洪恩哲， 郭珍， 錢德省， 閆冬冬， 廖日東

(1.北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛學(xué)院， 北京 100081； 2.中國(guó)北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所(天津)， 天津 300400)

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·綜合評(píng)述·

柴油機(jī)燃油噴射系統(tǒng)流體動(dòng)力學(xué)研究進(jìn)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(xué)機(jī)械與車輛學(xué)院， 北京 100081； 2.中國(guó)北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所(天津)， 天津 300400)

針對(duì)柴油機(jī)燃油噴射系統(tǒng)的流體動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，從影響模擬精度的角度出發(fā)，分別對(duì)燃油黏性、空化、燃油的變物性和流體-結(jié)構(gòu)耦合等方面進(jìn)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(jī)燃油噴射系統(tǒng)流體動(dòng)力學(xué)研究的發(fā)展現(xiàn)狀，提出了未來(lái)發(fā)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(nèi)燃油的高維流體動(dòng)力學(xué)分析；考慮流體內(nèi)部及流體-結(jié)構(gòu)耦合傳熱引起的溫度場(chǎng)變化；考慮燃油物性隨溫度和壓力的變化及變化率；對(duì)噴射系統(tǒng)建立流-固-熱強(qiáng)耦合瞬態(tài)分析模型，分析水擊壓力、管道振動(dòng)及泄漏問(wèn)題；繼續(xù)進(jìn)行燃油的高溫高壓特性測(cè)試。

柴油機(jī)； 燃油噴射系統(tǒng)； 流體動(dòng)力學(xué)

柴油機(jī)燃油噴射系統(tǒng)不斷向著高噴射壓力、精確控制、多次噴射的方向發(fā)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(jī)燃油噴射系統(tǒng)的噴射壓力已達(dá)到250 MPa，國(guó)外試驗(yàn)階段的燃油噴射壓力更是高達(dá)350 MPa。因此，準(zhǔn)確分析高壓或超高壓燃油噴射系統(tǒng)的流場(chǎng)特性是其性能分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。但是，燃油噴射系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和性能分析是極復(fù)雜的，主要表現(xiàn)在流場(chǎng)強(qiáng)瞬態(tài)、流-固-熱多物理場(chǎng)強(qiáng)耦合以及燃油物性變化等方面。

我國(guó)在高性能柴油機(jī)燃油噴射系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析方面與發(fā)達(dá)國(guó)家相比尚存在較大差距。國(guó)外先進(jìn)柴油機(jī)燃油噴射系統(tǒng)的成功開發(fā)有其雄厚的工業(yè)基礎(chǔ)和豐富的經(jīng)驗(yàn)作保障，而當(dāng)前我國(guó)要在該領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)實(shí)質(zhì)性突破以及在未來(lái)實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展，必由之路應(yīng)該是在本領(lǐng)域開展有針對(duì)性的基礎(chǔ)研究。

本研究旨在對(duì)本領(lǐng)域相關(guān)工作的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行系統(tǒng)總結(jié)和分析，并提出未來(lái)的研究重點(diǎn)，希望能對(duì)未來(lái)我國(guó)的相關(guān)工作具有一定的參考價(jià)值。

1 柴油機(jī)燃油噴射系統(tǒng)工作特點(diǎn)

以主流的高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)[3-4]為例。柴油機(jī)燃油噴射系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)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(jié)流孔、控制閥、控制柱塞和針閥等，整個(gè)結(jié)構(gòu)是一個(gè)復(fù)雜的高壓管網(wǎng)系統(tǒng)，其工作過(guò)程表現(xiàn)出非常復(fù)雜的流體動(dòng)力學(xué)行為。已有的試驗(yàn)以及理論分析結(jié)果表明[5-6]，柴油機(jī)燃油噴射系統(tǒng)的工作過(guò)程可以看作是一個(gè)復(fù)雜的高壓管道黏性流體流動(dòng)過(guò)程，具有以下顯著特點(diǎn)：

