CN103308662B - 一种高温高压单液滴蒸发与燃烧装置 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种高温高压单液滴蒸发与燃烧装置，所述装置包括：供气装置，与所述供气装置连接的燃烧蒸发弹体(15)，位于所述燃烧蒸发弹体(15)上部的单液滴发生器(7)和单液滴发生器冷却装置，以及通过导线与所述燃烧蒸发弹体(15)连接的控制单元(13)；所述供气所述单液滴发生器(7)包括位于其内部的压电片式喷射器；所述单液滴发生器冷却装置包括与所述单液滴发生器(7)连接的水泵(8)和位于所述单液滴发生器(7)内部的热电偶丝温度传感器(9)。本申请能够实现对微小液滴蒸发与燃烧特性的研究。

Description

一种高温高压单液滴蒸发与燃烧装置

技术领域

本申请涉及内燃机燃烧技术领域，特别是涉及一种高温高压单液滴蒸发与燃烧装置。

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。可燃混合气在高温高压的燃烧室内，化学反应进行很快，而柴油与空气混合速度要慢很多，这是制约柴油机燃烧速度的关键因素。进一步的，油气混合速率受制于喷入气缸内柴油液滴的蒸发速率，为改善燃油雾化特性，国内外学者采用了互溶、互混技术支撑混合燃料，以此来改善燃油的雾化和油气混合过程。1988年，Law等人发现有机叠氮化合物液滴的气化速率远大于传统的烷烃燃料，同时在蒸发过程中分解放热，并释放氮气。为研究叠氮化合物的受热分解放热与可能存在的“微爆”现象，以及该现象对燃料液滴蒸发速率以及二次雾化可能存在的影响，设计了单液滴蒸发与燃烧的实验装置。

目前，针对单液滴蒸发与燃烧的实验装置根据液滴生成方式的不同主要分为两种，一种是挂滴法，另一种是飞滴法。挂滴法是将液滴悬挂于热电偶丝上，但是热电偶丝的焊接点会影响液滴的形状，在蒸发过程中存在局部热点，造成受热不均匀；同时液滴尺寸较大(大于700μm)，无法获得微小液滴，进而无法实现对微小液滴蒸发与燃烧特性的研究。而飞滴法是采用单液滴喷射装置将液滴喷入高温高压的环境中，这种方式产生的液滴不受其他因素影响，同时可以研究较小液滴的蒸发与燃烧特性；但是，现有实验装置采用的是电磁阀式单液滴喷射器，该喷射器产生液滴尺寸范围在600-900μm之间，也无法获得微小液滴，进而也无法实现对微小液滴蒸发与燃烧特性的研究

由此可见，无论是采用飞滴法还是挂滴法，得到的液滴尺寸都大于600μm，无法进一步得到更小尺寸的微小液滴，进而无法实现对微小液滴蒸发与燃烧特性的研究。

发明内容

本申请提供了一种高温高压单液滴蒸发与燃烧装置，以解决现有技术无法研究微小液滴的蒸发与燃烧特性的问题。

为了解决上述问题，本申请公开了一种高温高压单液滴蒸发与燃烧装置，包括：供气装置、燃烧蒸发弹体、单液滴发生器、单液滴发生器冷却装置和控制单元；所述供气装置包括高压空气瓶和高压氮气瓶；所述单液滴发生器包括位于其内部的压电片式喷射器；所述燃烧蒸发弹体包括上端盖，所述上端盖内部具有一个U型空腔，所述上端盖两端各有一个与所述U型空腔贯通的横向通孔；所述高压空气瓶和所述高压氮气瓶分别与所述燃烧蒸发弹体连接；所述单液滴发生器位于所述上端盖的U型空腔内，所述单液滴发生器与所述上端盖通过螺栓连接，所述单液滴发生器与所述上端盖之间通过o型圈密封；所述单液滴发生器冷却装置通过所述上端盖与所述燃烧蒸发弹体连接；所述控制单元通过导线分别与所述供气装置、所述燃烧蒸发弹体、所述单液滴发生器和所述单液滴发生器冷却装置连接；所述压电片式喷射器内部充满液体，当接受到所述控制单元产生的正矩形脉冲电压激励时，将所述液体喷出，所述液体在自身表面张力作用下形成单液滴。

进一步地，所述供气装置还包括：连接在所述高压空气瓶和所述燃烧蒸发弹体之间的减压阀、微量质量流量计和进气阀，所述高压空气瓶与所述高压空气瓶和所述燃烧蒸发弹体之间的减压阀、微量质量流量计和进气阀依次串联，连接在所述高压空气瓶和所述燃烧蒸发弹体之间的进气阀通过空气进气阀安装孔与所述燃烧蒸发弹体之间通过螺栓连接；连接在所述高压氮气瓶和所述燃烧蒸发弹体之间的减压阀、微量质量流量计和进气阀，所述高压氮气瓶与所述高压氮气瓶和所述燃烧蒸发弹体之间的减压阀、微量质量流量计和进气阀依次串联，连接在所述高压氮气瓶和所述燃烧蒸发弹体之间进气阀通过氮气进气阀安装孔与所述燃烧蒸发弹体之间通过螺栓连接；所述空气进气阀安装孔和所述氮气进气阀安装孔位于所述燃烧蒸发弹体侧面；所述微量质量流量计分别通过导线与流量计控制器连接，所述流量计控制器位于所述控制单元内。

