一種新型燃油噴嘴結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及仿真分析

賈原杰，廖義德，楊 凱，杜彰偉

(武漢工程大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430205)

0 引 言

柴油機(jī)是一種經(jīng)濟(jì)、 節(jié)能、 高效率的動(dòng)力系統(tǒng)，具有熱效率高，可靠性好，耐久性和燃油性強(qiáng)等特點(diǎn)，有廣泛的應(yīng)用前景[1]. 但柴油機(jī)顆粒物排放嚴(yán)重地污染環(huán)境并危害人類健康，其排出的碳煙顆粒物可吸附大量有機(jī)物，是城市灰霾天氣形成的重要因素[2-3]，還會(huì)引發(fā)人體的肺部和呼吸道疾病，嚴(yán)重的可能攜帶致癌物質(zhì)導(dǎo)致癌癥發(fā)生[4-6]. 因此其凈化技術(shù)一直是人們研究的熱點(diǎn). 顆粒物捕集器(Diesel Particulate Filter, DPF)是控制柴油機(jī)顆粒物排放最有效的后處理設(shè)備，隨著排放法規(guī)的日益嚴(yán)格，其應(yīng)用將越來(lái)越廣泛[7-8]. 在DPF主動(dòng)再生中的排氣管噴射需要用到燃油噴射單元IU.

燃油噴射單元IU即燃油噴嘴是DPF系統(tǒng)中極為關(guān)鍵的部件，柴油通過(guò)噴嘴以一定的霧化夾角均勻地噴射. 若燃油噴嘴的霧化質(zhì)量差、 霧化夾角不恰當(dāng)、 噴霧分布不均勻，就會(huì)增加污染的排放[9-15]. 現(xiàn)在一般采用離心式和直噴式噴嘴. 離心式噴嘴燃油控制反應(yīng)快，霧化范圍廣，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，供油壓力變化大，并且容易積碳和滴漏. 直噴式噴嘴結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，流動(dòng)損失小，但其霧化夾角小，霧化質(zhì)量差并且容易滴漏[16]. 因此設(shè)計(jì)了一種新型噴嘴. 這種噴嘴結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可通過(guò)選取合適的噴嘴芯前端圓臺(tái)夾角，控制噴霧夾角并精確地噴射燃油，提高了燃油霧化特性，當(dāng)噴嘴停止工作時(shí)通過(guò)噴嘴芯前端圓臺(tái)密封可以有效地減少滴漏現(xiàn)象的發(fā)生，還可通過(guò)將噴嘴主體固定在冷卻水套中，通過(guò)冷卻水進(jìn)一步減少積碳.

這種燃油噴嘴設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮噴嘴芯前端圓臺(tái)夾角大小，它是影響噴嘴霧化效果的關(guān)鍵因素. 主要體現(xiàn)在不同的夾角對(duì)霧化夾角、 噴射范圍、 出口截面處壓力分布、 徑向速度分布以及軸向速度分布有著極為重要的影響.

本文應(yīng)用ANSYS Fluent流體仿真觀察不同夾角噴嘴霧化效果，再對(duì)噴嘴流體特性進(jìn)行分析，觀察不同夾角對(duì)噴嘴射流的影響.

1 噴嘴結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工作原理

燃油噴嘴結(jié)構(gòu)由噴嘴體，噴嘴芯，彈簧，螺套組成. 其結(jié)構(gòu)如圖 1 和圖 2 所示.

圖 1 噴嘴二維截面型圖Fig.1 Two-dimensional sectional view of the nozzle

圖 2 三維模型Fig.2 3D model

1.1 噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算

已知燃油噴嘴的工作壓力為p, 流量為Q，由此確定噴嘴的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)：螺套穿孔直徑，噴嘴芯有效直徑，噴嘴夾角.

當(dāng)燃油噴嘴處于工作狀態(tài)時(shí)，彈簧受力壓縮，由力的平衡公式得

pA=KΔX,

(1)

式中：p為工作壓力；A為有效面積；K為彈簧剛度； ΔX為彈簧壓縮量.

假設(shè)為理想狀態(tài)(水流無(wú)任何阻力)，噴嘴流量公式為

(2)

由式(2)推導(dǎo)出式(3)為

(3)

Q=d1-d2,

(4)

式中：Q為流量； Δp為進(jìn)出口壓力差；ρ為液體密度；D為有效直徑；d1為螺套穿孔直徑；d2為噴嘴芯有效直徑.

式(3)中π,ρ, Δp均為恒定已知值，因此由式(3)和(4)可以確定螺套穿孔直徑d1與噴嘴芯有效直徑d2的關(guān)系.

利用求得的d1與d2的關(guān)系可以求出噴嘴夾角β. 如圖 3 所示，當(dāng)噴嘴工作時(shí)，彈簧受力壓縮且壓縮量為ΔX，因在同一工作壓力下，彈簧形變量相同. 利用式(3)，(4)求得(d1-d2)的大小，進(jìn)而求出噴嘴夾角β.

圖 3 噴嘴工作圖Fig.3 Nozzle worked diagram

依據(jù)三角函數(shù)關(guān)系式

(5)

式中：β為噴嘴夾角.

