引擎噴嘴噴霧特性模擬分析

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引擎噴嘴噴霧特性模擬分析

2013 / 04 / 12

車輛研究測試中心技術服務處工程分析中心范仕坤

在油價高漲的時代，除了積極發展各式電動車輛之外，在其還未能普遍應用前，如何繼續提高現有燃油或替代燃油的燃燒效率亦是重要考量之一，其中引擎燃油噴嘴的噴霧特性可說與引擎效率息息相關，好的燃油霧化效果除了可以提升燃燒效率外還可減低污染排放，因此，燃油的噴霧特性非常重要，於設計開發時必須先有充份的探討與確認。

常探討的燃油噴霧特性包括噴霧通量、噴霧速度、噴霧張角、穿透深度與平均粒徑等，噴霧通量及噴霧速度一般與噴嘴內部流道的大小、噴嘴的壓力與孔數以及腔體的壓力等設定有關。噴霧張角為噴出液滴所形成的角度，穿透深度為一定時間內所噴射液滴的最遠距離，兩者與流量及孔道的深度與寬度比(L/D)有相當的關聯。平均粒徑也是噴霧中另一項非常重要的特性，粒徑越小表示霧化越完全(總合表面積越大)，將有助於燃燒效率的提升。

至於探討引擎燃油噴嘴噴霧特性的方法，大多採實際量測的方式，但這需要許多較精密的量測設備，如噴霧所需的高壓腔體、高速攝影機、雷射粒徑分析儀等，除了費用較高外，也必須等到所有的試件都齊備了才能開始量測，探討的過程也相當耗時。若能運用電腦數值模擬的方式，則可以提前於設計階段，依據設計資料建立噴嘴的噴霧分析模型，再以計算流體力學模擬軟體，快速的計算出前述的各項噴霧特性，並以動畫方式顯示模擬結果供判斷參考。

圖1為依據設計的噴嘴尺寸所建立的噴霧數值模型。圖2為模擬軟體計算結果的動畫顯示，由該動畫可以得到噴霧速度(顏色顯示)、噴霧張角、穿透深度等噴霧特性。圖3為隨機選取1/15噴霧粒子總數的粒徑分佈，由圖可見大部份的粒徑約在 m之間。圖4與圖5則為提高噴嘴壓力後模擬計算的動畫結果，可以看出噴霧速度、噴霧張角、穿透深度以及噴霧粒徑的變化。

由前述可知，透過電腦的數值模擬分析方法，除了可以提升研究開發的效能外，也可以協助掌握引擎噴嘴噴霧特性，進而改進燃油的燃燒效率。