一種多孔噴油嘴及其設(shè)計(jì)方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種多孔噴油嘴的設(shè)計(jì)方法，包括：S1,基于CFD軟件建立多孔噴油嘴模擬噴油過(guò)程模型；S2,基于多孔噴油嘴模擬噴油過(guò)程模型進(jìn)行多孔噴油嘴的優(yōu)化設(shè)計(jì)。本發(fā)明基于計(jì)算流體力學(xué)CFD(Computational Fluid Dynamics)導(dǎo)向的設(shè)計(jì)流程、研發(fā)了一款新型的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)多孔噴油嘴模型，可以達(dá)到最好的燃油噴射、霧化效果，降低廢氣排放。
【專利說(shuō)明】
_種多孔噴油嘴及其設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及汽油發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，具體地說(shuō)，涉及一種多孔噴油嘴及其設(shè)計(jì)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前市場(chǎng)上的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)噴油嘴的設(shè)計(jì)主要基于行業(yè)經(jīng)驗(yàn)，用簡(jiǎn)單的物理實(shí)驗(yàn)方 法來(lái)驅(qū)動(dòng)噴油嘴的設(shè)計(jì)和優(yōu)化。這種設(shè)計(jì)方法需要很長(zhǎng)的研發(fā)周期，高額的研發(fā)費(fèi)用，只能 通過(guò)單位時(shí)間里的噴油量等少數(shù)測(cè)量指標(biāo)來(lái)分析和指導(dǎo)研發(fā)，對(duì)于燃油在噴油嘴內(nèi)部和噴 出后的流動(dòng)和物態(tài)變化很難觀測(cè)，更不能定量分析。例如，目前工業(yè)界和學(xué)術(shù)界對(duì)于噴油嘴 內(nèi)部汽蝕現(xiàn)象的理解還十分有限，而汽蝕現(xiàn)象對(duì)燃油流動(dòng)、霧化和燃燒的影響又十分巨大。 因此，傳統(tǒng)的噴油嘴設(shè)計(jì)經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，對(duì)于燃油霧化和燃燒效率的提升十分有限。高精 度的仿真數(shù)值算法和高性能的CFD仿真軟件的開發(fā)為我們提供了一種全新的研究噴油嘴性 能的工具，其仿真結(jié)果反過(guò)來(lái)又可以重新引導(dǎo)噴油嘴的設(shè)計(jì)和優(yōu)化。
[0003] 目前主流的CH)仿真軟件已經(jīng)能夠包含大部分模擬噴油嘴噴油過(guò)程的算法。但是， 應(yīng)該采用何種仿真模型，以及這些涉及液體流動(dòng)、燃油氣化的物理模型和進(jìn)行數(shù)值計(jì)算的 數(shù)學(xué)模型該如何配合，從而進(jìn)行正確、可靠的CFD仿真，工業(yè)界也是莫衷一是。
[0004] 本發(fā)明基于學(xué)術(shù)界和工業(yè)界已經(jīng)公開發(fā)表的部分研究成果，開發(fā)了一套完整、可 靠的CH)仿真流程，包括其中所涉及的各種數(shù)學(xué)模型和物理模型的設(shè)置，形成了完成本發(fā)明 的理論和技術(shù)基礎(chǔ)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明提供一種多孔噴油嘴及其設(shè)計(jì)方法，所要解決的技術(shù)問(wèn)題是如何用簡(jiǎn)單的 物理實(shí)驗(yàn)方法來(lái)驅(qū)動(dòng)噴油嘴的設(shè)計(jì)和優(yōu)化的問(wèn)題。
[0006] 本發(fā)明解決上述技術(shù)問(wèn)題的技術(shù)方案如下：
[0007] 本發(fā)明提供一種多孔噴油嘴的設(shè)計(jì)方法，包括：
[0008] S1，基于CH)軟件建立多孔噴油嘴模擬噴油過(guò)程模型；