进一步地，所述蒸发燃烧弹体还包括：燃烧蒸发弹体本体、下端盖、多根不锈钢加热棒、温度控制仪和石英观察窗；所述单液滴发生器位于所述上端盖的U型空腔内；所述上端盖位于所述燃烧蒸发弹体本体上方，所述上端盖与所述燃烧蒸发弹体本体之间通过上端盖安装螺栓连接，所述上端盖与所述燃烧蒸发弹体本体之间采用紫铜垫密封；所述下端盖带有一通孔，位于所述燃烧蒸发弹体本体下方，通过下端盖安装螺栓与所述燃烧蒸发弹体本体连接；所述下端盖与所述燃烧蒸发弹体本体之间采用紫铜垫密封；所述多根不锈钢加热棒均布于燃烧蒸发弹体本体内部，与下端盖采用螺纹连接方式固定，所述多根不锈钢加热棒通过导线与温度控制器连接，所述温度控制仪位于所述控制单元内；所述石英观察窗分别位于所述燃烧蒸发弹体本体的三个侧面，分别通过观察窗安装螺栓与所述燃烧蒸发弹体本体连接，所述观察窗安装螺栓与所述燃烧蒸发弹体本体之间有一平垫；所述石英观察窗内部嵌有光学石英玻璃，所述石英观察窗与所述光学石英玻璃之间采用增强柔性石墨垫密封。

进一步地，所述蒸发燃烧弹体还包括：排气阀、温度传感器、压力传感器和真空泵；所述排气阀一端通过排气阀安装孔采用螺栓连接方式与所述燃烧蒸发弹体连接，另一端通过螺纹与真空泵连接；所述温度传感器通过温度传感器安装孔采用螺纹连接方式与所述燃烧蒸发弹体连接，所述温度传感器通过导线与所述温度控制仪连接；所述压力传感器通过压力传感器安装孔采用螺纹连接方式与所述燃烧蒸发弹体连接，所述压力传感器通过导线与信号放大器连接，所述信号放大器位于所述控制单元内；所述排气阀安装孔、所述温度传感器安装孔和所述压力传感器安装孔位于所述燃烧蒸发弹体侧面。

进一步地，所述蒸发燃烧弹体还包括内螺纹套筒底座、内螺纹套筒、压盖法兰、柔性石墨填料和导杆组成的密封部件，把手和导杆螺母组成的固定装置；所述压盖法兰中部具有一通孔，所述压盖法兰通过压盖法兰安装螺栓与所述下端盖连接；所述内螺纹套筒底座带有一通孔，内部为一个T型空腔，所述压盖法兰位于所述内螺纹套筒底座的T型空腔内，所述内螺纹套筒底座位于所述下端盖下方，通过底座安装螺栓与所述下端盖连接；所述内螺纹套筒带有一通孔，螺纹位于其下部，所述内螺纹套筒位于所述内螺纹套筒底座下方，所述内螺纹套筒通过内螺纹套筒安装螺栓与所述内螺纹套筒底座连接；所述导杆通过所述把手通孔、所述内螺纹套筒通孔、所述内螺纹套筒底座通孔、所述压盖法兰通孔以及所述下端盖通孔垂直进入所述燃烧蒸发弹体本体内部；所述导杆顶部与所述上端盖采用锥密封形式密封；所述导杆下部带有梯形螺纹，与所述内螺纹套筒的内螺纹采用螺纹连接形式连接；所述导杆底部通过所述导杆螺母与所述把手连接；所述导杆与所述下端盖之间采用所述柔性石墨填料密封。

进一步地，所述压电片式喷射器包括压电陶瓷片、石英喷嘴、喷射器上端盖、喷射器本体和套筒；所述喷射器上端盖位于所述喷射器本体上方，通过螺栓与所述喷射器本体连接；所述喷射器本体内部加工为具有锥度的空腔，形成喷射腔；所述压电陶瓷片位于所述喷射腔上部，两端横向嵌入在喷射器本体内，所述压电陶瓷片与所述喷射器本体接触部分放置有硅胶密封垫；所述石英喷嘴通过两个外六角螺母固定在所述喷射腔内；位于上面的外六角螺母上端与所述喷射器本体之间采用内径小于所述石英喷嘴外径的全氟橡胶o型圈紧固密封，位于上面的外六角螺母下端与所述喷射器本体和所述石英喷嘴之间采用内径小于所述石英喷嘴外径的全氟橡胶o型圈紧固密封；位于下面的外六角螺母与所述套筒和所述石英喷嘴之间采用内径小于所述石英喷嘴外径的全氟橡胶o型圈紧固密封；所述套筒位于喷射器本体内部下方，与喷射器本体通过螺纹连接，所述套筒中心有阶梯状通孔，所述石英喷嘴从所述阶梯状通孔中穿过，外六角螺母嵌入在阶梯状通孔内，所述套筒与所述喷射器本体采用全氟橡胶o型圈密封；所述压电陶瓷片和所述石英喷嘴通过所述喷射腔连接。

