柴油機燃油噴射系統流體動力學研究進展

洪恩哲， 郭珍， 錢德省， 閆冬冬， 廖日東

(1.北京理工大學機械與車輛學院， 北京 100081； 2.中國北方發動機研究所(天津)， 天津 300400)

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·綜合評述·

柴油機燃油噴射系統流體動力學研究進展

洪恩哲1， 郭珍2， 錢德省1， 閆冬冬1， 廖日東1

(1.北京理工大學機械與車輛學院， 北京 100081； 2.中國北方發動機研究所(天津)， 天津 300400)

針對柴油機燃油噴射系統的流體動力學問題，從影響模擬精度的角度出發，分別對燃油黏性、空化、燃油的變物性和流體-結構耦合等方面進行了綜述，旨在為今后更加深入的研究提供參考。概述了柴油機燃油噴射系統流體動力學研究的發展現狀，提出了未來發展的方向：開展高壓油泵柱塞腔、噴油器控制腔和蓄壓腔等腔體內燃油的高維流體動力學分析；考慮流體內部及流體-結構耦合傳熱引起的溫度場變化；考慮燃油物性隨溫度和壓力的變化及變化率；對噴射系統建立流-固-熱強耦合瞬態分析模型，分析水擊壓力、管道振動及泄漏問題；繼續進行燃油的高溫高壓特性測試。

柴油機； 燃油噴射系統； 流體動力學

柴油機燃油噴射系統不斷向著高噴射壓力、精確控制、多次噴射的方向發展。大量的研究表明，噴射壓力越高，噴油效果越好，排放性能也越好[1-2]。目前，商用車柴油機燃油噴射系統的噴射壓力已達到250 MPa，國外試驗階段的燃油噴射壓力更是高達350 MPa。因此，準確分析高壓或超高壓燃油噴射系統的流場特性是其性能分析和結構設計的基礎。但是，燃油噴射系統的設計和性能分析是極復雜的，主要表現在流場強瞬態、流-固-熱多物理場強耦合以及燃油物性變化等方面。

我國在高性能柴油機燃油噴射系統的設計與分析方面與發達國家相比尚存在較大差距。國外先進柴油機燃油噴射系統的成功開發有其雄厚的工業基礎和豐富的經驗作保障，而當前我國要在該領域實現實質性突破以及在未來實現跨越式發展，必由之路應該是在本領域開展有針對性的基礎研究。

本研究旨在對本領域相關工作的發展現狀進行系統總結和分析，并提出未來的研究重點，希望能對未來我國的相關工作具有一定的參考價值。

1 柴油機燃油噴射系統工作特點

以主流的高壓共軌燃油噴射系統[3-4]為例。柴油機燃油噴射系統的主要結構和邊界包括高壓油泵柱塞腔、噴油器控制腔、蓄壓腔、共軌管、節流孔、控制閥、控制柱塞和針閥等，整個結構是一個復雜的高壓管網系統，其工作過程表現出非常復雜的流體動力學行為。已有的試驗以及理論分析結果表明[5-6]，柴油機燃油噴射系統的工作過程可以看作是一個復雜的高壓管道黏性流體流動過程，具有以下顯著特點：

1) 泵的脈動供油和噴油器針閥啟閉具有強瞬態特點，其造成的水擊(水錘)是導致系統中流體壓力脈動的主要根源，也是影響多次噴射供油量均勻性的主要因素；

2) 在強瞬變條件下，管道內燃油的黏性作用明顯，能量的耗散及燃油的壓縮導致燃油溫度迅速升高，而流體物性直接受溫度和壓力的影響；

3) 高噴射壓力下，在柴油機燃油噴射系統內部燃油流通的某些區域，燃油的流動速度極大，此處燃油的壓力迅速降低，甚至低于燃油的飽和蒸氣壓，使得燃油產生空化現象，從而影響壓力波傳播速度以及系統的循環噴油量；

4) 高壓燃油的壓力脈動使管路結構明顯變形及振動，流體和結構之間的相互影響增強，此外流體與結構之間(內)的熱傳導作用凸顯，呈現出流-固-熱多物理場的強耦合。

目前，針對柴油機燃油噴射系統開展的流體動力學研究工作主要圍繞燃油壓力的分布及波動進行。由于燃油壓力的分布及波動直接影響噴油系統的結構強度、密封特性及噴油特性，因此，柴油機燃油噴射系統流體動力學研究對整個系統的可靠性分析具有十分重要的意義。

