论述柴油机多孔喷油器各孔喷油规律及内部流动特性研究

尹国华 马强 孙晓飞 胡守琦 于晋功

摘要：柴油机多孔喷油器各孔喷油规律是研究中的一大重点，具有重要的应用价值和现实意义，文章对柴油机多孔喷油器各孔喷油规律进行差异分析，并建立相应的三维模型，展开喷嘴内部流动的特性研究。最后，文章对各孔喷油规律及内部流动特性模拟分析。

Abstract： The injection law of each hole of diesel engine porous injector is a major focus in the research， which has important application value and practical significance. This paper analyzes the difference of the injection law of each hole of diesel engine porous injector， establishes the corresponding three-dimensional model， and studies the flow characteristics in the nozzle. Finally， the paper simulates and analyzes the injection law and internal flow characteristics of each hole.

关键词：柴油机多孔喷油器;内部流动特性;研究

Key words： diesel engine porous injector;internal flow characteristics;research

中图分类号：TK421.42                                      文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）23-0007-03

0  引言

作为柴油机的关键部件，燃油喷油器喷嘴的工作特性直接关系到柴油机的燃烧过程。在高喷油压力的作用下，喷嘴能够以非常高的速度喷出燃油，并形成众多的细小液滴共同组成喷雾油束[1]。同时，柴油机喷嘴内部的流动状态也会显著影响其下游的喷雾特性。在实际的研究过程中，需要充分考虑喷嘴的影响，喷嘴流动的复杂性，也进一步加强了喷雾的空气动力雾化机理的复杂性。探索柴油机多孔喷油器各孔喷油规律及内部流动特性，对于提高柴油机燃烧室的燃烧效率，和提升柴油机的节能效果，都具有重要价值。

1  柴油机多孔喷油器各孔喷油规律

1.1 研究现状

从目前柴油机各孔喷规律测试的相关研究上看，不断有专家学者进行论证、测试。例如，有專家指出，由于各孔加工工艺之间的误差以及结构和液力条件的差异，对于多孔喷油器而言，各孔之间的喷油规律存在显著差异，而这种差异会使得燃油机内部的燃烧室在燃油过程中出现不均匀现象，进而导致燃烧室内部在时间和空间燃烧分布上出现不一样的热负荷，造成了燃烧排放的恶化[2]。针对这种情况，有人提出了形变测试法，这种测试主要是通过在各喷孔对应的测试腔内安装有应变仪的膜片，从而使得喷孔在燃油喷射的作用下，能够产生一定的形变，来对各孔的瞬时喷油量进行测试。测试时需要模拟出发动机的工作状态，为了达成这一条件，常常采用在测试腔内部充满燃油，并使其保持在一定的压力状态下，得出的测试结果是，能够有比较好的零点稳定性且对各个孔喷油规律的测试具有一定的可行性。在理论上，这套实验装置有比较高的测量精度。但是，由于形变测试法需要在不同喷孔内部设置独立的测试系统，因此，难以进行有效的应用和推广。

1.2 应用价值

随着经济社会的不断发展，工业水平的不断进步，社会对于环保、节能提出了更高的要求。柴油机在长期的发展过程中，由于自身产热效率高，同时转速范围应用广，具有较强的经济性，这些优势使得柴油机在社会生活领域得到了广泛的应用[3]，但是由于能源危机的强化以及环保意识的不断提升，柴油机如何更好地满足节能、低碳、减排的要求，使柴能机能够与新技术、新的燃烧系统、燃烧模式有效匹配，是柴油机未来发展中的重要思考点。

对于燃油喷射系统而言，其直接影响到柴油机的燃烧效率。可以说，柴油机燃油喷射系统的研究过程，就是人们对于柴油机内部喷油规律不断调节和优化控制的发展过程。推进柴油机内部多孔喷油器各孔喷射规律及其内部流动特性的研究持续深入，使研究更深、更广，能够更好的实现提升燃烧率，更好地促成柴油机工作过程中的环保效果，并且在喷射规律和内部流动特性的研究过程中，也能够对柴油机工作过程中的燃油喷射过程有效优化，使燃油喷雾与缸内的空气充分作用，强化燃烧过程[4]。这直接关系到柴油机的燃烧性能，以及噪声污染物等的排放，具有重要的经济效益，环保效益和社会效益。

