輔助加熱噴油器內(nèi)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)對(duì)燃油傳熱影響研究

曹加文，張振東

（1.200093 上海市 上海理工大學(xué)；2.215332 江蘇省 昆山市 硅湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院 ）

0 引言

醇類燃油是一種清潔的替代燃料，具有辛烷值高、含氧大的特點(diǎn)[1]，發(fā)動(dòng)機(jī)可采用更高壓縮比，在提高熱效率的同時(shí)，降低污染物排放。然而，醇類燃油的蒸發(fā)潛熱大，蒸發(fā)速度慢，著火性能差，直接對(duì)混合氣形成和燃燒過(guò)程造成不利影響，在冷啟動(dòng)情況下，醇類燃油或酒精汽油經(jīng)常導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)冷啟動(dòng)困難和燃油燃燒不充分等問(wèn)題。改善醇類燃料的蒸發(fā)性能是實(shí)現(xiàn)醇類燃料的清潔、高效燃燒的關(guān)鍵，而達(dá)到這一目的的方法是對(duì)燃油的加熱。國(guó)內(nèi)處眾多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了大量研究，F(xiàn)edor[2]等在單缸發(fā)動(dòng)機(jī)上通過(guò)感應(yīng)共軌加熱方法，對(duì)GDI發(fā)動(dòng)機(jī)油軌內(nèi)的燃油進(jìn)行加熱；Raja[3]等為了減少火花式點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)時(shí)HC 排放，提出了一種進(jìn)氣加熱的方法，減少150 CC 摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)HC排放；郝瑞東[4]等設(shè)計(jì)了一種汽車噴油嘴加熱模塊，通過(guò)軟件測(cè)試其加熱過(guò)程的電流、電壓、頻率以及占空比等噴油嘴實(shí)際工作過(guò)程中的參數(shù)，模擬了乙醇汽油冷啟動(dòng)加熱的工作過(guò)程；Mangalla[5-6]等為了改善噴霧的蒸發(fā)、提高發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒效率和降低排放，設(shè)計(jì)了一種局部接觸微波加熱噴油嘴，通過(guò)數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)方法相結(jié)合對(duì)其乙醇噴霧特性進(jìn)行研究。本文以進(jìn)氣道噴油器為對(duì)象，從燃油內(nèi)部加熱角度開(kāi)展研究，通過(guò)在噴油器內(nèi)部安裝導(dǎo)熱元件對(duì)燃油進(jìn)行快速加熱，提升燃油的溫度，進(jìn)而改善醇類燃油的蒸發(fā)性能。

1 模型建立

1.1 加熱噴油器模型的建立

相對(duì)于傳統(tǒng)的進(jìn)氣道噴油器，加熱噴油器在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上有較大改變，在噴油器油腔外增加了一個(gè)用于產(chǎn)生熱量的零件——加熱元件；在噴油器油腔內(nèi)部，增加了一個(gè)用于改變?nèi)加土鲃?dòng)方向及軌跡的零件——導(dǎo)熱元件，其目的是通過(guò)導(dǎo)熱元件與下導(dǎo)管的穩(wěn)態(tài)傳熱，使導(dǎo)熱元件具有較高的溫度。其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 加熱噴油器結(jié)構(gòu)模型Fig.1 Structure model of heating injector

1.2 導(dǎo)熱元件模型建立

在相同的噴射壓力條件下，燃油從加熱噴油器入口處到噴孔出口處的時(shí)間幾乎是相同的。為了延緩燃油從噴孔噴出，延長(zhǎng)燃油流動(dòng)在噴油器油腔內(nèi)的時(shí)間，使燃油在噴油器油腔內(nèi)具有更長(zhǎng)時(shí)間吸收更多的熱量，因此，對(duì)噴油器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，增加了導(dǎo)熱元件。為了研究輔助加熱噴油器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化對(duì)其燃油傳熱的影響，本文建立3 種結(jié)構(gòu)模型的導(dǎo)熱元件，并對(duì)不同結(jié)構(gòu)模型的輔助加熱噴油器進(jìn)行燃油加熱模擬研究。圖2 為導(dǎo)熱元件的參數(shù)定義，圖2 中，NF——流道數(shù)量；θF——導(dǎo)流角度。圖3 為不同參數(shù)的導(dǎo)熱元件。

圖2 導(dǎo)熱元件模型及參數(shù)定義Fig.2 Thermal conductive element model and parameter definition