[0009] S2,基于多孔噴油嘴模擬噴油過(guò)程模型進(jìn)行多孔噴油嘴的優(yōu)化設(shè)計(jì)。
[0010] 優(yōu)選的，S1的具體實(shí)現(xiàn)為：多孔噴油嘴模擬噴油過(guò)程模型的構(gòu)建和多孔噴油嘴模 擬噴油過(guò)程模型的驗(yàn)證。
[0011] 優(yōu)選的，所述多孔噴油嘴模擬噴油過(guò)程模型的構(gòu)建包括以下步驟：
[0012] S1-1-1、選取多孔噴油嘴模擬噴油過(guò)程所需要采用的CH)模型設(shè)置；
[0013] S1-1-2、將選取的多孔噴油嘴模擬噴油過(guò)程模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分；
[0014]優(yōu)選的，所述多孔噴油嘴模擬噴油過(guò)程模型的驗(yàn)證包括以下步驟：
[0015] S1-2-1、基于一個(gè)現(xiàn)有噴油嘴設(shè)計(jì)進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)，記錄得到的實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果，作為 驗(yàn)證仿真結(jié)果可靠性的基礎(chǔ)；
[0016] S1-2-2、根據(jù)上述物理實(shí)驗(yàn)，確定噴油過(guò)程所需的輸入量和所述輸入量對(duì)應(yīng)的輸 出量；
[0017] S1-2-3、將上一步中得到的輸入量導(dǎo)入S1-1-2中的多孔噴油嘴模擬噴油過(guò)程模型 網(wǎng)格，并進(jìn)行CFD計(jì)算，并記錄所需的輸出結(jié)果，得到CFD計(jì)算結(jié)果；
[0018] S1-2-4、比較實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果和CHH十算結(jié)果，確定CHH十算是否正確可靠，是，得到 可靠的多孔噴油嘴模擬噴油過(guò)程模型;否，調(diào)整模型設(shè)計(jì)并重復(fù)步驟S1。
[0019] 優(yōu)選的，S2的具體實(shí)現(xiàn)為：
[0020] S2-1、基于已經(jīng)驗(yàn)證為可靠的多孔噴油嘴模擬噴油過(guò)程模型，對(duì)更多的噴油嘴設(shè) 計(jì)進(jìn)行CFD計(jì)算；
[0021] S2-2、將上述CHH十算的結(jié)果形成相應(yīng)的曲線圖和響應(yīng)面圖；
[0022] S2-3、基于上述CHH十算的結(jié)果，綜合分析得出噴油嘴的最優(yōu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
[0023] 本發(fā)明有益效果在于：基于計(jì)算流體力學(xué)CFD(Computational Fluid Dynami cs) 導(dǎo)向的設(shè)計(jì)流程、研發(fā)了一款新型的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)多孔噴油嘴模型，可以達(dá)到最好的燃油噴 射、霧化效果，降低廢氣排放。多孔噴油嘴的設(shè)計(jì)主要涉及三個(gè)幾何參數(shù)，噴嘴長(zhǎng)度、錐度和 偏轉(zhuǎn)角度。這些幾何參數(shù)的不同組合帶來(lái)不同的噴嘴設(shè)計(jì)可以極大影響汽油在噴油嘴內(nèi)部 的流動(dòng)、噴射的效果，并最終影響汽油的霧化效果、燃燒效率和廢氣排放。在本產(chǎn)品研發(fā)過(guò) 程中，通過(guò)對(duì)不同的噴油嘴設(shè)計(jì)進(jìn)行計(jì)算流體力學(xué)仿真計(jì)算，模擬和分析噴油嘴的噴油的 多項(xiàng)性能指標(biāo)，從而分析這三項(xiàng)幾何參數(shù)各自的影響，推斷它們各自變化是噴油效果的變 化趨勢(shì)，既可以作為未來(lái)噴油嘴設(shè)計(jì)的參考和指導(dǎo)，也可以得出最優(yōu)的參數(shù)組合，從而發(fā)明 出本款新型高效噴油嘴設(shè)計(jì)。
