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随着世界范围内汽车保有量逐年增加，由于道路交通和机动车的使用所造成的能源消耗不断增加，大气污染问题加剧，节能减排已经成为汽车工业亟待解决的问题。改善发动机的喷雾质量可以有效改善燃烧，提高燃油经济性并降低排放。针阀作为喷嘴内流道的动边界，其运动规律将显著影响喷嘴内流及喷雾特性。同步辐射X射线成像技术由于精度高、无电磁干扰、无损坏等优点，已经在世界范围内被越来越广泛地应用于喷嘴内部针阀运动规律及内流喷雾特性研究。目前国内仍然缺少利用同步辐射X射线开展喷油嘴针阀运动规律测试相关研究，现有的关于针阀运动对喷嘴内流及喷雾特性的影响规律的研究，大多是基于固定的针阀升程条件下进行的，而针对针阀瞬态运动特性对内流及喷雾特性的影响规律的研究仍相对较少。本文利用同步辐射X射线成像技术，测量了GDI喷油嘴内部针阀运动规律并基于仿真平台研究了其对内流及喷雾特性的影响。
本文基于上海光源BL09B白光超快成像线站，设计并搭建了针阀运动规律测试实验平台，通过喷嘴改造实现了清晰的针阀运动过程成像，对图像进行像素分析计算得到针阀最高升程为815μm，通过MATLAB图像自动处理获得该时刻的升程为816μm，误差为0.1%，验证了图像处理程序的准确性。在该实验平台的基础上，研究了特定实验条件下的针阀动力学特性和控制电流信号对针阀运动的影响规律。同时，通过CFD数值模拟计算，基于通过X射线获得的真实针阀运动规律，分析了针阀抬升过程中喷嘴的内流及喷雾特性，研究了针阀抬升速度对内流及喷雾特性的影响以及针阀横向振动对多孔GDI喷嘴孔间不均匀性的影响。
为研究控制电流对针阀运动的影响，本文基于针阀运动规律测试实验平台，利用特别改造的铝制喷嘴进行了实验，分析了针阀动力学特性，结果表明，针阀组件达到最大限位及落座时会分别与铁芯及阀座发生碰撞产生振荡，不利于喷油量的精确控制。通过设置不同控制电流大小及持续时间，分析了电流大小及持续时间对针阀运动的影响，结果表明，喷油器控制电流越大，针阀的最大升程越大，则针阀越容易与铁芯发生碰撞，针阀落座碰撞反弹的高度也越大，实际喷油持续期也会延长，在本文的实验条件下，抬升电流分别为6、7、10A时，针阀的最大升程分别约为90、400、800μm，反弹高度分别为0、70、320μm，反弹次数分别为0、1、2次，实际喷油持续期分别为2、2.8、3.6ms，分别比理论喷油脉宽2ms多0、0.8、1.6ms。因此，在满足喷油量及喷油速率的前提下，为了能更为精确地控制喷油量，应使用较小的控制电流。
基于CONVERGE仿真平台，以真实的针阀运动规律作为边界条件，进行了针阀抬升过程喷嘴内流及喷雾特性的CFD仿真分析，结果表明，由于针阀与阀座间狭缝流速较高，而压力室流速较低，故空穴在喷孔入口的上表面产生，而喷孔下表面未产生空穴，空穴的形成会导致喷孔外侧的燃油边界层发生流动分离，燃油流动向喷嘴轴线内侧偏移，从而使得射流喷雾轴线偏离喷孔轴线；射流与周围气体发生卷吸作用，周围气体在卷吸作用下流入沉孔上表面，进一步压迫射流偏离喷孔轴线。空穴发生的不对称性加上强烈的卷吸作用，使得射流喷雾偏向于喷嘴轴线，导致实际的喷雾锥角小于设计值。
针对不同针阀抬升速度对喷嘴内流及喷雾特性影响的仿真研究表明，针阀抬升速度越大，射流贯穿速度越大。当针阀抬升速度分别为1238.1μm/ms和565.2μm/ms时，平均射流贯穿速度分别为65m/s和43m/s，这是因为针阀抬升速度越大，同一时刻下的针阀升程越大，压力室压力越高，喷孔进出口压差增大，喷孔区域的流速越大，因此，射流喷雾的贯穿速度越高。在不考虑针阀横向振动的条件下，任意时刻孔间流动均匀。本文在针阀升程运动的基础上进一步开展了考虑针阀横向振动的喷嘴内流模拟研究，对比结果表明：在低针阀升程时，针阀的横向振动会导致孔间流速不均匀，在t=0.312ms时刻无横向振动条件下两对称孔流速差为0.5m/s，而有横向振动条件下两孔流速差为4.4m/s，为无横向振动的8.8倍。随着针阀升程增加，不均匀程度降低，在t=0.36ms之后，有横向振动条件下两孔流速差降低到不超过0.5m/s，相对于t=0.312ms时刻降低了88%。因此，针阀的横向振动会导致喷射初期各孔燃油流动状态产生差异，从而使得喷雾不对称、液滴分布不均匀，恶化燃烧增加排放。
