应用流场仿真技术研究高压共轨喷油器中的空穴（气穴）问题

在高压共轨喷油器（例如BOSCH公司的喷油器）中，有一个控制腔5，如图9-29所示，与此控制腔相连接的有一个出油节流孔4，即A孔，和一个进油节流孔6，即Z孔，而出油节流孔A孔，通过一个圆柱连接孔3和由高速电磁铁控制的球阀连接，而图中腔1即为低压回油腔。这两个节流孔控制和调节喷油器的喷射过程和喷射特性，因此这两个孔的流量特性非常重要。当这两个孔的孔径和长度确定后，在一定的控制腔的燃油压力条件下，决定其流量特性的就是这两个节流孔的流量系数，但是对于出油节流孔，在高速电磁阀开启过程中，当钢球开始抬起，控制腔的高压燃油经出油节流孔A、孔3、钢球和与其配合钢球座2形成的阀口时，由于产生了很大的压力降，致使在出油节流孔内出现空穴现象，并进而发展形成阻塞流动，即出油节流孔中由单一的液体流动变成了气—液双相流动，结果使得出油节流孔的实际流量系数发生变化，这样就使的出油节流孔的实际流量发生变化，最后影响喷油器的喷射特性。因此很有必要仔细的研究出油节流孔的实际流量系数。

1.理论基础

单相液态燃油流经节流孔口的流量系数可以如下式表示

当出现空穴时的节流孔口的流量系数C_d，c为

式中 C_c——节流孔的收缩系数。

式中 C_co=0.61；

r——节流孔的孔口的圆角半径；

d——节流孔的孔径。

这样当出现空穴时流经节流孔的质量流量为

图9-29 BOSCH公司的高压共轨喷油器的控制腔

1—低压回油腔 2—圆锥形钢球座 3—连接孔 4—出油节流孔A孔 5—控制腔 6—进油节流孔Z孔 7—辅助控制腔

而公式（9-43）中的K即为空穴数

式中 p₁——节流孔入口处的燃油压力；

p₂——节流孔出口处的燃油压力；

p_v——燃油在当地温度下的饱和蒸汽压力。

这样节流孔的流量系数可以表示为

式中 K_crit——临界空穴数，表示节流孔内纯粹的液态单相流开始向两相流—空穴流的转变。

按照上述的方法可以对简单的节流孔等小孔流动问题的空穴问题进行研究分析，但是对于像图9-29所示的高压共轨喷油器中的控制腔出油节流孔，并耦合了钢球及其钢球座形成的圆锥环形节流槽式的“节流孔”空穴问题，该方法就显得不足了，此时只能依靠多维的计算流体动力学（CFD）仿真技术了，特别是这时还涉及气—液两相流的问题。(www.xing528.com)

2.应用气—液两相流CFD技术研究高压共轨喷油器中空穴问题

G.M.Bianchi^[12]等人应用STAR-CD软件研究了BOSCH公司的高压共轨喷油器中控制腔的出油节流孔A并耦合了钢球及其钢球座形成的圆锥环形节流槽式的“节流孔”空穴问题，应用的是Schimidt^[13]提出的正压流体模型。按照该模型，在每一个计算单元内蒸气和液体均匀混合，密度可以随时跟随压力变化，而压力可以应用压力隐式分裂算子（PISO）算法通过求解连续方程得到，蒸气含量通过求解一个输运方程得到，该方程的源项通过Schimidt的正压流体模型的压力和密度之间关系得到。应用一个高阶的计算格式，即MARS求解这个输运方程。

整个求解过程假定喷油器控制腔的压力保持不变，即稳态压力状态，也即控制腔的压力可以从140MPa变化到5MPa，但仅仅对每一个不变的控制腔压力进行求解，如图9-29所示的低压回油腔1的压力保持为0.1MPa，而且求解时，钢球的抬起位置保持不变，但抬起高度固定为：10、13、15、17、20、23、26、30、36、40（单位：μm）。

求解目的：

①在不同的喷油器控制腔压力条件下，评价不同钢球抬起高度时的出油节流孔4，即A孔耦合钢球及其钢球座形成的圆锥环形节流槽式“节流孔”的流动特性。

②研究在出现空穴时，针对特定的空穴数K和收缩系数C_c，出油节流孔4进口的燃油压力对节流孔的流量系数的影响。

因为出油节流孔4，即A孔耦合钢球及其钢球座形成的圆锥环形节流槽式“节流孔”组合是一个轴对称问题，因此可以按照2维的平面问题处理，因此其计算网格如图9-30所示。

图9-31～图9-34是仿真分析的结果。

从图9-31可以看出，当钢球抬起高度为30μm时，出油节流孔，即A孔+钢球及其阀座之间的节流槽已经出现明显的空穴结构，而且从钢球的抬起高度大约为23μm时出油节流孔，即A孔的流量系数C_dA就开始下降（如图9-32所示），一直下降到钢球的抬起高度达到最大值40_μm时，C_dA下降到最小值：0.73。而钢球及其阀座之间形成的节流槽，在钢球抬起高度很低时，就开始出现空穴，如图9-31所示，特别是当出油节流孔的进口压力比较低时。

图9-30 出油节流孔，即A孔+钢球及其阀座的节流槽的计算网格

从图9-33可以看出，通过出油节流孔的质量流量随着钢球的抬起高度的增加而增加，但是到钢球的抬起高度为20μm时，质量流量的增加速度降低，而且这时出油节流孔内开始出现第一个空穴（如图9-31），与此同时，空穴数K一直保持在2，当钢球的抬起高度为23μm时，空穴数K_A开始连续下降，当钢球的抬起高度

图9-31 不同出油节流孔进口压力、不同钢球抬起高度时的出油节流孔，即A孔+钢球及其阀座的节流槽的空隙率；空穴流的开始

a）出油节流孔的进口燃油压力为140MPa b）出油节流孔的进口燃油压力为80MPa

图9-32 钢球不同抬起高度时的出油节流孔的流量系数CdA、钢球及其阀座之间形成的节流槽的流量系数CdBV和出油节流孔的空穴数KA

为26μm时，出油节流孔的质量流量开始略有减小，而且从此开始，质量流量基本保持不变，这表明出油节流孔内以出现阻塞流动，因此临界空穴数K_crit≈1.75。图9-32中还显示了钢球及其阀座之间的节流槽的流量系数C_dBV随着钢球抬起高度的增加而变化的情况，初始C_dBV增加，但是到当钢球的抬起高度为23μm时，C_dBV还略有下降，到抬起高度为26μm时又开始增加，然后到钢球的抬起高度为30μm，以后，则保持不变为0.8。

图9-33 钢球不同抬起高度时的出油节流孔的质量流量和空穴数KA

图9-34 钢球抬起到最大升程40μm，改变出油节流孔的入口压力，出油节流孔的流量系数C_d、收缩系数C_c以及空穴数K_A的变化规律

图9-34表示在钢球抬起到最大升程40μm，改变出油节流孔的入口压力大小时，出油节流孔的流量系数C_d、收缩系数C_c以及空穴数K_A的变化规律。从图9-34中可以看出流量系数C_d随着出油节流孔的入口压力的增加而不断下降，从最大的0.85下降到0.74。收缩系数C_c也基本和流量系数一样，但是下降幅度很小，而且在压力从20MPa到120MPa的变化范围内，基本保持不变。

G.M.Bianchi等人还将仿真分析的结果与试验结果进行了对比，基本符合。