CN104481768A - 一种用于可视化发动机测量的示踪剂喷射系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及可视化发动机，具体涉及一种可视化发动机示踪剂喷射系统 。 主要包括缸盖，其特征在于：在缸盖圆心开孔，孔内设有燃料喷射器，能将燃料直接喷射于缸体内；在缸盖进气道一侧开孔，在其孔内设有示踪剂喷射阀，使得示踪剂喷射阀与缸盖的进气道连通。该系统使用独立的示踪剂和燃料喷射系统，可以有效的控制示踪剂的量值，节约成本，提高经济性，同时减少不必要的因为计量过多造成的二次反应问题；同时有效杜绝了当荧光物质浓度过大时,会产生自猝灭的现象。
Description
技术领域
本发明涉及可视化发动机，具体涉及一种可视化发动机示踪剂喷射系统，用于先进的激光诱导荧光技术（PLIF）对其内部燃烧相关的数据进行采集，涉及到燃烧喷雾技术，光学测量手段，检测技术，化学应用技术，计算机收集技术以及影像技术等多个学科的最新技术问题。
背景技术
新一代内燃机燃烧理论与技术的发展使得柴油机和汽油机的技术愈来愈接近，发动机可能会跟据混合燃料成分的变化来组织不同的燃烧方式，因此必须充分认识各种混合燃料的喷雾特性和燃烧特性；从20世纪70年代后至今形成了不同的方法来研究发动机缸内变化过程，一种是模拟燃油喷射和燃烧的方法；还有一种是用光学诊断来可视化发动机缸内的变化过程，光学的方法还被用来核实CFD模拟结果的正确性，利用上述的方法人们对液体分裂与雾化过程有了更加深入的了解；排放法规对柴油机要求越来越严格,这使得有必要获得更加准确的发生在燃油喷射期间的雾化、蒸发以及和着火燃烧相关的物理、化学现象，混合燃料将成为未来发动机使用的主要燃料形式；此外，随着科学技术的发展,在各种潜在的技术手段研究中，使用先进的激光诊断技术来研究柴油机喷雾、雾化、蒸发、混合、着火以及燃烧过程在学术研究和工程应用上占据了更加重要的地位；国内外研究者利用米散射——纹影法、纹影法、瑞利散射激光弹性散射成像技术、复合激光诱导荧光技术等在定容燃烧弹和光学发动机上已经开展了很多关于喷雾贯穿、破碎、浓度场和温度场的研究。
光谱技术，尤其是激光光谱技术在燃烧学的研究中占有不可替代的重要地位，它不但可以给出火焰的温度、物质浓度和速度等重要信息，与其它诊断技术相比，它还具备一些独特的优点：可以对火焰进行在位、非干扰测量，具有非常高的时间和空间分辨率，并且具有二维甚至三维的成像能力；因此，这种诊断技术在无焰燃烧研究中的应用不但有助于更好的理解这一燃烧模态的基础问题，如进行燃烧模型的验证、燃烧机理的确认等，而且有助于促进燃烧在工业领域更为广泛的应用，如帮助设计新型的燃烧器等，但这些研究都存在一些不足之处。
1)环境密度偏低,一般都在35kg/m3以下,现代柴油机普遍使用的EGR和增压技术使现代重型柴油机高负荷工况下上止点环境密度高达60kg/m3以上，因此有必要开展高密度环境下的混合燃料喷雾实验。
2)喷孔直径偏大,喷孔直径小型化是现代柴油机发展的一大趋势,已经由传统的0.3-0.4mm减小到目前的0.1-0.2mm,甚至有向0.10mm以下发展的趋势。
3)传统的LIF法测量混合气浓度常在压力容器，例如定容燃烧弹内标定，但是标定环境与发动机缸内的实际情况差距和误差很大。
4）片光中激光能量分布不可能绝对均匀，同时实际标定时缸内形成的示踪剂与燃料的混合气体的均匀程度不是很理想。
