CN101788554A

CN101788554A - 燃油耦合蒸发模拟装置

Info

Publication number: CN101788554A
Application number: CN200910237441A
Authority: CN
Inventors: 刘福水; 李向荣; 马玉坡; 王向元
Original assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Current assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Priority date: 2009-11-06
Filing date: 2009-11-06
Publication date: 2010-07-28
Anticipated expiration: 2029-11-06
Also published as: CN101788554B

Abstract

本发明涉及一种燃油耦合蒸发模拟装置，该装置用于燃料的耦合蒸发实验，主要包括用于控制燃料滴出的带有调节螺栓的柱塞；用于储存燃料的储油腔；用于产生多个油滴的分油盘11及注射器针头14；用于悬挂独立的油滴并测量油滴温度的热电偶丝16等。其他附属装置包括：用于形成蒸发背景环境的高压球罐；用于显示蒸发过程中油滴温度的热电偶温度显示装置；加热保温控制系统；用于图像采集的多功能数码照相机等。上述装置可以进行不同数量的燃料液滴耦合蒸发试验。本发明所属装置可以在不同背景温度、压力下进行试验，通过采集的数据可分析燃油的蒸发状况，而且该装置具有多种燃料进行耦合蒸发的通用性。

Description

燃油耦合蒸发模拟装置

技术领域

本发明涉及一种模拟油滴耦合蒸发的装置，用照相机采集进入模拟装置中油滴的图像，以此来测量和分析耦合蒸发特性，从而达到研究柴油机缸内燃油蒸发过程的目的。

背景技术

柴油机的燃烧过程是两相流不均匀混合非稳态燃烧过程，以扩散燃烧为主。可燃混合气在通常的燃烧室高温环境下，化学反应进行得很快，而柴油蒸气与空气的混合过程要慢得多，这是制约柴油机燃烧速度的关键因素。油气混合速率主要决定于喷入气缸的柴油油滴的蒸发速率，因此，油滴蒸发对柴油机燃烧性能具有很大影响。然而，在柴油机中不存在单个油滴独立的蒸发，每个油滴都处于油滴群的包围之中，它的蒸发受到周围油滴的影响。油滴之间的耦合蒸发特性以及随背景压力和温度的变化规律成为研究的重点和主要方向。

由于柴油机气缸内的油气蒸发、混合、燃烧的速度都极快，想要直接研究缸内燃料液滴的蒸发过程几乎是不可可能的。目前，国内外普遍采用定容装置来近似模拟柴油机气缸内的环境，进而进行液滴蒸发的研究。但是，目前用于研究燃料液滴蒸发的模拟装置都只能进行单油滴的蒸发试验，对双油滴及多油滴之间的耦合蒸发过程却没有合适的模拟装置。

本发明中提出的耦合蒸发模拟装置可以模拟多个油滴的耦合蒸发，并且各个油滴之间的间距可调。这对研究多油滴蒸发的耦合影响有重要的作用。并且该装置具有通用性，可以研究多种燃料的耦合蒸发特性，对内燃机内的油气混合、燃烧控制以及实现多燃料燃烧的方案有重要的指导意义。

发明内容

本发明的目的是提供一套可研究燃料液滴耦合蒸发的试验装置，模拟燃油在缸内高温、高背景气体密度的环境下蒸发。

为了实现本发明的目的，提出了一种燃料的耦合蒸发模拟设备，其特征在于：包括：高压球罐，在高压球罐上设有观察窗口、温度和压力测试孔及进排气口；安装在高压球罐上的燃料液滴注入装置，其中燃料液滴注入装置包括伸入到高压球罐的内部中央的针管，在针管上缠绕有热电偶丝；与高压球罐连接的加热保温控制系统。

优选的是，缠绕在针管上的热电偶丝在针管的末端的针孔处弯折，以隔开通过针管在热电偶丝的端部产生的油滴与燃料源。

优选的是，燃料液滴注入装置还包括储油腔，和储油腔连通的分油盘，所述分油盘设置有多个出油孔，所述出油孔的一个或者多个连接所述针管，与多个出油孔相连的多个针管能够将燃料分离，形成多个油滴。

