氣體燃料噴射裝置的穩態流動特性研究

王天波　劉　梁　常思勤　朱建輝

南京理工大學，南京，210094

氣體燃料噴射裝置的穩態流動特性研究

王天波劉梁常思勤朱建輝

南京理工大學，南京，210094

為了揭示氣體燃料噴射裝置的噴射規律，建立兩種采用不同方式開啟菌形閥的噴射裝置仿真模型和兩種采用不同密封方式的流閉型噴射裝置仿真模型，通過Fluent軟件進行三維穩態計算，從出流速度分布、滯止壓力損失、菌形閥受到的側向力以及背壓力等方面對比分析穩態流動特性；使用有效噴射壓力概念，實現對氣體燃料噴射裝置噴射效率的評價。研究結果表明，在一定壓差條件下，流閉型噴射裝置的出口穩定流速高于流開型噴射裝置的出口穩定流速，流閉型噴射裝置的噴射效率達56.0%，而流開型噴射效率僅有50.3%,流閉型氣體燃料噴射裝置穩態流動特性優于流開型噴射裝置的穩態流動特性；采用平面密封方式的流閉型噴射裝置噴射效率為55.2%。

氣體燃料噴射裝置；穩態流動特性；滯止壓力損失；噴射效率

0　引言

氣體燃料發動機燃料供給技術已經發展到了第三代，即采用電控氣體噴射或電控調壓技術[1-2]給發動機供給燃料。性能良好的電控噴射裝置是氣體燃料發動機的關鍵部件，因此文獻[3-5]自行設計了一類應用動圈式電磁直線執行器和菌形閥結構的氣體燃料電控噴射裝置。

菌形閥因具有良好的密封性和較大出口流量而常被用于天然氣發動機的燃料供給系統中。與簡單的單孔氣體噴嘴[6-8]相比，菌形閥結構復雜，出流通常帶有一些環狀流。Birch等[9]采用氣相色譜分析法研究了欠膨脹氣體噴射現象，Ewan等[10]采用影像技術分析研究了2～50不同壓力比下的欠膨脹氣體流動現象，Li等[11]則采用特性分析與CFD仿真分析相結合的方法研究了噴射壓力比值對氣體噴射出流尺寸和馬赫波位置的影響。

而關于流開型和流閉型兩種采用不同方式開啟菌形閥的氣體燃料噴射裝置出流穩態特性，對比包括出流速度分布、滯止壓力損失、閥門受力等方面差異的研究很少見。本文主要對流開型和流閉型氣體燃料噴射裝置作仿真計算和對比分析，并通過實驗驗證仿真結果的有效性。

1　菌形閥輪廓對流開型噴射裝置出流的影響

1.1仿真模型

流開型氣體燃料噴射裝置出流特性與菌形閥外觀形狀有著重要的關系，選用兩種較為常見的菌形閥，結構如圖1所示，類型A末端為平盤結構，類型B末端為錐形結構，閥體部分完全相同，閥門升程都為4 mm。

盡管兩類氣體燃料噴射裝置都安裝在進氣歧管上，但為了凸顯噴射裝置結構對穩態流動情況的影響，這里穩態計算域僅包含噴射閥內部流動區域和添加的出流區域。氣體燃料噴射裝置在向進氣歧管供氣過程中，進氣歧管內壓力接近外界大氣壓力，因而出口環境設為外界大氣環境是合理的。仿真計算的主要參數設置如表1所示。

表1　仿真參數

1.2兩類流開型噴射裝置出流情況

(a)類型A流開型噴射裝置出流壓力云圖

(b)類型A流開型噴射裝置出口速度云圖圖2　類型A出流穩態流動

流開型氣體燃料噴射裝置出流情況如圖2、圖3所示。從圖2可以看到，兩類流開型噴射裝置穩態出流形式完全不同，與文獻[12]所得結果相似。圖2中，超音速流受到平盤菌形閥的阻擋，改變了速度方向，在靠近閥體壁面拐彎處形成膨脹波，并伴隨壓力下降，超音速流隨著閥體彎角拐彎，呈現出流沿閥體壁面向四周發散的現象。圖3中，錐面菌形閥沒有迫使超音速流向閥體壁面流動，超音速流沿著菌形閥壁面流動，并在菌形閥側面和底面壁面上形成低壓區，將超音速流吸向出口中心軸線。

(a)類型B流開型噴射裝置出流壓力云圖

(b)類型B流開型噴射裝置出口速度云圖圖3　類型B出流穩態流動

根據文獻[13]的研究成果，進出口壓力比值越大，越容易形成向四周噴射的出流現象；相反，壓力比值越小，出流越容易向出口中心軸線靠攏。因此，采用B型菌形閥可以保證相同規格噴射裝置在壓力比值小于5∶1情況下，出流向噴嘴中心軸線靠攏。

