一种多孔喷油嘴及其设计方法
【专利摘要】本发明提供一种多孔喷油嘴的设计方法，包括：S1,基于CFD软件建立多孔喷油嘴模拟喷油过程模型；S2,基于多孔喷油嘴模拟喷油过程模型进行多孔喷油嘴的优化设计。本发明基于计算流体力学CFD(Computational Fluid Dynamics)导向的设计流程、研发了一款新型的汽油发动机多孔喷油嘴模型，可以达到最好的燃油喷射、雾化效果，降低废气排放。
【专利说明】
_种多孔喷油嘴及其设计方法
技术领域
[0001] 本发明涉及汽油发动机设计领域，具体地说，涉及一种多孔喷油嘴及其设计方法。
【背景技术】
[0002] 目前市场上的汽油发动机喷油嘴的设计主要基于行业经验，用简单的物理实验方 法来驱动喷油嘴的设计和优化。这种设计方法需要很长的研发周期，高额的研发费用，只能 通过单位时间里的喷油量等少数测量指标来分析和指导研发，对于燃油在喷油嘴内部和喷 出后的流动和物态变化很难观测，更不能定量分析。例如，目前工业界和学术界对于喷油嘴 内部汽蚀现象的理解还十分有限，而汽蚀现象对燃油流动、雾化和燃烧的影响又十分巨大。 因此，传统的喷油嘴设计经过多年的发展，对于燃油雾化和燃烧效率的提升十分有限。高精 度的仿真数值算法和高性能的CFD仿真软件的开发为我们提供了一种全新的研究喷油嘴性 能的工具，其仿真结果反过来又可以重新引导喷油嘴的设计和优化。
[0003] 目前主流的CH)仿真软件已经能够包含大部分模拟喷油嘴喷油过程的算法。但是， 应该采用何种仿真模型，以及这些涉及液体流动、燃油气化的物理模型和进行数值计算的 数学模型该如何配合，从而进行正确、可靠的CFD仿真，工业界也是莫衷一是。
[0004] 本发明基于学术界和工业界已经公开发表的部分研究成果，开发了一套完整、可 靠的CH)仿真流程，包括其中所涉及的各种数学模型和物理模型的设置，形成了完成本发明 的理论和技术基础。
【发明内容】
[0005] 本发明提供一种多孔喷油嘴及其设计方法，所要解决的技术问题是如何用简单的 物理实验方法来驱动喷油嘴的设计和优化的问题。
[0006] 本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
[0007] 本发明提供一种多孔喷油嘴的设计方法，包括：
[0008] S1，基于CH)软件建立多孔喷油嘴模拟喷油过程模型；
[0009] S2,基于多孔喷油嘴模拟喷油过程模型进行多孔喷油嘴的优化设计。
[0010] 优选的，S1的具体实现为：多孔喷油嘴模拟喷油过程模型的构建和多孔喷油嘴模 拟喷油过程模型的验证。
[0011] 优选的，所述多孔喷油嘴模拟喷油过程模型的构建包括以下步骤：
[0012] S1-1-1、选取多孔喷油嘴模拟喷油过程所需要采用的CH)模型设置；
[0013] S1-1-2、将选取的多孔喷油嘴模拟喷油过程模型进行网格划分；
[0014]优选的，所述多孔喷油嘴模拟喷油过程模型的验证包括以下步骤：
[0015] S1-2-1、基于一个现有喷油嘴设计进行物理实验，记录得到的实验测量结果，作为 验证仿真结果可靠性的基础；
[0016] S1-2-2、根据上述物理实验，确定喷油过程所需的输入量和所述输入量对应的输 出量；
[0017] S1-2-3、将上一步中得到的输入量导入S1-1-2中的多孔喷油嘴模拟喷油过程模型 网格，并进行CFD计算，并记录所需的输出结果，得到CFD计算结果；
[0018] S1-2-4、比较实验测量结果和CHH十算结果，确定CHH十算是否正确可靠，是，得到 可靠的多孔喷油嘴模拟喷油过程模型;否，调整模型设计并重复步骤S1。
[0019] 优选的，S2的具体实现为：
[0020] S2-1、基于已经验证为可靠的多孔喷油嘴模拟喷油过程模型，对更多的喷油嘴设 计进行CFD计算；
[0021] S2-2、将上述CHH十算的结果形成相应的曲线图和响应面图；
[0022] S2-3、基于上述CHH十算的结果，综合分析得出喷油嘴的最优的结构设计。