2 燃油噴射系統流體動力學研究現狀

如前所述，柴油機燃油噴射系統可以視為一個復雜的高壓管網系統，其流體動力學研究可以視為一般管道流體力學的應用和發展。

清華大學的劉錚和張揚軍[7]首次將管流的研究方法和結論應用到燃油噴射系統中，指出柴油機的熱流體工作系統大多為管流系統，而管流可以簡化為一維流動模型進行處理。

然而受研究對象和技術的限制，上述方法尚不足以解決高壓燃油噴射系統內復雜的流動問題，如燃油高溫高壓條件下的物性變化、流-固-熱耦合作用等因素對燃油流動的影響。

江蘇大學的何志霞等[8]曾基于早期柴油機燃油噴射系統模擬計算的發展狀況，概括出集中容積法的燃油管流系統基本數學模型，并對其中的一些假設和求解方法進行了總結，但未梳理出多種因素對系統模擬的影響。

因此，下面將從影響柴油機燃油噴射系統流體動力學模擬計算精度的若干關鍵因素出發，分類闡述相關研究現狀，為更加深入地研究柴油機燃油噴射系統提供參考。

2.1 水擊

水擊是在壓力管道中，由于流速的急劇變化，從而造成管道中液體的壓力顯著變化的一種管內非定常流動的極端水力現象。柴油機燃油噴射系統中針閥開啟與落座瞬間產生的水擊壓力波動會在高壓油管和噴油器中傳播，進而直接影響下一次噴射時的噴射壓力與噴油量，而噴油量不均勻會影響柴油機的振動、噪聲和排放。

圖1示出2008年意大利都靈理工大學的Baratta等[5]在Moehwald-Bosch試驗臺架上測試得到的單次噴射過程中針閥的啟閉引起的軌壓、噴油器入口壓力的波動曲線?？梢钥闯觯瑖娪推魅肟谔幍膲毫γ}動十分顯著，且持續時間較長。

1937年賓夕法尼亞州立大學的DeJuhasz[9]首次將水擊的概念引入到噴油系統中，作者建立了燃油在管道中流動的簡化模型，通過對比傳統數值方法和圖解法的求解結果，驗證了圖解法的合理性。該研究對于噴油系統的模擬計算具有里程碑的意義，但是由于受到當時計算條件的限制，其計算過程作了大量的簡化，而現階段多使用大型數值方法來進行模擬研究。

都靈理工大學的Catania[10-11]考慮燃油壓縮產生的熱量及燃油物性隨溫度和壓力的變化，建立了整個噴油系統的一維數學模型，分析水擊壓力波在共軌和噴油器入口處的傳播，計算出的單次噴射和多次噴射時噴油器入口壓力波動、噴油速率及針閥升程與試驗數據非常吻合。

北京理工大學的閆冬冬[12]等從水擊理論出發，采用流體動力學基本模型，對噴射壓力高達200 MPa的高壓共軌系統高壓油管簡化結構進行內部流場和結構場的綜合數值模擬，分別對影響水擊壓力波動計算的因素(黏性、流-固耦合)以及影響其壓力脈動規律的結構因素(噴油時間、噴孔直徑、高壓油管長度、高壓油管管徑、彎曲角度)作了詳細研究。

總的來說，目前對水擊壓力波動的模擬研究均基于許多相關假設，大多采用一維簡化模型，仍未能真實再現水擊造成的噴油器內壓力波動現象。

2.2 黏性流動和管壁摩擦

管流中的黏性流體會產生黏性應力，具體表現為管壁的切應力，即管道摩阻。管流的黏性流動和壁面摩擦會對管流系統產生耗散作用，尤其對于小管徑低雷諾數的流動來說，其影響更加顯著。

特征線法是求解考慮黏性耗散項的非線性流體方程的有效方法。1971年美國密歇根大學的Wylie[13]將特征線法用于柴油噴射系統的理論仿真求解中，作者考慮了液流中的波動性、管道摩擦和空化，在分析中特別關注了一些影響仿真精確性的因素，包括燃油體積模量、波速、管道殘余壓力以及重要孔口的流量系數。

