CN103257135A

CN103257135A - 多组份燃料喷雾浓度及蒸发率测试方法及其实施装置

Info

Publication number: CN103257135A
Application number: CN2013100770613A
Authority: CN
Inventors: 李铁
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2013-03-11
Filing date: 2013-03-11
Publication date: 2013-08-21

Abstract

一种喷雾技术领域的多组分燃料喷雾浓度及蒸发率测试方法及其实施装置，包括激光器、凸透镜、光谱仪、数据处理单元和同步控制器，激光经凸透镜聚焦于待测区时，测试域内燃料与环境气体分子裂解成原子并被激发到高能状态，受激处于高能状态的原子回落到基态时放出不同谱线的光子，根据燃料原子与环境气体原子发光强度比例计算出燃料浓度；当测试域内有液相存在时，液滴因瞬时受热发生微爆，促使原子发光谱线产生多普勒漂移，通过标定谱线半值宽度与液相比例的关系，计算出燃料蒸发率。本方法适用于汽油、柴油机、航空燃料、生物乙醇及生物柴油等多组分混合燃料喷雾蒸发特性的测试，在喷雾燃烧系统优化设计与模型标定方面有较大应用潜力。

Description

多组份燃料喷雾浓度及蒸发率测试方法及其实施装置

技术领域

本发明涉及的是一种喷雾技术领域的蒸发特性的测试方法，特别是一种利用燃料与环境氛围气体原子受激发光强度比率及发光谱线半值宽度变化来得出多组分燃料喷雾浓度与蒸发率的测试方法。

技术背景

基于计算机辅助工程的优化设计已成为现代动力机械装置设计中缩短开发周期、降低成本的重要手段，而各种数值模型的预测精度则为保证计算机辅助工程的有效性、可靠性的关键。由于采用喷雾燃烧的能源转换装置的性能与排放特性很大程度上由喷雾混合气形成过程决定，因此能够精准预测喷雾与混合气分布的数值模型对燃烧系统的优化设计至关重要。然而，由于目前仍无行之有效的喷雾浓度分布及蒸发特性的测试手段，缺乏标定模型所需的、可信赖的数据支持，目前模拟喷雾混合气过程的数值模型仍处于经验或半经验的水平。

目前常用的喷雾浓度分布测试技术有米氏散射结合纹影摄影的方法、激光诱导荧光法、双相激光诱导荧光法，以及激光吸收散射法。其中，通过米氏散射信号可以获得喷雾内液相分布信息，结合可以获得气相浓度梯度信息的纹影法可以对蒸发喷雾的宏观特性进行定性的描述，但获得浓度分布的定量信息极为困难。激光诱导荧光法是较为成熟的技术，如德国LaVision公司已有相关产品销售，但激光诱导荧光法通常只能定量测试气相浓度分布，当测试域内有液相存在时，由于液相较强荧光信号，其测试精度大大降低。双相激光诱导荧光法通过在燃料中混入两种荧光剂，在激光照射喷雾时液相与气相发出不同波长的荧光，通过分光并记录不同波长光的信息可以实现气液两相浓度分布的同时定量测试。然而，双相激光诱导荧光法通常只限于单成分燃料喷雾蒸发特性的测试，如测试两组份燃料喷雾时需要添加4种荧光剂及2个波长的励起激光，使得测试系统极为复杂，同时高精度的定量测试极为困难。激光吸收散射法技术利用紫外与可视两种波长的激光，通过选取适当的供试燃料，可以实现气液两相浓度的同时定量测试。然而，当激光吸收散射法应用于两种以上组份的燃料时，无法获得高精度的定量信息。此外，无论激光诱导荧光法、双相激光诱导荧光法还是激光吸收散射技术都受荧光剂或供试燃料选择的限制，其可测燃料的沸点局限于某一温度，无法描述更宽广温度范围的喷雾蒸发特性，特别是目前还没有能够测试含有三种以上成分燃料的喷雾蒸发特性的测试方法。而在现实中，无论汽油(馏程35～200℃)、轻柴油(160～370℃)还是航空燃料(130～280℃)都由多种成分组成并具有宽广的馏程，为了更接近实际燃料的蒸发特性，需要至少3种不同沸点成份的燃料来模拟。因此，为了更精确地描述或预测各种实际燃料喷雾混合气形成特性，亟需一种不受限于特定温度的、能够定量测试多组分燃料喷雾蒸发特性的方法。