1) 泵的脈動(dòng)供油和噴油器針閥啟閉具有強(qiáng)瞬態(tài)特點(diǎn)，其造成的水擊(水錘)是導(dǎo)致系統(tǒng)中流體壓力脈動(dòng)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(qiáng)瞬變條件下，管道內(nèi)燃油的黏性作用明顯，能量的耗散及燃油的壓縮導(dǎo)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(jī)燃油噴射系統(tǒng)內(nèi)部燃油流通的某些區(qū)域，燃油的流動(dòng)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(chǎn)生空化現(xiàn)象，從而影響壓力波傳播速度以及系統(tǒng)的循環(huán)噴油量；

4) 高壓燃油的壓力脈動(dòng)使管路結(jié)構(gòu)明顯變形及振動(dòng)，流體和結(jié)構(gòu)之間的相互影響增強(qiáng)，此外流體與結(jié)構(gòu)之間(內(nèi))的熱傳導(dǎo)作用凸顯，呈現(xiàn)出流-固-熱多物理場(chǎng)的強(qiáng)耦合。

目前，針對(duì)柴油機(jī)燃油噴射系統(tǒng)開展的流體動(dòng)力學(xué)研究工作主要圍繞燃油壓力的分布及波動(dòng)進(jìn)行。由于燃油壓力的分布及波動(dòng)直接影響噴油系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、密封特性及噴油特性，因此，柴油機(jī)燃油噴射系統(tǒng)流體動(dòng)力學(xué)研究對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的可靠性分析具有十分重要的意義。

2 燃油噴射系統(tǒng)流體動(dòng)力學(xué)研究現(xiàn)狀

如前所述，柴油機(jī)燃油噴射系統(tǒng)可以視為一個(gè)復(fù)雜的高壓管網(wǎng)系統(tǒng)，其流體動(dòng)力學(xué)研究可以視為一般管道流體力學(xué)的應(yīng)用和發(fā)展。

清華大學(xué)的劉錚和張揚(yáng)軍[7]首次將管流的研究方法和結(jié)論應(yīng)用到燃油噴射系統(tǒng)中，指出柴油機(jī)的熱流體工作系統(tǒng)大多為管流系統(tǒng)，而管流可以簡(jiǎn)化為一維流動(dòng)模型進(jìn)行處理。

然而受研究對(duì)象和技術(shù)的限制，上述方法尚不足以解決高壓燃油噴射系統(tǒng)內(nèi)復(fù)雜的流動(dòng)問(wèn)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(duì)燃油流動(dòng)的影響。

江蘇大學(xué)的何志霞等[8]曾基于早期柴油機(jī)燃油噴射系統(tǒng)模擬計(jì)算的發(fā)展?fàn)顩r，概括出集中容積法的燃油管流系統(tǒng)基本數(shù)學(xué)模型，并對(duì)其中的一些假設(shè)和求解方法進(jìn)行了總結(jié)，但未梳理出多種因素對(duì)系統(tǒng)模擬的影響。

因此，下面將從影響柴油機(jī)燃油噴射系統(tǒng)流體動(dòng)力學(xué)模擬計(jì)算精度的若干關(guān)鍵因素出發(fā)，分類闡述相關(guān)研究現(xiàn)狀，為更加深入地研究柴油機(jī)燃油噴射系統(tǒng)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(nèi)非定常流動(dòng)的極端水力現(xiàn)象。柴油機(jī)燃油噴射系統(tǒng)中針閥開啟與落座瞬間產(chǎn)生的水擊壓力波動(dòng)會(huì)在高壓油管和噴油器中傳播，進(jìn)而直接影響下一次噴射時(shí)的噴射壓力與噴油量，而噴油量不均勻會(huì)影響柴油機(jī)的振動(dòng)、噪聲和排放。

圖1示出2008年意大利都靈理工大學(xué)的Baratta等[5]在Moehwald-Bosch試驗(yàn)臺(tái)架上測(cè)試得到的單次噴射過(guò)程中針閥的啟閉引起的軌壓、噴油器入口壓力的波動(dòng)曲線。可以看出，噴油器入口處的壓力脈動(dòng)十分顯著，且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。