1.3 测试方法

柴油机喷嘴内的燃油流动本身是一个相当复杂的过程，具体如图1所示。

在实验过程中，综合前人的实验研究和研究需要，设计出相应的测试系统，其具体组成如图2所示。

由于在实验装置的运行过程中，在一定程度上会受到电场与磁场的影响，这种影响如果超出了一定的范围，就会造成传感器-放大器输出信号幅值受到影响，会造成相位畸变现象的产生，进而使得整体测量精度不足[5]。因此要采取一定的抗干扰措施，首先，在外卡压力传感器和压电晶体力传感器中，要进行烘干处理。其次，在传感器放大器和数据采集系统之间要采用屏蔽线进行信号传输。

2  柴油机多孔喷油器各孔喷油规律的差异分析

2.1 从喷油泵转速的影响上看

当处于不同的转速之下，各孔喷射特性会出现显著的变化，具体如图3所示。由图3可知，在相同的运行工况之下，各种喷有规律的曲线，在整体形状上保持基本一致，两者呈现出正相关的发展态势。但是需要注意的是，当夹角不断增大时，此时喷射孔在喷油起始点的位置上也逐渐出现了移动，造成喷油终点前提，于是喷油持续期变短。分析这种现象的产生原因，可以将其归结于压力作用，当压力在汇流作用的影响下，就会使得喷口的加工位置更加靠近压力式的底部，相应的造成入口处的喷油压力增加。而当夹角变小时，那么入口处的燃油流向转向就逐渐变小，于是入口压力的损失也更小。

2.2 从循环喷油量上看

循环喷油量与油泵转速影响下的各孔喷油规律曲线基本相似，都是随着喷孔轴线和针阀轴线夹角的增加，使得喷孔的喷油起点位置与其同步推迟，但由于其喷油终点也不断提前，于是综合作用之下，造成了整体的喷油持续期变短。当循环喷油量处于较小时，各孔的喷油规律曲线，基本呈现典型的三角波形式。但是，当供油齿杆的位置所表征的循环喷油量不断增加，此时各孔的喷油规律曲线逐渐向矩形过渡。这是由于柴油机负荷的增加，喷油规律的形状逐渐趋于饱满。当处于同一供油齿杆位置时，各个孔的相对喷油量有一定的变化，但是，就其总体而言，虽然供油齿杆位置所表征出来的循环喷油量在不断增加，但是各孔的相对喷油量受到的影响有限，基本保持不变。

2.3 从燃油温度上看

从当前主流的燃油机燃烧过程和供油方式上看，大多采用缸内直喷的供油方式，这种方式之下能够将缸内的燃油与空气充分的燃烧混合，有利于保障并提升柴油机的燃烧效率。燃油温度会导致相应的体积弹性，模量密度及粘度等发生一定的变化，这些变量的变化又会影响到柴油的喷射效果。根据研究表明，燃油温度变化，对于各孔喷射特性的影响，主要表现在喷油始点位置。当然燃油温度不断升高时，各孔的喷油始点逐渐推迟，而这一阶段喷油终点几乎保持不变，相应的喷油持续期逐渐变短。喷油始点的推迟主要是由于柴油体积弹性模量由于随着燃油温度的升高而逐渐变小，这使得柴油机内部的可压缩性进一步增强，可压缩性的增强使得柱塞腔内油压建立的过程放缓。并且，随着燃油温度的不断提高，燃油的动力粘性逐渐降低，而柴油机供油过程中需要柱塞腔偶件处获得流量，而柱塞偶件的泄漏量显著增加，又会导致柱塞套筒上的径流孔节流效应降低。随着燃油温度的升高，柴油內部的可压缩性逐渐提高，于是，高压油管内燃油压力下降，而这一压力的下降，又会直接导致喷油速率的降低，因此就会必然导致各孔循环喷油量的降低。