[0023] 本发明有益效果在于：基于计算流体力学CFD(Computational Fluid Dynami cs) 导向的设计流程、研发了一款新型的汽油发动机多孔喷油嘴模型，可以达到最好的燃油喷 射、雾化效果，降低废气排放。多孔喷油嘴的设计主要涉及三个几何参数，喷嘴长度、锥度和 偏转角度。这些几何参数的不同组合带来不同的喷嘴设计可以极大影响汽油在喷油嘴内部 的流动、喷射的效果，并最终影响汽油的雾化效果、燃烧效率和废气排放。在本产品研发过 程中，通过对不同的喷油嘴设计进行计算流体力学仿真计算，模拟和分析喷油嘴的喷油的 多项性能指标，从而分析这三项几何参数各自的影响，推断它们各自变化是喷油效果的变 化趋势，既可以作为未来喷油嘴设计的参考和指导，也可以得出最优的参数组合，从而发明 出本款新型高效喷油嘴设计。
[0024] 本发明还涉及一种多孔喷油嘴，由权利要求1-5的设计方法设计得出，包括喷油器 体、针阀和至少一个喷油嘴，所述喷油器体套设在针阀内，所述喷油嘴连接在针阀上，所述 喷油嘴为多个，针阀与喷油器体之间形成高压油道，通过电磁阀控制针阀弹簧下压针阀，将 汽油压送至成120夹角对称均匀分布的喷油嘴喷出，形成喷雾，与空气混合后燃烧。
[0025] 优选的，所述喷油嘴为3个，每个所述喷油嘴的锥度CF为-10,长度系数L/D为1.0和 偏转角B为35°。
[0026] 本发明的有益效果是:这种喷油嘴设计可以是汽油在喷嘴出口处分散的更开，形 成更大更好的喷雾，以便于汽油与燃烧室中的氧气混合的更充分，从而燃烧的更充分，提高 燃油利用效率，降低废气排放。
【附图说明】
[0027]图1为本发明的喷油嘴结构模型；
[0028] 图2为本发明的喷油嘴几何参数说明；
[0029] 图3为本发明的喷油嘴CH)仿真模型。
【具体实施方式】
[0030] 以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并 非用于限定本发明的范围。
[0031] 以下结合附图对本发明的原理、步骤和特征进行描述，所举实例只用于解释本发 明，并非用于限定本发明的范围。
[0032] 基于本发明之前的技术基础可以得知，喷嘴长度、锥度和偏转角度对喷油嘴的喷 油效率、燃油流动情况影响巨大，故本发明也从这三个参数着手进行设计和优化。本发明的 喷油嘴结构示意图如图1所示，包括喷油器体1、针阀2和喷油嘴3,针阀2与喷油器体1之间形 成高压油道，通过电磁阀控制针阀弹簧下压针阀2,将汽油压送至成120夹角对称均匀分布 的喷油嘴3喷出，形成喷雾，与空气混合后燃烧。
[0033] 因为喷油嘴的3个喷嘴设计是对称分布，为了节省仿真时间和资源，只对其中三分 之一个模型进行建模和仿真，如图3所示。图3中喷油嘴结构3上方的部分为针阀打开一定空 间后形成的一定充油空间。
[0034] 喷油嘴度、锥度和偏转角度等几何参数如图2所示。其中L为喷油嘴的长度，B为喷 油嘴相对于整个喷嘴中轴线的偏转角，Din为喷油嘴入□直径，在本设计中，入□直径恒定不 变，为常数。D?t为喷油嘴出口直径。故喷油嘴锥度CF定义如下
[0036]另外，为了比较和分析的方便，喷油嘴的长度也不直接使用初始值，而是采用其与 喷油嘴入口直径的比值L/D这一无量纲系数来作为分析的参数：
[0038] 基于发动机喷油系统研发过程中普遍采用的测量方案，对现有一款汽油发动机测 量其单个喷油嘴单位时间内喷出汽油的质量，定义其为喷油率，并在以下说明中采用相同 表述。另外，还将根据此款喷油嘴设计记录其喷嘴长度、锥度和偏转角度。
[0039] cro模拟喷油过程所需的输入为喷油嘴出入口的压力以及汽油的相关属性值;输 入为喷油率、喷油嘴出口处汽油喷出在局部坐标系下各方向的速度分量，压力和相应的动 能。
[0040] cro仿真模型：
[0041 ] 湍流模型:SST K-CO模型
[0042] 汽蚀模型：Rayleigh Plesset模型
[0043] 除湍流方程采用一阶精度外，其他所有数学模型采用二阶精度的离散。
[0044] 采用ANSYS Workbench中的建模工具和网格划分工具，生成相应的三维CAD模型和 六面体网格。此CAD网格中，喷油嘴入口直径固定位200mi，出口直径根据研究所需的锥度CF 值相应地变化，长度根据研究所需的L/D值相应地变化，偏转角按照研究所需变化。
[0045]将上一步生成的网格模型导入Fluent，按照S2和S3所说明的设置进行(FD仿真计 算，并记录S2说明的输出结果（S2和S3说明的是CFD仿真中采用了什么样的初始条件和模 型，可以理解为真正的仿真操作步骤是从S4开始。但是把S2和S3这两步在前面先列出来是 从逻辑上考虑，就是在动手做之前先说明将要用什么方法来做）；