1937年賓夕法尼亞州立大學(xué)的DeJuhasz[9]首次將水擊的概念引入到噴油系統(tǒng)中，作者建立了燃油在管道中流動(dòng)的簡(jiǎn)化模型，通過(guò)對(duì)比傳統(tǒng)數(shù)值方法和圖解法的求解結(jié)果，驗(yàn)證了圖解法的合理性。該研究對(duì)于噴油系統(tǒng)的模擬計(jì)算具有里程碑的意義，但是由于受到當(dāng)時(shí)計(jì)算條件的限制，其計(jì)算過(guò)程作了大量的簡(jiǎn)化，而現(xiàn)階段多使用大型數(shù)值方法來(lái)進(jìn)行模擬研究。

都靈理工大學(xué)的Catania[10-11]考慮燃油壓縮產(chǎn)生的熱量及燃油物性隨溫度和壓力的變化，建立了整個(gè)噴油系統(tǒng)的一維數(shù)學(xué)模型，分析水擊壓力波在共軌和噴油器入口處的傳播，計(jì)算出的單次噴射和多次噴射時(shí)噴油器入口壓力波動(dòng)、噴油速率及針閥升程與試驗(yàn)數(shù)據(jù)非常吻合。

北京理工大學(xué)的閆冬冬[12]等從水擊理論出發(fā)，采用流體動(dòng)力學(xué)基本模型，對(duì)噴射壓力高達(dá)200 MPa的高壓共軌系統(tǒng)高壓油管簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)進(jìn)行內(nèi)部流場(chǎng)和結(jié)構(gòu)場(chǎng)的綜合數(shù)值模擬，分別對(duì)影響水擊壓力波動(dòng)計(jì)算的因素(黏性、流-固耦合)以及影響其壓力脈動(dòng)規(guī)律的結(jié)構(gòu)因素(噴油時(shí)間、噴孔直徑、高壓油管長(zhǎng)度、高壓油管管徑、彎曲角度)作了詳細(xì)研究。

總的來(lái)說(shuō)，目前對(duì)水擊壓力波動(dòng)的模擬研究均基于許多相關(guān)假設(shè)，大多采用一維簡(jiǎn)化模型，仍未能真實(shí)再現(xiàn)水擊造成的噴油器內(nèi)壓力波動(dòng)現(xiàn)象。

2.2 黏性流動(dòng)和管壁摩擦

管流中的黏性流體會(huì)產(chǎn)生黏性應(yīng)力，具體表現(xiàn)為管壁的切應(yīng)力，即管道摩阻。管流的黏性流動(dòng)和壁面摩擦?xí)?duì)管流系統(tǒng)產(chǎn)生耗散作用，尤其對(duì)于小管徑低雷諾數(shù)的流動(dòng)來(lái)說(shuō)，其影響更加顯著。

特征線法是求解考慮黏性耗散項(xiàng)的非線性流體方程的有效方法。1971年美國(guó)密歇根大學(xué)的Wylie[13]將特征線法用于柴油噴射系統(tǒng)的理論仿真求解中，作者考慮了液流中的波動(dòng)性、管道摩擦和空化，在分析中特別關(guān)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(shù)。

1976年?yáng)|京理科大學(xué)的Matsuoka[14]在提出一系列假設(shè)的基礎(chǔ)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(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，采用有限差分法進(jìn)行了全面的模擬計(jì)算。建立的數(shù)學(xué)模型具有一定的參考價(jià)值，其方法可以認(rèn)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(yīng)用于具有均勻壁面粗糙度的微小直圓管中的層流流動(dòng)。2004年南京航空航天大學(xué)的楊衛(wèi)華[16]采用N-S方程對(duì)流體在彎曲微小通道中的流動(dòng)特性進(jìn)行了數(shù)值研究，將Mala提出的粗糙黏度模型引入N-S方程修正后，計(jì)算得出的結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。