优选的是，束套在针管之间的套束能够沿着针管移动以在0-5mm的范围内调节油滴之间的距离。

优选的是，还包括图像采集装置，所述图像采集装置通过观察窗口记录油滴的蒸发。

优选的是，分油盘端面布置有十个出油孔，其中中间两个出油孔，其它八个圆周均匀排列；以及所属十个出油孔在分油盘内部由四个横向的连通孔连通。

采用本发明可以在不同背景气体中不同的背景压力和温度下进行试验，模拟柴油机缸内液滴的耦合蒸发特性，通过处理数据可分析油滴的蒸发状况。

附图说明

图1为燃料液滴注入装置装配图。

图2为燃料液滴注入装置的局部放大图。

图3为分油盘的俯视图。

图4为耦合蒸发特性试验系统示意图。

图5为单油滴和双油滴耦合蒸发实验照片

图6为不同温度下单油滴的寿命曲线

图7为不同间距下双油滴的蒸发速率曲线

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明：

如图1所示，根据本发明的一个优选实施例的燃料液滴注入装置，包括调节螺栓1、柱塞4、储油腔5、固定支架3、导油管9、分油盘11、连接件12、出油孔螺堵13、注射器针头14、套束15、热电偶丝16等部件。与之配套的附属试验装置还有：加热保温控制系统19、高压气瓶、热电偶温度显示装置、传感器、充排管路、图像采集系统等。

燃料液滴注入装置为本发明的主要装置，其下端为分油盘11，旋转调节螺栓1可将燃油挤入分油盘内。分油盘的下方开有10个出油孔，每个出油孔都可以用螺堵密封。分油盘的存在可以保证各个出油孔均匀出油。当需要某个出油孔出油时，拧下螺堵，拧上连接件12。连接件的另一端可以与注射器针头14密封连接。本实验中使用长度为100mm的钢制针头，以满足耐高温、耐高压的要求。在针头上绕有热电偶丝，调节热电偶丝的长度，使热电偶丝端点的小球处于针孔的正下方，使针孔中滴下的油滴挂在小球上进行蒸发。另外，在针孔处将热电偶丝折弯，使热电偶丝不与针孔接触，这样就可以使产生的油滴与分油盘内的燃油分离，在蒸发过程中就不会有新的燃油补充到正在蒸发的油滴中，使试验结果真实可靠。在本发明中分油盘的出油孔的数目不局限于10个，可以采用两个以上的任意适合布置在分油盘中的多个数目。同时，可以对两个或者更多数目的出油孔中安装一个或者多个注射器针头，从而产生一个或者多个油滴。

附属试验装置中，高压球罐25的内径为400mm，最高压力为4MPa，最高温度为500℃，带有三个透明视窗，便于图像采集；设有进排气接口和温度、压力传感器，可与加热保温控制系统和高压气瓶相连，实现恒温恒压的实验条件。

高压气瓶内的压力大约为2MPa，要求背景密度较低时选用介质为空气或N₂，较高时选用介质为SF₆。SF₆常态下是一种无色、无味、无嗅、无毒的非燃烧气体，分子量为146.06，标准状况下密度为6.09克/升，约为空气的5倍。N₂、SF₆是已知化学稳定性良好的气态物质，它们都具有极好的热稳定性，纯态下即使在500℃以上高温也不分解，可以保证燃油蒸发后不会着火燃烧。

传感器包括温度传感器、高压球罐和高压气瓶的压力表。充排管路包括进、出高压球罐的气体管路。热电偶显示装置可以实时显示蒸发过程中油滴的温度。图像采集系统主要为一个多功能数码照相机，可以根据实验条件调整拍摄频率，用于记录蒸发过程中油滴直径的变化。

如图1、2所示，本发明的喷雾模拟装置包括：储油腔5通过储油腔压板7固定在高压球罐密封盖8上，固定支架3固定在高压球罐密封盖8上，调节螺栓1与支架3通过螺纹连接，可以调节柱塞4的高度，分油盘11通过导油管9与储油腔5相连，将燃料分到十个油孔中，针头14与分油盘11相连，从针孔中滴出的油滴可以落地热电偶丝16的头部上，实验时不用的出油孔用螺堵13密封，套束15为细铁丝围成的扁圆形线圈，长轴略小于两根针管自然竖直下垂时的平行距离，由于针管较长，可以发生一定的弹性变形，当将它向上移动时，两个针管会被束紧，而彼此靠近，油滴间距变小；当将它向下移动时，两个针管会在弹性作用下，彼此远离，油滴间距变大。

如图3所示，分油盘端面布置有十个出油孔18，其中中间两个，其他八个圆周均匀排列，可实现不同个数油滴的均匀排列，另外，十个油孔在内部由四个横向的连通孔17连通，可实现燃料在十个出油孔中的均匀分配。