5）常规测量中一般将示踪剂与燃料掺混进行喷射测量和标定，但限于激光的投射角度以及测量范围的限定，不能全面有效的标定发动机内的测量对象。
发明内容
一种用于可视化发动机测量的示踪剂喷射系统，主要包括缸盖，其特征在于：在缸盖圆心开孔，孔内设有燃料喷射器，能将燃料直接喷射于缸体内；在缸盖进气道一侧开孔，在其孔内设有示踪剂喷射阀，使得示踪剂喷射阀与缸盖的进气道连通。
所述的在缸盖进气道一侧开孔指以发动机缸盖轴心线为基准，向外延伸方向三分之一到五分之四位置处开孔。
所述的在缸盖进气道一侧开孔， 将喷射阀置于孔中，采用旋转支架固定和调整，进行喷射阀在孔内的深度以及与入射角度的调节，使得喷射角度朝内侧方向，与发动机缸盖轴心线呈3°-55°。
所述进气道采用螺旋式结构，与示踪剂的喷射均匀混合。
所述进气道，与传统方式不同的方式，其表面均匀布有圆形凹坑，圆形凸起，U型沟槽或V型沟槽，有效的改良流量系数和涡流强度以及流通特性，达到充分有效的与混合燃料的均匀配比，使得可视化测量更加全面。
本发明的目的在于克服现有可视化发动机示踪剂与燃料混合不均，示踪剂不能有效的出现在激光标定的区域以及荧光易猝灭，示踪剂具有强极性且挥发迅速等缺陷，公开了一种借助进气道多点喷射原理，将示踪剂与燃料有效充分混合的示踪剂喷射系统，原理是在进气道安装单独的一个示踪剂喷射阀，在气缸盖上布置了另一个喷嘴，用于喷射燃料。
如图1、2、3所示，采用和传统燃料与示踪剂混合一同喷射方式不同的进气道多点喷射方式，在进气道设置示踪剂单独喷射方式，由进气道喷入，达到更好的分散和配比效果，减少因为与燃料混合的造成的与亲核试剂发生的加成反应和加氢还原反应；同时在激光的照射下，可以用分别喷射的方式，使得激光覆盖和照射到更多的燃烧面，获得有效图像数据；其示踪剂喷射阀可以适用于合适配比的示踪剂，不用担心传统的直接与燃料一起混合喷射造成的微弱反应，提高观测精度；在缸盖另开开孔，位于缸盖圆心的开孔和缸盖进气道一侧的开孔之间，呈一条直线，孔上也放置旋转支架用于固定和调节激光头，调整激光距离和角度，以与发动机缸盖轴心线呈15°到65°为好；应用旋转支架方便调节，可以做到角度和方向的明确记录，减少盲目的调节，节省实验准备时间，示踪剂的喷射阀的位置同样在缸盖上可以进行调节，使得方向与燃料的喷雾方向达到优化混合，达到均匀。
附图说明
图1可视化发动机测量的示踪剂喷射系统燃料与示踪剂喷入示意图。
图2可视化发动机测量的示踪剂喷射系统燃料与示踪剂在燃烧室混合示意图。
图3可视化发动机测量的示踪剂喷射系统燃料与示踪剂在燃烧室点燃示意图。
1—ICCD相机 2—活塞 3—激光穿过的横断面 4-示踪剂喷射阀 5—缸盖视窗 6—激光束 7—燃料喷射器 8—观测窗 9—蓝宝石环 10—反射镜。
具体实施方式
（1）采用常规的体积分数为10%的3-戊酮（方案一），或者体积分数为10%的丙酮（方案二）以及体积分数为9%的3-已酮与体积分数为1%的3-戊酮以按体积比4:1的比例混合（方案三）中的一种示踪剂配比方案单独置于示踪剂喷射阀。
（2）将常用的荧光效应弱的异辛烷或者正戊烷作为替代燃料，通过喷射系统控制，置于燃料喷射器中，激光打开，调整角度至与发动机缸盖轴心线呈15°到65°。
（3） 活塞在曲轴的带动下由上止点移至下止点；此时进气门开启，排气门关闭，曲轴转动180°，此时示踪剂和空气快速混合后进入汽缸内，与替代燃料在汽缸内进一步混合形成可燃混合气。