本文基于上海光源BL09B白光超快成像线站，设计并搭建了针阀运动规律测试实验平台，通过喷嘴改造实现了清晰的针阀运动过程成像，对图像进行像素分析计算得到针阀最高升程为815μm，通过MATLAB图像自动处理获得该时刻的升程为816μm，误差为0.1%，验证了图像处理程序的准确性。在该实验平台的基础上，研究了特定实验条件下的针阀动力学特性和控制电流信号对针阀运动的影响规律。同时，通过CFD数值模拟计算，基于通过X射线获得的真实针阀运动规律，分析了针阀抬升过程中喷嘴的内流及喷雾特性，研究了针阀抬升速度对内流及喷雾特性的影响以及针阀横向振动对多孔GDI喷嘴孔间不均匀性的影响。
为研究控制电流对针阀运动的影响，本文基于针阀运动规律测试实验平台，利用特别改造的铝制喷嘴进行了实验，分析了针阀动力学特性，结果表明，针阀组件达到最大限位及落座时会分别与铁芯及阀座发生碰撞产生振荡，不利于喷油量的精确控制。通过设置不同控制电流大小及持续时间，分析了电流大小及持续时间对针阀运动的影响，结果表明，喷油器控制电流越大，针阀的最大升程越大，则针阀越容易与铁芯发生碰撞，针阀落座碰撞反弹的高度也越大，实际喷油持续期也会延长，在本文的实验条件下，抬升电流分别为6、7、10A时，针阀的最大升程分别约为90、400、800μm，反弹高度分别为0、70、320μm，反弹次数分别为0、1、2次，实际喷油持续期分别为2、2.8、3.6ms，分别比理论喷油脉宽2ms多0、0.8、1.6ms。因此，在满足喷油量及喷油速率的前提下，为了能更为精确地控制喷油量，应使用较小的控制电流。
基于CONVERGE仿真平台，以真实的针阀运动规律作为边界条件，进行了针阀抬升过程喷嘴内流及喷雾特性的CFD仿真分析，结果表明，由于针阀与阀座间狭缝流速较高，而压力室流速较低，故空穴在喷孔入口的上表面产生，而喷孔下表面未产生空穴，空穴的形成会导致喷孔外侧的燃油边界层发生流动分离，燃油流动向喷嘴轴线内侧偏移，从而使得射流喷雾轴线偏离喷孔轴线；射流与周围气体发生卷吸作用，周围气体在卷吸作用下流入沉孔上表面，进一步压迫射流偏离喷孔轴线。空穴发生的不对称性加上强烈的卷吸作用，使得射流喷雾偏向于喷嘴轴线，导致实际的喷雾锥角小于设计值。
针对不同针阀抬升速度对喷嘴内流及喷雾特性影响的仿真研究表明，针阀抬升速度越大，射流贯穿速度越大。当针阀抬升速度分别为1238.1μm/ms和565.2μm/ms时，平均射流贯穿速度分别为65m/s和43m/s，这是因为针阀抬升速度越大，同一时刻下的针阀升程越大，压力室压力越高，喷孔进出口压差增大，喷孔区域的流速越大，因此，射流喷雾的贯穿速度越高。在不考虑针阀横向振动的条件下，任意时刻孔间流动均匀。本文在针阀升程运动的基础上进一步开展了考虑针阀横向振动的喷嘴内流模拟研究，对比结果表明：在低针阀升程时，针阀的横向振动会导致孔间流速不均匀，在t=0.312ms时刻无横向振动条件下两对称孔流速差为0.5m/s，而有横向振动条件下两孔流速差为4.4m/s，为无横向振动的8.8倍。随着针阀升程增加，不均匀程度降低，在t=0.36ms之后，有横向振动条件下两孔流速差降低到不超过0.5m/s，相对于t=0.312ms时刻降低了88%。因此，针阀的横向振动会导致喷射初期各孔燃油流动状态产生差异，从而使得喷雾不对称、液滴分布不均匀，恶化燃烧增加排放。