汽油机缸内直喷技术和柴油机HCCI/PCCI燃烧方式的出现极大地丰富了预混合燃内容,让喷雾特性的研究变得更加重要,也促进了燃料和喷射技术的长足发展。喷雾对直喷汽油机新一代燃烧系统-喷雾导向式燃烧系统的混合气控制是至关重要的,不同喷油策略要求喷雾兼具高雾化性、大喷雾体积和短贯穿距等特性。另一方面,基于柴油的HCCI/PCCI燃烧方式也需要同样的喷雾特性。柴油的低挥发性和高粘度的物性使柴油机早喷比汽油机早喷遇到的问题更加复杂。过长的喷雾贯穿距在较低的缸内气体密度条件下更容易造成“湿壁”现象,稀释润滑油,而油膜的不完全蒸发及碰撞后形成的大粒径油滴也会对柴油机的燃油经济性和排放特性产生负面影响。因此,研究开发具有高雾化性、大喷雾体积和短贯穿距喷雾特性的喷油器,对解决柴油机和汽油机预混合燃烧中的混合气快速形成的难题是十分必要的。本论文研究外开轴针式喷油器和新开发的V形交叉孔喷油器的喷雾特性,为优化设计这两种喷油器奠定基础。首先以直喷汽油机喷雾导向式燃烧系统使用的新型压电晶体控制外开轴针式喷油器为研究对象,采用高速摄影与超高速摄影相结合的方法,对这种喷油器形成的空心圆锥状喷雾特性进行了可视化研究。结果表明：环境压力、喷射压力及针阀升程的变化都对喷雾锥角影响很小。在多种实验条件下,实际的喷雾锥角都能够与轴针阀座的几何锥角基本保持一致。随着背压从0.1MPa增加到1.1MPa,喷雾轴向贯穿距和径向最大展开宽度明显减小。本文提出了喷雾体积放大倍率的概念,通过形成的喷雾体积与喷射的燃油体积的比值来衡量、分析实验参数对于喷雾雾化及空间分布能力的影响。采用超高速摄影对这种空心圆锥状喷雾在喷射初期的发展情况进行观察时发现,整个喷雾实际上是由许多很细的“油线”组成的,油线结构对于油气掺混和雾化起到很大的促进作用。采用粒子图像测速技术(PIV)对压力定容弹内多种实验条件下的外开轴针式喷油器的喷雾场速度特性进行了测量与分析。结果表明：空气的动力作用会在喷口附近形成一个强烈的再流通区域,在喷雾外表面和内部产生的两个大尺度的气体涡流会对点火时刻火花塞附近的混合气的形成质量产生较大影响。喷射压力、环境压力、针阀升程及喷雾锥角对喷雾场内气流运动特征的影响被着重分析。同时对喷雾场各节点的速度结果进行均方根求解,用得到的速度标准差分布表示喷雾场内涡流强度特征,进一步分析了喷雾场内的两个大尺度涡流随时间的变化以及针阀升程等参数对这两个涡流的影响。采用相位多普勒粒子测速仪(PDPA)对这种空心圆锥状喷雾场在径向和轴向多个测量点上的粒子速度及粒径大小进行了测量与分析。结果表明：环境压力的变化不仅可以明显改变喷雾体积大小和喷雾场的速度特性,同时对粒径特征也有显著影响。本文着重分析了由喷射压力、针阀升程以及喷雾锥角引起的喷雾场内粒子特征变化对雾化与混合气形成质量的影响。采用时间分割法将PDPA获得的原始粒子信息以时间为轴线进行分段研究,对喷雾经过测量点的四个不同阶段内粒子的速度和直径特征进行比较和分析。在喷射过程中,喷雾前端粒子速度较高,直径较大,在喷油结束后,喷雾场内的粒子速度接近于零,粒子AMD和SMD也分别稳定在不同的粒径量级上。压电晶体控制的外开轴针式喷油器虽然具有很好的雾化性能,可以有效控制喷雾贯穿距,但成本较高,在柴油喷射系统的高喷射压力条件下的喷雾特性还有待研究。对于柴油机和直喷汽油机来说,不断提高的喷射压力不仅使喷射系统成本增加,同时也对系统的密封性和可靠性提出挑战。因此,设计出一个能够在相对较低的喷射压力条件下实现与高压喷射相同的雾化效果,或在相同喷射压力条件下具有更高雾化水平的喷油器,同时还要兼具大喷雾体积和短贯穿距的特性,这是新燃烧技术发展的关键之一。基于以上背景,本文提出了V形交叉孔喷油嘴设计,并根据直喷汽油机和柴油机的喷射压力水平不同,将实验分为低压喷射和高压喷射两部分。在定容弹内对V形交叉孔喷油嘴形成的扇状喷雾进行了多角度、多边界条件的可视化观察。同时采用喷雾体积放大率与PDPA粒径采集相结合的方法,进一步分析了喷射压力、环境压力及交叉角对这种扇状喷雾的雾化性能的影响。此外,本文对交叉孔喷油嘴的喷孔内流进行了三维仿真计算,比较了不同交叉角大小对应的喷孔出口的速度特性,结果证明交叉的壁面结构产生的径向液体内力(反作用力)是产生较大喷雾锥角的主要原因,而径向X和Y方向上液体内力大小不同则导致喷雾在这两个方向上的增长率存在差异,并最终形成了扇状喷雾。