柴油机以优良的燃油经济性和动力性,广泛应用于客运、重卡、工程机械、船舶和发电行业,但其存在NOx和颗粒物排放高的问题。各种新型的清洁燃烧模式均对燃油喷射系统性能提出了更高的要求,电控高压共轨式燃油喷射技术是内燃机行业公认的二十世纪三大突破之一,而在我国也是当前亟待攻关的“卡脖子”核心技术之一。喷油器喷嘴内部的流动特性对喷雾雾化具有重要影响,为获得喷油精确、高一致性及高可靠性的喷嘴设计,深入研究喷嘴内的空化流动特性及其对喷雾的影响是必不可少的。喷嘴内由于流道截面急剧转变导致的几何诱导空化已经被广为研究,而对由涡旋流动诱导的、对喷雾影响更大的涡旋诱导线空化的研究却非常有限。本文在高压共轨喷射系统原尺寸透明喷嘴内空化流动及喷雾试验台上,紧紧围绕喷嘴内涡旋诱导的线空化特性及其对喷雾的影响开展研究,主要研究内容和取得的创新性研究成果如下:(1)搭建了高压共轨燃油喷射系统原尺寸透明喷嘴内空化流动及喷雾的可视化试验平台,进行透明喷嘴材料的评估和筛选,探索出了微小尺寸透明喷嘴的加工和尺寸精度控制方法,提出了喷嘴内部线空化强度定量表征方法以及针阀升程、喷雾锥角、线空化时均分布数据处理方法。(2)在高喷射压力下,基于阴影法高速显微成像技术,研究了喷嘴压力室类型、压力室大小、喷孔开孔高度、喷孔孔径和孔数、喷孔长径比、喷孔孔型等几何因素对线空化及喷雾的影响。研究得出,无压力室VCO结构、小压力室Min-sac结构、高开孔位置、短喷孔、大孔径、渐缩锥度孔的喷嘴结构设计更容易在喷嘴内诱发线空化,线空化一旦出现强度也更大,对喷雾锥角的促进作用也更为显著;捕获并分析了喷嘴内液态涡带向涡旋诱导线空化转化的特性,相比几何诱导空化,线空化对促进喷雾方面的影响更为显著。(3)针对低针阀升程下线空化诱发喷雾锥角大幅增加的现象,利用平板狭缝切割喷雾的方法研究得出,在低针阀升程下,贯穿全孔的线空化结合喷孔内旋涡流动会诱发特殊的中空锥形喷雾,且喷雾锥角大幅增加。该喷雾结构以较大的比表面积将有效提升油气混合特性,基于这种低针阀升程下旋涡线空化促进喷雾的机理有望解决共轨喷油器小喷油量时喷雾雾化差的普遍性技术难题。(4)在高压共轨喷油器中,使用针阀升程调整垫片实现了喷油器针阀升程定量调节,针对不同恒定针阀升程对喷嘴内线空化及喷雾影响的研究得出,针阀升程较低时,喷嘴内流和喷雾对针阀摆动非常敏感,在针阀偏心侧的喷孔中线空化更易发生,此时喷嘴各孔内部流动和喷雾的一致性较差。喷嘴内线空化特性与喷嘴压力室大小、喷孔开孔高度和针阀位置三者关系密切,这三者存在一定的匹配关系。在0.3mm针阀升程的高开孔Sac喷嘴和0.35mm针阀升程的中高开孔Min-sac喷嘴中可得到稳定的线空化,进而产生中空锥状喷雾结构,有望高效实现油气混合,减少发动机的HC和颗粒物排放。为了诱导稳定的线空化,应选择Min-sac中高开孔喷嘴设计,同时喷嘴需匹配合适的针阀升程,即:应当控制针阀在抬起到最大位置时的针阀尖端位于喷孔入口上下边缘连线的中间位置附近。本文基于高压共轨喷射系统原尺寸透明喷嘴内空化流动及喷雾试验台,全面研究了喷嘴几何结构及针阀升程与线空化发展特性的相互关系,揭示了线空化与涡流诱导产生中空锥形结构喷雾的机理,提出了控制线空化稳定出现及获得最优的喷雾油气混合特性的喷嘴结构设计方案。本文的研究获得了大量可靠的试验数据,可为高喷射压力、强压缩作用下的空化模型及喷雾雾化模型的发展提供丰富的数据支撑,同时能够为高一致性、高稳定性、高精度控制的喷油器设计提供理论基础。