随着排放法规的日益严格,改善柴油机的喷油过程是优化燃烧性能与排放特性的有效途径之一。同时,喷油规律对燃油喷雾的发展及其与缸内空气的相互作用也有直接影响,进而影响发动机燃烧性能。针阀作为喷嘴内重要元件之一,其在喷嘴内的往复运动对喷油特性有着直接影响。由于针阀偶件间存在间隙,针阀在喷嘴内的运动并非总是处于竖直状态,而是存在径向偏心运动,因此本文主要研究内容是针阀偏心运动对喷油器各孔喷油特性的影响。瞬态针阀偏心运动将对喷油、喷雾特性产生直接影响,从而影响可燃混合气的形成,进而影响柴油机整机燃烧与排放特性。对于多孔对称布置喷油器而言,由于针阀在上升阶段的偏心运动将导致多孔喷油器的各孔喷油及喷雾特性孔间存在差异,进而产生一系列连锁影响。因此,确定针阀偏心运动轨迹及其对喷油、喷雾特性的影响,可为优化喷油器设计及提升发动机燃烧及排放特性提供依据。基于此,在本研究中,用试验结合数值模拟的方法分别研究了某直喷柴油机用多孔对称布置VCO喷油器在偏心与不偏心状态下的各孔喷油及喷雾特性,研究不同针阀偏心量及偏心方向对多孔喷油器各孔喷油及喷雾特性差异的影响。首先建立了针阀在不偏心状态下的喷嘴内部流动三维模型及喷雾模型,并通过基于动量定理及动量守恒定律的各孔喷油规律测试试验台架测得各孔瞬时喷油特性,将模拟所得各孔内部流动特性及喷雾特性与试验数据进行了对比分析。为保证试验结果的可靠性,在放置压电晶体力传感器时需使喷雾冲击力目标板表面垂直于相应喷孔的喷雾轴线方向,同时将各个压电晶体力传感器垂直放置在距每个喷孔出口少于10 mm的位置,使得喷雾冲击力作用表面远小于传感器表面。试验及模拟工况分别选择40 MPa的低轨压及160 MPa的中高轨压,在这两个工况下验证比较各孔喷油规律及喷雾贯穿距离。对模型瞬时喷油速率进行验证之后,利用基于纹影法的喷雾分析仪测得各喷孔出口近场喷雾发展及喷雾贯穿距离,对数值模拟计算结果进行进一步对比。由于喷嘴内针阀运动会对各孔近场喷雾特性有直接影响,因此,在背压为1 MPa的定容燃烧弹内利用高速摄影纹影法得到各孔喷嘴出口的燃油雾化发展过程,并利用喷雾分析仪软件得出喷雾贯穿距等参数,结果表明各孔喷雾贯穿距离差异较大。通过对各孔瞬时喷油特性、各喷孔出口近场喷雾发展及喷雾贯穿距离试验与模拟结果的对比,证明多孔VCO喷油器针阀在移动时存在偏心运动。为简化针阀偏心模型,需要全面了解针阀偏心运动,本研究假设将针阀运动分为两个阶段,即偏心阶段与受燃油压力而引起的弹性变形阶段,尤其在小针阀升程时。由于针阀在运动过程中两端所受作用力不同,使其并非笔直落座,而是处于弯曲状态,与针阀体轴线存在一夹角;而当针阀再次抬起时,会首先恢复该变形,并伴随抬起过程直到恢复自然状态。随后,针阀开始三维偏心运动,直到达到最大针阀升程。将第一阶段定义为针阀在喷嘴内沿一侧密封锥面向上滑动,将第二阶段定义为针阀离开喷嘴密封锥面开始竖直向上抬起。为保证三维模拟研究的准确性,本文建立了针阀在三个不同运动平面内(皆通过针阀体轴线),不同偏心量下的喷嘴内部流动三维模型,其中三个平面分别定义如下:将针阀体轴线与喷孔2轴线所构成的平面计作基准平面,基准平面顺时针旋转15°记作15°平面,基准平面顺时针旋转30°记作30°平面。在动网格建立时,针阀运动方向为垂直方向,针阀偏心量分别选为0.02 mm、0.04 mm和0.06 mm,通过模拟结果分析了不同情况的偏心对各个喷嘴模型的各喷孔内部流动及喷雾特性的影响,并将其与试验所得结果进行了对比,所得结论如下:模拟结果表明:各喷孔内部空穴的形成及燃油流动速率与针阀偏心运动轨迹密切相关,且在针阀早期开启阶段尤为明显。此外,在针阀升起初期,与针阀不偏心状态下的喷嘴内部流动三维模型相比,针阀偏心状态下的模型各孔喷雾头部贯穿速度较大。对于针阀偏心状态下的喷嘴模型,针阀径向偏向侧的喷孔与偏离侧喷孔相较而言,其喷雾锥角较大且喷雾贯穿速度较小,喷油速率也较大。这是因为针阀径向偏向侧的喷孔,其喷嘴内部中心区域出现线空化,使得喷孔边缘流体具有更大的流速。针阀偏心对各孔之间喷油特性及循环喷油量的一致性也有着直接影响,针阀偏向侧喷孔的循环喷油量比偏离侧喷孔的小,这是因为在针阀刚开始抬起过程中,针阀会部分堵住偏向侧的喷孔,相应的针阀偏离侧流通截面积增大,使得偏离侧喷孔油量增加,二者也表明针阀偏心运动是各孔喷雾差异的主要原因之一。最后,在试验验证方面,将不同运动平面内各针阀偏心量下模拟得到的各孔喷雾头部贯穿速度与试验结果进行了对比,针阀偏心量分别取为0.02 mm、0.04 mm和0.06 mm。对比结果显示:在不同针阀偏心运动所在平面内,相较于0.02 mm与0.04 mm偏心量,当针阀偏心量为0.06 mm时,各孔喷雾头部贯穿速度的数值模拟结果与试验结果最为接近。