CN103926196B - 一种球形多功能定容弹 - Google Patents

Abstract

一种球形多功能定容弹，包括：一个外形为球形的本体和在该本体上具有2个以上的窗孔，各个窗孔的轴线相交于本体的球心，球心附近区域是中空的测试区域，在所述的窗孔之间有指向测试区域的通孔。本发明构造简单，加工方便，结构紧凑，弹体重量轻却能承受较高强度；测试区域温度场均匀，容弹所有密封件采用非冷却密封；内部温度和压力较容易控制，能实现高温高压下的连续测试；光学系统和喷射器布置灵活，测试范围广泛，能够对喷雾、蒸发、混合、燃烧、碳烟生成等实现平面激光诱导荧光、激光吸收与散射法、位相多普勒法、纹影法、米氏散射等多种测试方法，以及各种测试方法的组合和同时测量，测试光路可以成任意角度布置，具有普适性。

Description

一种球形多功能定容弹

技术领域

本发明属于热力发动机技术领域，涉及一种用于燃油喷雾和燃烧测试的定容容器，具体是一种可产生类似于热力发动机燃烧室内气体环境(压力、温度、成分)的装置，适合燃油喷雾的雾化、蒸发、混合气形成、燃烧等过程及其各种特性的光学测试和试验。

背景技术

热力发动机的燃油喷雾特性是影响发动机性能的最重要因素之一，而对于高压直喷汽油机、柴油机、液体燃料冲压发动机、燃气轮机等来说，燃油的雾化特性、蒸发特性、混合特性几乎决定了发动机着火、燃烧及排放等重要性能。因此，获得并掌握燃油喷雾的雾化、蒸发、混合等特性，对先进发动机燃烧系统的设计开发具有至关重要的意义。

在先进发动机燃烧系统的研发中，激光诊断技术、燃烧室内工作过程三维计算流体力学仿真和基于光学发动机的燃烧诊断技术三位一体，是匹配与优化燃烧系统中喷雾、气流运动和燃烧室形状的不可或缺的重要技术手段。而通过燃料喷雾、燃烧的激光诊断可实现对燃油雾化、蒸发、混合、燃烧过程进行可视化以及定量测量，为数值计算和建模提供实验验证进而提高模拟仿真的精确性，还为燃烧室内混合气形成过程及燃烧诊断提供直观的物理描述和解释，其重要性不言而喻。喷雾的性能直接关系到燃烧室内燃油分布，从而决定燃烧的效率和有害物质的生成。因此，开发高效、清洁的发动机，必须对直喷喷雾的雾化、蒸发和混合过程进行精确的测量。

定容弹是用来产生类似于发动机燃烧室内各工况下的一定压力、温度、成分的气体的装置。向特定温度、压力、成分的气体中喷射燃油时，燃油将会雾化、蒸发，并与周围气体(通常是空气)混合，形成混合气。这时如果点燃混合气，将开始燃烧，最后形成二氧化碳、水和微量的氮氧化物、碳烟等有害燃烧产物。因此，用带有若干光学窗口的定容弹可以用光学的方法很方便地测出燃油喷雾的雾化特性、蒸发特性、燃烧特性、有害物生成特性。

先进喷雾燃烧测量对定容弹的要求如下：

1)具有足够的强度，能承受高温高压；

2)温度场均匀、内流速度低，内部温度和压力较容易控制；

3)结构简单、重量轻，可实现多种基本光学测试功能；

4)可进行连续测量而不需中途间断换气；

5)整体紧凑便于复杂光路布置从而实现多物理量同时测量。

目前大多数定容弹的主要特点和局限性可以归纳为三点，简述如下：

一是多为静态系统。即在实验前先往定容弹内部充入气体，之后将定容弹封闭进行单次实验(如需对气体加热的话也在封闭条件下进行内部加热)，测试结束后将容弹内部的油气混合物放掉，准备下次实验。这种结构的定容弹多装有内部加热部件，目标温度及其均匀性难以控制。并且两次实验之间会出现间隔，需要充气-加热-放气-再充气-再加热的反复循环，实验费时长，实验效率低下。

二是定容弹体结构复杂、笨重，承受强度却不高，比如柴油机在上止点附近时燃烧室内压力可达10MPa左右，而目前所设计的定容弹即使能承受这样的强度，弹体也结构复杂且笨重，加工不便。

