴油脈寬滿足要求后，切斷電磁線圈電流，球閥落座關(guān)閉出油節(jié)流孔，針閥迅速下降落座，噴油結(jié)束[3-7]。

在噴油器柱塞上，加工有一些環(huán)形的泄壓槽，能夠平衡控制柱塞上的液壓力防止柱塞偶件卡緊，同時(shí)也能夠減少閥芯的偏心運(yùn)動(dòng)。以控制柱塞上有兩道環(huán)形泄壓槽的某型高壓共軌噴油器為研究對(duì)象。

圖1 噴油器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

由于控制柱塞與柱塞套為精密配合偶件，其間隙厚度非常小，因此，燃油在流經(jīng)柱塞副間隙時(shí)的流動(dòng)一般為層流流動(dòng)。其流動(dòng)有兩個(gè)原因：一方面，由于控制腔內(nèi)的燃油壓力較大，燃油因柱塞副間隙軸向壓力分布存在壓差而產(chǎn)生液體流動(dòng)，稱為壓差流或Poiseuille流；另一方面，控制柱塞運(yùn)動(dòng)時(shí)與柱塞套之間存在位移，從而使間隙中的燃油發(fā)生流動(dòng)，稱為剪切流或 Couette流。間隙中的燃油流動(dòng)同時(shí)存在這兩種運(yùn)動(dòng)稱為Poiseuille-Couette 流。

筆者研究在電磁閥未通電時(shí)，柱塞靜止，此時(shí)的間隙泄漏量?jī)H按壓差流來(lái)計(jì)算：

(1)

式中：d表示控制柱塞直徑；s表示間隙厚度；ρ表示燃油密度；υ表示燃油運(yùn)動(dòng)粘度；l表示間隙長(zhǎng)度；pc表示控制腔內(nèi)壓力；p1表示間隙出口處壓力[8-13]。

從上式可以看出，為了減小柱塞偶件的靜態(tài)泄漏量，可以對(duì)控制柱塞直徑、間隙厚度、間隙長(zhǎng)度等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

2 模型建立

2.1 數(shù)學(xué)模型

噴油器柱塞偶件間隙內(nèi)流體流動(dòng)遵循基本守恒定律，因此可用質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒和能量守恒三大定律來(lái)進(jìn)行數(shù)學(xué)描述。

質(zhì)量守恒方程為：

(2)

動(dòng)量守恒方程為：

(3)

式中：t表示時(shí)間；ff表示體積力矢量；ρf表示流體密度；v表示流體速度矢量；τf剪切力張量表示為：

τf=(-p+μ·v)I+2μe

(4)

式中：p為流體壓力；μ為運(yùn)動(dòng)粘度；e為速度應(yīng)力張量。

能量守恒方程為：

(5)

式中:λ表示導(dǎo)熱系數(shù)；SE表示能量源項(xiàng)。

2.2 燃油流動(dòng)模型

對(duì)于可壓縮燃油，每增加單位壓力，液體體積所產(chǎn)生的相對(duì)壓縮量稱為壓縮系數(shù)[14]：

(6)

式中:V表示流體壓縮前體積；ΔV表示體積的減少量；ΔP表示壓力的增量。

壓縮系數(shù)的倒數(shù)稱為柴油的體積彈性模量：

(7)

由此得出可壓縮流體的密度與壓力的關(guān)系式：

(8)

粘性模型是由Barus粘性方程和Reynols粘溫關(guān)系式組合而成的指數(shù)形式方程[15-16]：

μ(p,T)=μeαp-λ(T-T0)

(9)

式中：μ0是標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下；溫度為T0時(shí)燃油的粘度；α，λ分別為燃油的粘壓和粘溫系數(shù)。