3  各孔喷油规律及内部流动特性模拟分析

3.1 内部流场下的各孔喷油规律

在实际的运行过程中，各个孔之间的喷油规律存在着一定的差异。这昭示着各个孔内由于在参数结构上存在一定差异，于是会造成其内部流场产生一定的影响，而这种孔内部流场的差异也是各孔喷射特性以及其喷雾特性差异的产生原因。

当处于同一针阀升程下，随着喷孔轴线和针阀轴线夹角不断增加，喷孔内部空穴层的长度和厚度也都实现了增加。这种现象的产生原因是，当喷孔轴线和针阀轴线夹角不断增加时，燃油在工作过程中的，由压力室流入喷孔的环节上，其流向转变上逐渐增大。这造成了喷孔上边缘分离现象加剧，尤其是入口附近的边缘层，流动损失逐渐提高。这种分离与流动损失又会造成喷孔内部。尤其是喷孔上边缘处的附近压力低于当前温度下燃油饱和蒸气压的区域的数量逐渐增加。而对于多孔喷油器内部任意喷孔来说，当针阀处于开启阶段时，随着针阀升程的不断增加，喷孔内部空穴层的长度和厚度也均匀增加。当燃油运动到针阀头部与针阀座面间的狭隘通道这一环节时，分离现象缩减，相应的节流损失逐渐降低。而当针阀处于关闭阶段，在针阀不断下降的过程中，其内部的空化效应趋于稳定，尤其是在一些较小针阀回程之下，这种现象格外突出。由于泵管嘴系统当中针阀开启过程中，燃油压力室内部的燃油压力基本上是保持持续增加的发展态势，而当针阀处于关闭过程中，其压力室内部的燃油压力也基本呈现出下降趋势。因此，对于多孔喷油器来说，想要提升各孔内部流动特性的一致性，要尽可能的降低各孔轴线与针阀轴线之间差夹角的差异性。

3.2 喷油压力影响下的各孔喷油规律及内部流场

在不同的喷油压力和针阀升程之下，会使得各孔内部的空穴分布出现一些差异。第一，当处于相同的喷油压力和针阀升程之下，随着夹角的不断增加，其内部空喷孔内空穴层的长度和厚度也不断增加。第二，当处于同一针阀升程下，无论在针阀的开启还是关闭状态，随着喷油压力的增强，都会使得各孔内部的空化效应得以提升。第三，在同一喷油压力下。针阀的开启，会导致各孔内空化效应的增强，而针阀关闭过程中，各孔内部空化效应基本不变。

当处于不同的针阀升程和喷油压力之下时，柴油机内部喷孔在内部的流速分布也存在一定的差异，具体表现如下。第一，当喷油压力和针阀升程相同时，随着两者夹角的增大，喷孔内部的高流速区域逐渐减小，而低流速区域则呈现出显著增加的趋势。这种现象的产生主要是由于，当两者夹角增加时，燃油由压力室流入喷孔时的流向转速逐渐加剧，于是使得燃油流经喷孔时，流动损失显著提升。第二，对于任意针阀升程，当喷油压力不断提高时，各孔内部的燃油流速都会得到显著提升。第三，当处于相同压力状态，在针阀处于开启阶段时，随着针阀生成的增加，各孔内部的燃油流速也会得到显著提升。但是当处于针阀关闭阶段时，针阀的下落会导致各孔内高流速区域显著降低，低流速区域有所增加，于是整体的燃油流速有所下降。