三是测试范围不够广泛。即不能适用于各种光学测试，主要是难以实现截面燃油落点分布测试以及用位相多普勒(PDI/PDA)分析仪进行液滴粒径测试，也不便进行各种不同角度的光路布置和复杂光路布置实现多物理量同时测量。这多是由于弹体结构方面的设计导致喷油器的位置以及光路的布置不能灵活调整。

比如，专利“一种喷雾测试定容弹”(专利申请号为201010272629.3)，虽然声称可以实现连续测试，但是由于容弹结构方面的设计，喷油器只能安装在容弹上盖上，光学窗口只能安装在容弹周向。导致容弹只可以进行喷雾的轴向平面光的测量，不能进行截面燃油落点分布的测量，也很难用位相多普勒(PDI)分析仪进行液滴粒径测试，缩小了容弹的测试范围。

本发明人在专利申请“一种用于喷雾、燃烧、碳烟生成特性测试的多功能定容弹”(专利申请号为201310717167.5)中也公开了一种用于喷雾燃烧测试的定容弹，虽然这种定容弹可以实现高温高压下的连续测试，而且喷油器和光学窗口的位置可以根据测试需求灵活调整，可以实现截面燃油落点分布测试、用位相多普勒(PDI/PDA)分析仪进行液滴粒径测试等光学测试以及复杂光路布置实现多物理量同时测量。但是，由于容弹本体仍采用常规的正交多面体设计，导致各个窗口轴线之间的夹角局限在90°或180°，很难实现任意角度的光路布置，比如基于米氏散射光强对角度的依存性测量粒径；专利中提到的用该定容弹实现位相多普勒(PDI/PDA)分析仪进行液滴粒径测试(要求入射光与相机轴线成150°夹角)也是借助于玻璃固定器上的导光槽、倒角结构，测量范围受到限制，并且此时入射光和出射光都不是垂直通过石英玻璃，光线在玻璃中的折射会对测试产生一定的误差。再者，在一定的可视化窗口大小和承受高温高压的强度下，正交多面体的结构设计会使得本体结构笨重(在下文详述)。

发明内容

针对上述现有容弹的不足，本发明提出一种球形多功能定容弹。该定容弹结构简单，加工方便，重量轻却能承受高强度；便于包括喷雾的轴向平面光测试、截面燃油落点分布测试和液滴粒径分布测试等在内的各种喷雾特性测试以及燃烧测试、碳烟生成过程测试，具有普适性；结构紧凑，能进行任意角度光路布置和复杂光路布置实现多物理量同时测量；可以实现连续测试，提高实验效率。

本发明的技术解决方案如下：

一种球形多功能定容弹，特征在于其构成包括：一个外形为球形的本体和在该本体上具有2个以上的窗孔，各个窗孔的轴线相交于本体的球心，球心附近区域是中空的测试区域，在所述的窗孔之间有指向测试区域的通孔。

所述的窗孔包括上窗孔、下窗孔和三个周边窗孔，所述的上窗孔和下窗孔的窗口平面相互平行，所述的周边窗孔的窗口平面与上窗孔、下窗孔的窗口平面垂直。

每一个窗孔可以由玻璃、O型橡胶圈和玻璃固定器与所述的本体密封连接构成光学窗口，或者由端盖、垫块、O型橡胶圈与本体密封连接构成测试壁面，或者由喷油器、安装块、O型橡胶圈与本体密封连接构成喷射系统，其中光学窗口的数量是两个以上。

所述的窗孔轴线之间的夹角为30°、90°、180°或其它角度。

所述的通孔为进气通道、排气通道或安装仪器的通道。

所述的定容弹在做高温测试时，还包括进气加热系统，进气加热系统分别固定连接在所述的本体的进气通道旁。在进气通道外面加装功率可调的加热器，进气被加热到设定温度后经进气通道连续地流入本体中的测试区域供测试之用，然后经排气通道及时排出以保持容器内的压力和温度恒定。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)由于本发明定容弹采用球形本体，可以很方便地加工出互成任意角度的平面，平面的个数、相互之间的方向完全根据需求而定，并且每个平面形状都是圆面，便于开通圆形窗孔以安装光学窗口、测试壁面或喷射系统；光学窗口的个数(至少两个)也可以根据测试需求而定，并且容弹可以以任意角度放置，进而适应于布置各种方向的光路，以实现包括轴向平面光测试、截面燃油落点分布测试和液滴粒径分布测试等在内的各种光学测试，满足用光学手段进行各类喷雾、燃烧、碳烟生成特性等测试的需求。

