CN105402069A - 一种柴油机透明喷嘴内空穴流动可视化试验装置 - Google Patents

Abstract

一种柴油机透明喷嘴内空穴流动可视化试验装置。本发明公开了一种柴油机喷油嘴内部流动可视化试验装置。本试验装置包括燃油供给系统、喷射系统、温度控制系统、背压系统和气体循环系统。燃油供给系统包括油箱、第一滤清器、高压油泵、共轨管；喷射系统包括喷油器；温度控制系统包括温度控制单元、第一换热器和第二换热器；背压系统包括定容弹、气体流量控制阀门组件；气体循环系统包括气体循环压缩机、耐压气瓶、气体控制阀门、第二压力变送器。本发明中用透明喷油嘴头部替代原有喷油器头部，配以背压系统、温度控制和气体循环系统，有效消除了雾化柴油模糊窥视窗口和压力场、温度场不稳定问题，实现了高喷射压力下，一定背压和温度环境下柴油机真实尺寸喷油嘴内部流动可视化试验研究。

Description

一种柴油机透明喷嘴内空穴流动可视化试验装置

技术领域

本发明属于柴油机燃油喷雾领域，尤其是一种柴油机真实尺寸透明喷嘴内空穴流动可视化试验装置。

背景技术

面对全球性的能源和环境问题，当前发动机各种新概念燃烧方式的提出以及各种替代燃料的出现等都对燃油喷射系统的性能提出了更高要求。高喷油压力和小喷孔直径的技术发展趋势使得开展喷嘴内部空穴两相流动特性及其对喷雾混合过程影响的研究也俞发重要。因此，近年来发动机燃油喷射系统，尤其是柴油机喷嘴内的空穴两相流动引起越来越多学者的关注。但由于真实尺寸柴油机喷嘴内空穴流动的复杂性，空穴现象的特性，尤其是针阀运动过程对孔内空穴流动瞬态特性的影响尚不清楚，而原型尺寸喷油器内空穴流动的可视化试验研究更是处于初步探索阶段。

要想更深地了解柴油机喷油器喷嘴内空穴流动随针阀运动的瞬态流动特性和流动结构，就必须先弄清楚流动过程中气泡倒吸，气泡扩散和线空穴等特殊现象的机理，这就需要对真实尺寸喷嘴内空穴流动进行相关的试验研究。由于柴油机喷油器一般工作于高压高温环境下，而喷油器的尺寸微小，喷孔直径为0.1-0.2mm数量级，这大大加剧了可视化试验的困难程度。而且完整透明喷油器尚无成熟技术可以加工生产。目前，实验室条件下尚未开展过高压、一定背压和温度环境下柴油机真实尺寸透明喷嘴内空穴流动特性的可视化试验。本发明装置创新性地采用透明喷嘴头部替代原配喷油器头部（喷嘴密封面以下），又自行设计的背压系统、气体循环系统、温度系统等，既保留了喷油器的主要特征尺寸又使得开展柴油机真实尺寸喷嘴内空穴流动可视化试验成为可能。

发明内容

针对现有技术中柴油机真实尺寸喷嘴内空穴流动特性研究装置存在的不足，本发明提出一种可实现高压条件下，一定背压和温度环境下，柴油机真实尺寸透明喷嘴内空穴流动可视化试验装置。本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种柴油机透明喷嘴内空穴流动可视化试验装置，包括燃油供给系统、喷射系统、温度控制系统、背压系统和气体循环系统；所述燃油供给系统包括油箱、第一过滤器、高压油泵、共轨管；所述喷射系统包括喷油器；所述温度控制系统包括控制面板中的温度控制单元、第一换热器和第二换热器；所述背压系统包括定容弹、气体流量控制阀门组件；所述气体循环系统包括气体循环压缩机、耐压气瓶、气体控制阀门、第二压力变送器；

所述油箱与共轨管通过第I回油管路相连，油箱与定容弹通过第II回油管路相连；

所述控制面板、油箱、第一过滤器、第一换热器、高压油泵、共轨管、定容弹依次连接；

所述耐压气瓶通过管路与气体循环压缩机的进口连接，气体循环压缩机出口通过气体流量控制阀门组件与定容弹连接；

所述定容弹内设有若干个第二换热器；所述定容弹内上端设有喷油器，所述喷油器下端装载有透明喷嘴头部；

所述耐压气瓶上设有气体控制阀门和第二压力变送器;

所述第一换热器、第二换热器、均与控制面板中的温度控制单元电性连接；其中，第一换热器用于控制进入共轨管的高压燃油的温度，第二换热器用于控制定容弹内的温度，模拟一定的背压环境。

所述气体控制阀门和第二压力变送器均与控制面板电性连接，根据第二压力变送器数值反馈，控制面板控制气体控制阀门的开度来补充或释放气体。

所述装置还包括第三压力变送器和第四压力变送器，所述第三压力变送器设于共轨管和定容弹之间，所述第四压力变送器设置于定容弹上端。

其中，第三压力变送器用于检测燃油进入定容弹时的压力；第四压力变送器用于监测定容弹内的压力值；

所述耐压气瓶与气体循环压缩机之间设有第三过滤器，所述气体循环压缩机与气体流量控制阀门组件之间还设有第二过滤器，在所述第二过滤器和气体流量控制阀门组件设有第一压力变送器。其中，第三过滤器，完成氮气的粗滤；第二过滤器，完成氮气的精滤；第一压力变送器，用于监测与传递进入定容弹的高压氮气压力值。

