傳統(tǒng)燃燒引擎所產(chǎn)生的尾氣排放不僅對(duì)空氣質(zhì)量造成嚴(yán)重威脅，還對(duì)全球氣候變化產(chǎn)生不可忽視的影響。因此，尋求新型燃料和燃燒方式的探索已成為一項(xiàng)勢(shì)在必行的任務(wù)。

　　本文旨在探討一項(xiàng)重要的技術(shù)發(fā)展——單缸測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)過(guò)完全改造和轉(zhuǎn)變?yōu)榭焖賶嚎s膨脹機(jī)（Rapid Compression Expansion Machine，RCEM）后，其在多火焰研究領(lǐng)域的應(yīng)用。

　　第三代SR光源經(jīng)過(guò)優(yōu)化，可以使用擺動(dòng)器和波蕩器等插入裝置來(lái)獲得更高亮度、低發(fā)射率的光束，亮度值通常超過(guò)10 18 photons/s/mm 2 / mrad 2 /0.1%BW。

　　大型超輻射設(shè)施通常被定義為電子能量超過(guò) 5 GeV 并能夠從波蕩器發(fā)射 X 射線的設(shè)施。目前，全球有超過(guò) 50 個(gè) SR 源在運(yùn)行。

　　目前能量最高的三個(gè)大型存儲(chǔ)環(huán)形同步加速器光源是法國(guó)的ESRF、美國(guó)的APS和日本的SPring-8。這些設(shè)施產(chǎn)生的光線通常比傳統(tǒng) X 射線源發(fā)出的光線明亮約十億倍。

　　作為第一個(gè)第三代光源，可提供 100 nm 至 1 μm 尺寸范圍內(nèi)極其明亮的光束。APS 和 SPring-8 設(shè)施具有相似的性能和設(shè)計(jì)參數(shù)，幾年后投入使用。電子能量是反映光源尺寸和成本的關(guān)鍵因素，并將這三種硬 X 射線設(shè)備與其他較小的光源區(qū)分開(kāi)來(lái)。

　　所有這三個(gè)設(shè)施都有超過(guò) 30 條波蕩器光束線向公眾開(kāi)放，并提供高能、高亮度和高穿透力的 X 射線束，非常適合研究分子和原子的排列、探測(cè)材料相遇的界面、確定生物蛋白質(zhì)相互依賴(lài)的形式和功能，并跟蹤納米尺度上發(fā)生的化學(xué)過(guò)程。

　　這些較高能源設(shè)施得到了世界各地逐漸建成的其他成本較低、中等能源光源的補(bǔ)充。SSRF 在光譜的紅外和硬 X 射線區(qū)域之間的波段提供 SR X 射線年開(kāi)始運(yùn)行，電子能量為3.5 GeV，容量為13束線，是目前性能最高的第三代中能SR源。

　　目前在燃料噴霧研究領(lǐng)域，人們主要關(guān)注噴霧破碎機(jī)制及其與噴嘴內(nèi)部流動(dòng)特性的相互作用。為了了解噴嘴內(nèi)部流動(dòng)特性，靜態(tài)測(cè)量噴嘴內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)和動(dòng)態(tài)評(píng)估3D針運(yùn)動(dòng)的效果都是必要的，而瞬態(tài)噴霧形態(tài)測(cè)量是噴霧破碎機(jī)制。為此必須分別開(kāi)發(fā)各種 X 射線成像技術(shù)和相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)光束線設(shè)置。

　　SSRF的X射線成像和生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用束線）是最早應(yīng)用于燃料噴射研究的束線之一。該設(shè)施可以進(jìn)行顯微 CT 和在線相襯成像，作為檢查燃油噴射器內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的手段。

　　SSRF 目前正在建設(shè)一條 X 射線白束測(cè)試光束線，可用于超快成像設(shè)備和方法的測(cè)試和驗(yàn)證。作為共同努力的一部分，我們的研究小組已經(jīng)使用定制的鋁制 GDI 注射器對(duì)該束線處的 GDI 注射器針運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了分析。結(jié)果展示了針閥的升降過(guò)程及其偏心振動(dòng)。

　　還在這條光束線上進(jìn)行了 GDI 噴霧近場(chǎng)特性的分析。使用160納秒的曝光時(shí)間，跟蹤在1兆帕注射壓力下噴射液核的發(fā)展。為了保持該光束線的成像強(qiáng)度，必須使用最短的曝光時(shí)間，因此由于光束線的通量輸出有限，噴霧軌跡圖像的精度沒(méi)有得到優(yōu)化。