(2)由于本发明定容弹采用球形本体，所以结构紧凑，构造简单，加工方便，弹体重量轻却能承受较高强度(具体情况会在下文实施例中说明)；紧凑的结构也使得窗口与窗口之间的距离比较近，这有助于进行复杂光路布置从而实现多物理量同时测量。

(3)由于本发明定容弹是球体结构，所以进排气孔道的布置和加工也非常方便，可以在本体上窗孔之间的多处部位加工出指向测试区域的通孔作为进排气道，以保证测试区域内流速度低、温度场均匀。测试所需的传感器、点火电极等也可以沿着通孔布置，指向球心附近的测试区域。

在进气通道外部采用连续加热连续换气方式，可以进行连续测试，提高实验效率。

本发明定容弹适用于高温高压下连续对喷雾、蒸发、混合、燃烧、碳烟生成等进行测试，测试范围包括：

1)要求入射光与相机轴线成90°夹角的有：平面激光诱导荧光(喷雾截面燃

油落点分布、燃烧中间产物浓度分布、气液两相速度场和浓度场等)，激光

诱导磷光法(气相和壁面的温度分布)，激光诱导炽光法(碳烟)；

2)要求入射光与相机轴线成150°夹角的有：位相多普勒法(粒径和速度测

量)；

3)要求入射光与相机轴线成180°夹角的有：激光吸收与散射法(气液两相

浓度场、空燃比分布等测量)，纹影法(密度梯度)；

4)其他任意角度：米氏散射法(粒径等)，折射(油膜厚度)，以及各种测量

方法的组合和同时测量等。

附图说明

图1为本发明球形多功能定容弹的外观示意图；

图2为本发明球形多功能定容弹的本体结构示意图；

图2.1为本发明本体的水平截面三维图；

图2.2为本发明本体的水平截面剖面图；

图3为用本发明定容弹在入射光线和相机轴线成90°时的布置图；

图4为本发明定容弹在入射光线和相机轴线成150°时的布置图；

图5为本发明定容弹在入射光线和相机轴线成180°时的布置图；

图6为用本发明定容弹实现多物理量同时测量时的复杂光路布置图；

图7为本发明定容弹另一个实施例的本体结构示意图；

图7.1为本发明定容弹另一个实施例下的一般光路布置图；

图中：1-本体；10-测试区域；11、12、13、14-通孔；1a-本体上平面；1b-本体下平面；1c、1d、1e-本体周向平面；1f-本体上平面(另一实施例)；1g、1h、1k-本体周向平面(另一实施例)；2-光学窗口；3-安装块；40-激光发射器；41-片激光发射器；42-相机；43-PDI激光发射器；44-PDI激光接收器；45-凹透镜；46-凸透镜；47-凹面镜；48-刀口；49-喷雾液滴；α、β-散射角；

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作详细说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

先请参阅图1、图2，图1为本发明球形多功能定容弹的外观示意图，图2为本发明球形多功能定容弹的本体结构示意图，图2.1为图2本体的水平截面三维图，图2.2为图2本发明实施例1本体的水平截面剖面图，由图可见，本发明球形多功能定容弹，包括：一个外形为球形的本体1和在该本体1上具有2个以上的窗孔，各个窗孔的轴线相交于本体1的球心，球心附近区域是中空的测试区域，在所述的窗孔之间有指向测试区域的通孔11、12。

本发明提供的一种球形多功能定容弹，外观示意图如图1所示，主要包括：容弹本体1(本实施例中本体上有五个窗孔，下文详述)、光学窗口2(本实施例中共有三个，布置在周向)、安装块3(本实施例中上方窗孔安装由喷油器、安装块、O型橡胶圈组成的喷射系统，喷油器连接在安装块上，图中未有显示；下方窗孔安装由端盖、垫块、O型橡胶圈组成的测试壁面，图中未有显示)和进气加热系统(进气加热系统设置在本体每个进气口的外部，使用定容弹做高温测试时对进气进行加热，图中未有显示，下文有述)。其中三个光学窗口、喷射系统和测试壁面分别连接在本体的五个面的窗孔上。