（4） 进、排气门同时关闭，活塞从下止点向上止点运动，曲轴转动180°，活塞上移，工作容积逐渐缩小，缸内混合气受压缩后压力和温度不断升高，到达压缩终点，测量数据和图像清晰的呈现在电脑。
（5）当活塞接近上止点时，由火花塞点燃可燃混合气，混合气燃烧释放出大量的热能，使汽缸内气体的压力和温度迅速提高，高温高压的燃气推动活塞从上止点向下止点运动，并通过曲柄连杆机构对外输出机械能；在整个过程中，示踪剂均匀有效地喷入，在片状光源的照射下，根据示踪剂的分布和扩散情况，得出精确数据和图像。
该系统的主要有一下优点：
（1）该系统有较大的扫气系数，可以有效的降低发动机活塞，缸盖以及排气的温度，对于常用的丙酮，3—戊酮等示踪剂C=O双键活泼，高温易燃，导致容器内压力增大，以及极易发生微弱的爆炸等在测量中不利的因素起到很好的抑制作用，较好的增加荧光分析灵敏度，对于结果的精确测量有很大的指导意义。
（2）该系统可以有效的对喷嘴直径以及在缸盖的安装的角度，位置和方向等进行合理的优化，具有针对不同拍摄角度的合理安放位置，使得实验数据更加具有可靠性。
（3）该系统可以有效利用示踪剂蒸汽常比空气重的特点，提供一定的空间使得他们在较低处扩散到相当远的地方，这样使得示踪剂更加充分的分散在被测气体中，使得激光测量有更大的范围，测量结果也更具代表性。
（4）该系统燃料与荧光剂相对混合时间比传统方式要短，可以有效的防治有些燃料荧光效应略强的特点，测量的精度明显提高
（5）该系统使用独立的示踪剂和燃料喷射系统，可以有效的控制示踪剂的量值，节约成本，提高经济性，同时减少不必要的因为计量过多造成的二次反应问题；同时有效杜绝了当荧光物质浓度过大时,会产生自猝灭的现象。
（6）该系统可以有效的防治荧光淬灭效应，因为这种系统有效的降低了部分部件的温度，使得预防了在高温高压下，粒子浓度大，自由程短，淬火效应明显的特点，使得有效的接受到荧光光谱。
（7）该系统性质稳定，不影响主流体的流动状态。不与主流体发生反应，在燃烧室内瞬间加入，同时在出口处对流体浓度进行实时监测，高效方便；对于PLIF测量达到较精确的目的提供可行依据。
Claims (5)
1.一种用于可视化发动机测量的示踪剂喷射系统，主要包括缸盖，其特征在于：在缸盖圆心开孔，孔内设有燃料喷射器，能将燃料直接喷射于缸体内；在缸盖进气道一侧开孔，在其孔内设有示踪剂喷射阀，使得示踪剂喷射阀与缸盖的进气道连通。
2.如权利要求1所述的一种用于可视化发动机测量的示踪剂喷射系统，其特征在于：所述的在缸盖进气道一侧开孔指以发动机缸盖轴心线为基准，向外延伸方向三分之一到五分之四位置处开孔。
3.如权利要求1所述的一种用于可视化发动机测量的示踪剂喷射系统，其特征在于：所述的在缸盖进气道一侧开孔，将喷射阀置于孔中，采用旋转支架固定和调整，进行喷射阀在孔内的深度以及与入射角度的调节，使得喷射角度朝内侧方向，与发动机缸盖轴心线呈3°-55°。
4.如权利要求1所述的一种用于可视化发动机测量的示踪剂喷射系统，其特征在于：所述进气道采用螺旋式结构，与示踪剂的喷射均匀混合。
5.如权利要求4所述的一种用于可视化发动机测量的示踪剂喷射系统，其特征在于：所述进气道，与传统方式不同的方式，其表面均匀布有圆形凹坑，圆形凸起，U型沟槽或V型沟槽，有效的改良流量系数和涡流强度以及流通特性，达到充分有效的与混合燃料的均匀配比，使得可视化测量更加全面。
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