进一步地，所述单液滴发生器还包括：供液器、硅胶软管和压电陶瓷驱动电源；所述硅胶软管一端连接所述供液器，另一端通过气动快接头与所述喷射器本体连接；所述压电陶瓷驱动电源位于所述控制单元内，通过导线与压电陶瓷片连接。

进一步地，所述上端盖两端通过螺纹连接方式，一端与进水接头连接，另一端与排水接头连接；所述喷射器本体和所述套筒内部开有与所述上端盖的U型空腔贯通的横向通孔。

进一步地，所述单液滴发生器冷却装置包括水泵、水泵流量控制器和位于所述喷射腔内的热电偶丝温度传感器；所述水泵流量控制器位于所述控制单元内，通过导线与所述热电偶丝温度传感器连接，根据所述热电偶丝温度传感器的测量数据控制所述水泵的流量；所述水泵通过所述进水接头与所述单液滴发生器连接，水流从所述进水接头流入所述单液滴发生器，通过所述喷射器本体和所述套筒内部的横向通孔，从所述排水接头流出所述单液滴发生器。

进一步地，所述高温高压单液滴蒸发与燃烧装置还包括图像采集装置和计算机；所述图像采集装置包括冷光源、高速摄像机和压电信号同步控制器；所述冷光源位于所述蒸发燃烧弹体前方，所述高速摄像机位于所述蒸发燃烧弹体后方，所述压电信号同步控制器位于控制单元内，所述高速摄像机通过导线与所述压电信号同步控制器连接；所述计算机与所述控制单元通过导线连接。

与现有技术相比，本申请包括以下优点：

本申请的高温高压单液滴蒸发与燃烧装置实现了对微小液滴蒸发与燃烧过程的研究，该装置可以模拟缸内高温高压环境，从而得到单液滴蒸发与燃烧的整个过程，与现有技术相比，本申请包括以下优点：

首先，本申请中，单液滴发生器可以适用于多种液体，添加不同特性液体都可产生稳定的单液滴，液滴尺寸均匀可控，液体尺寸范围为80-700μm；

其次，本申请中，对单液滴发生器采用了循环水冷却，保证了液体的初始温度，对研究燃油蒸发特性提供了相同的初始条件；

再次，本申请中，解决了多次试验更换燃油液体的难题，采用锥度密封导杆将内部气体封在弹体内，然后可以取下单液滴发生器更换燃料；

最后，本申请采用燃烧蒸发弹体内部均布加热棒的方式，可以迅速加热，加热效率高，加热性能可靠，同时不产生内部炽热点。

附图说明

图1是本申请实施例一种高温高压单液滴蒸发与燃烧装置的结构示意图；

图2是图1所示一种燃烧蒸发弹体的装配图；

图3是图2所示一种内螺纹套筒底座的主视图；

图4是图2所示一种内螺纹套筒底座的俯视图；

图5是图2所示一种燃烧蒸发弹体本体其中一个侧面的主视图；

图6是图1所示一种单液滴发生器的装配图；

图7是本申请一种单液滴发生器冷却装置工作示意图。

具体实施方式

为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步详细的说明，下述内容中的“左侧”和“右侧”仅代表本申请实施例中图示位置的“左侧”和“右侧”。

图1是本申请实施例所述的一种高温高压单液滴蒸发与燃烧装置的结构示意图。如图1所示，一种高温高压单液滴蒸发与燃烧装置包括：供气装置、燃烧蒸发弹体15、单液滴发生器7、单液滴发生器冷却装置、控制单元13和计算机14。

本申请的一种实施例中，所述供气装置包括高压空气瓶1和高压氮气瓶2。

本申请的一种实施例中，所述供气装置还包括：

连接在所述高压空气瓶1和所述燃烧蒸发弹体15之间的减压阀3、微量质量流量计4和进气阀6；

连接在所述高压氮气瓶2和所述燃烧蒸发弹体15之间的减压阀3＇、微量质量流量计4＇和进气阀6＇。

所述高压空气瓶1用于提供蒸发和燃烧实验所需的空气环境。所述高压空气瓶1提供的高压空气通过管路进入所述减压阀3进行减压，减压后的空气依次流经所述微量质量流量计4和所述进气阀6后进入所述燃烧蒸发弹体15内部；所述微量质量流量计4用来测量所述高压空气瓶1的供气速率，并通过导线与位于所述控制单元13内的流量控制器连接；进一步的，通过所述流量控制器可以控制所述高压空气瓶1的供气速率。