[0024] 本發(fā)明還涉及一種多孔噴油嘴，由權(quán)利要求1-5的設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)得出，包括噴油器 體、針閥和至少一個(gè)噴油嘴，所述噴油器體套設(shè)在針閥內(nèi)，所述噴油嘴連接在針閥上，所述 噴油嘴為多個(gè)，針閥與噴油器體之間形成高壓油道，通過(guò)電磁閥控制針閥彈簧下壓針閥，將 汽油壓送至成120夾角對(duì)稱均勻分布的噴油嘴噴出，形成噴霧，與空氣混合后燃燒。
[0025] 優(yōu)選的，所述噴油嘴為3個(gè)，每個(gè)所述噴油嘴的錐度CF為-10,長(zhǎng)度系數(shù)L/D為1.0和 偏轉(zhuǎn)角B為35°。
[0026] 本發(fā)明的有益效果是:這種噴油嘴設(shè)計(jì)可以是汽油在噴嘴出口處分散的更開，形 成更大更好的噴霧，以便于汽油與燃燒室中的氧氣混合的更充分，從而燃燒的更充分，提高 燃油利用效率，降低廢氣排放。
【附圖說(shuō)明】
[0027]圖1為本發(fā)明的噴油嘴結(jié)構(gòu)模型；
[0028] 圖2為本發(fā)明的噴油嘴幾何參數(shù)說(shuō)明；
[0029] 圖3為本發(fā)明的噴油嘴CH)仿真模型。
【具體實(shí)施方式】
[0030] 以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的原理和特征進(jìn)行描述，所舉實(shí)例只用于解釋本發(fā)明，并 非用于限定本發(fā)明的范圍。
[0031] 以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的原理、步驟和特征進(jìn)行描述，所舉實(shí)例只用于解釋本發(fā) 明，并非用于限定本發(fā)明的范圍。
[0032] 基于本發(fā)明之前的技術(shù)基礎(chǔ)可以得知，噴嘴長(zhǎng)度、錐度和偏轉(zhuǎn)角度對(duì)噴油嘴的噴 油效率、燃油流動(dòng)情況影響巨大，故本發(fā)明也從這三個(gè)參數(shù)著手進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化。本發(fā)明的 噴油嘴結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，包括噴油器體1、針閥2和噴油嘴3,針閥2與噴油器體1之間形 成高壓油道，通過(guò)電磁閥控制針閥彈簧下壓針閥2,將汽油壓送至成120夾角對(duì)稱均勻分布 的噴油嘴3噴出，形成噴霧，與空氣混合后燃燒。
[0033] 因?yàn)閲娪妥斓?個(gè)噴嘴設(shè)計(jì)是對(duì)稱分布，為了節(jié)省仿真時(shí)間和資源，只對(duì)其中三分 之一個(gè)模型進(jìn)行建模和仿真，如圖3所示。圖3中噴油嘴結(jié)構(gòu)3上方的部分為針閥打開一定空 間后形成的一定充油空間。
[0034] 噴油嘴度、錐度和偏轉(zhuǎn)角度等幾何參數(shù)如圖2所示。其中L為噴油嘴的長(zhǎng)度，B為噴 油嘴相對(duì)于整個(gè)噴嘴中軸線的偏轉(zhuǎn)角，Din為噴油嘴入□直徑，在本設(shè)計(jì)中，入□直徑恒定不 變，為常數(shù)。D?t為噴油嘴出口直徑。故噴油嘴錐度CF定義如下
[0036]另外，為了比較和分析的方便，噴油嘴的長(zhǎng)度也不直接使用初始值，而是采用其與 噴油嘴入口直徑的比值L/D這一無(wú)量綱系數(shù)來(lái)作為分析的參數(shù)：
[0038] 基于發(fā)動(dòng)機(jī)噴油系統(tǒng)研發(fā)過(guò)程中普遍采用的測(cè)量方案，對(duì)現(xiàn)有一款汽油發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè) 量其單個(gè)噴油嘴單位時(shí)間內(nèi)噴出汽油的質(zhì)量，定義其為噴油率，并在以下說(shuō)明中采用相同 表述。另外，還將根據(jù)此款噴油嘴設(shè)計(jì)記錄其噴嘴長(zhǎng)度、錐度和偏轉(zhuǎn)角度。
[0039] cro模擬噴油過(guò)程所需的輸入為噴油嘴出入口的壓力以及汽油的相關(guān)屬性值;輸 入為噴油率、噴油嘴出口處汽油噴出在局部坐標(biāo)系下各方向的速度分量，壓力和相應(yīng)的動(dòng) 能。