目前對(duì)于流體黏性和管壁摩擦的考慮多采用一定的經(jīng)驗(yàn)和半經(jīng)驗(yàn)公式，柴油機(jī)噴油系統(tǒng)中多為小管徑流動(dòng)，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(nèi)流體壓力低于一定值時(shí)，流體中會(huì)出現(xiàn)氣泡，這種現(xiàn)象被稱作空化。空化會(huì)改變管內(nèi)流質(zhì)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(tǒng)壓力波動(dòng)的因素之一，同時(shí)空化產(chǎn)生的空泡在潰滅過(guò)程中會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)的表面帶來(lái)空蝕等損傷。圖2示出合肥工業(yè)大學(xué)的沃恒洲[17]用FEISIRION200型場(chǎng)發(fā)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(tài)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(guò)總結(jié)國(guó)外的相關(guān)研究，認(rèn)為柴油機(jī)高壓油管中壓力波傳播速度的降低現(xiàn)象可以用兩相介質(zhì)中音速變化的理論來(lái)加以說(shuō)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(tài)變化是在定熵條件下進(jìn)行的，在變化十分迅速的情況下，其間無(wú)相變發(fā)生，并將氣體假設(shè)為理想氣體。經(jīng)過(guò)理論推導(dǎo)，得到了氣、液兩相介質(zhì)在不同溫度和壓力下的音速公式。

該氣泡均分假設(shè)在早期的空化研究中得到了廣泛的應(yīng)用。隨著試驗(yàn)水平的提高，不斷有學(xué)者開始研究空化的相變問(wèn)題。

1992年洛陽(yáng)工學(xué)院的趙致和與劉建新等[19]通過(guò)試驗(yàn)得出，空泡產(chǎn)生及潰滅的變化規(guī)律與供油系統(tǒng)高壓油路中的壓力波動(dòng)有關(guān)。當(dāng)系統(tǒng)中某處瞬時(shí)壓力降低到燃油飽和蒸氣壓以下時(shí)，溶解在燃油中的空氣和燃油中易揮發(fā)成分變成蒸氣析出，懸浮在油中形成空泡。作者提出要適當(dāng)提高系統(tǒng)的殘余壓力，以減少空泡出現(xiàn)的可能性。此外，試驗(yàn)表明供油系統(tǒng)參數(shù)改變將引起系統(tǒng)內(nèi)氣泡含量的變化，從而影響柴油機(jī)的性能。作者認(rèn)為柴油機(jī)在高速低負(fù)荷時(shí)出現(xiàn)的喘振現(xiàn)象，可能是因空泡破裂時(shí)產(chǎn)生的沖擊波引起針閥不穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)及噴油始點(diǎn)的變化所致。

2013年天津大學(xué)的張軍[20]等對(duì)噴孔內(nèi)部空化流動(dòng)特性進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)試及全面的數(shù)值計(jì)算。結(jié)果表明：提高噴射壓力，降低出口處壓力，均有利于孔內(nèi)空化現(xiàn)象的發(fā)展；噴孔長(zhǎng)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(dòng)變得更加通暢，不利于空化效應(yīng)的產(chǎn)生。圖3和圖4示出不同進(jìn)口壓力時(shí)的SAC噴嘴噴孔內(nèi)部氣相體積分?jǐn)?shù)和液相燃油速度的分布情況。

可以看出當(dāng)進(jìn)口壓力增加時(shí)，噴油器噴孔內(nèi)部氣體的體積分?jǐn)?shù)增加，孔內(nèi)空化效應(yīng)增加；當(dāng)進(jìn)口壓力為50MPa時(shí)孔內(nèi)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(guān)型號(hào)的噴嘴模型，利用高速攝像機(jī)拍攝了某工況下噴孔內(nèi)的空化發(fā)展過(guò)程(見(jiàn)圖5和圖6)。

空化的存在直接影響流體的連續(xù)性、循環(huán)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(shù)值計(jì)算仍有一定的局限性，尤其是對(duì)于有較高壓力梯度的高壓油管系統(tǒng)和噴油器噴孔部分。目前大多數(shù)的研究仍采用的是集中分布假設(shè)(將油管分成若干段,每段中的氣泡均集中于計(jì)算段的端部)或均勻分布假設(shè)，進(jìn)而評(píng)估混合兩相流的波速變化。此外空泡的生成、長(zhǎng)大的演化過(guò)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(guò)程模擬計(jì)算的介質(zhì)是燃油，而燃油的物理性質(zhì)或特性是仿真分析的基礎(chǔ)。隨著燃油噴射壓力的不斷提高，燃油在高壓或超高壓環(huán)境下的物理性質(zhì)的變化是比較明顯的，這些物理性質(zhì)的變化必將影響高壓共軌噴油系統(tǒng)的噴射特性。