经过对现有技术文献的检索发现，中国专利申请号01249957.9，专利名称：喷雾密度分布测试装置，该专利技术提供了一种测试水喷雾的方法，但是此方法不能用于测试多组分燃料。

发明内容

本发明针对上述现有技术的不足，提供了一种利用燃料与环境氛围气体原子受激发光强度比率及发光谱线半值宽度变化来得出多组分燃料喷雾浓度与蒸发率的测试方法。本方法适用于汽油、柴油机、航空燃料、生物乙醇及生物柴油等多组分混合燃料喷雾蒸发特性的测试，在喷雾燃烧系统优化设计与模型标定方面有较大应用潜力。

本发明是通过以下技术方案来实现的：

本发明涉及一种多组分燃料喷雾浓度及蒸发率测试方法，包括如下步骤：步骤一，对已知喷雾浓度或蒸发率的多组分燃料进行标定，并把标定好的浓度标定曲线或蒸发率标定曲线存储于数据处理单元内；步骤二，使激光器发射的激光经凸透镜聚焦于待测区，并利用光谱仪记录待测区内各原子发光谱线；步骤三，把发光谱线传输到数据处理单元，根据数据处理单元里面已经存储的浓度标定曲线或蒸发率标定曲线，计算出多组分燃料的喷雾浓度或蒸发率。

本发明还涉及一种实施以上所述多组分燃料喷雾浓度及蒸发率测试方法的测试装置，包括数据处理器、同步控制器、连接线、光谱仪、数据线、光导纤维、激光器、激光、凸透镜、喷射器、气缸和喷雾，数据处理器与同步控制器通过连接线相连接，数据处理器与光谱仪通过数据线相连接，光导纤维的两端分别与气缸的底端、光谱仪相连接，光谱仪、激光器、喷射器均通过连接线与同步控制器相连接，喷射器安装在气缸的顶端，激光由激光器发出，喷雾由喷射器喷出，激光经凸透镜后聚焦于喷雾上。

本发明还涉及一种实施以上所述多组分燃料喷雾浓度及蒸发率测试方法的标定装置，包括数据处理器、同步控制器、连接线、光谱仪、数据线、光导纤维、激光器、激光、凸透镜和容器，数据处理器与同步控制器通过连接线相连接，数据处理器与光谱仪通过数据线相连接，光导纤维的两端分别与容器的底端、光谱仪相连接，光谱仪、激光器均通过连接线与同步控制器相连接，激光由激光器发出，激光经凸透镜后聚焦于容器中的待测区。

更进一步地，当燃料为碳氢化合物时，选取各组分满足化学式C_nH_2n的模型燃料来模拟实际燃料，通过记录并分析氢原子与环境氛围气体原子(例如氮气)发光强度比来计算测试域内当量比；当混合燃料中包括甲醇、乙醇等含氧燃料时，通过记录并分析氧原子光谱信息计算甲醇、乙醇等成份的浓度。

在本发明的测试装置中，激光器发射的激光经凸透镜聚焦于待测区时，测试域内燃料与环境气体分子裂解成原子并被激发到高能状态，受激处于高能状态的原子回落到基态时放出不同谱线的光子，利用光谱仪记录各原子发光谱线，把谱线传输到数据处理器进行谱线分析，根据燃料原子与环境氛围气体原子发光强度比例计算出燃料浓度；当测试域内有液相存在时，液滴因瞬时受热发生微爆，促使原子发光谱线产生多普勒漂移，通过标定谱线半值宽度与液相比例的关系，计算出燃料蒸发率。激光器、喷射器、光谱仪以及数据处理单元的触发由同步控制器发出脉冲信号来进行控制。数据处理器内浓度以及蒸发率的计算根据事先标定好的标定曲线来进行。