所述高压氮气瓶2用于提供蒸发和燃烧实验所需的惰性气体环境。所述高压氮气瓶2提供的高压氮气通过管路进入所述减压阀3＇进行减压，减压后的氮气依次流经所述微量质量流量计4＇和所述进气阀6＇后进入所述燃烧蒸发弹体15内部；所述微量质量流量计4＇用来测量所述高压氮气瓶2的供气速率，并通过导线与位于所述控制单元13内的流量控制器连接；进一步的，通过所述流量控制器可以控制所述高压氮气瓶2的供气速率。

本申请的一种实施例中，单液滴的蒸发与燃烧过程在所述燃烧蒸发弹体15内进行。为了使所述燃烧蒸发弹体15能够承受高温高压环境，所述蒸发燃烧弹体15选用耐温1000℃的304L不锈钢材料，内外表面喷涂保温材料；根据定容燃烧弹压力容器的设计准则，将所述蒸发燃烧弹体设计为外方内圆的结构形式：所述燃烧蒸发弹体15内部的整体蒸发与燃烧腔为Φ140mm×287mm的圆柱形；所述燃烧蒸发弹体15外部尺寸为长×宽×高＝210mm×210mm×335mm的长方体。

图2是图1所示一种燃烧蒸发弹体的装配图。参照图2，本申请的一种实施例中，所述燃烧蒸发弹体包括燃烧蒸发弹体本体24、上端盖25、下端盖30、石英观察窗21、内螺纹套筒底座35、内螺纹套筒36、导杆27、把手38和导杆螺母39。

本申请的一种实施例中，在所述燃烧蒸发弹体本体24四个侧面中的三个开有所述石英观察窗21，所述石英观察窗长为230mm，宽为40mm；进一步的，采用增强柔性石墨垫23将厚度为35mm的光学石英玻璃22密封在所述石英观察窗21内部；所述石英观察窗21通过观察窗安装螺栓19与所述燃烧蒸发弹体本体24连接，所述观察窗安装螺栓19与所述燃烧蒸发弹体本体24之间有一平垫20。

本申请的一种实施例中，所述上端盖25内部具有一个U型空腔，所述上端盖25两端各有一个与所述U型空腔贯通的横向通孔；所述单液滴发生器7位于所述上端盖25的U型空腔内，并通过螺栓与所述上端盖25连接。

本申请的一种实施例中，所述上端盖25与所述燃烧蒸发弹体本体24之间采用耐高温紫铜垫29′密封，所述上端盖25与所述燃烧蒸发弹体本体24通过上端盖安装螺栓26连接；所述下端盖30与所述燃烧蒸发弹体本体24之间采用耐高温紫铜垫29密封，所述下端盖30与所述燃烧蒸发弹体本体24通过下端盖安装螺栓28连接；进一步的，在所述下端盖30的下方还有一个压盖法兰33，所述压盖法兰33与所述下端盖30之间通过压盖法兰安装螺栓34连接。

本申请的一种实施例中，所述导杆27通过所述把手38的通孔、所述内螺纹套筒36的通孔、所述内螺纹套筒底座35的通孔、所述压盖法兰33的通孔和所述下端盖30的通过进入所述燃烧蒸发弹体本体24内部。所述导杆27与所述上端盖25之间采用锥密封形式密封，即所述导杆27头部具有一角度为85°锥角，在所述上端盖25底部中心位置有一与之匹配的90°锥角；所述导杆27中部为330mm的光杆，下部为265mm长的梯形螺纹。所述导杆27与所述下端盖30之间采用柔性石墨填料31进行密封，所述压盖法兰33将所述柔性石墨填料31密封在所述导杆27与所述下端盖30之间。为保证所述导杆27在最底部时与所述内螺纹套筒36是螺纹连接，内螺纹套筒36中内螺纹设计在下部。所述导杆27底部通过所述导杆螺母39与所述把手38连接，通过所述把手38可以调节导杆的高度。

本申请的一种实施例中，当调整所述导杆27高度，使所述导杆27顶部与所述上端盖25之间密封，保证所述燃烧蒸发弹体本体24内不高温高压环境，此时可以取下单液滴发生器更换燃料。

图3是图2所示一种内螺纹套筒底座的主视图，图4是图2所示一种内螺纹套筒底座的俯视图。参照图3和图4，本申请的一种实施例中，所述内螺纹套筒底座35是所述内螺纹套筒36与所述下端盖30之间的过渡连接件，保证了所述导杆27的垂直，起到了定位作用。所述内螺纹套筒底座35通过底座安装螺栓32与所述下端盖30连接，所述内螺纹套筒底座35通过内螺纹套筒安装螺栓37与所述内螺纹套筒36连接。进一步的，所述内螺纹套筒底座35内部为避开所述不锈钢加热棒16凸起和所述压盖法兰，采用了掏空处理，形成一个T型内腔。

图5是图2所示燃烧蒸发弹体本体其中一个侧面的主视图。参照图2和图5，本申请的一种实施例中，所述蒸发燃烧弹体15还包括：温度传感器10、压力传感器11、排气阀17、真空泵18和不锈钢加热棒16。

