CN103487232A - 一种透明喷嘴内部空穴流动可视化研究的自循环装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种喷油嘴内部空穴流动可视化试验装置，包括背压系统、气体循环系统、温度控制系统、燃油喷射系统，背压系统包括高压氮气、背压腔体、气体流量控制阀门组件、第一压力变送器，气体循环系统包括滤清器、气体循环压缩机、耐压气瓶、气体控制阀门、第二压力变送器、电控稳压器，温度控制系统包括温度控制单元、换热器，温度控制系统用于保证背压腔体内的温度恒定，燃油喷射系统包括比例放大喷油器、比例放大喷油嘴。本发明有效消除了现有技术中雾化柴油模糊背压接收腔体窥视窗口的问题，从而有利于实验进一步开展；本发明中采用透明比例放大喷油嘴，从而使一定背压条件下柴油机燃油比例放大喷油嘴内部流动的可视化试验成为可能。

Description

一种透明喷嘴内部空穴流动可视化研究的自循环装置
技术领域
本发明特涉及一种实现透明喷嘴内部空穴流动可视化研究的自循环装置，属于柴油机和水力空化技术领域，该装置可应用于柴油机喷嘴内部流动以及气液两相流（空穴）的试验研究。 
背景技术
柴油机由于其优良的燃油经济性、耐久性和CO2的低排放性，在21世纪作为交通运输领域主要动力的地位将继续保持下去，但其发展受到了氮氧化物（NOx）和颗粒（PM）排放高、噪声大等因素的挑战。NOx和PM产生于燃烧过程，燃油的喷雾混合作为燃烧的边界条件之一，与燃烧过程的关系最为直接，从而对燃烧及柴油机的排放性能有着决定性的影响。近年来国外大量研究表明喷嘴内部空穴现象是造成喷孔出口燃油雾化的一个重要因素，喷嘴内部空穴现象的发生、发展和溃灭对随后的射流雾化有着重大影响，但由于空穴现象自身问题的复杂性，关于空穴现象如何影响随后的喷雾雾化机理还有待进一步探究，因此迫切需要对喷嘴内部空穴展开详实的探究，从而揭示空泡的初生、发展和溃灭机理以及获得精确的气液分界面，最终建立精确的空穴两相流模型，为空穴这一特殊两相流问题研究做出贡献。
而了解喷嘴内部空穴现象的发生、发展和溃灭机理需要深入的了解空泡的流动动态特性和流动结构，这就需要对喷嘴内空泡流动进行相关的试验研究。为了研究喷孔内空穴的发展、发展和溃灭机理，需要采用各种测试手段来研究喷孔内空穴形态，喷孔内流速度分布以及获得喷嘴内部详细流动结构和精确的气液分界面。这就需要采用高速摄影、PIV以及X射线成像技术等测试手段来研究喷嘴内空穴流动过程。但是采用上述测试手段来研究喷嘴内部流动特性时，有如下几个难点：首先，整个试验过程需要自动循环而且密闭，不能有半点泄漏；其次，要保证整个试验过程中，试验台必须连续安全稳定运行，保证整个试验过程是一个准静态过程；再次，试验过程中压力要保证可调和精密测量；最后，透明喷嘴的加工，要保证耐压和高精度，同时还需要保证被测零件方便拆装。
发明内容
针对现有技术中喷嘴内部空穴现象研究装置存在的上述问题，本发明提出一种可实现连续工作且密闭的透明喷嘴内部空穴流动可视化研究的自循环装置。
本发明的技术方案是：
一种透明喷嘴内部空穴流动可视化研究的自循环装置，包括油路系统、传动系统和监控系统。
所述油路系统用于保证燃油的自循环流动，所述油路系统包括依次通过油路管道连接的油箱、粗滤清器、精滤清器、油压调节阀、喷嘴、量筒、回油管，油箱中设置有用于根据试验需要启闭的加热器，燃油从油箱中抽出，被加热器加热到试验所需温度后，经过粗滤清器、精滤清器、油压调节阀、喷嘴、量筒、回油管，再回到油箱。
所述传动系统用于将低压油转换成高压油和保证测试喷嘴的可拆装性及密封性，所述传动系统包括连接于粗滤清器和精滤清器之间的电动机和输油泵、连接于喷嘴进口端的气压缸、与气压缸相连的外接气泵。
所述监控系统用于实现压力和温度的调节、流量和压力的精密测量及试验数据的实时记录和存储；所述监控系统包括设置于油压调节阀和喷嘴之间的流量传感器、与油压调节阀和加热器相连的控制面板。
