CN103982351A - 一种可视化喷嘴 - Google Patents

Abstract

一种可用于模拟真实直喷发动机喷嘴的可视化喷嘴，包括：喷嘴主体，转接头和延伸段透明玻璃，所述的喷嘴主体由两块夹具体夹住两块透明玻璃及精密垫片形成喷嘴内流道，有垫片保证密封性，所述的喷嘴主体的顶部连接所述的转接头，底部连接所述的延伸段透明玻璃，形成喷嘴外流道。通过同时观察喷嘴内部流动特性(例如空穴现象，气泡产生、长大以及破裂过程)与喷嘴外部喷雾特性(如破碎、雾化蒸发等)，将喷嘴内外部特性相关联，全面掌握液体射流的破碎、雾化过程。所述的二维可视化喷嘴结构较为对称，加工方便，能实现在高温高压条件下的连续测试，同时喷嘴内外部流道形状结构尺寸均可变化，可以获得不同条件下喷嘴孔内外的流体特性，具有普适性。

Description

一种可视化喷嘴

技术领域

本发明属于液体微粒化技术领域，涉及一种可视化的透明喷嘴，特别是一种用于内燃机模拟真实直喷发动机喷嘴的可视化喷嘴。

背景技术

液体雾化技术应用在多种领域，比如喷涂、制药、粉末冶金、农药喷洒，特别是在各种发动机(液体火箭发动机、冲压式发动机、内燃机、燃气轮机、航空发动机等)上，喷雾特性是影响发动机性能至关重要的特性之一。例如，对于高压直喷发动机来说，喷雾特性对发动机燃烧与排放性能有很大的影响。因此，发动机喷油器喷雾特性的测试，对发动机燃烧系统的设计开发有非常重要的意义。

最新的研究表明，当射流喷射到燃烧室，燃烧室的环境压力小于燃油的饱和蒸气压时，射流就会发生闪急沸腾现象，它相比于传统的高压喷雾能提供：

1、更大的喷雾锥角和更短的贯穿距以避免湿壁现象，燃油稀释和活塞积碳；

2、更好的喷雾雾化和蒸发水平以提供更为稳定的燃烧过程并减少循环变动；

3、即使在较低喷射压力情况下，仍旧保持较好的混合情况和更小的液滴尺寸以减小碳烟排放和降低对高喷射压力的依赖。

这些优点使其成为直喷发动机研究的热点。

对于闪沸条件下的燃油蒸发雾化，目前达成共识的是认为气泡的微爆作用是促使燃油射流或者油滴发生雾化的主要原因。但是气泡产生在喷嘴内部，气泡为何破碎、何时破碎等至今仍不十分清楚。同样在常规喷雾中，喷嘴内部流体流动及其中产生的空穴等现象会对喷嘴外部的射流破碎、蒸发、形态发展等特性造成很大的影响，最终直接会影响燃油的经济性。所以喷嘴内部液体流动状态及其与喷嘴外部的射流破碎、蒸发、形态发展等特性关联性的可视化成为现在国内外直喷发动机研究中最具挑战性的内容之一。

经过现有技术文献的检索发现，国内外尚未有相关专利，而在查阅美国汽车工程师协会(SAE)一篇检索号为2005-01-3684的文章，文中介绍了一款真实尺寸的单孔喷嘴，外部由可视的亚克力玻璃组成，内部由针阀的升程实现喷油，虽然亚克力玻璃易于加工，但这就导致其并不能承受较高的燃油温度和压力，从而无法模拟高温燃油的真实情况，同时该设计虽然实现了喷嘴内外部的可视化，但是由于处于曲面三维环境中，所以只能对孔内外现象进行基本的定性说明，无法对其进行准确的定量测试。同时该喷嘴只能模拟某一尺寸的直喷喷嘴，不具有普遍性。

发明内容

针对现在喷嘴内部液体流动状态及其与喷嘴外部的射流破碎、蒸发、形态发展等特性的关联性的可视化研究装置的设计空白，本发明提出一种可用于内燃机模拟真实直喷发动机喷嘴的可视化喷嘴，该可视化喷嘴具有二维特性，喷嘴内外部流道形状及尺寸均可根据设计要求进行改变，可以同时观察喷嘴内部流体的流动、空穴现象及气泡形成的整个过程，及喷嘴外部喷雾的相应特性并将内外部特性进行定量化关联。该可视化喷嘴可以实现对喷嘴内外部的连续测试，提高实验效率。其次，该喷嘴可以承受很高的流体温度和喷射压力，实现对包括过热流体、闪沸喷雾等液体微粒化作用机理的研究，同时该喷嘴可以模拟各种直喷发动机工况，具有普适性。