　　SSRF第二期光束線條新光束線，具有更高通量輸出和更高時(shí)間分辨率的超快X射線成像光束線目前正在建設(shè)中。

　　迄今為止，大量研究結(jié)果表明，噴嘴內(nèi)部流動(dòng)條件對(duì)噴霧發(fā)展特性起著至關(guān)重要的作用。與噴嘴內(nèi)部結(jié)構(gòu)相關(guān)的噴嘴內(nèi)部流動(dòng)的靜態(tài)邊界條件可以通過(guò)顯微CT成像技術(shù)進(jìn)行無(wú)損評(píng)估。

　　噴嘴的內(nèi)部幾何參數(shù)，包括噴嘴孔口的長(zhǎng)度和直徑、k因子、孔口入口倒角半徑和孔口表面特性，是影響內(nèi)部流動(dòng)的關(guān)鍵因素。利用顯微CT掃描方法和相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理程序，可以通過(guò)3D重建技術(shù)生成噴嘴幾何形狀的實(shí)際數(shù)字模型。

　　在掃描過(guò)程中，噴嘴固定在樣品旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上，X 射線在撞擊閃爍體之前穿透其尖端。使用電荷耦合器件 (CCD) 相機(jī)以 0.25° 旋轉(zhuǎn)間隔總共記錄 720 個(gè)圖像。然后，通過(guò)重建過(guò)程將這些吸收?qǐng)D像轉(zhuǎn)換為切片，以生成噴嘴的 3D 數(shù)字模型。

　　噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)自動(dòng)測(cè)量可以使用基于二進(jìn)制切片圖像的專(zhuān)門(mén)圖像處理程序來(lái)執(zhí)行。此外，重建的模型可以導(dǎo)入計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件中，提供幾何邊界輸入，生成可以反映噴嘴表面粗糙度和不均勻度影響的3D計(jì)算網(wǎng)格。

　　所得到的 3D 數(shù)字模型的實(shí)際空間分辨率可以通過(guò)改變 CCD 相機(jī)和物鏡之間的耦合來(lái)調(diào)整。使用不同空間分辨率獲取的 3D 數(shù)字模型的比較。很明顯，通過(guò)更高的空間分辨率（1.625 × 1.625 μm）可以捕獲更多有關(guān)噴嘴表面特征的信息，盡管這需要更長(zhǎng)的數(shù)據(jù)采集時(shí)間（ 10 h）。

　　在X射線顯微CT技術(shù)應(yīng)用于噴油嘴內(nèi)部結(jié)構(gòu)評(píng)估之前，燃油流動(dòng)模擬一般是根據(jù)噴油嘴設(shè)計(jì)參數(shù)建立簡(jiǎn)化的、理想化的幾何模型，與實(shí)際的噴油嘴結(jié)構(gòu)存在較大差異。因此，由于缺乏有關(guān)線D 噴嘴幾何形狀的信息，此類(lèi)模擬將不可避免地偏離實(shí)際流動(dòng)特性。

　　比較了二維（2D）和3D模擬得到的噴嘴孔壁壓力在方位角方向上的分布。分別測(cè)試兩個(gè)單孔噴嘴，其中一個(gè)未經(jīng)過(guò)液壓接地，定義為Nozzle-NEG，而另一個(gè)經(jīng)過(guò)液壓接地，因此入口圓角半徑值較大，定義為Nozzle -HEG。

　　結(jié)果表明，2D 模擬中的壓力幾乎保持恒定，而 3D 結(jié)果則隨著兩個(gè)噴嘴 3D 模型的入口圓角半徑的變化而逐漸變化。這一現(xiàn)象表明，孔口入口的圓角半徑對(duì)孔口處的壓力分布有顯著影響，也證實(shí)了二維模擬在計(jì)算噴嘴內(nèi)部流量時(shí)會(huì)引入較大的誤差。

　　鑒于孔口入口圓角半徑與內(nèi)部流動(dòng)條件之間的高度相關(guān)性，進(jìn)一步研究了該幾何因素對(duì)噴霧特性的影響。結(jié)果表明，在噴霧穩(wěn)定狀態(tài)下，不同水力侵蝕研磨（HEG）次數(shù)的噴嘴表現(xiàn)出的噴霧行為差異顯著。

　　引入孔口入口圓角半徑的標(biāo)準(zhǔn)偏差σ來(lái)修正噴霧錐角θ與噴嘴孔口結(jié)構(gòu)參數(shù)（孔口長(zhǎng)度L、入口和出口直徑D ）之間的經(jīng)典經(jīng)驗(yàn)相關(guān)性和Do ，以及環(huán)境空氣與燃料的密度比ρ a / ρ l )。提出了一種新的關(guān)聯(lián)式，考慮了孔口入口圓角半徑對(duì)穩(wěn)態(tài)的影響，寫(xiě)為：