圖3 不同導(dǎo)流角度的導(dǎo)熱元件模型Fig.3 Thermal conductive element model with different conductivity angles

不同導(dǎo)熱元件的加熱噴油器模型定義：導(dǎo)流角為30°、流道數(shù)量為6 的模型定義為30A6F 噴油器，同理，定義50A6F 和90A6F 噴油器；不使用導(dǎo)熱元件的加熱噴油器定義為without AF 噴油器。

2 參數(shù)設(shè)置

2.1 零件材料特性

輔助加熱噴油器由不同材料特性的零件組成，為了節(jié)省有限元計(jì)算時(shí)間，去除加熱噴油器模型中對(duì)仿真結(jié)果影響較小的零件，如濾網(wǎng)、恢復(fù)彈簧、及密封圈等。加熱噴油器模型的材料及其物化特性如表1 所示。

表1 加熱噴油器主要零件材料屬性表[7]Tab.1 Material properties of main parts of heating injector

2.2 仿真參數(shù)設(shè)置

為了比較不同模型燃料溫度分布情況，對(duì)各個(gè)模型在相同的初始邊界條件（相同的時(shí)間、步長(zhǎng)、初始燃油溫度、環(huán)境溫度、加熱條件等）下進(jìn)行仿真，比較不同結(jié)構(gòu)模型流體域的溫度分布情況。噴油器的工作參數(shù)及測(cè)試燃油的物化參數(shù)如表2 所示。

表2 仿真參數(shù)設(shè)置Tab.2 Simulation parameter setting

3 仿真過(guò)程及結(jié)果分析

加熱噴油器工作過(guò)程中燃油傳熱是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，其傳熱過(guò)程受外部環(huán)境、燃油性質(zhì)、燃油噴射壓力及內(nèi)部流動(dòng)結(jié)構(gòu)等因素的影響。對(duì)于噴油器固體域來(lái)說(shuō)，它既產(chǎn)生熱量，同時(shí)熱量又不斷被燃油吸收；對(duì)于燃油來(lái)說(shuō)，它吸收著噴油器固體域產(chǎn)生的熱量，由于燃油具有流動(dòng)性，所以燃油吸熱過(guò)程不是一種穩(wěn)態(tài)過(guò)程，它隨著燃油噴射壓力的改變而改變，隨著燃油種類的不同而變化。因此本文基于Workbench 工作平臺(tái)，以瞬態(tài)熱計(jì)算模塊Transient Thermal 和流體力學(xué)計(jì)算模塊Fluid Flow（Fluent）聯(lián)合仿真，其流固體耦合傳熱過(guò)程如圖4 所示。固體域的加熱發(fā)生在項(xiàng)目B 模塊中，產(chǎn)生熱量；流體域的吸熱發(fā)生在項(xiàng)目E 模塊中。它們?cè)谀骋粫r(shí)刻的傳熱情況都會(huì)在項(xiàng)目C 模塊中耦合發(fā)生。由于加熱噴油器加熱的工作方式是固體域溫度先升流體域才吸熱的邏輯關(guān)系，因而在運(yùn)算順序上，項(xiàng)目B 瞬態(tài)加熱優(yōu)先于項(xiàng)目C 流動(dòng)吸熱。

圖4 燃油傳熱耦合過(guò)程圖Fig.4 Fuel heat transfer coupling process

3.1 不同模型固體域的溫度分布情況

圖5 所示為模型噴油器經(jīng)過(guò)4 s 仿真后的溫度分布情況。從圖5 所知，應(yīng)用導(dǎo)熱元件的模型的噴油器溫度上升規(guī)律幾乎相同，工作4 s 后最高溫度達(dá)到441.9 K，而without AF 模型其工作4 s 后最高溫度達(dá)到528.7 K。由圖5（a）可見(jiàn)溫度在噴油器上不同零件的分布狀況，加熱元件產(chǎn)生的熱大部分沿縱向傳遞，即噴油器軸線方向上下傳熱，橫向只有較少熱量傳導(dǎo)到噴油器的塑料外殼上，without AF 模型溫度上升最高。相比之下，應(yīng)用導(dǎo)熱元件的模型其傳熱情況變化較大，從圖5（b）—圖5（d）可以看出，部分熱量除了縱向沿噴油器軸線上下傳遞之外，大部分熱量沿徑向向軸心傳遞，導(dǎo)致加熱元件的大部分熱量傳遞到導(dǎo)熱元件、閥桿和鋼球等零件上，使其溫度上升。從圖5（b）—圖5（d）各模型溫度分布可以看出，隨著導(dǎo)流角度的增加，傳遞到導(dǎo)熱元件的熱量增加，導(dǎo)熱元件溫度上升。