1976年東京理科大學的Matsuoka[14]在提出一系列假設的基礎上考慮了燃油的壓縮性、慣性和黏性摩擦作用，建立了燃油噴射系統的數學模型，采用有限差分法進行了全面的模擬計算。建立的數學模型具有一定的參考價值，其方法可以認為是特征線法的延伸。

1999年Mala等[15]提出了考慮壁面粗糙度的黏度模型μR，并將其應用于具有均勻壁面粗糙度的微小直圓管中的層流流動。2004年南京航空航天大學的楊衛華[16]采用N-S方程對流體在彎曲微小通道中的流動特性進行了數值研究，將Mala提出的粗糙黏度模型引入N-S方程修正后，計算得出的結果與試驗結果吻合較好。

目前對于流體黏性和管壁摩擦的考慮多采用一定的經驗和半經驗公式，柴油機噴油系統中多為小管徑流動，再加上高壓和傳熱的影響，這些耗散因素需要引起重視。

2.3 空化

管道內流體壓力低于一定值時，流體中會出現氣泡，這種現象被稱作空化?？栈瘯淖児軆攘髻|的體積彈性模量和壓力波傳播速度，而且空泡的潰滅和變化也是造成系統壓力波動的因素之一，同時空化產生的空泡在潰滅過程中會對結構的表面帶來空蝕等損傷。圖2示出合肥工業大學的沃恒洲[17]用FEISIRION200型場發射掃描電子顯微鏡(SEM)觀察到的噴嘴空蝕后的針閥密封錐面的表面形貌。從圖2中可以看出，空化后，針閥密封錐面的表面形態呈明顯的蜂窩狀坑蝕，材料呈破碎狀，蝕坑的范圍也很大。

1984年高宗英[18]通過總結國外的相關研究，認為柴油機高壓油管中壓力波傳播速度的降低現象可以用兩相介質中音速變化的理論來加以說明，作者假定氣體是以微小氣泡形式均勻分布在液體中，狀態變化是在定熵條件下進行的，在變化十分迅速的情況下，其間無相變發生，并將氣體假設為理想氣體。經過理論推導，得到了氣、液兩相介質在不同溫度和壓力下的音速公式。

該氣泡均分假設在早期的空化研究中得到了廣泛的應用。隨著試驗水平的提高，不斷有學者開始研究空化的相變問題。

1992年洛陽工學院的趙致和與劉建新等[19]通過試驗得出，空泡產生及潰滅的變化規律與供油系統高壓油路中的壓力波動有關。當系統中某處瞬時壓力降低到燃油飽和蒸氣壓以下時，溶解在燃油中的空氣和燃油中易揮發成分變成蒸氣析出，懸浮在油中形成空泡。作者提出要適當提高系統的殘余壓力，以減少空泡出現的可能性。此外，試驗表明供油系統參數改變將引起系統內氣泡含量的變化，從而影響柴油機的性能。作者認為柴油機在高速低負荷時出現的喘振現象，可能是因空泡破裂時產生的沖擊波引起針閥不穩定運動及噴油始點的變化所致。

2013年天津大學的張軍[20]等對噴孔內部空化流動特性進行了試驗測試及全面的數值計算。結果表明：提高噴射壓力，降低出口處壓力，均有利于孔內空化現象的發展；噴孔長度在一定程度上約束了空化的形成；增大噴孔入口圓角半徑，易使燃油流動變得更加通暢，不利于空化效應的產生。圖3和圖4示出不同進口壓力時的SAC噴嘴噴孔內部氣相體積分數和液相燃油速度的分布情況。

可以看出當進口壓力增加時，噴油器噴孔內部氣體的體積分數增加，孔內空化效應增加；當進口壓力為50MPa時孔內氣體已延伸至噴孔出口，形成所謂的超空化。

此外，張軍等使用透明材料制作出相關型號的噴嘴模型，利用高速攝像機拍攝了某工況下噴孔內的空化發展過程(見圖5和圖6)。

空化的存在直接影響流體的連續性、循環噴油量以及壓力波傳播，雖然已有研究考慮了空泡的離散化分布，但空化模型的數值計算仍有一定的局限性，尤其是對于有較高壓力梯度的高壓油管系統和噴油器噴孔部分。目前大多數的研究仍采用的是集中分布假設(將油管分成若干段,每段中的氣泡均集中于計算段的端部)或均勻分布假設，進而評估混合兩相流的波速變化。此外空泡的生成、長大的演化過程研究還不夠深入，空泡的分布形式及空隙率的精確模擬尚存在困難。