在本发明的标定装置中，容器内充入已知浓度的待测燃料的气相或气液两相混合物，激光经凸透镜聚焦于容器内待测处时，测试域内燃料与环境气体分子裂解成原子并被激发到高能状态，受激处于高能状态的原子回落到基态时放出不同谱线的光子，利用光谱仪记录各原子发光谱线，把谱线传输到数据处理器进行谱线分析，根据燃料原子与环境气体原子发光强度比例对应已知燃料浓度得出浓度的标定曲线；当测试域内有液相存在时，液滴因瞬时受热发生微爆，使得原子发光谱线产生多普勒漂移，通过对应谱线半值宽度与液相比例的关系，得到燃料蒸发率的标定曲线。

与现有技术相比，本发明具有如下特点和优点：

（1）适用于多组份燃料喷雾蒸发特性的定量测试；

（2）不受荧光剂或供试燃料选择的限制，可在各种实际燃料馏程范围内选择设计混合燃料，测试其喷雾蒸发特性；

（3）适用于生物乙醇、生物柴油等代用燃料喷雾蒸发特性的测试；

（4）可通过激光及光路设计根据需求合理设定测试的时间与空间分辨率；

（5）本发明结构简单，适用范围广，易于作为商品化技术进行推广普及。

附图说明

图1为本发明测试装置的结构示意图；

图2为本发明标定装置的结构示意图；

图3为由本发明的标定装置得到的甲醇汽油混合气浓度与蒸发率标定曲线；

图4为由本发明的测试装置得到的甲醇汽油喷雾蒸发特性；

其中：1、数据处理器，2、同步控制器，3、连接线，4、光谱仪，5、数据线，6、光导纤维，7、激光器，8、激光，9、凸透镜，10、喷射器，11、气缸，12、喷雾，13、容器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明，本实施例以本发明技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例

如图1所示，本发明的测试装置包括数据处理器1、同步控制器2、连接线3、光谱仪4、数据线5、光导纤维6、激光器7、激光8、凸透镜9、喷射器10、气缸11和喷雾12，数据处理器1与同步控制器2通过连接线3相连接，数据处理器1与光谱仪4通过数据线5相连接，光导纤维6的两端分别与气缸11的底端、光谱仪4相连接，光谱仪4、激光器7、喷射器10均通过连接线3与同步控制器2相连接，喷射器10安装在气缸11的顶端，激光8由激光器7发出，喷雾12由喷射器10喷出，激光8经凸透镜9后聚焦于喷雾12上。在本发明的测试装置中，激光器7发射的激光8经凸透镜9聚焦于待测区时，测试域内燃料与环境气体分子裂解成原子并被激发到高能状态，受激处于高能状态的原子回落到基态时放出不同谱线的光子，利用光谱仪4记录各原子发光谱线，把谱线传输到数据处理器2进行谱线分析，根据燃料原子与环境氛围气体原子发光强度比例计算出燃料浓度；当测试域内有液相存在时，液滴因瞬时受热发生微爆，促使原子发光谱线产生多普勒漂移，通过标定谱线半值宽度与液相比例的关系，计算出燃料蒸发率。激光器7、喷射器10、光谱仪4以及数据处理单元的触发由同步控制器2发出脉冲信号来进行控制。数据处理器2内浓度以及蒸发率的计算根据事先标定好的标定曲线来进行。

如图2所示，本发明的标定装置包括数据处理器1、同步控制器2、连接线3、光谱仪4、数据线5、光导纤维6、激光器7、激光8、凸透镜9和容器13，数据处理器1与同步控制器2通过连接线3相连接，数据处理器1与光谱仪4通过数据线5相连接，光导纤维6的两端分别与容器13的底端、光谱仪4相连接，光谱仪4、激光器7均通过连接线3与同步控制器2相连接，激光8由激光器7发出，激光8经凸透镜9后聚焦于容器13中的待测区。在本发明的标定装置中，容器13内充入已知浓度的待测燃料的气相或气液两相混合物，激光8经凸透镜9聚焦于容器13内待测处时，测试域内燃料与环境气体分子裂解成原子并被激发到高能状态，受激处于高能状态的原子回落到基态时放出不同谱线的光子，利用光谱仪4记录各原子发光谱线，把谱线传输到数据处理器2进行谱线分析，根据燃料原子与环境气体原子发光强度比例对应已知燃料浓度得出浓度的标定曲线；当测试域内有液相存在时，液滴因瞬时受热发生微爆，使得原子发光谱线产生多普勒漂移，通过对应谱线半值宽度与液相比例的关系，得到燃料蒸发率的标定曲线。