图2为本实施例中所述容弹本体1的结构示意图，在球体上加工出距离球心等距的五个平面，每个平面形状都是等大的圆面，其中有两个平面成180°相对(即图中上平面1a和下平面1b)，有三个平面互成90°垂直(即图中平面1a、1c、1d，或平面1b、1c、1d)，有两个平面夹角成30°(法线成150°夹角,即图中平面1e和平面1c，在图2.2中注明)；在相对的两个面1a、1b上开贯通孔，另外三个面上也开出等大的孔与贯通孔连通，开孔方向垂直于平面且指向球体中心，这几个孔(且命名为窗孔，以免与之后的进排气孔混淆)相交的中间区域形成测试区域10；在本体上窗孔之间的多处部位沿着球体中心方向开出通孔作为进排气孔或用来安装传感器、点火电极等，如图中的11、12、13、14部位(13、14在图2中未有显示，在图4、图5中有显示)。

图2.1、图2.2是上述的球形本体(不包含进排气道)被过球心的水平截面切割之后的形状，图2.1是三维结构示意图，图2.2是剖面图，用来更形象地说明本实施例中的本体结构。

这样的球形本体相对于一般的正交多面体设计，由于结构紧凑，在同样的可视化窗口尺寸下，弹体重量轻却能承受同等压力和温度。比如在本实施例中，可视化部分直径是100mm，本体的设计压力和温度是6MPa，800K，而本体质量仅为32kg，单位质量下的本体的承压和耐温约为0.19MPa/kg，25K/kg；对于一般的正交多面体结构，比如本发明人在专利申请“一种用于喷雾、燃烧、碳烟生成特性测试的多功能定容弹”(专利申请号为201310717167.5)中公开的一种用于喷雾燃烧测试的定容弹，在同等的可视化直径100mm下，本体的承压耐温为12MPa、1100K，但此时本体质量约160kg，单位质量下的本体的承压和耐温比较低，仅为0.075MPa/kg，6.875K/kg，远低于球形本体结构，而且结构复杂，加工成本增加。

在本实施例中，本体周向安装三个光学窗口，上方窗孔安装由喷油器、安装块、O型橡胶圈组成的喷射系统，下方窗孔安装由端盖、垫块、O型橡胶圈组成的测试壁面，可以实现上文提到的入射光线和相机轴线成90°、150°布置时的测试功能，也可以进行燃油湿壁现象测试及油膜燃烧测试。如果把周向平面1c、1d、1e中的任意一个当做底面，就把180°相对的上下两个平面1a和1b调整到了水平方向，就便于实现入射光与相机轴线成180°角的光学测试。下面分别附图说明。

图3是用本发明第一实施例，定容弹进行入射光线和相机轴线成90°的光路布置和相应测试(为了显示光路，图中略去了光学窗口、喷射系统和测试壁面)，片激光发射器41发射的片激光由1d面进入，光信号被相机从1c面接收，可以实现平面激光诱导荧光(燃烧中间产物浓度分布、气液两相速度场和浓度场等)，激光诱导磷光法(气相和壁面的温度分布)，激光诱导炽光法(碳烟)等测试方法。

图4是本发明第二实施例，定容弹进行入射光线和相机轴线成150°的光路布置和相应测试(为了显示光路，图中略去了光学窗口、喷射系统和测试壁面)，在法线成150°的两个窗孔面(1c、1e)外面布置PDI激光发射器43和PDI接收器44，可以实现位相多普勒法(PDI)测量喷雾液滴的粒径和速度。

图5是本发明第三实施例，定容弹进行入射光线和相机轴线成180°的光路布置和相应测试(为了显示光路，图中略去了光学窗口、喷射系统和测试壁面)。把本体翻转，1d作为底面，激光器40发射出来的激光束经过凹透镜45和凸透镜46的组合达到扩束效果，光束在对侧面1b面外经凸透镜46汇聚后被相机42接收，可以实现激光吸收与散射法(气液两相浓度场、空燃比分布等测量)。

由于容弹本体各个面上的窗孔具有等效性，所以光学窗口、喷射系统和测试壁面可以安装在容弹本体上的任意一个面上，光学窗口、喷射系统和测试壁面的安装位置和数量分配(光学窗口的数量是两个以上)也完全根据测试需求而定，适用于光学手段进行各类喷雾燃烧测试，具有一定的普适性，并且可以进行复杂光路布置实现多物理量同时测量。

图6是本发明第四实施例，如何利用本实施例进行复杂光路布置进而实现多物理量同时测量，图中球形本体的五个面上的圆孔都安装光学窗口(光学窗口在图中略去)，上方进气孔11中通入燃油、空气的混合气，经过测试区域后从下方排气孔12排出。图中片激光发射器41发射片激光，配合相机42，可以实现利用粒子图像法(PIV)测量喷雾速度场或激光诱导荧光法测量截面燃油质量分布、汽液两相浓度分布；PDI激光发射器43和接收器44配合完成位相多普勒法测量油雾液滴速度和粒径；激光器40发射出来的激光束经过凹透镜45和凸透镜46的组合达到扩束效果，通过测试区域之后在另一端经过凹面镜47聚焦，在焦点处放置一刀口48，用于遮挡正好通过焦点的光线，后方用相机42接收剩余光信号，可以利用纹影法测量油雾和蒸汽的密度变化。