圖5 加熱噴油器固體域溫度分布Fig.5 Temperature distribution in solid area of heating injector

加熱元件作為加熱噴油器的熱源，其溫度隨著工作時(shí)間的增加而上升，不同模型工作過(guò)程的加熱元件溫升曲線變化如圖6 所示。由圖6 可知，工作4 s 后應(yīng)用導(dǎo)熱元件的模型其加熱元件最高溫度為439 K，而without AF 模型最高溫度達(dá)到了528.7 K。90A6F 模型溫度上升速度略大于30A6F 和50A6F模型。加熱過(guò)程中without AF 模型溫度曲線斜率大于其他模型的斜率，說(shuō)明其溫度上升過(guò)快，這主要是因?yàn)閣ithout AF 模型只沿加熱噴油器軸線方向上下傳熱，徑向方向與燃油進(jìn)行對(duì)流傳熱，盡管下導(dǎo)管的壁厚較小，但是徑向方向的對(duì)流傳熱的效率還是遠(yuǎn)低于軸線上下方向固體零件之間的熱傳遞效率。相反，由于導(dǎo)熱元件的設(shè)計(jì)，應(yīng)用導(dǎo)熱元件的模型徑向方向的固體域傳熱面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于軸向方向的傳熱面積，因而其主要是沿著徑向方向傳遞，少部分熱量沿著軸向方向進(jìn)行傳遞。

圖6 加熱元件溫度變化曲線Fig.6 Heating element temperature change curve

3.2 不同模型流體域溫度分布情況

流體域溫度分布情況如圖7 所示。圖7（a）中，從流體域外表面溫度分布情況來(lái)看，雖然without AF 模型其燃油表面溫度最高達(dá)到501.9 K，但是從其剖面溫度分布情況來(lái)分析，其高溫燃油僅僅是分布在與加熱元件同一高度位置處的流—固接觸面附近，而且沿著徑向方向的深度很淺。這是因?yàn)樵撃Ｐ彤a(chǎn)生的熱量一部分沿著軸向方向傳遞，一部分沿著徑向方向與燃油進(jìn)行對(duì)流換熱，由于軸向方向下導(dǎo)管的壁厚較小，隨著熱量的增加，軸向方向傳熱速率受限，因而下導(dǎo)管位置處聚集大量的熱，從而導(dǎo)致該位置處燃油溫度普遍偏高。但是由于受燃油流速的影響，徑向深度較大的位置的燃油還未進(jìn)行燃油間的熱傳遞時(shí)，就在燃油壓力的作用下快速流走。相反，從圖7（b）—（d）可以看出，應(yīng)用導(dǎo)熱元件的模型其燃油最高溫度僅為391.5 K，這是因?yàn)榧訜嵩饔迷谙聦?dǎo)管上的熱量除了軸向方向的熱量傳遞和徑向方向與燃油進(jìn)行對(duì)流換熱外，徑向方向還與導(dǎo)熱元件、閥桿和鋼球等零件進(jìn)行穩(wěn)態(tài)傳熱，這正如圖6 所示應(yīng)用導(dǎo)熱元件的模型固體域溫度低于without AF 模型固體域溫度的原因。由于導(dǎo)熱元件等零件參與的對(duì)流換熱，30A6F 模型流體域內(nèi)部燃油溫度分布相對(duì)于without AF 模型的流體域燃油溫度分布來(lái)說(shuō)較為均勻，幾乎所有燃油都參與了對(duì)流換熱。

圖7 加熱噴油器流體域溫度分布Fig.7 Temperature distribution in fluid area of heated injector

3.3 噴孔出口流體溫度分布情況

圖8 所示為不同模型噴孔出口處燃油溫度分布情況。如圖8（a）所示，without AF 模型其噴孔出口處燃油溫度最高為326.5 K，而且分布不均勻，出口處燃油溫度大部分面積屬于低溫區(qū)域，高、低溫度差較大，這主要是其流體域表面溫度較高，僅僅小部分燃油進(jìn)行對(duì)流換熱，流體域內(nèi)部大部分燃油仍然沒(méi)有參與對(duì)流換熱或者高低溫燃油之間的熱傳遞，而這小部分高溫燃油在流出噴孔前與低溫燃油進(jìn)行混合并傳熱，因而其噴孔出口處燃油溫度較低。相比之下應(yīng)用導(dǎo)熱元件的模型中，30A6F、50A6F 和90A6F 模型噴油器其噴孔出口溫度為最高，分別達(dá)到338.1，334.9，334.1 K，而且噴孔出口處燃油溫度差較小，出口燃油溫度分布較為均勻。