[0040] cro仿真模型：
[0041 ] 湍流模型:SST K-CO模型
[0042] 汽蝕模型：Rayleigh Plesset模型
[0043] 除湍流方程采用一階精度外，其他所有數(shù)學(xué)模型采用二階精度的離散。
[0044] 采用ANSYS Workbench中的建模工具和網(wǎng)格劃分工具，生成相應(yīng)的三維CAD模型和 六面體網(wǎng)格。此CAD網(wǎng)格中，噴油嘴入口直徑固定位200mi，出口直徑根據(jù)研究所需的錐度CF 值相應(yīng)地變化，長(zhǎng)度根據(jù)研究所需的L/D值相應(yīng)地變化，偏轉(zhuǎn)角按照研究所需變化。
[0045]將上一步生成的網(wǎng)格模型導(dǎo)入Fluent，按照S2和S3所說(shuō)明的設(shè)置進(jìn)行(FD仿真計(jì) 算，并記錄S2說(shuō)明的輸出結(jié)果（S2和S3說(shuō)明的是CFD仿真中采用了什么樣的初始條件和模 型，可以理解為真正的仿真操作步驟是從S4開始。但是把S2和S3這兩步在前面先列出來(lái)是 從邏輯上考慮，就是在動(dòng)手做之前先說(shuō)明將要用什么方法來(lái)做）；
[0046]經(jīng)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)照，cro仿真計(jì)算出來(lái)的噴油率與實(shí)驗(yàn)之間的誤差在3%內(nèi)。考慮 到測(cè)量用到的噴油嘴加工精度、實(shí)驗(yàn)測(cè)量精度和CH)仿真計(jì)算誤差，仿真與實(shí)驗(yàn)測(cè)量的誤差 在允許的合理范圍內(nèi)。因此可以斷定，S2到S5所進(jìn)行的CFD仿真是正確可靠的，這個(gè)仿真模 型也將繼續(xù)用于后續(xù)的噴油嘴仿真研究；如果不可靠，逐一檢查S2到S5中的各項(xiàng)參數(shù)是否 正確，可以理解為更換CAD模型、網(wǎng)格、仿真設(shè)置和參數(shù)，然后重復(fù)上述步驟。
[0047]基于已經(jīng)驗(yàn)證為可靠的CH)模型，對(duì)更多的噴油嘴設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真計(jì)算，得出以下結(jié) 論：
[0048] 1)其他條件不變的情況下，更長(zhǎng)的噴油嘴由于其重塑內(nèi)部流場(chǎng)，使得汽油流動(dòng)區(qū) 域規(guī)則，不利于其噴出后的霧化，從而也不利于汽油的充分燃燒。
[0049] 2)偏轉(zhuǎn)角B越大，一方面可以在噴嘴內(nèi)部形成更大的汽蝕區(qū)域，使汽油流動(dòng)更分散 和不穩(wěn)定，另一方面可以使汽油噴出去的時(shí)候分散的更開，從而形成更大的噴霧。這兩點(diǎn)都 有利于汽油的霧化和后期的燃燒。
[0050] 3)收斂型噴油嘴會(huì)擠壓汽油流場(chǎng)，使汽蝕后的汽油重新液化，使流場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)趨于 規(guī)則，噴出噴嘴時(shí)形成較小的噴霧。與之相反，發(fā)散型的噴嘴會(huì)便于流場(chǎng)的發(fā)散，導(dǎo)致更大 的噴霧，從而形成更好的霧化，有利于汽油充分燃燒。
[0051 ]結(jié)合仿真結(jié)果數(shù)據(jù)和上述分析結(jié)果，錐度CF為-10，長(zhǎng)度系數(shù)L/D為1.0和偏轉(zhuǎn)角B 為35°的噴油嘴是最優(yōu)設(shè)計(jì)。這種噴油嘴設(shè)計(jì)可以是汽油在噴嘴出口處分散的更開，形成更 大更好的噴霧，以便于汽油與燃燒室中的氧氣混合的更充分，從而燃燒的更充分，提高燃油 利用效率，降低廢氣排放。