图3为由本发明的标定装置得到的甲醇汽油混合气浓度与蒸发率标定曲线。氢/氮（或氧/氮）原子发光强度比率同测试域内原子摩尔数成比例关系，而氢（其他原子也可）原子发光谱线半值宽度同测试域内处于液相的氢原子摩尔数成比例关系。通过氧/氮原子摩尔数比可计算出测试域内甲醇当量比浓度（即浓度）。进一步，利用氢/氮原子摩尔数比及氧/氮原子摩尔数比可计算出汽油当量比。通过测试域内液相原子摩尔数可计算出燃料蒸发率。图4为环境压力为1.0MPa，环境温度分别为130度和225度时，含甲醇88%的甲醇汽油喷雾中喷嘴下游60mm处甲醇所占百分比随喷射开始后时间变化的测试结果。

Claims

1.一种多组分燃料喷雾浓度及蒸发率测试方法，其特征在于包括如下步骤：步骤一，对已知喷雾浓度或蒸发率的多组分燃料进行标定，并把标定好的浓度标定曲线或蒸发率标定曲线存储于数据处理单元内；步骤二，使激光器发射的激光经凸透镜聚焦于待测区，并利用光谱仪记录待测区内各原子发光谱线；步骤三，把发光谱线传输到数据处理单元，根据数据处理单元里面已经存储的浓度标定曲线或蒸发率标定曲线，计算出多组分燃料的喷雾浓度或蒸发率。

2.一种实施权利要求1所述多组分燃料喷雾浓度及蒸发率测试方法的测试装置，包括数据处理器（1）、同步控制器（2）和连接线（3），数据处理器（1）与同步控制器（2）通过连接线（3）相连接，其特征在于还包括光谱仪（4）、数据线（5）、光导纤维（6）、激光器（7）、激光（8）、凸透镜（9）、喷射器（10）、气缸（11）和喷雾（12），数据处理器（1）与光谱仪（4）通过数据线（5）相连接，光导纤维（6）的两端分别与气缸（11）的底端、光谱仪（4）相连接，光谱仪（4）、激光器（7）、喷射器（10）均通过连接线（3）与同步控制器（2）相连接，喷射器（10）安装在气缸（11）的顶端，激光（8）由激光器（7）发出，喷雾（12）由喷射器（10）喷出，激光（8）经凸透镜（9）后聚焦于喷雾（12）上。

3.一种实施权利要求1所述多组分燃料喷雾浓度及蒸发率测试方法的标定装置，包括数据处理器（1）、同步控制器（2）和连接线（3），数据处理器（1）与同步控制器（2）通过连接线（3）相连接，其特征在于还包括光谱仪（4）、数据线（5）、光导纤维（6）、激光器（7）、激光（8）、凸透镜（9）和容器（13），数据处理器（1）与光谱仪（4）通过数据线（5）相连接，光导纤维（6）的两端分别与容器（13）的底端、光谱仪（4）相连接，光谱仪（4）、激光器（7）均通过连接线（3）与同步控制器（2）相连接，激光（8）由激光器（7）发出，激光（8）经凸透镜（9）后聚焦于容器（13）中的待测区。

4.根据权利要求2所述的测试装置，其特征在于用此测试装置测试多组分碳氢化合物燃料喷雾特性时，燃料化学式需要满足CnH2n。

5.根据权利要求2所述的测试装置，其特征在于用此测试装置测试含氧燃料喷雾特性时，是通过测试氧原子发光的光谱特性计算含氧燃料成分浓度特性。