本发明的技术解决方案如下：

一种可用于内燃机模拟真实直喷发动机喷嘴的可视化喷嘴，特点在于其构成包括：喷嘴主体，转接头和延伸段透明玻璃，所述的喷嘴主体为合并紧固的两块夹具体，该两块夹具体内部夹持两块主体透明玻璃、精密垫片及其密封的橡胶垫片，所述的精密垫片的纵向狭缝与所述的两块主体透明玻璃之间构成可视化喷嘴的內流道，所述的喷嘴主体的顶部连接所述的转接头，底部连接所述的延伸段透明玻璃，形成喷嘴外流道；所述的精密垫片的形状根据实验要求的可视化喷嘴流道形状设计，所述的精密垫片的纵向狭缝的宽度即可视化喷嘴流道的宽度，所述的精密垫片的厚度即可视化喷嘴流道的厚度，所述的可视化喷嘴流道的宽度与厚度的比值的变化范围为10：1～2000：1。

所述的延伸段透明玻璃之间的厚度通过更改两块外部延伸段的透明玻璃之间的间距进行调节。

本发明的技术效果如下：

本发明可视化喷嘴具有二维特性，喷嘴内外部流道形状及尺寸均可根据设计要求进行改变，可以同时观察喷嘴内部流体的流动、空穴现象及气泡形成的整个过程，及喷嘴外部喷雾的相应特性并将内外部特性进行定量化关联。该可视化喷嘴可以实现对喷嘴内外部的连续测试，提高实验效率。其次，该喷嘴可以承受很高的流体温度和喷射压力，实现对包括过热流体、闪沸喷雾等液体微粒化作用机理的研究，同时该喷嘴可以模拟各种直喷发动机工况，具有普适性。

附图说明

图1为本发明的装配示意图；

图2为本发明的喷嘴夹具体结构示意图；

图3为本发明的喷嘴夹具体与转接头(截面示意图)的装配示意图；

图4为本发明的喷嘴夹具体与夹具体内部透明玻璃装配示意图；

图5为本发明的喷嘴内部密封件、精密垫片及形成的喷嘴内流道示意图；

图6为本发明的喷嘴外部延伸段透明玻璃结构示意图；

图7为本发明的喷嘴用于测试研究示意图；

图中：1-夹具体；1a-内螺纹；1b-密封槽；1c-视窗槽；1d-凹槽；1e-紧固孔；1f-定位孔；1g-紧固孔；2-夹具体内透明玻璃；2a-凹槽；3-精密垫片；4-喷嘴外延伸透明玻璃；4a-紧固孔；5-转接头；5a-外螺纹；5b-外螺纹；5c-流道；6a-周向密封橡胶垫片；6b-侧向密封橡胶垫片；7-喷嘴内流道；8-气泡；9-喷雾；10a-光源；10b-相机；

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做详细说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

请先参阅图1，图1为本发明的装配示意图，如图所示，一种可视化喷嘴，包括：喷嘴主体，转接头5和延伸段透明玻璃4，所述的喷嘴主体为合并紧固的两块夹具体1，该两块夹具体1内部夹持两块主体透明玻璃2、精密垫片3及其密封的橡胶垫片6a、6b，所述的精密垫片3的纵向狭缝7与所述的两块主体透明玻璃2之间构成可视化喷嘴的內流道，所述的喷嘴主体的顶部连接所述的转接头5，底部连接所述的延伸段透明玻璃4形成喷嘴外流道；所述的精密垫片3的形状根据实验要求的可视化喷嘴流道形状设计，所述的精密垫片3的纵向狭缝7的宽度即可视化喷嘴流道的宽度，所述的精密垫片3的厚度即可视化喷嘴流道的厚度，所述的可视化喷嘴流道的宽度与厚度的比值的变化范围为10：1～2000：1。

所述的延伸段透明玻璃4之间的厚度通过更改两块外部延伸段的透明玻璃之间的间距进行调节。

夹具体顶部与转接头5固定连接，底部与两块喷嘴外延伸段透明玻璃4固定连接。

图2是夹具体1的结构示意图，在夹具体1顶部槽内有内螺纹1a，内部有承载透明玻璃的凹槽1d，其顶部及侧面密封槽1b作为密封段，后方有可供观察的视窗槽1c，夹具体上有用于合并两块夹具体时用的紧固孔1e和定位孔1f及与喷嘴外延伸段相连的紧固孔1g。

图3显示的是夹具体1与转接头5的装配示意图，其中对转接头进行了剖视，夹具体1顶部的内螺纹1a与转接头下段的外螺纹5a相配合，同时转接头5上段的外螺纹5b与外部管路相连，外部流体通过转接头的流道5c进入喷嘴内部。