本申请的一种实施例中，所述不锈钢加热棒16均布在所述蒸发燃烧弹体15内部，采用螺纹连接方式与所述蒸发燃烧弹体15底部相连，采用燃烧蒸发弹体内部均布加热棒的方式，可以迅速加热，加热效率高，加热性能可靠，同时不产生内部炽热点。

本申请的一种实施例中，所述燃烧蒸发弹体本体24四个侧面中的三个开有所述石英观察窗21，剩余一个侧面上开有安装孔，包括：排气阀安装孔52、温度传感器安装孔53、压力传感器安装孔54、氮气进气阀安装孔55和空气进气阀安装孔56。

所述排气阀17一端通过排气阀安装孔52与燃烧蒸发弹体15采用螺栓连接，一端与所述真空泵18采用螺纹连接；所述进气阀6通过所述空气进气阀安装孔56与所述燃烧蒸发弹体15之间采用螺栓连接；所述进气阀6＇通过所述氮气进气阀安装孔55与所述燃烧蒸发弹体15之间采用螺栓连接；所述排气阀17通过所述排气阀安装孔52与所述燃烧蒸发弹体15之间采用螺栓连接；所述温度传感器10通过所述温度传感器安装孔53与所述燃烧蒸发弹体15之间采用螺纹连接；所述压力传感器11通过所述压力传感器安装孔54与所述燃烧蒸发弹体15之间采用螺纹连接。

图6是图1所示一种单液滴发生器的装配图。参照图6，本申请的一种实施例中，所述单液滴发生器7位于所述上端盖25的U型空腔内，包括：压电片式喷射器、供液器51、硅胶软管和压电陶瓷驱动电源。

本申请的一种实施例中，所述压电片式喷射器包括压电陶瓷片49、石英喷嘴40、喷射器上端盖47、喷射器本体46和套筒43。所述喷射器本体46考虑到液体流动中阻力影响，内部空腔加工成一定锥度，形成喷射腔；所述压电陶瓷片49位于所述喷射腔上部，两端横向嵌入在喷射器本体46内，所述压电陶瓷片49与所述喷射器本体46接触部分放置有硅胶密封垫48，起到密封作用，同时保证了所述压电陶瓷片49工作时与所述喷射器本体46不发生短路，起到了绝缘作用，进一步的，所述喷射器上端盖47位于所述喷射器本体46上方，通过螺栓与所述喷射器本体46连接，将所述压电陶瓷片49密封在所述喷射本体46内部；进一步的，所述压电陶瓷片49通过导线与所述压电陶瓷驱动电源连接，所述压电陶瓷驱动电源位于所述控制单元13内。所述石英喷嘴40通过外六角螺母41和外六角螺母45固定在所述喷射腔内，所述外六角螺母45上端与所述喷射器本体46之间采用全氟橡胶o型圈42〞紧固密封，所述外六角螺母45下端与所述喷射器本体46和所述石英喷嘴40之间采用全氟橡胶o型圈42＇紧固密封；所述外六角螺母41与所述套筒43和所述石英喷嘴40之间采用全氟橡胶o型圈42紧固密封；所述全氟橡胶o型圈42、所述全氟橡胶o型圈42＇和所述全氟橡胶o型圈42〞的内径均小于所述石英喷嘴40的外径。

本申请的一种实施例中,所述套筒43位于喷射器本体46内部下方，与喷射器本体46通过螺纹连接，所述套筒43中心有阶梯状通孔，所述石英喷嘴40从所述阶梯状通孔中穿过，外六角螺母41嵌入在阶梯状通孔内；所述套筒43与所述喷射器本体46、所述石英喷嘴40以及所述外六角螺母41之间采用全氟橡胶o型圈44密封。

本申请的一种实施例中，所述硅胶软管一端连接所述供液器51，另一端通过气动快接头50与所述喷射器本体46连接。

本申请的一种实施例中，首先，所述供液器51通过所述硅胶软管将所述压电片式喷头内部充满液体，保证所述压电片式喷头内部不存在气体，同时保证所述供液器51内的供液面与所述压电片式喷头头部处于同一水平面。然后，对所述压电陶瓷驱动电源进行参数设置，对所述压电片式喷头进行正矩形脉冲电压激励，利用所述压电陶瓷49的逆压电效应将电能转化为机械能，机械能作用于所述压电片式喷头内部的液体，从而将液体喷出，所述液体在自身表面张力的作用下，喷出液体最终形成均匀的球形液滴。每次脉冲激励就会喷出一个液滴。

本申请的一种实施例中，所述压电片式喷头配有五种孔径的石英喷嘴(50μm，100μm，150μm，200μm，300μm)。对于一种孔径的喷嘴，通过调节所述压电陶瓷驱动电源的驱动电压的幅值与脉宽来控制液滴尺寸；选用不同尺寸喷孔的喷嘴，可以喷出80-700μm范围内的液滴，产生的单液滴尺寸均匀可控。