　　大量研究表明，針閥不僅是控制噴油器內(nèi)燃油流開(kāi)啟和關(guān)閉的開(kāi)關(guān)，而且對(duì)噴霧形態(tài)和其他特性也有顯著影響。針閥升程運(yùn)動(dòng)及其偏心振動(dòng)被定義為噴嘴內(nèi)流的動(dòng)態(tài)邊界條件，直接影響注射過(guò)程中噴嘴內(nèi)流特性。

　　因此，有必要獲得注射過(guò)程中針閥3D運(yùn)動(dòng)的精確可視化。超快 X 射線相襯成像可以精確觀察噴嘴囊體積內(nèi)的空化形成過(guò)程以及針的 3D 運(yùn)動(dòng)。

　　主要噴油器內(nèi)部運(yùn)動(dòng)部件包括針閥、止回閥和銜鐵。這些部件的運(yùn)動(dòng)直接影響注射延遲和注射流量特性。然而，這些部件很難進(jìn)行無(wú)損檢查，因?yàn)樗鼈儽粐娪推鞯暮窠饘贇じ采w。

　　噴嘴下端的厚度通常大于3毫米，而上端的厚度則大于5毫米，這使得針運(yùn)動(dòng)的成像和分析具有很大的挑戰(zhàn)性。在 SR X 射線成像技術(shù)應(yīng)用于針運(yùn)動(dòng)測(cè)量之前，很難獲得精確的 3D 針運(yùn)動(dòng)輪廓。

　　傳統(tǒng)的測(cè)量方法，例如使用電感式位移傳感器、光纖位移傳感器或激光位移傳感器，都存在不可避免的局限性。相比之下，X射線成像具有不產(chǎn)生電磁干擾、無(wú)損、可進(jìn)行高精度分析的優(yōu)點(diǎn)，并且可以在不改變?cè)�有噴射器結(jié)構(gòu)的情況下用于監(jiān)測(cè)運(yùn)動(dòng)部件。

　　高能、高通量SR X射線成像也是唯一可以跟蹤這些部件動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)的無(wú)損方法。利用超快X射線相襯成像技術(shù)，記錄了整個(gè)噴射過(guò)程中柴油噴油器針閥的運(yùn)動(dòng)。

　　基于固定針升程高度的靜態(tài)模擬，已經(jīng)對(duì)燃油噴射特性進(jìn)行了許多數(shù)值研究。這些模擬結(jié)果與實(shí)際情況存在不可忽略的差異。多項(xiàng)研究表明，穩(wěn)定狀態(tài)下針閥的最大提升高度并不是影響噴霧特性的唯一因素。事實(shí)上，針升程過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性也對(duì)噴霧發(fā)展產(chǎn)生重大影響。

　　由于針尖與閥座之間的燃油流量與針閥升程高度直接相關(guān)，因此它決定了上游高壓燃油通道與噴嘴囊之間的流速和壓力梯度。

　　因此噴嘴囊體積內(nèi)的局部壓力增量與動(dòng)態(tài)針提升過(guò)程相關(guān)。隨著針閥向上移動(dòng)，液囊容積的局部壓力逐漸增加，最終在針閥移動(dòng)到其最大提升高度時(shí)達(dá)到標(biāo)稱(chēng)注射壓力。噴嘴出口處的燃料速度由噴嘴孔入口和出口之間的壓力差決定，因此將經(jīng)歷類(lèi)似的增加。

　　針升程動(dòng)力學(xué)與噴霧射流速度之間關(guān)系的研究。在針頭初始張開(kāi)階段，軸向速度隨著不同的注射脈沖持續(xù)時(shí)間呈指數(shù)增加，并在針頭達(dá)到某個(gè)臨界高度后變得恒定。一旦達(dá)到這種穩(wěn)定狀態(tài)，即使針升程進(jìn)一步增加，噴射軸向速度也保持不變。

　　X射線相襯成像技術(shù)研究了瞬時(shí)針運(yùn)動(dòng)對(duì)初始噴霧形成的影響。發(fā)現(xiàn)明顯的針振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致噴嘴附近流量的擾動(dòng)，從而改變噴霧完整液體長(zhǎng)度和流量破碎。在各個(gè)燃油噴射階段獲取的近場(chǎng)噴霧形態(tài)圖像。