由式(5)推導(dǎo)出式(6)

(6)

依據(jù)求得的(d1-d2)及式(6)可以求得噴嘴夾角β.

由以上公式可以得出，噴嘴夾角β與流量成反比，夾角越大流量越小，霧化錐角越大. 夾角越小流量越大，霧化錐角越小. 在DPF主動(dòng)再生系統(tǒng)中一般要求燃油噴射單元IU的霧化夾角為45°～60°之間，在滿足霧化錐角和流量要求的前提下選擇夾角為45°，50°，55°，60°，65°，70°的噴嘴，利用Fluent觀察其霧化效果并進(jìn)行射流仿真分析.

1.2 噴嘴原理

在噴嘴未啟動(dòng)工作之前，彈簧給予螺套向上的力，螺套帶動(dòng)噴嘴芯向上，此時(shí)噴嘴口關(guān)閉，這個(gè)力稱為開(kāi)啟壓力. 當(dāng)燃油進(jìn)入噴嘴，燃油壓力大于開(kāi)啟壓力時(shí)，螺套受力帶動(dòng)噴嘴芯移動(dòng)，彈簧被壓縮，油從噴嘴芯前端多個(gè)小孔流出，再?gòu)膰娮煨九c噴嘴體形成的環(huán)帶霧化噴出. 當(dāng)燃油壓力低于開(kāi)啟壓力時(shí)，噴嘴芯被拉回同時(shí)與噴嘴體密封，結(jié)束工作.

2 ANSYS仿真分析

2.1 網(wǎng)格劃分

在ANSYS Workbench網(wǎng)格劃分模塊中依次設(shè)定噴嘴的入流口、 出流口、 邊界層以及網(wǎng)格劃分精度后進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖 4 所示.

圖 4 噴嘴網(wǎng)格劃分圖Fig.4 Nozzle grid diagram

2.2 邊界條件設(shè)定

噴嘴的初始條件如表 1 所示，湍流模型選用standardk-ε，解算器參數(shù)設(shè)定為非耦合隱式求解，二階迎風(fēng)格式，并且只考慮流體運(yùn)動(dòng)不考慮傳熱等問(wèn)題，其余參數(shù)設(shè)置默認(rèn).

表 1 邊界條件設(shè)置

3 仿真結(jié)果

3.1 不同夾角噴嘴的速度云圖

通過(guò)Fluent仿真結(jié)果觀察不同夾角的速度云圖可直觀地看到各種夾角的噴射效果. 在噴嘴工作時(shí)，霧化的燃油薄膜將途經(jīng)的空氣帶走，在霧化薄膜兩側(cè)產(chǎn)生壓力差，使霧化薄膜受到豎直和水平方向的力，進(jìn)而產(chǎn)生豎直向上和水平方向的速度，形成如圖 5～圖 10 所示的不同夾角的速度云圖，從中可以看出，這種噴嘴結(jié)構(gòu)具有較好的霧化效果. 從圖5～圖6可看出，在夾角較小時(shí)，噴射區(qū)豎直方向長(zhǎng)，水平方向窄.

圖 5 夾角45°的速度云圖Fig.5 45° angular velocity nephogram

圖 6 夾角50°的速度云圖Fig.6 50° angular velocity nephogram

從圖5～圖10可看出，隨著夾角增大，噴射區(qū)豎直方向逐漸變短，水平方向逐漸變寬. 并且隨著夾角的增大，霧化薄膜受到豎直向上的力逐漸變大，使得速度變化更為明顯. 該結(jié)果與流體運(yùn)動(dòng)學(xué)分析結(jié)論一致.

圖 7 夾角55°的速度云圖Fig.7 55° angular velocity nephogram

圖 8 夾角60°的速度云圖Fig.8 60° angular velocity nephogram

圖 9 夾角65°的速度云圖Fig.9 65° angular velocity nephogram

圖 10 夾角70°的速度云圖Fig.10 70° angular velocity nephogram

3.2 不同夾角噴嘴出口處截面壓力分布

從圖 11～圖 16 可得出，噴嘴夾角小于55°時(shí)噴嘴出口截面處壓力變化趨勢(shì)基本一致，在最靠近圓心處處于最大值，隨著徑向距離的增大，下降緩慢，在靠近外側(cè)邊緣處急劇下降.

圖 11 夾角45°噴嘴出口截面處的壓力分布Fig.11 Pressure distribution at the exit section of the 45° angular nozzle

圖 12 夾角50°噴嘴出口截面處的壓力分布Fig.12 Pressure distribution at the exit section of the 50° angular nozzle

圖 13 夾角55°噴嘴出口截面處的壓力分布Fig.13 Pressure distribution at the exit section of the 55° angular nozzle

在60°～70°之間，靠近圓心區(qū)域的壓力處于最大值并且變化幅度很小，隨著徑向距離的增大，下降緩慢，在靠近外側(cè)邊緣處急劇下降. 隨著夾角的增大，近圓心處的壓力變化幅度越來(lái)越小，基本保持不變.