图7是本申请一种单液滴发生器冷却装置工作示意图。参照图7，本申请的一种实施例中，所述单液滴发生器冷却装置包括水泵8、水泵流量控制器和位于所述喷射腔内的热电偶丝温度传感器9；进一步的，所述喷射器本体46和所述套筒43内部均开有与所述上端盖25的U型空腔贯穿的横向通孔，所述上端盖25与所述单液滴发生器7之间采用o型圈58密封。

本申请的一种实施例中，所述水泵流量控制器位于所述控制单元13内，通过导线与所述热电偶丝温度传感器9连接，所述电偶丝温度传感器9测量所述单液滴发生器7内部的液体温度，将温度信号通过导线传递给所述水泵流量控制器，若温度高于目标温度，则通过所述水泵流量控制器提高所述水泵8的流量，若温度低于目标温度，则通过所述水泵流量控制器降低所述水泵8的流量。

本申请的一种实施例中，所述水泵8通过所述进水接头59与所述上端盖25连接，水流从所述进水接头流入所述上端盖25的U型空腔一侧，经过所述喷射器本体46和所述套筒43内部的横向通孔，进入所述上端盖25的U型空腔另一侧，完成对所述单液滴发生器7内液体的冷却后从所述排水接头57流出。本申请的一种实施例中，对所述单液滴发生器7采用了循环水冷却，保证了液体的初始温度，对研究燃油蒸发特性提供了相同的初始条件。

本申请的一种实施例中，所述压电片式喷射器产生的单液滴在所述燃烧蒸发弹体15内部由上至下滴落。为了观察记录所述单液滴在所述燃烧蒸发弹体15内部下落过程中的蒸发燃烧情况，所述高温高压蒸发与燃烧装置还包括图像采集装置。所述图像采集装置包括设置在所述燃烧蒸发弹体15外部左侧的冷光源5，增加图像的亮度；设置在所述燃烧蒸发弹体15外部右侧的高速摄像机12，对单液滴整个下落蒸发、燃烧过程进行拍摄；由于所述单液滴发生器7产生的液滴尺寸很小，在所述高速摄像机镜头处还加装有显微放大镜头。

本申请的一种实施例中，所述控制单元13通过导线分别于所述供气装置、所述燃烧蒸发弹体15、所述单液滴发生器7、所述单液滴发生器冷却装置和所述计算机14连接。所述控制单元内部包括：压电陶瓷驱动电源、流量计控制器、温度控制仪、信号放大器、压电信号同步控制器和水泵流量控制器。

结合本申请的一种实施例，对本申请的一种高温高压单液滴蒸发与燃烧装置的工作流程进行详细介绍。

首先，所述导杆27向上运动将所述上端盖25的底部锥形开口密封，使用所述真空泵17将所述燃烧蒸发弹体15内部空气抽空，然后打开所述高压空气瓶1和(或)所述高压氮气瓶2的进气阀阀门，将所述燃烧蒸发弹体15内部充满气体。然后，设定目标温度，利用所述不锈钢加热棒16对所述燃烧蒸发弹体15进行加热，并通过所述温度传感器测量所述燃烧蒸发弹体15内部的温度，通过导线将测量的温度数据传送到位于所述控制单元13内的温度控制仪，所述温度控制仪根据传送的温度数据控制所述不锈钢加热棒16的加热功率；当加热到设定温度时，观察所述压力传感器11测量的所述燃烧蒸发弹体15内部的压力，若大于目标压力，即打开所述排气阀17进行排气降压。将所述单液滴发生器7安装到所述上端盖25，接通所述压电陶瓷驱动电源，设定加载脉冲参数；同时将所述水泵与所述上端盖25接通，使所述单液滴发生器冷却装置开始工作，并调整好所述高速摄像机12的工作位置，通过所述内螺纹套筒36中的内螺纹将所述导杆27下移到观察窗以下，然后调整好所述显微放大镜头的焦距，得到清晰的所述石英喷嘴40的图像。所述控制单元13内的压电信号同步控制器协调所述压电陶瓷驱动电源与所述高速摄像机7之间的同步，最后，触发所述电陶瓷驱动电源输出脉冲电压，同时所述高速摄像机7在所述压电信号同步控制器的协调下也被触发，开始进行拍摄，由于所述高速摄像机7拍摄速率很高，所以采用所述冷光源5进行背部打光，增加图像亮度，从而得到清晰的图像，并记录整个蒸发与燃烧过程中的数据，通过对图像和数据进行处理，得到蒸发燃烧过程中液滴尺寸随时间的变化曲线。

以上对本申请所提供的一种高温高压单液滴蒸发与燃烧装置，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

Claims (10)

1.一种高温高压单液滴蒸发与燃烧装置，其特征在于，包括：供气装置、燃烧蒸发弹体(15)、单液滴发生器(7)、单液滴发生器冷却装置和控制单元(13)；

所述供气装置包括高压空气瓶(1)和高压氮气瓶(2)；

所述单液滴发生器(7)包括位于其内部的压电片式喷射器；

所述燃烧蒸发弹体(15)包括上端盖(25)，所述上端盖(25)内部具有一个U型空腔，所述上端盖(25)的两端各有一个与所述U型空腔贯通的横向通孔；

所述高压空气瓶(1)和所述高压氮气瓶(2)分别与所述燃烧蒸发弹体(15)连接；

所述单液滴发生器(7)位于所述上端盖(25)的U型空腔内，所述单液滴发生器(7)与所述上端盖(25)通过螺栓连接，所述单液滴发生器(7)与所述上端盖(25)之间通过O型圈(58)密封；