2.4 燃油物性

噴油過程模擬計算的介質是燃油，而燃油的物理性質或特性是仿真分析的基礎。隨著燃油噴射壓力的不斷提高，燃油在高壓或超高壓環境下的物理性質的變化是比較明顯的，這些物理性質的變化必將影響高壓共軌噴油系統的噴射特性。

由于燃油物性參數的缺乏，在早期的柴油機燃油噴射系統流體動力學研究中往往將系統簡化為絕熱系統或者恒溫系統，采用恒物性參數，并且采用絕熱假設下推導的波速方程構成流體的狀態方程，大大影響了計算模擬的精度。

國內外學者對燃油的高溫高壓物理特性進行了大量研究。無錫威孚集團的張建明[21]等研究了國產-20號柴油的高壓物理特性，得到了一些比較滿意的結果。西班牙的Rodriguez-Anton[22]和R.Payri[23]等分別研究了柴油噴射壓力不高于140MPa和180MPa時的燃油密度、聲速和體彈性模量等物理參數。

法國與波蘭等國家的一項長達4年(2008—2012)的合作計劃“NADIAbio”[24-25]對ISO4113號油進行了深入的試驗研究，研究內容包括密度、黏度、聲速、壓縮性、飽和蒸氣壓、比熱容、彈性模量等，試驗溫度20～80 ℃，試驗壓力從常壓到200MPa。該合作計劃的試驗數據于近期開始公開發表。圖7示出試驗測得的ISO4113號油黏度隨溫度和壓力的變化曲線。可以看出，黏度隨著壓力的升高而升高，溫度越低，黏度隨壓力升高的幅度越大，在20 ℃的溫度下，壓力從0.1MPa增加到200MPa時，黏度增加了近10倍；黏度隨溫度的升高而降低，壓力越大，黏度隨溫度降低的幅度越大，在200MPa的壓力下，溫度從20 ℃增加到80 ℃時，黏度減小了近80%?？梢娙加偷酿仞盒置黠@。

都靈理工大學的A.E.Catania[5-11]教授考慮燃油物性隨壓力和溫度的變化，建立整個燃油噴射系統的數學物理模型，進行了數值模擬計算，得到了與實驗測得的數據更加吻合的燃油壓力波動曲線。

2012年北京理工大學的蘇海峰等[26]使用高壓共軌試驗臺，進行了共軌系統燃油噴射溫度特性的試驗研究。研究結果表明，溫度改變柴油的黏度、飽和蒸氣壓、密度等物理特性，黏度影響針閥運動特性，飽和蒸氣壓影響噴孔的流量系數，因此不同溫度下的物性變化對噴油量的影響十分顯著。

因此，在高壓燃油噴射系統中，較高的壓力脈動和溫度變化使得對燃油物性的變化不得不加以考慮。目前在這方面的試驗研究已有了一定的進展。此外，燃油的黏度等物性隨壓力的變化并不是瞬時的，因為在高壓下，壓力改變后燃油分子重新排列需要一定的時間，燃油物性的變化速度對流動的影響還未見報道。

2.5 流-固耦合

對于高壓和超高壓柴油機燃油噴射系統，燃油與管道系統之間的相互耦合影響十分顯著。燃油壓力導致結構變形和運動，結構的變形和運動反過來又影響燃油流場，二者之間存在相互強耦合作用。高壓共軌噴油系統中的流-固耦合作用不僅影響系統密封性能，也影響結構強度和疲勞特性。