图4显示的是夹具体及置于夹具体凹槽1d内的透明玻璃2，其上方有凹槽2a，起流体导向作用，并且可以产生气穴现象用于研究。

在图5中，显示了置于夹具体内透明玻璃2与转接头5之间的轴向密封橡胶垫片6a及放置在夹具体槽1b内作为密封橡胶垫片6b，同时显示了精密垫片3的形状和放置位置。当将另一个夹具体、透明玻璃及密封材料与其合并、紧固后，由于精密垫片3的特殊形状会在两块透明玻璃间形成一个狭缝7作为高压流体的流道。

图6显示的是喷嘴外部延伸段透明玻璃4，呈平面，其顶部有与夹具体1连接的孔4a，通过改变连接的孔4a此孔在外部延伸段透明玻璃上位置，即采用不同的外部延伸段透明玻璃来调节两块喷嘴外部延伸段透明玻璃的间距。

最终流体通过外部管路流入转接头的流道5c，进入固定密封的两块合并的夹具体1内，通过透明玻璃顶部凹槽2a，流入两块夹具体1内部透明玻璃2与精密垫片3形成的流道7，最终流出喷嘴进入喷嘴外延伸段两块透明玻璃4之中形成喷雾。本发明可通过夹具体视窗槽1c观察喷嘴内部流体流动、空穴现象及气泡形成等规律，同时也可通过喷嘴外延伸段透明玻璃4观察喷嘴外的喷雾破碎、雾化、蒸发及外形特性。图7为即本发明的喷嘴用于测试研究的示意图。

本发明的优点在于：

1.本发明可视化喷嘴，内部流道的宽度和长度方向远远大于厚度方向的尺寸，具有二维流动特性，可观测流道内流体流动、气泡生成及空穴现象。同时可以避免由于真实喷嘴中厚度大导致的气泡叠加而无法对气泡密度及大小进行定量测量的缺点。

2.本发明可视化二维高压喷嘴，内部流道形状可通过调节精密垫片实现，其宽度与厚度的比值的变化范围为10：1到2000：1，从而改变雷诺数等流体重要参数，更易于测量分析流体流动、空穴现象及气泡形成的规律；

3.本发明可视化喷嘴，内部流道形状可以通过调节精密垫片实现，从而获得不同流道长度，短的可以用来模拟真实喷嘴，长的可以在通道内形成足够大的压降，易于形成气泡并观察其结核、长大、碰撞、爆破的全过程，具有普适性；

4.本发明可视化喷嘴，可以通过外部延伸段的平面透明玻璃部分观察喷嘴外部喷雾特性，同时可以通过更换外部延伸段的平面透明玻璃部分来改变外部流道的厚度，使喷雾也具有二维或三维特性，利于观察射流的破碎、雾化、蒸发等特性，从而对喷雾破碎机理进行研究。

5.本发明所提供的用于喷雾测试研究的可视化喷嘴，可以通过喷嘴内外部同时测量，研究喷嘴内部流体流动、气泡特性及空穴现象与喷嘴外部喷雾特性的关联性，了解液体微粒化机理。

6.本发明所提供的用于喷雾测试研究的可视化喷嘴，采用石英玻璃作为透视玻璃部分可以承受-20℃～200℃流体温度和5bar～10MPa的喷射压力，能够模拟真实直喷发动机喷嘴的工况条件，具有普适性。

Claims (2)

1.一种可视化喷嘴，特征在于其构成包括：喷嘴主体，转接头(5)和延伸段透明玻璃(4)，所述的喷嘴主体为合并紧固的两块夹具体(1)，该两块夹具体(1)内部夹持两块主体透明玻璃(2)、精密垫片(3)及其密封的橡胶垫片(6a、6b)，所述的精密垫片(3)的纵向狭缝(7)与所述的两块主体透明玻璃(2)之间构成可视化喷嘴的內流道，所述的喷嘴主体的顶部连接所述的转接头(5)，底部连接所述的延伸段透明玻璃(4)形成喷嘴外流道；所述的精密垫片(3)的形状根据实验要求的可视化喷嘴流道形状设计，所述的精密垫片(3)的纵向狭缝(7)的宽度即可视化喷嘴流道的宽度，所述的精密垫片(3)的厚度即可视化喷嘴流道的厚度，所述的可视化喷嘴流道的宽度与厚度的比值的变化范围为10：1～2000：1。

2.根据权利要求1所述的可视化喷嘴，其特征在于所述的延伸段透明玻璃(4)之间的厚度通过更改两块外部延伸段的透明玻璃之间的间距进行调节。