所述单液滴发生器冷却装置通过所述上端盖(25)与所述燃烧蒸发弹体(15)连接；

所述控制单元(13)通过导线分别与所述供气装置、所述燃烧蒸发弹体(15)、所述单液滴发生器(7)和所述单液滴发生器冷却装置连接；

所述压电片式喷射器内部充满液体，当接受到所述控制单元(13)产生的正矩形脉冲电压激励时，将所述液体喷出，所述液体在自身表面张力作用下形成单液滴。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述供气装置还包括：连接在所述高压空气瓶(1)和所述燃烧蒸发弹体(15)之间的第一减压阀(3)、第一微量质量流量计(4)和第一进气阀(6)，所述高压空气瓶(1)与所述第一减压阀(3)、所述第一微量质量流量计(4)和所述第一进气阀(6)依次串联，所述第一进气阀(6)通过空气进气阀安装孔(56)与所述燃烧蒸发弹体(15)之间通过螺栓连接；

连接在所述高压氮气瓶(2)和所述燃烧蒸发弹体(15)之间的第二减压阀(3＇)、第二微量质量流量计(4＇)和第二进气阀(6＇)，所述高压氮气 瓶(2)与所述第二减压阀(3＇)、所述第二微量质量流量计(4＇)和所述第二进气阀(6＇)依次串联，所述第二进气阀(6＇)通过氮气进气阀安装孔(55)与所述燃烧蒸发弹体(15)之间通过螺栓连接；

所述空气进气阀安装孔(56)和所述氮气进气阀安装孔(55)位于所述燃烧蒸发弹体(15)侧面；

所述第一微量质量流量计(4)和所述第二微量质量流量计(4＇)分别通过导线与流量计控制器连接，所述流量计控制器位于所述控制单元(13)内。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述蒸发燃烧弹体(15)还包括：燃烧蒸发弹体本体(24)、下端盖(30)、多根不锈钢加热棒(16)、温度控制仪和石英观察窗(21)；

所述单液滴发生器(7)位于所述上端盖(25)的U型空腔内；所述上端盖(25)位于所述燃烧蒸发弹体本体(24)上方，所述上端盖(25)与所述燃烧蒸发弹体本体(24)之间通过上端盖安装螺栓(26)连接，所述上端盖(25)与所述燃烧蒸发弹体本体(24)之间采用紫铜垫(29′)密封；

所述下端盖(30)带有一通孔，位于所述燃烧蒸发弹体本体(24)下方，通过下端盖安装螺栓(28)与所述燃烧蒸发弹体本体(24)连接；所述下端盖(30)与所述燃烧蒸发弹体本体(24)之间采用紫铜垫(29)密封；

所述多根不锈钢加热棒(16)均布于燃烧蒸发弹体本体(24)内部，与下端盖(30)采用螺纹连接方式固定，所述多根不锈钢加热棒(16)通过导线与温度控制器连接，所述温度控制仪位于所述控制单元(13)内；

所述石英观察窗(21)分别位于所述燃烧蒸发弹体本体(24)的三个侧面，分别通过观察窗安装螺栓(19)与所述燃烧蒸发弹体本体(24)连接，所述观察窗安装螺栓(19)与所述燃烧蒸发弹体本体(24)之间有一平垫(20)；所述石英观察窗(21)内部嵌有光学石英玻璃(22)，所述石英观察窗(21)与所述光学石英玻璃(22)之间采用增强柔性石墨垫(23)密封。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述蒸发燃烧弹体(15)还包括：排气阀(17)、温度传感器(10)、压力传感器(11)和真空泵(18)；

所述排气阀(17)一端通过排气阀安装孔(52)采用螺栓连接方式与所述燃烧蒸发弹体(15)连接，另一端通过螺纹与真空泵(18)连接；

所述温度传感器(10)通过温度传感器安装孔(53)采用螺纹连接方式与所述燃烧蒸发弹体(15)连接，所述温度传感器(10)通过导线与所述温度控制仪连接；

所述压力传感器(11)通过压力传感器安装孔(54)采用螺纹连接方式与所述燃烧蒸发弹体(15)连接，所述压力传感器(11)通过导线与信号放大器连接，所述信号放大器位于所述控制单元(13)内；

所述排气阀安装孔(52)、所述温度传感器安装孔(53)和所述压力传感器安装孔(54)位于所述燃烧蒸发弹体(15)侧面。

5.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述蒸发燃烧弹体(15)还包括内螺纹套筒底座(35)、内螺纹套筒(36)、压盖法兰(33)、柔性石墨填料(31)和导杆(27)组成的密封部件，把手(38)和导杆螺母(39)组成的固定装置；

