排放法规中新添加对排放颗粒数目的限定,对汽油机的燃烧及排放特性提出了更高的要求,发动机缸内燃油空气混合不均匀、各缸以及循环之间的循环喷油量存在差异都限制了排放特性的进一步改善。为了改善排放性能,降低比油耗,缸内直喷(Gasoline Direct Injection,GDI)燃油系统的应用成为了汽油机技术革新的重要发展方向之一,相较于进气道喷射燃油供给方式,GDI燃油系统具有能够精确的控制各缸的循环喷油量、响应性好等优点。但是,目前高性能的GDI喷油器主要依赖国外进口或者外资企业加工生产,为了能够使其国产化,需要对GDI喷油器进行深入的研究分析。在GDI喷油器的开发研究过程中,发现喷孔的结构参数对喷油特性的影响非常大,这是由于喷油器内部为单相连续流动,而喷孔区域为复杂的气液两相流动,喷孔出口的气液相占比以及射流速度直接影响到了燃油的初始破碎状态,进而影响燃油在缸内与空气混合,由此可得喷孔结构参数的加工一致性对保证喷油特性的一致性显得尤为重要。利用定容弹喷雾可视化平台对比了进口及国产GDI喷油器样件的宏观喷雾特性,通过对比喷雾扩散角及喷雾贯穿距的变化,发现各喷孔的喷雾特性存在较大差异。但是由于实验存在安装偏差、测量误差、各孔油束的相互作用以及图像处理误差等,无法进行喷孔加工差异对喷雾的影响的定量分析,由此确定了采用多相流仿真分析方法对喷孔结构进行研究的技术路线。为了验证多相流仿真分析模型的有效性,需要利用气液相流动实验结果对其进行验证。由于微小透明孔的加工难度非常大,无法获得喷孔实际尺寸下孔内空化现象的可视化实验结果验证数学模型,因此关于喷孔内空化现象的实验研究基本采用相似准则建立简化放大的透明喷孔结构,利用简化结构进行燃油流经狭窄缝隙时空化现象的产生机理、发展过程以及稳定状态的研究。本文采用了前人对简化喷孔内部流动过程及流量特性的实验结果,建立了与实验中采用喷孔结构相同的网格模型,在相同的实验条件下进行了数值解析。通过实验与仿真结果中不同压差下的空化现象的对比,对空化模型有效性进行了验证,认为所选模型可以用于描述微小孔内的气液两相流动过程,并且通过对比相同条件下的流量特性验证了湍流模型的有效性。基于已经验证的可用于描述多相流运动的仿真分析模型,本文数值解析了GDI喷油器喷孔结构参数对喷油特性的影响。根据实际喷油器油头结构抽象出流体域模型,引入单因素敏感性分析方法,对喷孔结构参数对喷油特性的影响进行定量分析,喷孔的结构参数主要包括喷孔入口倒角半径、内孔直径、内孔长度、内孔锥度、喷孔夹角、外孔直径、外孔长度以及外孔肩部倒角。数值解析了不同喷孔结构下的喷孔内气液两相流动过程,得到了以下结论:在研究范围内,循环喷油量的增加与喷孔内孔直径改变的关系可以利用线性拟合方程进行描述,这表明在相同喷油压力下喷油特性对喷孔直径的敏感强度在研究范围内保持不变,并获得了不同喷油压力及喷孔直径下的循环喷油量的计算公式;喷孔入口倒角半径对喷油特性影响的研究发现,增大入口倒角半径能够有效抑制喷孔内空化现象的产生及发展,减小喷孔局部的阻力系数,降低局部阻力。单孔循环喷油量对入口倒角半径的敏感强度随喷孔入口倒角半径的增加呈现先增加后缓慢降低的趋势,在喷孔入口倒角半径为0.02mm附近时循环喷油量的敏感性最强;对喷孔的内孔锥度的研究结果表明,内锥度增加可以抑制孔内空化现象的发展,使喷孔出口的有效流通截面积增大。外锥度增大导致孔内空化区域扩大,但是外锥度的增加降低了喷孔局部阻力,使得流量系数增加。