作为本发明的进一步改进，所述喷嘴为横截面为“H”形且其下端带有凸起的的透明平板喷嘴，所述透明平板喷嘴的中轴线处设有使燃油流过的通孔，透明平板喷嘴的上端与气压缸相连，下端的凸起与量筒相连通。
作为本发明的进一步改进，所述油压调节阀通过调节阀的开度对油压进行调节。
作为本发明的进一步改进，所述外接气泵的工作状态包括充气状态和泄压状态，外接气泵上设有泄压阀，气压缸下方设有复位弹簧；充气状态下，外接气泵将高压气体传递给气压缸，气压缸在高压气体的作用下向下运动，推动喷嘴向下运动，实现喷嘴的密封安装；泄压状态下，泄压阀向上抬起，气压缸在复位弹簧的作用下向上运动，实现喷嘴的拆卸。
本发明的有益效果是：
本发明一种透明喷嘴内部空穴流动可视化研究的自循环装置，能够实现自动循环，保证进行试验测试时的时间要求，流量、压力和温度可任意调整且流量、压力测量精度高，同时该装置采用气压控制，拆装透明平板喷嘴操作方便，且密封性好，所有数据通过仪表实时显示。此外，整个装置的结构简单，易于实现。 
附图说明
图1 是本发明一种透明喷嘴内部空穴流动可视化研究的自循环装置的结构示意图；
图2 是本发明中透明平板喷嘴的结构示意图。
图中：1、气压缸；2、喷嘴；3、工作台；4、量筒；5、精滤清器；6、回油管；7、油箱；8、加热器；9、粗滤清器；10、输油泵；11、电动机；12、油压调节阀；13、控制面板；14、流量传感器；15、燃油入口；16、被测喷孔；17、燃油出口。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
本发明一种透明喷嘴内部空穴流动可视化研究的自循环装置的结构如图1所示，包括油路系统、传动系统和监控系统。
油路系统用于保证燃油的自循环流动，油路系统包括依次通过油路管道连接的油箱7、粗滤清器9、精滤清器5、油压调节阀12、喷嘴2、量筒4、回油管6，油箱7中设置有用于根据试验需要启闭的加热器8，燃油从油箱7中抽出，被加热器8加热到试验所需温度后，经过粗滤清器9、精滤清器5、油压调节阀12、喷嘴2、量筒4、回油管6，再回到油箱7；喷嘴2为横截面为“H”形且其下端带有凸起的的透明平板喷嘴，所述透明平板喷嘴的中轴线处设有使燃油流过的通孔，透明平板喷嘴的上端与气压缸1相连，下端的凸起与量筒4相连通。油压调节阀12通过调节阀的开度对油压进行调节。
传动系统用于将低压油转换成高压油和保证测试喷嘴的可拆装性及密封性，传动系统包括连接于粗滤清器9和精滤清器5之间的电动机11和输油泵10、连接于喷嘴2进口端的气压缸1、与气压缸1相连的外接气泵。外接气泵的工作状态包括充气状态和泄压状态，外接气泵上设有泄压阀，气压缸1下方设有复位弹簧；充气状态下，外接气泵将高压气体传递给气压缸1，气压缸1在高压气体的作用下向下运动，推动喷嘴2向下运动，实现喷嘴2的密封安装；泄压状态下，泄压阀向上抬起，气压缸1在复位弹簧的作用下向上运动，实现喷嘴2的拆卸。
监控系统用于实现压力和温度的调节、流量和压力的精密测量及试验数据的实时记录和存储，监控系统包括设置于油压调节阀12和喷嘴2之间的流量传感器14、与油压调节阀12和加热器8相连的控制面板13。燃油温度控制功能为：启动燃油温度控制按钮，系统进入燃油温度自动控制系统，设定燃油温度在试验所需要的温度。燃油温度低于设定的试验温度时，系统会自动地开启加热器8，对燃油进行加热；当温度升至设定的试验温度时，温度传感器发出信号，仪表便会对加热器停止加热。压力调节控制功能为：通过调节该油压调节阀的开度，可以对油压进行调节，顺时针方向旋转油压调节阀门，可以在0 - 0.4MPa范围内调节油压；逆时针方向旋转油压调节阀，可以使油压在0 - 4MPa范围内调节油压。