由于燃油物性參數(shù)的缺乏，在早期的柴油機(jī)燃油噴射系統(tǒng)流體動(dòng)力學(xué)研究中往往將系統(tǒng)簡(jiǎn)化為絕熱系統(tǒng)或者恒溫系統(tǒng)，采用恒物性參數(shù)，并且采用絕熱假設(shè)下推導(dǎo)的波速方程構(gòu)成流體的狀態(tài)方程，大大影響了計(jì)算模擬的精度。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)燃油的高溫高壓物理特性進(jìn)行了大量研究。無(wú)錫威孚集團(tuán)的張建明[21]等研究了國(guó)產(chǎn)-20號(hào)柴油的高壓物理特性，得到了一些比較滿意的結(jié)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(shí)的燃油密度、聲速和體彈性模量等物理參數(shù)。

法國(guó)與波蘭等國(guó)家的一項(xiàng)長(zhǎng)達(dá)4年(2008—2012)的合作計(jì)劃“NADIAbio”[24-25]對(duì)ISO4113號(hào)油進(jìn)行了深入的試驗(yàn)研究，研究?jī)?nèi)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(yàn)溫度20～80 ℃，試驗(yàn)壓力從常壓到200MPa。該合作計(jì)劃的試驗(yàn)數(shù)據(jù)于近期開始公開發(fā)表。圖7示出試驗(yàn)測(cè)得的ISO4113號(hào)油黏度隨溫度和壓力的變化曲線?？梢钥闯?，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(shí)，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(shí)，黏度減小了近80%?？梢?jiàn)燃油的黏溫黏壓效應(yīng)十分明顯。

都靈理工大學(xué)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(gè)燃油噴射系統(tǒng)的數(shù)學(xué)物理模型，進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算，得到了與實(shí)驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)更加吻合的燃油壓力波動(dòng)曲線。

2012年北京理工大學(xué)的蘇海峰等[26]使用高壓共軌試驗(yàn)臺(tái)，進(jìn)行了共軌系統(tǒng)燃油噴射溫度特性的試驗(yàn)研究。研究結(jié)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(yùn)動(dòng)特性，飽和蒸氣壓影響噴孔的流量系數(shù)，因此不同溫度下的物性變化對(duì)噴油量的影響十分顯著。

因此，在高壓燃油噴射系統(tǒng)中，較高的壓力脈動(dòng)和溫度變化使得對(duì)燃油物性的變化不得不加以考慮。目前在這方面的試驗(yàn)研究已有了一定的進(jìn)展。此外，燃油的黏度等物性隨壓力的變化并不是瞬時(shí)的，因?yàn)樵诟邏合拢瑝毫Ω淖兒笕加头肿又匦屡帕行枰欢ǖ臅r(shí)間，燃油物性的變化速度對(duì)流動(dòng)的影響還未見(jiàn)報(bào)道。

2.5 流-固耦合

對(duì)于高壓和超高壓柴油機(jī)燃油噴射系統(tǒng)，燃油與管道系統(tǒng)之間的相互耦合影響十分顯著。燃油壓力導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變形和運(yùn)動(dòng)，結(jié)構(gòu)的變形和運(yùn)動(dòng)反過(guò)來(lái)又影響燃油流場(chǎng)，二者之間存在相互強(qiáng)耦合作用。高壓共軌噴油系統(tǒng)中的流-固耦合作用不僅影響系統(tǒng)密封性能，也影響結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和疲勞特性。

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

美國(guó)普度大學(xué)MAHA流體動(dòng)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(shí)，考慮柱塞偶件與流體的流-固耦合作用以及燃油的瞬態(tài)溫度場(chǎng)變化，利用有限元法建立柱塞結(jié)構(gòu)、柱塞腔燃油及柱塞偶件間隙燃油的混合模型，計(jì)算了柱塞的傾斜量、偏移量以及間隙燃油的壓力場(chǎng)、速度、瞬態(tài)溫度場(chǎng)變化，準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)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(jù)。