[0052]以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和 原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種多孔噴油嘴的設(shè)計(jì)方法，所述其特征在于： Sl，基于CFD軟件建立多孔噴油嘴模擬噴油過(guò)程模型； S2,基于多孔噴油嘴模擬噴油過(guò)程模型進(jìn)行多孔噴油嘴的優(yōu)化設(shè)計(jì)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多孔噴油嘴的設(shè)計(jì)方法，其特征在于：S1的具體實(shí)現(xiàn)為：多孔 噴油嘴模擬噴油過(guò)程模型的構(gòu)建和多孔噴油嘴模擬噴油過(guò)程模型的驗(yàn)證。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的多孔噴油嘴的設(shè)計(jì)方法，其特征在于:所述多孔噴油嘴模擬噴 油過(guò)程模型的構(gòu)建包括以下步驟： S1-1-1、選取多孔噴油嘴模擬噴油過(guò)程所需要采用的CFD模型設(shè)置； S1-1-2、將選取的多孔噴油嘴模擬噴油過(guò)程模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的多孔噴油嘴的設(shè)計(jì)方法，其特征在于:所述多孔噴油嘴模擬噴 油過(guò)程模型的驗(yàn)證包括以下步驟： S1-2-1、基于一個(gè)現(xiàn)有噴油嘴設(shè)計(jì)進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)，記錄得到的實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果，作為驗(yàn)證 仿真結(jié)果可靠性的基礎(chǔ)； S1-2-2、根據(jù)上述物理實(shí)驗(yàn)，確定噴油過(guò)程所需的輸入量和所述輸入量對(duì)應(yīng)的輸出量； S1-2-3、將上一步中得到的輸入量導(dǎo)入S1-1-2中的多孔噴油嘴模擬噴油過(guò)程模型網(wǎng) 格，并進(jìn)行CFD計(jì)算，并記錄所需的輸出結(jié)果，得到CFD計(jì)算結(jié)果； 51- 2-4、比較實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果和CH)計(jì)算結(jié)果，確定CFD計(jì)算是否正確可靠，是，得到可靠 的多孔噴油嘴模擬噴油過(guò)程模型;否，調(diào)整模型設(shè)計(jì)并重復(fù)步驟Sl。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多孔噴油嘴的設(shè)計(jì)方法，其特征在于:S2的具體實(shí)現(xiàn)為： 52- 1、基于已經(jīng)驗(yàn)證為可靠的多孔噴油嘴模擬噴油過(guò)程模型，對(duì)更多的噴油嘴設(shè)計(jì)進(jìn) 行CFD計(jì)算； S2-2、將上述CFD計(jì)算的結(jié)果形成相應(yīng)的曲線圖和響應(yīng)面圖； S2-3、基于上述CFD計(jì)算的結(jié)果，綜合分析得出噴油嘴的最優(yōu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。6. -種多孔噴油嘴，其特征在于：由權(quán)利要求1-5的設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)得出，包括噴油器體 (1) 、針閥（2)和噴油嘴(3)，所述噴油器體(1)套設(shè)在針閥（2)內(nèi)，所述噴油嘴(3)連接在針閥 (2) 上，所述噴油嘴(3)為多個(gè)。7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的多孔噴油嘴，其特征在于:所述噴油嘴（3)為3個(gè)，每個(gè)所述噴 油嘴(3)的錐度CF為-10，長(zhǎng)度系數(shù)L/D為1.0 和偏轉(zhuǎn)角B為35°。
【文檔編號(hào)】G06F17/50GK105930597SQ201610269737
【公開日】2016年9月7日
【申請(qǐng)日】2016年4月27日
【發(fā)明人】江輝, 王文, 齊明旭, 阮國(guó)輝, 李維, 阮進(jìn)喜, 趙弋飛, 劉琰
【申請(qǐng)人】北京藍(lán)威技術(shù)有限公司