2　開啟方式對噴射裝置出流影響

2.1仿真模型

為對比不同開啟方式氣體燃料噴射裝置的出口流動情況，設計流開型和流閉型氣體燃料噴射裝置尺寸相同，出口喉部環形截面的外圓直徑為16 mm，閥桿直徑為6 mm，閥門固定升程為4 mm，結構(沿閥門中心軸線剖開)如圖4所示。進出口壓力比值為2∶1。

(a)流開型(b)流閉型圖4　氣體燃料噴射裝置結構

2.2流開型與流閉型噴射裝置出流情況

(a)壓力云圖

(b)速度云圖圖5　流開型噴射裝置出流情況

(a)壓力云圖(b)速度云圖圖6　流閉型噴射裝置出流情況

流開型和流閉型氣體燃料噴射裝置流動壓力云圖、速度云圖見圖5、圖6。顯而易見，兩者穩態出流有著截然不同的特性。流開型噴射裝置的出流因為受到菌形閥的阻擋，氣體流動最高速度出現在菌形閥和閥座的間隙處，并在菌形閥下方形成了一個橢圓形低壓區域，導致氣體在該處形成了一定強度的渦流。相反地，流閉型噴射裝置出流在加速階段沒有受到菌形閥的阻擋，從而其最高速度保持在中心軸線附近。

2.3流開型與流閉型噴射裝置出流速度分布

兩種氣體燃料噴射裝置出口中心軸線上的壓力、速度、馬赫數分布如圖7所示。可以看到，在出口下游40～100 mm處，兩種噴射裝置出流速度都達到了穩定，100 mm后因為動量擴散作用出流速度逐漸下降。

圖7　噴射裝置出流中心軸線上的壓力分布、速度分布和馬赫數分布

取出口下游50 mm和90 mm處截面，對比軸向速度和馬赫數的徑向分布。

由圖8可以發現，流開型噴射裝置出流最高速度偏離中心軸線，相反，流閉型噴射裝置出流最高速度在中心軸線附近，并且其出流平均速度也明顯高于流開型出流平均速度。從中心速度方面考慮，流閉型噴射裝置性能較好。

圖8　出口下游50 m及90 m截面軸向速度與馬赫數

2.4噴射裝置滯止壓力損失

氣體燃料經流開型噴射裝置后將產生相當大的滯止壓力損失(包括亞音速壓力損失和超音速壓力損失)。根據文獻[13]，在進出口壓力比值為4.06時，雖然據一維等熵流動關系式得到的出流流速達到540 m/s，但是實際流開型噴嘴出流完全是亞音速的。這表明氣體經過流開型噴嘴后產生了足以影響出流根本特性的滯止壓力損失。

結合前文氣體燃料噴射裝置出流速度的分布情況，定義實際噴射裝置出口下游50 mm作為分析噴射裝置滯止壓力損失的有效截面。

為了分析噴射裝置的滯止壓力損失，使用有效滯止壓力p0,eff的概念。有效滯止壓力是指根據準一維等熵流動關系式[14]，產生相同的出流馬赫數所需要的滯止壓力，其定義式如下：

(1)

式中，pe為噴射裝置出口壓力；γ為氣體質量熱容比；Me,eff為有效截面上馬赫數的質量加權平均。

定義基于壓力的噴射效率ep如下:

(2)

式中，p0,nom為噴射裝置入口滯止壓力。

很明顯，該噴射效率是指在一維定常等熵流動情況下維持等值出口馬赫數所需的理論入口滯止壓力與實際入口滯止壓力之比，其取值必定小于100%。

計算可得，流開型、流閉型噴射裝置基于壓力的噴射效率分別為50.3%、56.0%，從滯止壓力損失方面考慮，流閉型噴射裝置優于流開型噴射裝置。

2.5出口流量與菌形閥受力

兩種噴射裝置出口穩態質量流量和相應菌形閥受到的側向力與背壓力如表2所示。可以看到，相同條件下，流開型噴射裝置出口質量流量低于流閉型噴射裝置出口質量流量；兩者閥桿側向力方向相同，都與進流方向相反，數值雖然相差一個數量級，但是其數值相對于電磁直線執行器輸出力及閥門運動摩擦力小很多，對閥門運動影響不大；兩種裝置閥盤的背壓力也不大，并接近相等，對閥門運動影響有限。

表2　噴射裝置質量流量與受力情況

綜上所述，流閉型氣體燃料噴射裝置優于流開型噴射裝置。應用到氣體燃料發動機上時，應盡量選用流閉型噴射裝置。

3　密封方式對流閉型噴射裝置出流的影響

采用錐面密封的流閉型噴射裝置結構，如圖4b所示，采用平面密封的流閉型噴射裝置結構如圖9所示。這兩個模型的主要區別在于錐面密封的閥盤直徑為17 mm，而平面密封的閥盤直徑為20 mm。兩者的喉部直徑、固定升程及進出口壓力比值相同，有關計算算法、湍流模型的設置也相同。