所述压盖法兰(33)中部具有一通孔，所述压盖法兰(33)通过压盖法兰安装螺栓(34)与所述下端盖(30)连接；

所述内螺纹套筒底座(35)带有一通孔，内部为一个T型空腔，所述压盖法兰(33)位于所述内螺纹套筒底座(35)的T型空腔内，所述内螺纹套筒底座(35)位于所述下端盖(30)下方，通过底座安装螺栓(32)与所述下端盖(30)连接；

所述内螺纹套筒(36)带有一通孔，螺纹位于其下部，所述内螺纹套筒(36)位于所述内螺纹套筒底座(35)下方，所述内螺纹套筒(36)通过内螺纹套筒安装螺栓(37)与所述内螺纹套筒底座(35)连接；

所述导杆(27)通过所述把手(38)通孔、所述内螺纹套筒(36)通孔、所述内螺纹套筒底座(35)通孔、所述压盖法兰通孔以及所述下端盖(30)通孔垂直进入所述燃烧蒸发弹体本体(24)内部；

所述导杆(27)顶部与所述上端盖(25)采用锥密封形式密封；所述导杆(27)下部带有梯形螺纹，与所述内螺纹套筒(36)的内螺纹采用螺纹连 接形式连接；所述导杆(27)底部通过所述导杆螺母(39)与所述把手(38)连接；

所述导杆(27)与所述下端盖(30)之间采用所述柔性石墨填料(31)密封。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述压电片式喷射器包括压电陶瓷片(49)、石英喷嘴(40)、喷射器上端盖(47)、喷射器本体(46)和套筒(43)；

所述喷射器上端盖(47)位于所述喷射器本体(46)上方，通过螺栓与所述喷射器本体(46)连接；

所述喷射器本体(46)内部加工为具有锥度的空腔，形成喷射腔；

所述压电陶瓷片(49)位于所述喷射腔上部，两端横向嵌入在喷射器本体(46)内，所述压电陶瓷片(49)与所述喷射器本体(46)接触部分放置有硅胶密封垫(48)；

所述石英喷嘴(40)通过外六角螺母(41)和外六角螺母(45)固定在所述喷射腔内；所述外六角螺母(45)上端与所述喷射器本体(46)之间采用全氟橡胶O型圈(42〞)紧固密封，所述外六角螺母(45)下端与所述喷射器本体(46)和所述石英喷嘴(40)之间采用全氟橡胶O型圈(42＇)紧固密封；所述外六角螺母(41)与所述套筒(43)和所述石英喷嘴(40)之间采用全氟橡胶O型圈(42)紧固密封；所述全氟橡胶O型圈(42)、所述全氟橡胶O型圈(42＇)和所述全氟橡胶O型圈(42〞)的内径均小于所述石英喷嘴(40)的外径；

所述套筒(43)位于喷射器本体(46)内部下方，与喷射器本体(46)通过螺纹连接，所述套筒(43)中心有阶梯状通孔，所述石英喷嘴(40)从所述阶梯状通孔中穿过，外六角螺母(41)嵌入在阶梯状通孔内，所述套筒(43)与所述喷射器本体(46)采用全氟橡胶O型圈(44)密封；

所述压电陶瓷片(49)和所述石英喷嘴(40)通过所述喷射腔连接。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述单液滴发生器(7)还包括：供液器(51)、硅胶软管和压电陶瓷驱动电源；

所述硅胶软管一端连接所述供液器(51)，另一端通过气动快接头(50)与所述喷射器本体(46)连接；

所述压电陶瓷驱动电源位于所述控制单元(13)内，通过导线与压电陶瓷片(49)连接。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述上端盖(25)两端通过螺纹连接方式，一端与进水接头(59)连接，另一端与排水接头(57)连接；

所述喷射器本体(46)和所述套筒(43)内部开有与所述上端盖(25)的U型空腔贯通的横向通孔。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述单液滴发生器冷却装置包括水泵(8)、水泵流量控制器和位于所述喷射腔内的热电偶丝温度传感器(9)；

所述水泵流量控制器位于所述控制单元(13)内，通过导线与所述热电偶丝温度传感器(9)连接，根据所述热电偶丝温度传感器(9)的测量数据控制所述水泵(8)的流量；

所述水泵(8)通过所述进水接头(59)与所述单液滴发生器(7)连接，水流从所述进水接头流入所述单液滴发生器(7)，通过所述喷射器本体(46)和所述套筒(43)内部的横向通孔，从所述排水接头(57)流出所述单液滴发生器(7)。

10.如权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括图像采集装置和计算机(14)；

所述图像采集装置包括冷光源(5)、高速摄像机(12)和压电信号同步控制器；

所述冷光源(5)位于所述蒸发燃烧弹体(15)前方，所述高速摄像机(12)位于所述蒸发燃烧弹体(15)后方，所述压电信号同步控制器位于控制单元(13)内，所述高速摄像机(12)通过导线与所述压电信号同步控制器连接；

所述计算机(14)与所述控制单元(13)通过导线连接。