　　這些結(jié)果表明在針閥初始打開(kāi)階段，近場(chǎng)噴霧幾乎沒(méi)有受到擾動(dòng)，而在針閥最大升程時(shí)，由于更高的噴射速度和噴嘴內(nèi)部湍流強(qiáng)度，流動(dòng)擾動(dòng)和噴霧破碎顯著增強(qiáng)。

　　針閥的偏心振動(dòng)也是現(xiàn)代噴油器中內(nèi)部流動(dòng)擾動(dòng)和孔與孔之間噴霧不均勻的重要原因。利用 X 射線相襯成像技術(shù)。分析了不同孔數(shù)柴油噴嘴偏心針運(yùn)動(dòng)與近噴嘴噴霧動(dòng)力學(xué)之間的關(guān)系。

　　偏心針運(yùn)動(dòng)和近噴嘴噴射軸向速度在噴射過(guò)程中表現(xiàn)出時(shí)間振蕩 。使用不同噴嘴和注射壓力時(shí)，兩種振蕩都顯示出相似的趨勢(shì)，表明這兩種振蕩的相互依賴(lài)性。

　　基于高速攝影、Schlieren成像、PIV和PDPA等傳統(tǒng)光學(xué)測(cè)量技術(shù)的大量研究，汽車(chē)行業(yè)已經(jīng)對(duì)噴霧二次霧化、燃油液滴汽化和缸內(nèi)混合氣形成有了比較全面的了解。然而由于可見(jiàn)光對(duì)高密度液體燃料的穿透有限，傳統(tǒng)的光學(xué)測(cè)量方法只能捕獲噴霧液體核心的整體輪廓。

　　因此光學(xué)技術(shù)無(wú)法檢查噴霧初級(jí)破碎過(guò)程的瞬態(tài)微觀特征。由于噴霧破碎在很大程度上受到噴嘴內(nèi)空化和湍流的影響，因此主要使用透明噴嘴來(lái)監(jiān)測(cè)噴嘴孔內(nèi)的流量。即便如此，由于此類(lèi)測(cè)試噴嘴與實(shí)際設(shè)備之間的差異，基于透明噴嘴的研究結(jié)果的可靠性仍然不確定。

　　因此，噴嘴內(nèi)部流動(dòng)特性的可視化和噴霧液體核心區(qū)域的精確量化是研究高壓噴射燃油霧化機(jī)理的主要難點(diǎn)。

　　由于噴嘴囊體積被厚金屬外殼包圍，并且整個(gè)噴射過(guò)程在微秒內(nèi)發(fā)生，因此傳統(tǒng)的光學(xué)技術(shù)不能用于檢查噴嘴內(nèi)流動(dòng)特性或燃料空化。相比之下SR X射線相襯成像可以清晰地捕捉液-氣界面，從而揭示空化氣泡出現(xiàn)的過(guò)程。因此該技術(shù)可用于評(píng)估噴射器噴嘴內(nèi)的 3D 兩相流特性。

　　噴嘴內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)噴霧特性的影響。據(jù)信這主要是由于燃料空化以及噴嘴囊和孔口內(nèi)的流動(dòng)不均勻造成的。SC X射線相襯成像結(jié)果證實(shí)了這一假設(shè)。

　　微型 CT 掃描和 3D 重建技術(shù)可用于獲得噴嘴的真實(shí)數(shù)字模型，顯示真實(shí)條件下噴嘴內(nèi)部幾何形狀對(duì)噴嘴內(nèi)流動(dòng)特性的影響。

　　使用超快 X 射線相襯成像，可以將內(nèi)部空化和針 3D 運(yùn)動(dòng)可視化。研究結(jié)果表明，針閥升程運(yùn)動(dòng)和偏心振動(dòng)都會(huì)影響噴嘴內(nèi)部流動(dòng)特性。

　　可以使用具有高空間和時(shí)間分辨率的超快 X 射線相襯成像技術(shù)來(lái)監(jiān)測(cè)近場(chǎng)噴霧形態(tài)。使用X射線多重曝光和準(zhǔn)單色X射線吸收技術(shù)可以獲得近場(chǎng)噴霧速度和密度分布，用于噴霧動(dòng)力學(xué)的定量分析。

　　隨著 X 射線束線的不斷改進(jìn)，噴霧破碎機(jī)制的研究有望取得進(jìn)一步進(jìn)展�；�于與工業(yè)界的合作，這些進(jìn)步將促進(jìn)更先進(jìn)的噴射技術(shù)的應(yīng)用，從而降低發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗和排放。