电动机11带动输油泵10将油箱7中燃油经过粗滤清器9后到达输油泵10，通过输油泵10增压后，燃油通过精滤清器5进入调压阀12底板上的供油口，此时利用调压阀调节系统压力后，由油压调节阀12底板上的供油口将调节好的高压油提供给被测透明平板喷嘴2，经过透明平板喷嘴后燃油经量筒4后流回油箱7中，如此反复循环，直到试验结束。其中，控制面板13上有压力显示器，可以显示调压阀调节后的压力，温度显示器用以实时显示油温，流量传感器14显示喷射时流量值。
本发明为了保证在整个油路中没有泄露以及方便拆装透明喷嘴，对于透明喷嘴采用气压方式密封。该种密封方式的主要原理是气泵与气缸相连，当需要更换透明喷嘴时，关闭试验台运行按钮，随后关闭气源控制开关，气缸泄气，气缸自动升起，更换透明喷嘴，然后打开气源控制开关，气泵向气缸提供气源，气缸自动向下压紧透明平板喷嘴，该种密封方式保证了密封性以及可操作性。
本发明为了保证整个试验过程是准静态过程，即保证在同样的边界条件下，喷嘴内部流动基本保持稳定不变，本装置设计了一种简单的透明平板喷嘴，使得与试验台相匹配，保证喷嘴内部流量在整个连续工作工程中基本维持不变，其透明平板喷嘴示意图如图2所示，燃油依次通过燃油入口15、被测喷孔16、燃油出口17。为了满足试验研究时的空间尺度要求，试验测试时的口径不能太大，必须保证在一个范围之内，这样才能保证获得较好的效果。对于该喷嘴的拆装和密封采用气压和密封垫圈控制，具体工作工程如下，当需要装透明平板喷嘴时，关闭气源开关，气缸泄气，气缸自动向上抬起，将透明平板喷嘴和垫圈放入工作台3上，打开气源开关，气泵向气缸提供气源，气缸向下运动，并压紧透明平板喷嘴，从而保证试验过程无泄露。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种透明喷嘴内部空穴流动可视化研究的自循环装置，其特征在于：包括油路系统、传动系统和监控系统；
所述油路系统用于保证燃油的自循环流动，所述油路系统包括依次通过油路管道连接的油箱（7）、粗滤清器（9）、精滤清器（5）、油压调节阀（12）、喷嘴（2）、量筒（4）、回油管（6），油箱（7）中设置有用于根据试验需要启闭的加热器（8），燃油从油箱（7）中抽出，被加热器（8）加热到试验所需温度后，经过粗滤清器（9）、精滤清器（5）、油压调节阀（12）、喷嘴（2）、量筒（4）、回油管（6），再回到油箱（7）；
所述传动系统用于将低压油转换成高压油和保证测试喷嘴的可拆装性及密封性，所述传动系统包括连接于粗滤清器（9）和精滤清器（5）之间的电动机（11）和输油泵（10）、连接于喷嘴（2）进口端的气压缸（1）、与气压缸（1）相连的外接气泵；
所述监控系统用于实现压力和温度的调节、流量和压力的精密测量及试验数据的实时记录和存储；所述监控系统包括设置于油压调节阀（12）和喷嘴（2）之间的流量传感器（14）、与油压调节阀（12）和加热器（8）相连的控制面板（13）。
2.根据权利要求1所述的一种透明喷嘴内部空穴流动可视化研究的自循环装置，其特征在于：所述喷嘴（2）为横截面为“H”形且其下端带有凸起的的透明平板喷嘴，所述透明平板喷嘴的中轴线处设有使燃油流过的通孔，透明平板喷嘴的上端与气压缸（1）相连，下端的凸起与量筒（4）相连通。
3.根据权利要求1所述的一种透明喷嘴内部空穴流动可视化研究的自循环装置，其特征在于：所述油压调节阀（12）通过调节阀的开度对油压进行调节。
4.根据权利要求1所述的一种透明喷嘴内部空穴流动可视化研究的自循环装置，其特征在于：所述外接气泵的工作状态包括充气状态和泄压状态，外接气泵上设有泄压阀，气压缸（1）下方设有复位弹簧；充气状态下，外接气泵将高压气体传递给气压缸（1），气压缸（1）在高压气体的作用下向下运动，推动喷嘴（2）向下运动，实现喷嘴（2）的密封安装；泄压状态下，泄压阀向上抬起，气压缸（1）在复位弹簧的作用下向上运动，实现喷嘴（2）的拆卸。
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