北京理工大學(xué)的錢德省和廖日東[30-34]等考慮結(jié)構(gòu)變形、瞬態(tài)溫度場(chǎng)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(shù)學(xué)模型，給出了該耦合模型的數(shù)值求解方法。計(jì)算結(jié)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(duì)柱塞副泄漏影響很大。在此基礎(chǔ)上，他們還建立了考慮結(jié)構(gòu)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(shù)值方法對(duì)所建立的模型進(jìn)行聯(lián)合求解，探討了柱塞直徑對(duì)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(duì)柱塞腔中壓力建立的影響及對(duì)容積效率的影響。結(jié)果表明：柱塞副泄漏對(duì)柱塞腔中壓力建立的影響可以忽略不計(jì)，柱塞副泄漏和柱塞腔壓力建立所消耗形成對(duì)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(xué)的熊永華等[35]對(duì)高壓油管和噴油器油道的液力過(guò)程進(jìn)行了流-固耦合仿真，流體方程采用ALE方法計(jì)算，忽略流體的可壓縮性及黏性，分析了油管長(zhǎng)度對(duì)噴射特性的影響。研究表明，在噴射壓力不斷提高的柴油機(jī)噴油系統(tǒng)中，流體結(jié)構(gòu)耦合作用較為顯著。

鑒于燃油噴射系統(tǒng)的高壓和強(qiáng)瞬態(tài)作用容易誘發(fā)燃油和結(jié)構(gòu)之間的耦合振動(dòng)，加之管道的耦合變形對(duì)液流產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響燃油噴射特性，因此有必要對(duì)噴油系統(tǒng)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(fā)展及計(jì)算方法的不斷進(jìn)步，研究人員可以利用計(jì)算機(jī)對(duì)柴油機(jī)燃油噴射系統(tǒng)展開全局仿真，而不再是局限于系統(tǒng)的某一部分，甚至可以建立柴油機(jī)整機(jī)模型進(jìn)行仿真。

2000年美國(guó)威斯康星大學(xué)的Wickman等[36]進(jìn)行了柴油機(jī)噴油系統(tǒng)流場(chǎng)仿真和試驗(yàn)，運(yùn)用KIVA軟件一維仿真噴油器內(nèi)部流動(dòng)，三維仿真氣缸內(nèi)流動(dòng)和噴射狀態(tài)，研究了噴霧形狀、噴射持續(xù)期與燃燒室?guī)缀谓Y(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。最后采用新型的噴油針閥進(jìn)行短時(shí)間高噴射壓力的試驗(yàn)，在 260 MPa壓力下，原來(lái)2.5 ms內(nèi)噴射320 mm3的燃油，現(xiàn)提高到0.97 ms內(nèi)噴射316 mm3燃油。

2008年意大利的Catania等[37]用一個(gè)相對(duì)完整的高壓共軌噴射系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型來(lái)支持試驗(yàn)研究。作者利用熱流體動(dòng)力學(xué)理論，模擬了共軌、高壓油管及噴油器的一維流動(dòng)。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(xiàn)象引起的質(zhì)量流變化，并用電磁模型模擬噴油器電磁閥。作者通過(guò)仿真進(jìn)行了結(jié)構(gòu)和控制的設(shè)計(jì)和優(yōu)化，模擬了多次噴射的壓力波動(dòng)現(xiàn)象。同年Baratta和Catania[5]研究了高壓共軌系統(tǒng)的多次噴射中噴油量和間歇時(shí)間的關(guān)系，旨在通過(guò)管路優(yōu)化減小噴油量對(duì)間歇時(shí)間的依賴性。最后提出了一些改進(jìn)方法，如共軌管出口處加設(shè)楔形孔、減小1/4共軌容積等。

2011年北京理工大學(xué)的蘇海峰等[38]進(jìn)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(tǒng)模型進(jìn)行仿真計(jì)算，與實(shí)測(cè)噴油器噴油率結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證，分析了共軌系統(tǒng)噴射過(guò)程中噴油器內(nèi)液力過(guò)程和針閥運(yùn)動(dòng)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(jī)理和規(guī)律。