圖8 給出噴孔出口處模型的噴孔出口處的燃油溫度分布范圍。從圖8 可以看出，不同模型噴油器燃油溫度提升范圍各不相同，without AF 模型其噴孔出口燃油溫度差為15.0 K，而應(yīng)用導(dǎo)熱元件的模型中，30A6F 模型的為3.0 K，50A6F 模型的為4.9 K，90A6F 模型的為7.5 K。說(shuō)明不同結(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱元件對(duì)其噴孔出口處燃油溫度差影響過(guò)大。為了進(jìn)一步分析噴孔出口處燃油各溫度點(diǎn)的分布情況，本文利用MATLAB 圖像處理技術(shù)，即數(shù)字圖像顏色主分量和顏色分量比例獲取方法，對(duì)這兩種模型噴孔出口燃油溫度云圖各溫度點(diǎn)顏色進(jìn)行提取，算出各溫度點(diǎn)顏色所占的百分比例，并對(duì)各溫度點(diǎn)比例值進(jìn)行曲線擬合，得出各模型出口處燃油溫度比例分布規(guī)律，如圖9 所示。

圖8 不同模型噴孔出口溫度分布情況Fig.8 Temperature distribution of nozzle outlets of different models

圖9 噴孔出口燃油溫度百分比分布Fig.9 Percentage distribution of fuel temperature at nozzle outlet

圖9 中，點(diǎn)Min 表示噴孔出口處燃油最低溫度點(diǎn)所占百分比，Max 點(diǎn)表示燃油最高溫度點(diǎn)所占的百分比。從圖9 中看出，without AF 模型其出口處最低溫度值的燃油大約占45%，高溫燃油大約占3%；而應(yīng)用導(dǎo)熱元件的模型中，30A6F模型的噴孔出口處最低燃油溫度大約占41%；50A6F 模型的噴孔出口處最低燃油溫度大約占52%；90A6F 模型的噴孔出口處最低燃油溫度大約占33%。從圖9 看出，不同模型的噴孔出口處燃油溫度差各不相同，without AF 模型燃油溫度差最大，30A6F 模型最小。這說(shuō)明導(dǎo)熱元件的增加大大改善噴油器內(nèi)部燃油的傳熱效率，而且傳熱效率隨著導(dǎo)流角的增加而下降。

4 結(jié)論

本文利用流體力學(xué)及熱力學(xué)原理，結(jié)合CFD（Computational Fluid Dynamics）仿真技術(shù)，研究分析4 種加熱噴油器模型的內(nèi)部燃油傳熱情況，得到以下結(jié)論：

（1）利用數(shù)值模擬方法對(duì)輔助加熱噴油器的燃油傳熱進(jìn)行仿真，得到不同模型噴油器的燃油傳熱規(guī)律，揭示了不同結(jié)構(gòu)對(duì)其燃油傳熱規(guī)律的影響。

（2）從流固耦合仿真結(jié)果分析：對(duì)于without AF 模型，其固體域溫度上升速率較快，應(yīng)用導(dǎo)熱元件的模型其固體域溫度上升速度大致相近；流體域溫度分布中，without AF 模型較少的面積參與耦合傳熱，應(yīng)用導(dǎo)熱元件模型的較多面積參與耦合傳熱，其內(nèi)部燃油溫度分布較為均勻。with AF 模型噴孔出口處燃油溫差較大，應(yīng)用導(dǎo)熱元件模型的噴孔出口處燃油溫度差較小，且隨著導(dǎo)流角度的減小而增加，燃油溫度分布越均勻。

（3）運(yùn)用MATLAB 圖像顏色主分量和顏色分量比例獲取方法，對(duì)比不同模型噴孔出口處各燃油溫度段所占的面積比，得出4 種結(jié)構(gòu)模型中的傳熱效果最好的為30A6F 模型。

綜上所述，為了得到較好的傳熱效率，可以選擇30A6F 模型這個(gè)方案。