3.3 喷油背压影响下的各孔喷油规律及内部流场

当处于相同喷油压力下，喷油背压对于各孔喷油规律及其内部流程的影响，与喷油压力影响下的喷油规律和内部流畅基本保持一致。在同一喷油背压之下，随着夹角的不断增加，相应的喷孔内部空穴层的长度和厚度都有所增加，随着喷油压力的不断增加，各孔内部在空穴层上也出现了显著变化。首先，在长度上逐渐变短，其次，在厚度上逐渐变薄。可以将这现象总结为孔喷内部空化效应得到抑制。在相同的喷油背压之下，喷孔轴线和针法轴线之间夹角的增大，会导致各孔内部高流速区域的减小，低流速区域的增加，于是燃油流速逐渐降低。同时喷油背压的增加，也会使得孔内部的高流速区域减小，低流速区域增加，孔内的燃油流速的降低。从平均分由速率上看，推油对压的变化，对于主喷漆各孔的平均喷油速率影响不大，整体而言是负相关的影响。从流量上看，理论上讲，喷油背压的增加，会导致各孔的实际流量和理论流量均有所下降。

3.4 喷孔入口导圆影响下的各孔喷油规律及内部流场

当喷孔入口导圆半径不断增加时，各孔内部的空穴效应逐渐减弱。这种现象的具体表现是空穴层长度变短，厚度变薄。同时，需要注意的是此时最大气相体积分数也逐渐变小。这种现象的产生，主要是由于喷孔入口导圆半径的增加，当燃油开展从压力室向喷孔的流动运动时，喷孔入口附近的流向转变减弱。但是由于这一部分的交界处难以与壁面有效分离，进而使得整体的流动损失降低，压减减弱，从而各孔内部的空化效应降低。也正是由于这种原因，当喷孔入口导圆半径增加时，各孔内空穴层的起始点逐渐向喷孔下移推进。当喷孔轴线和针阀轴线之间夹角较小时，其喷孔内部的空化效应会更加敏感。此外，喷口内部气相部分的流速，是明显低于液相部分的流速。从流速上看，在处于同一入口导圆半径之下的情况下，当喷孔轴线和针阀轴线间夹角不断增大时，喷孔内部的状态是，高流速区域逐渐减小，而低流速区域逐渐增加，综合作用之下整体的燃油流速下降。当喷孔内部导圆半径增加时，各孔内部的循环喷油量也会有显著的增加，这种现象与喷孔入口导圆半径对主喷期各孔平均喷油速率和平均流量系数的影响相一致。同时也可以看出，随着喷孔入口导圆半径的不断增加，各孔循环喷油量间的不均匀系数也得到了明显的降低。由此可知，当喷孔入口导圆半径增加时，喷孔间的喷射一致性是显著提升的，也即是说，喷孔内燃油流动的一致性也是显著提升的。

4  小结

从研究可知主要结论如下：①当任一针阀升程下的喷孔。随着喷孔轴线与针阀轴线之间夹角的增大，进入喷孔的部分燃油呈现出降低的趋势，入口流速降低。②当处于相同的喷射条件和针阀升程的状态之下，喷孔轴线和针阀轴线之间夹角越大增大，其风口内部的空化效应就显著增强，两者呈现正向关，而此时平均流速和循环喷油量都逐渐降低。③随着喷油背压的增加，各孔内的空化效应逐渐降低。④随着喷孔入口导圆半径的增加，孔内的空化效应降低，空穴从起点位置向下移动。⑤当喷孔长度不断增加时，孔内在空化发生的起始位置上，基本保持不变，但是在喷孔出口处的空化效应逐渐降低。⑥喷孔直径的增加，会强化各孔内空化效应，同时空穴区域也会更加趋近于喷孔中间位置。

参考文献：

[1]金天宇，姜蘇，王楚翘，罗彤，罗福强.柴油机两层8孔喷油器各孔喷油规律模拟验证[J].江苏大学学报（自然科学版），2021，42（01）：40-46.

[2]金天宇.柴油机两层八孔喷油器针阀偏心对各孔喷油规律的影响[D].江苏大学，2020.

[3]高庆文，廖善彬，罗剑坤.基于CFD的喷嘴结构参数对各孔内部流动特性影响研究[J].汽车零部件，2018（12）：24-28.

[4]姜苏.柴油机中孔喷油规律测量分析系统设计开发研究[D].江苏大学，2018.

[5]罗福强，叶兵舰，董少锋，崔慧峰.柴油机喷油器各孔喷油规律循环波动测量分析[J].内燃机工程，2015，36（06）：124-129.