管道流-固耦合理論的基礎研究從20世紀60年代就開始了，但是，目前采用流-固耦合理論來分析燃油噴射系統的研究還不是很廣泛。

美國普度大學MAHA流體動力研究中心的Monika教授和Andrea[27-29]教授在研究柱塞泵的泵油能力時，考慮柱塞偶件與流體的流-固耦合作用以及燃油的瞬態溫度場變化，利用有限元法建立柱塞結構、柱塞腔燃油及柱塞偶件間隙燃油的混合模型，計算了柱塞的傾斜量、偏移量以及間隙燃油的壓力場、速度、瞬態溫度場變化，準確地預測出柱塞副間隙燃油的泄漏量，為判斷噴油泵的泵油能力提供了依據。

北京理工大學的錢德省和廖日東[30-34]等考慮結構變形、瞬態溫度場變化和燃油物性的變化，建立了高壓油泵柱塞副泄漏的非等溫流-固耦合數學模型，給出了該耦合模型的數值求解方法。計算結果表明：所建泄漏模型具有較高的精度，柱塞偶件的高壓變形對柱塞副泄漏影響很大。在此基礎上，他們還建立了考慮結構變形的高壓油泵柱塞腔和共軌管中的流體模型、高壓油泵柱塞副泄漏模型以及高壓油泵容積效率損失模型。采用數值方法對所建立的模型進行聯合求解，探討了柱塞直徑對柱塞腔中壓力建立、溫升、柱塞副泄漏量的影響，分析了泄漏對柱塞腔中壓力建立的影響及對容積效率的影響。結果表明：柱塞副泄漏對柱塞腔中壓力建立的影響可以忽略不計，柱塞副泄漏和柱塞腔壓力建立所消耗形成對泵的容積效率損失的影響非常明顯。

2006年北京航空航天大學的熊永華等[35]對高壓油管和噴油器油道的液力過程進行了流-固耦合仿真，流體方程采用ALE方法計算，忽略流體的可壓縮性及黏性，分析了油管長度對噴射特性的影響。研究表明，在噴射壓力不斷提高的柴油機噴油系統中，流體結構耦合作用較為顯著。

鑒于燃油噴射系統的高壓和強瞬態作用容易誘發燃油和結構之間的耦合振動，加之管道的耦合變形對液流產生影響，進而影響燃油噴射特性，因此有必要對噴油系統開展更加深入的流-固耦合分析。

2.6 綜合模擬

近些年，隨著研究理論的不斷發展及計算方法的不斷進步，研究人員可以利用計算機對柴油機燃油噴射系統展開全局仿真，而不再是局限于系統的某一部分，甚至可以建立柴油機整機模型進行仿真。

2000年美國威斯康星大學的Wickman等[36]進行了柴油機噴油系統流場仿真和試驗，運用KIVA軟件一維仿真噴油器內部流動，三維仿真氣缸內流動和噴射狀態，研究了噴霧形狀、噴射持續期與燃燒室幾何結構之間的關系。最后采用新型的噴油針閥進行短時間高噴射壓力的試驗，在 260 MPa壓力下，原來2.5 ms內噴射320 mm3的燃油，現提高到0.97 ms內噴射316 mm3燃油。

2008年意大利的Catania等[37]用一個相對完整的高壓共軌噴射系統數學模型來支持試驗研究。作者利用熱流體動力學理論，模擬了共軌、高壓油管及噴油器的一維流動。為了模擬燃油壓縮引起的溫度變化，引入了能量方程，而且考慮了空化現象引起的質量流變化，并用電磁模型模擬噴油器電磁閥。作者通過仿真進行了結構和控制的設計和優化，模擬了多次噴射的壓力波動現象。同年Baratta和Catania[5]研究了高壓共軌系統的多次噴射中噴油量和間歇時間的關系，旨在通過管路優化減小噴油量對間歇時間的依賴性。最后提出了一些改進方法，如共軌管出口處加設楔形孔、減小1/4共軌容積等。

2011年北京理工大學的蘇海峰等[38]進行了不同軌壓和噴油脈寬下高壓共軌噴油器的噴射特性研究。利用AMESim軟件建立了高壓共軌燃油噴射系統模型進行仿真計算，與實測噴油器噴油率結果進行了對比驗證，分析了共軌系統噴射過程中噴油器內液力過程和針閥運動特性，得到了噴油器噴射特性隨共軌壓力和噴油脈寬的變化的機理和規律。