[0046]经与实验结果对照，cro仿真计算出来的喷油率与实验之间的误差在3%内。考虑 到测量用到的喷油嘴加工精度、实验测量精度和CH)仿真计算误差，仿真与实验测量的误差 在允许的合理范围内。因此可以断定，S2到S5所进行的CFD仿真是正确可靠的，这个仿真模 型也将继续用于后续的喷油嘴仿真研究；如果不可靠，逐一检查S2到S5中的各项参数是否 正确，可以理解为更换CAD模型、网格、仿真设置和参数，然后重复上述步骤。
[0047]基于已经验证为可靠的CH)模型，对更多的喷油嘴设计进行仿真计算，得出以下结 论：
[0048] 1)其他条件不变的情况下，更长的喷油嘴由于其重塑内部流场，使得汽油流动区 域规则，不利于其喷出后的雾化，从而也不利于汽油的充分燃烧。
[0049] 2)偏转角B越大，一方面可以在喷嘴内部形成更大的汽蚀区域，使汽油流动更分散 和不稳定，另一方面可以使汽油喷出去的时候分散的更开，从而形成更大的喷雾。这两点都 有利于汽油的雾化和后期的燃烧。
[0050] 3)收敛型喷油嘴会挤压汽油流场，使汽蚀后的汽油重新液化，使流场的运动趋于 规则，喷出喷嘴时形成较小的喷雾。与之相反，发散型的喷嘴会便于流场的发散，导致更大 的喷雾，从而形成更好的雾化，有利于汽油充分燃烧。
[0051 ]结合仿真结果数据和上述分析结果，锥度CF为-10，长度系数L/D为1.0和偏转角B 为35°的喷油嘴是最优设计。这种喷油嘴设计可以是汽油在喷嘴出口处分散的更开，形成更 大更好的喷雾，以便于汽油与燃烧室中的氧气混合的更充分，从而燃烧的更充分，提高燃油 利用效率，降低废气排放。
[0052]以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和 原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种多孔喷油嘴的设计方法，所述其特征在于： Sl，基于CFD软件建立多孔喷油嘴模拟喷油过程模型； S2,基于多孔喷油嘴模拟喷油过程模型进行多孔喷油嘴的优化设计。2. 根据权利要求1所述的多孔喷油嘴的设计方法，其特征在于：S1的具体实现为：多孔 喷油嘴模拟喷油过程模型的构建和多孔喷油嘴模拟喷油过程模型的验证。3. 根据权利要求2所述的多孔喷油嘴的设计方法，其特征在于:所述多孔喷油嘴模拟喷 油过程模型的构建包括以下步骤： S1-1-1、选取多孔喷油嘴模拟喷油过程所需要采用的CFD模型设置； S1-1-2、将选取的多孔喷油嘴模拟喷油过程模型进行网格划分。4. 根据权利要求2所述的多孔喷油嘴的设计方法，其特征在于:所述多孔喷油嘴模拟喷 油过程模型的验证包括以下步骤： S1-2-1、基于一个现有喷油嘴设计进行物理实验，记录得到的实验测量结果，作为验证 仿真结果可靠性的基础； S1-2-2、根据上述物理实验，确定喷油过程所需的输入量和所述输入量对应的输出量； S1-2-3、将上一步中得到的输入量导入S1-1-2中的多孔喷油嘴模拟喷油过程模型网 格，并进行CFD计算，并记录所需的输出结果，得到CFD计算结果； 51- 2-4、比较实验测量结果和CH)计算结果，确定CFD计算是否正确可靠，是，得到可靠 的多孔喷油嘴模拟喷油过程模型;否，调整模型设计并重复步骤Sl。5. 根据权利要求1所述的多孔喷油嘴的设计方法，其特征在于:S2的具体实现为： 52- 1、基于已经验证为可靠的多孔喷油嘴模拟喷油过程模型，对更多的喷油嘴设计进 行CFD计算； S2-2、将上述CFD计算的结果形成相应的曲线图和响应面图； S2-3、基于上述CFD计算的结果，综合分析得出喷油嘴的最优的结构设计。6. -种多孔喷油嘴，其特征在于：由权利要求1-5的设计方法设计得出，包括喷油器体 (1) 、针阀（2)和喷油嘴(3)，所述喷油器体(1)套设在针阀（2)内，所述喷油嘴(3)连接在针阀 (2) 上，所述喷油嘴(3)为多个。7. 根据权利要求6所述的多孔喷油嘴，其特征在于:所述喷油嘴（3)为3个，每个所述喷 油嘴(3)的锥度CF为-10，长度系数L/D为1.0 和偏转角B为35°。
【文档编号】G06F17/50GK105930597SQ201610269737
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年4月27日
【发明人】江辉, 王文, 齐明旭, 阮国辉, 李维, 阮进喜, 赵弋飞, 刘琰
【申请人】北京蓝威技术有限公司