喷油特性对小锥度的敏感性较强,且随着锥度的增加喷油特性对喷孔锥度的敏感性逐渐减弱,所以在加工小锥度喷孔时尤其需要提高其加工精度;相对而言,喷油特性对内锥锥度的敏感性大于对外锥锥度的敏感性;喷油特性对喷孔夹角的敏感性随喷孔夹角的增大而逐渐增加,当喷孔夹角增大至70°时喷孔内的空化区域明显增大,燃油的有效流通截面减小,且循环喷油量对喷孔夹角敏感性明显增强。利用喷孔轴线与阀座球心间偏心距离定义了正、负喷孔夹角,数值解析了不同喷孔轴线偏心距对喷油特性的影响,结果表明,负喷孔夹角易导致孔内空化现象增强,使循环喷油量对喷孔轴线偏心距的敏感性增强,正喷孔夹角可以减小空化区域,降低循环喷油量对喷孔轴线偏心距的敏感强度。指出了喷孔轴线偏向针阀阀杆方向的正偏心距有利于提高喷油特性一致性;对喷孔内孔长度、外孔长度、外孔直径的研究发现,喷孔长度偏差使得喷油速率急速升高结束到稳定的过渡期产生差异,外孔直径减小使得燃油射流的径向约束增强,但是循环喷油量对喷孔长度及外孔直径的敏感性较弱;数值解析了三种外孔肩部倒角半径对喷孔内燃油流动的影响,结果表明,外孔肩部倒角半径的存在可以通过局部涡流减少外孔死角的燃油积聚,降低积碳的生成量,而外孔为外锥型时在燃油射流上边缘轮廓处出现多个局部小涡流,可以促进燃油与空气混合。基于喷孔结构对喷油速率及循环喷油量影响的单因素分析结果,并结合当前喷孔结构参数的加工精度,对比了各结构参数对循环喷油量的影响量级,从而明确了喷孔入口倒角半径、内孔直径、内孔锥度以及喷孔夹角为关键结构参数。在喷油特性对喷孔结构参数单因素敏感性分析结果的基础上,利用两因素稱合分析方法研究了关键结构参数相互耦合对喷油特性的影响。数值解析结果表明,喷孔入口倒角半径的增大会导致喷油特性对喷孔直径的敏感性增强,反之,喷孔直径的增加亦会导致喷油特性对喷孔入口倒角半径的敏感性增强;喷孔入口倒角半径的增加降低了喷油特性对喷孔内锥锥度的敏感性,但增强了喷油特性对外锥锥度的敏感性,考虑到大喷孔入口倒角的研磨易导致外锥喷孔最小流通截面积改变或破坏,建议严格控制研磨时间;喷孔直径的增加增强了喷油特性对喷孔锥度的敏感性,尤其是对内锥锥度的敏感性;在喷孔入口倒角半径大于20μm时,循环喷油量对喷孔夹角敏感强度较弱,而随喷孔入口倒角半径的逐渐减小,循环喷油量对喷孔夹角的敏感性逐渐增强;喷孔夹角增大降低了喷油特性对喷孔直径的敏感性,但在小喷孔夹角下喷油特性对喷孔直径的敏感性基本保持一致,喷孔直径的增加增强了循环喷油量对大喷孔夹角(≥70°)的敏感性;喷孔夹角的改变基本不影响喷油特性对内锥锥度的敏感性,而喷孔夹角的改变明显影响了喷油特性对外锥锥度的敏感性,仅当喷油夹角较大(≥70°)时,喷油特性对外锥锥度的敏感性才逐渐降低。基于以上分析结果,明确了喷孔结构参数之间相互变化对喷油特性的影响,为喷孔结构的优化设计提供了理论指导。在喷油器体上加工了沿轴线方向的单孔,测量了单孔流量特性,并建立了与单孔结构相同的仿真模型,在相同边界条件下进行仿真,通过对比实验与仿真的流量特性,证明了仿真结果是可靠的。同时,根据对喷孔结构参数的仿真结果加工了多支GDI喷油器,在开发的油泵油嘴性能评价实验台上进行了测量,实验结果间接验证了文中数值解析结果的可靠性。基于喷孔结构对喷油特性影响的单因素及多因素耦合分析,本文提出研究了喷油特性对喷孔入口倒角的敏感性,明确了喷孔入口倒角半径在20μm附近时喷油特性的敏感性最强,该结论可以用于指导喷孔研磨时间的选择;结合喷孔内空化面积分布区域,分析了循环喷油量对喷孔轴线与阀座球心间偏心距的敏感性,提出采用喷孔轴线偏向针阀阀杆方向的正偏心距有利于提高喷油特性一致性;确定了在GDI喷油器设计阶段喷孔结构参数的优选区域,归纳了用于计算不同喷射压力时喷孔直径偏差引起的循环喷油量差异的拟合公式,可指导喷油器喷孔结构加工精度的选择。