從以上的研究中可以看出，對柴油機燃油噴射系統展開全局仿真的優越性在于能夠考慮更加真實的邊界條件，能夠直觀地模擬系統的結構參數和工作參數對系統內的動態過程和系統噴射特性的影響，為系統改進提供指導。然而，由于仿真計算的需要，會對某些模塊的理論建模進行簡化處理，且全局仿真多采用一維模型，不能很好地表征系統內發生的真實物理現象。

3 未來研究的發展方向

前文基于柴油機燃油噴射系統管流的顯著特點，針對影響噴射系統流體動力學計算精度的幾個關鍵因素以及系統的綜合模擬方面進行了回顧和分析。值得注意的是，柴油機燃油噴射系統的分析本質上屬于復雜的高壓管道黏性熱流體動力學問題，相關的研究無論是理論分析、試驗測試還是數值計算方面都存在很大困難，遠沒有達到完善的程度。目前的研究成果對柴油機燃油噴射系統的開發起到了一定的促進作用，但要實現燃油噴射系統的預測設計還需要開展大量的研究工作。在當前我國精密加工工業基礎較落后，研發經驗還不豐富的情況下，著重開展以下幾方面的研究對實現我國高性能燃油噴射系統的成功研發是大有裨益的：

a) 開展高壓油泵柱塞腔、噴油器控制腔和蓄壓腔等腔體內燃油的高維流體動力學分析，研究在系統壓力升高、單循環噴射次數增多以及噴油脈寬降低情況下燃油噴射系統的瞬態效應，探討腔體復雜流動邊界(柱塞副高壓泄漏、節流孔、出油孔等)對燃油壓力及脈動的影響；

b) 將燃油噴射系統看作一個復雜的熱力學系統，考慮流體與結構之間(內)的傳熱和換熱過程，研究燃油噴射系統的瞬態溫度場，在高精度溫度場計算的基礎上分析燃油的流動及噴射特性；

c) 在考慮燃油物性隨溫度和壓力變化的基礎上，注意壓力和溫度變化的強瞬態特點，研究燃油物性隨溫度和壓力變化的速率，進而提高瞬變條件下燃油的流動和噴射特性的分析精度；

d) 建立燃油噴射系統的流-固-熱強耦合瞬態分析模型，研究水擊和高壓油泵脈動供油造成的管道內流體壓力波動誘發的管道振動、斷裂和泄漏問題，探討燃油噴射系統的結構優化設計；

e) 進一步開展燃油的高溫高壓特性測試，為高性能燃油噴射系統的設計分析奠定必要的技術基礎。

致謝

在此特別感謝北京理工大學的王尚勇教授對本文提出的寶貴意見和提供的參考資料。

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[編輯: 李建新]

Research Progress of Fluid Dynamics in Diesel Fuel Injection Systems

HONG Enzhe1, GUO Zhen2, QIAN Dexing1, YAN Dongdong1, LIAO Ridong1

(1.School of Mechanical Engineering，Beijing Institute of Technology， Beijing 100081， China；2. China North Engine Research Institute(Tianjin)， Tianjin 300400， China)

Based on the fluid dynamics problem of fuel injection system, the fuel viscosity, cavitation, variable physical property and fluid-structure coupling were summarized from the view of simulation precision. The research status of fluid dynamics for fuel injection system was presented and the future research trend was put forward. The high dimensional fluid dynamics analysis of high-pressure fuel pump plunger cavity, injector control cavity and pressure accumulation cavity would be developed, the change of temperature filed caused by field internal structure and heat transfer of fluid-structure coupling would be calculated, the change and change rate of fuel physical property with temperature and pressure would be considered, the analysis of water hammer, pipeline vibration and fluid leakage by fluid-solid-thermal coupling model would be carried out and the high temperature and high pressure testing of fuel would be continued.

diesel engine; fuel injection system; fluid dynamics

2015-03-16;

2015-08-14

洪恩哲(1987—)，男，博士，主要研究方向為高壓供油系統流-固-熱耦合；261163345@qq.com。

廖日東(1972—)，男，教授，博士生導師，主要研究方向為結構強度與表面強化；liaord@bit.edu.cn。

10.3969/j.issn.1001-2222.2015.04.001

TK421.42

A

1001-2222(2015)04-0001-07