2.3 幾何模型

由于間隙油膜的厚度只有0.003 mm，與間隙的軸向長(zhǎng)度的相比非常小，因此將間隙流場(chǎng)的模型簡(jiǎn)化為二維模型，采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，不僅能夠減少網(wǎng)格數(shù)量，縮短Fluent迭代計(jì)算時(shí)間，還大大提升了網(wǎng)格的質(zhì)量，保證了計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。而且由于環(huán)形間隙是關(guān)于軸向中心線對(duì)稱的模型，因此可只畫出中心線一側(cè)的網(wǎng)格。根據(jù)噴油器的尺寸參數(shù)，利用ICEM CFD 進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖2所示，對(duì)間隙厚度最薄處進(jìn)行網(wǎng)格加密，共劃分了7層網(wǎng)格，提升了計(jì)算結(jié)果的可靠性。

圖2 間隙及泄壓槽局部網(wǎng)格

3 仿真條件設(shè)置

3.1 流場(chǎng)狀態(tài)

粘性流體可分為湍流和層流，這兩種不同的流態(tài)根據(jù)雷諾數(shù)Re來(lái)區(qū)分：

(10)

式中：d表示圓管直徑；v表示管內(nèi)平均流速；υ表示流體的運(yùn)動(dòng)粘度。

由層流轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧鲿r(shí)的雷諾數(shù)成為臨界雷諾數(shù)，為Re=2 300，當(dāng)Re<2 300為層流流動(dòng)，反之則為湍流。柱塞偶件間隙油膜厚度很小，且由于柴油的粘性作用，間隙流動(dòng)處的雷諾數(shù)較小，因此為層流流動(dòng)。

3.2 邊界條件設(shè)置

控制柱塞靜止時(shí)，共軌管內(nèi)的高壓燃油通過(guò)進(jìn)油節(jié)流孔進(jìn)入柱塞腔內(nèi)，出油節(jié)流孔被球閥封閉，因此控制柱塞腔內(nèi)的燃油壓力與共軌管內(nèi)的燃油壓力相等，所以定義間隙的入口邊界為壓力入口，壓力大小等于共軌管軌壓160 MPa。出口端設(shè)置為壓力出口，壓力大小為0.1 MPa。入口端和出口端的溫度設(shè)定為300 K。壁面設(shè)定為無(wú)滑移的剛性壁面。

4 仿真運(yùn)算分析

經(jīng)Fluent迭代計(jì)算后，得到出口端速度分布如圖3所示，可以看出間隙油膜徑向中心處的燃油流動(dòng)速度最快，徑向方向從中心處距壁面越近，燃油流動(dòng)速度越慢，符合壓差流的速度分布。根據(jù)牛頓粘性定律，燃油的粘性作用使其在靠近壁面處受到較大的粘性阻力，導(dǎo)致流動(dòng)速度降低，因此在中心處流速最大。

圖3 出口端速度分布云圖

從圖4中可以看出，控制柱塞間隙內(nèi)的燃油在環(huán)形泄壓槽入口處的流動(dòng)速度產(chǎn)生了明顯減低，通過(guò)對(duì)比泄壓槽入口處和出口處的徑向流速分布，如圖5。

圖4 泄壓槽入口處燃油流速分布云圖

圖5 泄壓槽入口及出口處徑向流速變化曲線

泄壓槽出口處的最高流速相比泄壓槽入口處略有降低，說(shuō)明泄壓槽在一定程度上起到了降低高壓燃油流速的作用，對(duì)柱塞偶件間隙的泄漏量的減少起到一定效果。

5 結(jié) 論

采用數(shù)值模擬方法對(duì)噴油器控制柱塞靜態(tài)下的間隙流場(chǎng)進(jìn)行仿真，主要有以下結(jié)論：

(1) 噴油器柱塞偶件間隙的靜態(tài)燃油泄漏主要是由于進(jìn)出口壓力變化導(dǎo)致的壓差流，出口端的燃油流速在徑向中心處最大。

(2) 控制柱塞上的泄壓槽對(duì)泄漏量的減少有一定的效果，經(jīng)過(guò)泄壓槽后的燃油最高流速略有下降。