圖9　平面密封方式的流閉型噴射裝置結構

兩類流閉型噴射裝置出流中心軸線上的速度分布如圖10所示。

圖10　流閉型噴射裝置出流中心軸線上速度分布

可以看到，采用平面密封的流閉型氣體燃料噴射裝置出流核心最快速度高于采用錐面密封方式的流閉型噴射裝置的出流核心速度，核心速度在出口下游40～60 mm范圍內保持為定值，核心區下游速度值由于動量擴散作用而迅速降低。依然可以定義出口下游50 mm平面作為分析滯止壓力損失的有效截面。

根據仿真結果，可以得到有效截面上馬赫數的質量加權平均值為0.39，從而根據式(1)和式(2)可以得到采用平面密封的流閉型噴射裝置噴射效率為55.2%，其效率值略低于采用錐面密封的同規格流閉型噴射裝置效率值。盡管平面密封的流閉型噴射裝置出流核心速度高于錐面密封的流閉型噴射裝置出流核心速度，但是其出流質量流量僅為43.50 g/s，比錐面密封的流閉型噴射裝置低6.1%，這是導致該型噴射裝置的效率較低的主要原因。另外，其閥桿受到的側向力與閥盤受到的背壓力分別為0.03 N、8.47 N，閥盤背壓力比錐面密封的流閉型噴射裝置背壓力略大。

由此可見，密封方式對流閉型氣體燃料噴射裝置穩態出流的影響不大。

4　模型驗證

為了驗證上述仿真結果的正確性，搭建了如圖11所示的氣體燃料電控噴射裝置的流量特性測試平臺。

圖11　噴射裝置穩態流量特性測試平臺

由于受壓縮機出口流量的限制，本實驗采用的噴射裝置出口直徑為6 mm，升程通過位移傳感器和DSP控制模塊穩定在2 mm，調節減壓閥使噴射裝置進口壓力分別穩定在20、30、40、50 kPa，并測量這四種壓力條件下的穩態流量，各種壓力下記錄10組實驗數據，取平均值并與仿真結果對比，結果如圖12所示。可以得到，實驗值與仿真值相差小于5%，驗證了仿真模型的正確性。

圖12　噴射裝置流量實驗與仿真結果對比

5　結論

(1)在兩種菌形閥外形影響下，流開型氣體燃料噴射裝置出流會呈現兩種截然不同的形式，一種向菌形閥四周噴射，而另一種則向菌形閥下游中心軸線靠攏。

(2)對比了錐面菌形閥流開型噴射裝置與錐面密封流閉型噴射裝置的出流情況，結果表明，無論從出口速度軸向分布、徑向分布，或者從基于壓力的噴射效率方面對比，流閉型噴射裝置性能優于同規格、同升程的流開型噴射裝置。

(3)分析錐面密封方式、平面密封方式對流閉型噴射裝置的影響，發現采用平面密封方式導致噴射裝置的質量流量較后者低6.1%，基于壓力的噴射效率相差不大。

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(編輯王艷麗)

Steady-flow Characteristic of Gas Fuel Injection Device

Wang TianboLiu LiangChang SiqinZhu Jianhui

Nanjing University of Science and Technology,Nanjing,210094

In order to reveal the injection characteristics of the gas fuel injection device, the 3-D steady flow situation simulation models of two kinds of injection devices in different action modes, and the other two kinds of devices in different sealing ways, were established. The steady-flow characteristics such as outflow speed, pressure loss, lateral force of poppet valve stem and back pressure of these models were compared by using Fluent. And the effective injection pressure (EIP) concept was also used to evaluate the injection efficiency of gas fuel injection device. The simulation results show that the outflow speed of pull-open injection device is higher than push-open injection device obviously under the same operating conditions. The injection efficiency of the pull-open injection device is about 56.0% high, on the other hand, the push-open injection device is 50.3% low. In general, the steady-flow characteristic of the pull-open injection device is better than that of the push-open one. The injection efficiency of the plane sealing pull-open injection device is as 55.2%.

gas fuel injection device; steady flow characteristic; stagnation pressure; injection efficiency

2014-10-21

國家自然科學基金資助項目(51306090)；江蘇省自然科學基金資助項目(BK20130762)

TK434.6< class="emphasis_italic">DOI

：10.3969/j.issn.1004-132X.2015.15.010

王天波，男，1990年生。南京理工大學機械工程學院博士研究生。主要研究方向為新能源車輛動力裝置方面的研究。劉梁，男，1984年生。南京理工大學機械工程學院講師。常思勤，男，1954年生。南京理工大學機械工程學院教授、博士研究生導師。朱建輝，男，1983年生。南京理工大學機械工程學院博士研究生。