基于PTC材料加热的柴油喷油器模拟

高晓梅　马金铭

摘 要：文章选用居里温度为60℃的陶瓷基PTC材料作为加热元件，利用流体力学计算软件Fluent模拟了两种不同燃油流量下用PTC材料加热柴油的温度场变化。仿真结果表明，利用PTC材料加热可有效提高燃油温度，改善冷启动性能，且随着燃油流量的增加，喷油器出口温度呈下降趋势。

关键词：PTC材料;燃油流量;温度场;冷启动

中图分类号：TK425  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2020）03-142-03

前言

随着柴油轿车的产量逐年增长，柴油机的冷启动和排放污染问题引起了广泛的关注，其中，柴油机的冷启动是研究的重点。燃油的雾化、燃烧以及有害污染物的排放取决于低温冷启动的性能，从而会直接影响发动机的工作效率和使用性能[1]。研究发现，冷启动预热可有效减轻零部件磨损，提高燃料利用率及减少有害污染物的排放。PTC材料由于体积小、结构简单、加热迅速等特点受到了广泛的关注，因此本文对喷油器内PTC材料加热柴油后的温度场进行模拟分析。目前，使用率最高的两种PTC材料分别为：陶瓷基PTC材料和高分子基PTC材料。PTC（positive temperature coeffici ent）材料是一种正温度系数的热敏电阻，其特点是电阻率在一定的温度范围内基本不变或者变化很小，当温度达到一个特定的温度（材料的居里温度）附近，电阻率会迅速增大103到109数量级，此特性使其具有自限温加热的特点，确保在冷启动过程中，燃油在喷油器中被加热的时候不会超过其沸点而发生相变[2]。

1 仿真模型的建立

1.1 几何模型的建立

喷油器的作用是将燃油雾化成细小的液滴并将其喷射到燃烧室中，它是柴油机燃油供给系统的重要部件。本文将PTC嵌在喷油器的上部和下部，在建模时对喷油器进行适当的简化，主要研究喷油器内部的流动和传热情况。几何模型的基本尺寸特征为孔式喷油器，两个喷孔，喷孔直径为0.2mm，针阀直径为2mm，针阀升程为0.5mm，三维模型如图1所示。

1.2 網格划分及边界条件设置

1.2.1 网格划分

在Gambit软件中对喷油器进行网格划分。喷油器中喷油嘴的主要组成部件是一对精密的偶件：针阀和针阀体。所以对喷孔和针阀密封锥面部位划分网格时进行加密处理，最终网格数大约为78万，网格模型如下图所示。

1.2.2 边界条件设置

本文研究的是流固耦合问题，同时求解连续性方程、动量方程、湍流脉动方程和湍流耗散率方程。边界条件设置如下：

（1）入口：质量流量入口（mass-flow inlet）;

（2）出口：压力出口（pressure-outlet）;

（3）凡是和外部空气直接接触的设置为绝热面，所有耦合面的传热条件均设置为耦合边界条件[3]。

2 Fluent计算及分析

2.1 Fluent模型设置

高压油管内的燃油流动为湍流运动，由于标准k-ε湍流模型计算量小，适用范围广，计算精度和稳定性高，且本文不涉及有旋问题等流动，因此本文选择用标准k-ε湍流模型。质量守恒、动量守恒和能量守恒方程[4]分别如下：

2.2 计算结果及分析

数值模拟计算采用非稳态求解器，求解方法设置为Coupled算法。0#柴油是柴油发动机中比较常见的燃油，由于柴油粘度、密度等物性随温度变化对管路中的流动有一定的影响，所以采用多段拟合多项式来体现燃油物性参数随温度的变化情况。模拟计算进口质量流量分别为0.0002kg/s和0.0004kg/s，环境温度均设为273k，出口压力设为一个大气压。计算40秒，分别取计算每十秒后的温度云图如下所示。

进口质量流量为0.0002kg/s，环境温度273k的情况下，分别计算10秒、20秒、30秒、40秒后喷油器出口温度分别为295k、305k、309k、311k。进口质量流量为0.0004kg/s，环境温度273k下，分别计算10秒、20秒、30秒、40秒后喷油器出口温度分别为291k、298k、301k、303k。前20秒出口温度上升迅速，后20秒出口温度上升幅度明显较之前缓慢。从图3和图4可以看出，虽然进口质量流量不同，但是喷油器内PTC材料加热柴油后的温度场整体趋势是相同的，柴油温度从进口到出口在逐渐上升。两种工况下相比于进口燃油温度分别升高了38k、30k，预期可在一定程度上改善冷启动和排放性能。此外可以得出随着时间的递增，喷油器出口温度上升速度逐渐变慢，趋于一个稳定值，且随着燃油流量的增加，出口温度呈下降趋势。这是由于在其他条件保持不变的情况下，随着燃油流量的增大，流速增大，那么PTC加热段对流动的燃油加热时间就相应的缩短，因此造成燃油的最终出口温度下降。

3 结论

为研究喷油器内加热柴油后的温度变化，本文通过使用居里温度为60℃的ptc材料作为加热元件对喷油器中流动的

燃油进行自限温加热，模拟了两种不同燃油流量下的喷油器温度场得出以下结论：

（1）ptc材料作为加热元件加热迅速，可有效提高燃油温度，改善冷启动性能。本文采用的是居里温度为60℃的ptc对燃油加热，为使燃油温度升高更多且不会超过自身沸点而发生相变，可根据具体情况选择不同居里点的ptc材料。

（2）ptc加热元件产生的热量除了供给燃油外，还有一部分消耗在喷油器上，避免这部分热量的流失对节能减排的意义重大，当然对低温环境下的汽车冷启动来说更为重要。

（3）从模拟结果可以看出，刚开始柴油温度上升较快，而后随着时间的递增，喷油器出口温度上升的幅度逐渐减小，趋于一个平衡值。其它条件相同下，不同的燃油流量，使得ptc加热元件对流动的燃油加热时間不同，加热效果不同，随着燃油流量的增大，出口温度呈下降趋势。

参考文献

[1] 刘华伟.柴油机冷启动性能仿真及实验研究[D].长沙：湖南大学， 2017.

[2] 李孝禄，顾乐峰，王君等.应用PTC自控温材料加热柴油机燃油的模拟计算[J].能源与节能，2011，80（5）：79-81.

[3] 王君.基于PTC的喷油器内燃油传热和喷雾研究[D].武汉：华中科技大学，2013.

[4] 顾乐峰.应用PTC材料加热高压油管内柴油的温度测试与分析[D].杭州：中国计量学院，2012.

[5] 傅德熏，马延文.计算流体力学[M].北京：高等教育出版社，2002.