圖 14 夾角60°噴嘴出口截面處的壓力分布Fig.14 Pressure distribution at the exit section of the 60° angular nozzle

圖 15 夾角65°噴嘴出口截面處的壓力分布Fig.15 Pressure distribution at the exit section of the 65° angular nozzle

圖 16 夾角70°噴嘴出口截面處的壓力分布Fig.16 Pressure distribution at the exit section of the 70° angular nozzle

3.3 不同夾角噴嘴出口截面處的徑向速度分布

從圖 17～圖 22 可得出，不同夾角在靠近圓心和外側(cè)邊緣區(qū)域其徑向速度較低. 夾角越大，峰值出現(xiàn)的位置越靠近圓心，且數(shù)值越高.

圖 18 夾角50°噴嘴出口截面處徑向速度分布Fig.18 Radial velocity distribution at the exit section of the 50° angular nozzle

圖 19 夾角55°噴嘴出口截面處徑向速度分布Fig.19 Radial velocity distribution at the exit section of the 55° angular nozzle

從圖17～圖19可得出，當(dāng)角度較小時(shí)，在峰值出現(xiàn)后，隨著徑向距離的增大，徑向速度開(kāi)始緩慢下降，在靠近外側(cè)邊緣急劇下降. 從圖20～圖22可得出，當(dāng)角度大于55°后，在峰值出現(xiàn)后，隨著徑向距離的增大，徑向速度略微下降后，呈現(xiàn)穩(wěn)定趨勢(shì)，然后在靠近外側(cè)邊緣處急劇下降.

圖 20 夾角60°噴嘴出口截面處徑向速度分布Fig.20 Radial velocity distribution at the exit section of the 60° angular nozzle

圖 22 夾角70°噴嘴出口截面處徑向速度分布Fig.22 Radial velocity distribution at the exit section of the 70° angular nozzle

3.4 不同夾角噴嘴出口截面處的軸向速度分布

從圖 23～圖 28 可得出，不同夾角出口截面軸向速度變化趨勢(shì)大致相同，在靠近圓心和外側(cè)邊緣區(qū)域其軸向速度較低，隨著徑向距離的增大，軸向速度開(kāi)始緩慢上升.

圖 23 夾角45°噴嘴出口截面處軸向速度分布Fig.23 Axial velocity distribution at the exit section of the 45° angular nozzle

圖 24 夾角50°噴嘴出口截面處軸向速度分布Fig.24 Axial velocity distribution at the exit section of the 50° angular nozzle

圖 25 夾角55°噴嘴出口截面處軸向速度分布Fig.25 Axial velocity distribution at the exit section of the 55° angular nozzle

軸向速度峰值出現(xiàn)在靠近外側(cè)邊緣，且?jiàn)A角越大，出口截面處軸向最大速度出現(xiàn)位置越靠近圓心，且數(shù)值越低.

圖 26 夾角60°噴嘴出口截面處軸向速度分布Fig.26 Axial velocity distribution at the exit section of the 60° angular nozzle

圖 27 夾角65°噴嘴出口截面處軸向速度分布Fig.27 Axial velocity distribution at the exit section of the 65° angular nozzle

圖 28 夾角70°噴嘴出口截面處軸向速度分布Fig.28 Axial velocity distribution at the exit section of the 70° angular nozzle

4 結(jié) 論

1) 從分析結(jié)果可以看出，這種噴嘴結(jié)構(gòu)具有良好的霧化效果. 在噴嘴夾角小于55°時(shí)，噴射區(qū)豎直方向長(zhǎng)，水平方向窄； 噴嘴夾角大于60°時(shí)，噴射區(qū)豎直方向逐漸變短，水平方向逐漸變寬. 并且隨著夾角的增大，霧化薄膜受到豎直向上的力逐漸變大，使得速度變化更為明顯.

2) 噴嘴夾角小于55°時(shí)，出口截面徑向上的壓力在最靠近圓心處達(dá)到峰值，隨著徑向距離的增大，壓力減小，下降幅度增大； 噴嘴夾角大于60°時(shí)，出口截面徑向上的壓力在近圓心處壓力基本穩(wěn)定，隨著徑向距離的增加，壓力減小，靠近外側(cè)邊緣處下降幅度增大.

3) 隨著噴嘴夾角的增大，出口截面處徑向速度峰值出現(xiàn)的位置越靠近圓心，且數(shù)值越高. 當(dāng)噴嘴夾角小于60°時(shí)，在峰值出現(xiàn)后，隨著徑向距離的增大，徑向速度減??； 噴嘴夾角大于65°時(shí)，在峰值出現(xiàn)后，隨著徑向距離的增大，徑向速度會(huì)先略微下降并保持，隨后急劇下降.

4) 不同夾角軸向速度變化趨勢(shì)大致相同，在靠近圓心和外側(cè)邊緣區(qū)域其軸向速度較低，中間區(qū)域隨著徑向距離的增大，軸向速度增長(zhǎng)緩慢. 隨著夾角的增大，出口截面處軸向最大速度出現(xiàn)位置越靠近圓心，且數(shù)值越低.