结合图4来说明具体的控制过程：

在试验开始前，首先接好加热保温控制系统的电源，各个传感器的线路和进排气的管路。调试好照明设备和照相设备。将燃料液滴注入装置从高压球罐上取下，拆下分油盘，将剩余部分倒置，将调节螺栓拧到最顶端，然后用注射器向储油腔内注入燃油，这样可以把储油腔内的空气排出，否则在加热过程中，由于空气受热膨胀，在针孔处会有气泡冒出，影响实验观测。然后装上分油盘，并将该燃料液滴注入装置放在高压球罐上，加上垫片，拧紧螺母，保证其良好的密封性。开始试验，打开进气阀，充入背景气体。打开加热保温控制系统，设定需要加热到的温度，开始加热。当温度到达设定温度时，高压球罐的内的温度将不再变化。记录温度控制系统上显示的背景温度和压力传感器上显示的背景压力。打开照明系统和照相系统。缓慢的顺时针旋转调节螺栓，使燃料从针孔滴下，落在热电偶丝的小球上。记录热电偶上显示的温度即为油滴的初始温度，同时时按下照相机的遥控器，开始拍照。设置拍照速度为1张/秒，从透明视窗中观察液滴的蒸发过程。当油滴蒸发完时，停止拍照，关闭照明系统，停止加热。打开排气阀，将高压球罐中的气体排出。若有需要，则重新开始试验。

图5为使用本装置在进行蒸发试验过程中拍摄的单油滴和双油滴的蒸发照片。下面介绍两组采用本装置进行的蒸发试验的结果：

1)单油滴的蒸发

图6为不同温度下单油滴的蒸发寿命曲线。图6中横坐标为背景温度(℃)，纵坐标为油滴的寿命(s)。

从图6中可以看出，随着温度的升高，油滴的寿命越短，即油滴的蒸发速率越快，与理论结果相符。

2)双油滴的耦合蒸发

图7为背景气体为空气，背景压力1bar，背景温度为175℃时，双油滴之间距离分别2mm和3mm时的蒸发速率曲线。其中横坐标为时间(s)，纵坐标为油滴直径的平方(mm²)。

从图7中可以看出，油滴间距为3mm时曲线的斜率略大于油滴间距为2mm时曲线的斜率，即当油滴间距较大时油滴蒸发较快，油滴间距较小时蒸发较慢。这说明油滴群在蒸发过程中会相互影响，存在耦合现象。

图中：1.调节螺栓，2.支架固定螺母，3.固定支架4.柱塞，5.储油腔，6.压板固定螺母，7.储油腔压板，8.高压球罐密封盖，9.导油管，10.连通孔螺堵，11.分油盘，12.针头连接件，13.出油孔螺堵，14.注射器针头，15.套束，16.热电偶丝，17.连通孔，18.出油孔，19.加热保温控制系统，20.热电偶油温传感器，21.光源，22.进气管，23.排气管，24.照相机。

Claims

1.一种燃料的耦合蒸发模拟设备，其特征在于：包括：

高压球罐，在高压球罐上设有观察窗口、温度和压力测试孔及进排气口；

安装在高压球罐上的燃料液滴注入装置，其中燃料液滴注入装置包括伸入到高压球罐的内部中央的针管，在针管上缠绕有热电偶丝；

与高压球罐连接的加热保温控制系统。

2.根据权利要求1所述的耦合蒸发模拟设备，其特征在于，缠绕在针管上的热电偶丝在针管的末端的针孔处弯折，以隔开通过针管在热电偶丝的端部产生的油滴与燃料源。

3.根据权利要求1所述的耦合蒸发模拟设备，其特征在于，燃料液滴注入装置还包括储油腔，和储油腔连通的分油盘，所述分油盘设置有多个出油孔，所述出油孔的一个或者多个连接所述针管，与多个出油孔相连的多个针管能够将燃料分离，形成多个油滴。

4.根据权利要求3所述的耦合蒸发模拟设备，其特征在于，套在针管之间的套束能够沿着针管移动以在0-5mm的范围内调节油滴之间的距离。

5.根据权利要求1-3之一所述的耦合蒸发模拟设备，其特征在于，还包括图像采集装置，所述图像采集装置通过观察窗口记录油滴的蒸发。

6.根据权利要求3所述的耦合蒸发模拟设备，其特征在于，分油盘端面布置有十个出油孔，其中中间两个出油孔，其它八个圆周均匀排列；以及所属十个出油孔在分油盘内部由四个横向的连通孔连通。