40-机车柴油机喷油嘴三维流场数值模拟及改进研究

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1、第二届中国CAE工程分析技术年会机车柴油机喷油嘴三维流场数值模拟及改进研究李明海，张晓琨，崔洪江，关颖（大连交通大学交通运输工程学院，大连116208）摘要：本文通过CFD（ComputationFluidDynamic）软件FLUENT利用可压缩流体的三维湍流模型和无粘流动模型对改进前后喷油嘴内流场进行数值模拟。对比研究发现，90　密封座面的压力损失小于60密封座面；随着喷射压力的提高喷油嘴流量系数有减小的趋势；喷孔倒角可以增大喷油嘴流量系数，同时可以减少高压喷射带来的压力损失。按照该设计生产的产品前不久在高强化中速机车柴油机上22万余公里的实际运

2、用结果表明，该型针阀偶件大大减少了故障率，并且其工作可靠性、使用寿命有大幅度提高。关键词：柴油机；喷嘴；三维数值模拟；座面锥角；倒角Three-dimensionalNumericalSimulationofDieselNozzleLIMing-hai，ZHANGXiao-kun,CUIHong-jiang,GUAN-Ying(SchoolofTrafficandTransportation,DalianJiaotongUniversity,Dalian116028,China)Abstract：Thethree-dimensionalnumeric

3、alsimulationforthecompressibleflowinsidethenozzletipwasprocessedbyusingCFD(ComputationFluidDynamic)FLUENTsoftware.Thestudyshowedthatthereislesspressurelossinsealseatsurfacewith90ºangercomparedwith60ºanger;astheinjectpressurebecomehigher,thedischargecoefficientofthenozzlebecomes

4、maller;thedischargecoefficientwouldbecomelargerifthefilletofnozzleapplied,whichwillhelptoreducethepressurelosecausedbyhighinjectpressure.Throughcomparisonofdifferentstructureofnozzletip,anewapproachtoimproveandtomodifythenozzletipstructuresunderahigherinjectionpressurewerepropo

5、sed.Keywords：Diesel；Nozzle；Three-dimensionalnumericalsimulation；Seatsurfaceanger；Fillet1引言随着柴油机向节能、低排放的方向发展，对柴油机燃油喷射系统高压、高喷射速率的要求更加苛刻。铁路客运提速以来大功率机车柴油机燃油喷射系统出现了很多问题。尤其是喷油器工作可靠性差、寿命短，造成机车柴油机工作故障和性能恶化。机车运用部门为了确保机车的正常使用，只能以频繁检修来换取机车的使用可靠性，这不但浪费了检修部门大量的人力、物力，而且配件的消耗量很大。究其原因，主要是喷油嘴的结

6、构设计不尽合理，因而对干线内燃机车装备的某型柴油机燃油喷射系统进行改进是必要的。其中喷油嘴作为燃油喷射系统的最后环节，对燃油的喷射质量起着重要的作用。在改进研究过程中发现通过合理设计喷油嘴前端结构可以有效增大流通能力，减小压力损失。所以在喷油嘴的设计中，对喷嘴内流场的研究是很有必要的。但是由于喷嘴内体积小，其流场状态很难通过试验得到，通过209第二届中国CAE工程分析技术年会【2】【3】CFD模型进行研究可以弥补这一缺陷。文献研究了喷油嘴内压力与流量变化的特性。文【4】【5】【6】献通过混合多相流空化模型研究了气穴对喷射的影响。文献研究了考虑燃油可压

7、缩性和粘温－粘压关系下的柴油机喷嘴流场。本文就某型铁路机车用柴油机喷油嘴的各种改进方案进行模拟，通过喷嘴内流场的分布，分析喷嘴改进设计的合理性，并提出进一步改进的方向。喷油嘴主要改进参数如表1所示。表1改进前后的结构参数Tab.1structuralparameterofformernozzleandimprovednozzle改进项目结构A：原针阀偶件结构B改进后针阀偶件中孔直径×升程（mm）8×0.68×0.5座面锥角60º90º起喷压力Mpa2628压力室直径2.5mm2mm喷孔直径（mm）×数量0.5×80.4×5＋0.45×5上下排布2计算

8、模型2．1喷嘴内流道结构图1结构A的流道模型（由于对称性，取十六分之一建模）Fig.1Flowpassage