对于前面提到的正交多面体结构的定容弹本体，测试功能方面，也可以实现前面所述的入射光线和相机轴线成90°、180°的光路布置以及复杂光路布置；入射光线和相机轴线成150°的光路布置可以勉强实现，但是存在光线折射的问题(前文中有提到)。对于更一般角度的光路布置和测试比如基于米氏散射光强对角度的依存性进行粒径测试，利用正交多面体结构的定容弹本体则很难实现，而本发明定容弹中的球形本体则可以实现任意角度的光路布置，因为在球体的基础上可以加工出互成任意角度的平面和窗孔，并保证各个平面离球心的距离相等且各平面轴线相交于球心。

图7、7.1示意在球形本体基础上的另外一个实施例以及光路布置(为了光路显示方便，图中略去了窗孔、光学窗口、喷射系统、测试壁面以及进排气孔)，用以说明球形结构可以实现任意一般方向的光路布置,实现基于米氏散射光强对角度的依存性的液滴粒径测试。在该实施例本体上有4个平面(1f,1g,1h,1k)，上平面1f上的窗孔安装由喷油器、安装块、O型橡胶圈组成的喷射系统；1g、1h和1k平面垂直于1f平面，但是三者之间可以成任意角度，具体角度根据测试需求(感兴趣的散射方向)而定，三者的窗孔上安装光学窗口。

本实施例可以完成光路成一般角度下的测试，比如基于米氏散射光强对角度的依存性的粒径测试见图7.1。入射光线从1g面进入，在碰到液滴49之后在各个方向发生散射，从1h、1k面出来的散射光被相机接收。球形本体结构使得平面可以沿任意方向布置，所以可以根据需求在特定方向设计平面、窗孔，实现任意角度的光路布置，在本实施例中即散射角α、β可以任意变化。

由于是球体结构，所以进排气孔道的布置和加工也非常方便，可以在窗孔之间的球体表面任意位置开孔指向测试区域形成多个进排气通道，以保证测试区域内流速低、温度场均匀。并且测试所需的传感器、点火电极等也可以沿着通孔布置，指向球心附近的测试区域。而对于前面提到的正交多面体结构的定容弹本体，进排气孔在本体上的位置基本局限在多面体的顶点附近，给传感器、点火电极等部件的布置带来不便。

定容弹在使用中，如要进行高温高压测试，需要对进气进行加热。可以在进气通道外面加装加热器，高压气体经过加热之后变成高温高压气体通入本体内部测试区域，然后经排气口及时排出以保持容器内的压力和温度恒定。由于加热方式是外部加热，因此可以在一定的进气流量下，通过调节加热器功率来控制进气温度，使得测试区域的温度场较均匀，实现高温高压下的连续测试。外部加热的好处还在于容弹内部的高温高压测试区域变得较小，整个容器的体积也可以做得比较小，降低了出现意外情况的危险性。

Claims (3)

1.一种球形多功能定容弹，特征在于其构成包括：一个外形为球形的本体(1)和在该本体(1)上具有两个以上的窗孔，各个窗孔的轴线相交于本体(1)的球心，球心附近区域是中空的、由各个窗孔相贯而成的测试区域，在所述的窗孔之间有指向测试区域的通孔(11、12)；

所述的窗孔包括上窗孔、下窗孔和三个周边窗孔，所述的上窗孔和下窗孔的窗口平面相互平行，所述的周边窗孔的窗口平面与上窗孔、下窗孔的窗口平面垂直；

所述的窗孔轴线之间的夹角为90°、120°、150°、180°。

2.根据权利要求1所述的球形多功能定容弹，其特征在于，所述的窗孔密封连接有由玻璃、O型橡胶圈和玻璃固定器构成的光学窗口(2)，或者由端盖、垫块和O型橡胶圈构成的测试壁面，或者由喷油器、安装块(3)和O型橡胶圈构成的喷射系统，其中光学窗口(2)的数量是两个以上。

3.根据权利要求1或2所述的球形多功能定容弹，其特征在于所述的通孔为进气通道、排气通道或安装仪器的通道。