從以上的研究中可以看出，對(duì)柴油機(jī)燃油噴射系統(tǒng)展開全局仿真的優(yōu)越性在于能夠考慮更加真實(shí)的邊界條件，能夠直觀地模擬系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作參數(shù)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)的動(dòng)態(tài)過(guò)程和系統(tǒng)噴射特性的影響，為系統(tǒng)改進(jìn)提供指導(dǎo)。然而，由于仿真計(jì)算的需要，會(huì)對(duì)某些模塊的理論建模進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，且全局仿真多采用一維模型，不能很好地表征系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生的真實(shí)物理現(xiàn)象。

3 未來(lái)研究的發(fā)展方向

前文基于柴油機(jī)燃油噴射系統(tǒng)管流的顯著特點(diǎn)，針對(duì)影響噴射系統(tǒng)流體動(dòng)力學(xué)計(jì)算精度的幾個(gè)關(guān)鍵因素以及系統(tǒng)的綜合模擬方面進(jìn)行了回顧和分析。值得注意的是，柴油機(jī)燃油噴射系統(tǒng)的分析本質(zhì)上屬于復(fù)雜的高壓管道黏性熱流體動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，相關(guān)的研究無(wú)論是理論分析、試驗(yàn)測(cè)試還是數(shù)值計(jì)算方面都存在很大困難，遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到完善的程度。目前的研究成果對(duì)柴油機(jī)燃油噴射系統(tǒng)的開發(fā)起到了一定的促進(jìn)作用，但要實(shí)現(xiàn)燃油噴射系統(tǒng)的預(yù)測(cè)設(shè)計(jì)還需要開展大量的研究工作。在當(dāng)前我國(guó)精密加工工業(yè)基礎(chǔ)較落后，研發(fā)經(jīng)驗(yàn)還不豐富的情況下，著重開展以下幾方面的研究對(duì)實(shí)現(xiàn)我國(guó)高性能燃油噴射系統(tǒng)的成功研發(fā)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(nèi)燃油的高維流體動(dòng)力學(xué)分析，研究在系統(tǒng)壓力升高、單循環(huán)噴射次數(shù)增多以及噴油脈寬降低情況下燃油噴射系統(tǒng)的瞬態(tài)效應(yīng)，探討腔體復(fù)雜流動(dòng)邊界(柱塞副高壓泄漏、節(jié)流孔、出油孔等)對(duì)燃油壓力及脈動(dòng)的影響；

b) 將燃油噴射系統(tǒng)看作一個(gè)復(fù)雜的熱力學(xué)系統(tǒng)，考慮流體與結(jié)構(gòu)之間(內(nèi))的傳熱和換熱過(guò)程，研究燃油噴射系統(tǒng)的瞬態(tài)溫度場(chǎng)，在高精度溫度場(chǎng)計(jì)算的基礎(chǔ)上分析燃油的流動(dòng)及噴射特性；

c) 在考慮燃油物性隨溫度和壓力變化的基礎(chǔ)上，注意壓力和溫度變化的強(qiáng)瞬態(tài)特點(diǎn)，研究燃油物性隨溫度和壓力變化的速率，進(jìn)而提高瞬變條件下燃油的流動(dòng)和噴射特性的分析精度；

d) 建立燃油噴射系統(tǒng)的流-固-熱強(qiáng)耦合瞬態(tài)分析模型，研究水擊和高壓油泵脈動(dòng)供油造成的管道內(nèi)流體壓力波動(dòng)誘發(fā)的管道振動(dòng)、斷裂和泄漏問(wèn)題，探討燃油噴射系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)；

e) 進(jìn)一步開展燃油的高溫高壓特性測(cè)試，為高性能燃油噴射系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分析奠定必要的技術(shù)基礎(chǔ)。

致謝

在此特別感謝北京理工大學(xué)的王尚勇教授對(duì)本文提出的寶貴意見(jiàn)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?yàn)楦邏汗┯拖到y(tǒng)流-固-熱耦合；261163345@qq.com。

廖日東(1972—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)強(qiáng)度與表面強(qiáng)化；liaord@bit.edu.cn。

10.3969/j.issn.1001-2222.2015.04.001

TK421.42

A

1001-2222(2015)04-0001-07