所述第一压力变送器、第三压力变送器和第四压力变送器均与控制面板电性连接，用于压力监测与传递。

所述透明喷嘴头部和喷油器由夹具固定连接；所述喷油器的头部被金刚石磨砂片沿喷嘴密封面以下磨掉，再匹配上真实尺寸透明喷嘴头部，替代喷油器原配头部。

所述透明喷嘴头部采用的透明材料为聚碳酸酯，所述透明喷嘴头部为单喷孔、两喷孔或多喷孔。

所述气体循环压缩机为两台或多台，气体循环压缩机之间采用并联方式连接；

所述气体流量控制阀门组件包括气压大小调节阀门、下压力场控制阀门和上压力场控制阀门，所述上压力场控制阀门和下压力场控制阀门用于控制定容弹内部压力场均匀分布；所述气压大小调节阀门连接于上压力场控制阀门和下压力场控制阀门之间，用于在调试阶段调节气压大小。

所述若干个第二换热器均匀分布于定容弹内部，用于控制定容弹内部温度场均匀分布。

本发明所述装置配合高频闪光灯，同步控制器，外触发ECU控制单元和带长工作距离显微镜头的高速相机记录燃油喷射过程中透明喷嘴头部内的空穴两相流动特性。

附图说明

图1是一种柴油机真实尺寸透明喷嘴内空穴流动可视化试验装置的结构示意图；

图2是燃油喷射系统中带透明喷嘴头部的喷油器和用于固定的夹具的示意图。

附图标记说明如下：1、控制面板；2、油箱；3、第一过滤器；4、第一换热器；5、高压油泵；6、定容弹；7、喷油器；8、排气阀；9、第二换热器；10、气压大小调节阀门；11、下压力场控制阀门；12、上压力场控制阀门；13、第一压力变送器；14、第二过滤器；15、气体循环压缩机；16、第三过滤器；17、耐压气瓶；18、气体控制阀门；19、第二压力变送器；20、第三压力变送器；21、第四压力变送器；22、共轨管；23、透明喷嘴头部；24夹具。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

本发明一种柴油机真实尺寸透明喷嘴内空穴流动可视化试验装置的结构示意图如图1所示，包括燃油供给系统、喷射系统、温度控制系统、背压系统和气体循环系统。燃油供给系统包括油箱、第一过滤器、高压油泵、共轨管；喷射系统包括喷油器；温度控制系统包括控制面板中的温度控制单元、第一换热器和第二换热器；所述背压系统包括定容弹、气体流量控制阀门组件；气体循环系统包括气体循环压缩机、耐压气瓶、气体控制阀门、第二压力变送器，使用氮气为定容弹提供压力；共轨管22与油箱2通过第I回油管路相连，定容弹6与油箱2通过第II回油管路相连。控制面板1、油箱2、第一过滤器3、第一换热器4、高压油泵5、共轨管22、第三压力变送器20、定容弹6依次连接，第一换热器4与控制面板1中的温度控制单元相连接，用于控制进入共轨管22的高压燃油的温度。第二换热器9内置于定容弹6内，另一端与控制面板1中的温度控制单元相连接，用于控制定容弹内的温度，模拟一定的背压环境。气体控制阀门18和第二压力变送器19连接于耐压气瓶（17）和控制面板1之间，通过第二压力变送器19控制气体控制阀门18的开度来补充或释放气体。装载有透明喷嘴头部23的喷油器固定设置于定容弹6内上端，透明喷嘴头部23由专门设计的夹具24连接于喷油器7下端。第三过滤器16安装在气体循环压缩机1和耐压气瓶17之间，即安装在气体循环压缩机15的上游侧，完成氮气的粗滤；第二过滤器14安装在气体循环压缩机15的下游侧，完成氮气的精滤。第一压力变送器13连接于上压力场控制阀门12和下压力场控制阀门11的上游，用于监测与传递进入定容弹6的高压氮气压力值。

采用金刚石磨砂片将喷油器7沿喷嘴密封面以下部分磨掉，再匹配上采用聚碳酸酯材料自行加工的真实尺寸透明喷嘴头部23。透明喷嘴头部通过自行设计的夹具24与喷油器固定连接，可承受高达1000bar的高压不泄漏油。喷油器7安装于定容弹6上端。

第二换热器9是由均布于定容弹6内部的多个（四个或六个）换热器组成的换热器组，用于控制定容弹6内部温度场均匀分布。

将一定体积的氮气提供到定容弹6内，开启气体循环压缩机15控制面板1内的电控稳压器及相关气体阀门，使得定容弹6内的压力场维持恒定。上压力场控制阀门12和下压力场控制阀门11用于控制定容弹6内部压力场均匀分布；气压大小调节阀门10主要在调试阶段调节气压大小。

气体循环压缩机15为整个气体循环回路提供循环动力，采用多台并联连接，可以通过调节每个压缩机的功率来满足不同喷射背压环境所需的循环气量，气体控制阀门18通过第二压力变送器19传递的信号调节阀门开度，以保证系统内压力稳定。

本发明一种柴油机真实尺寸透明喷嘴内空穴流动可视化试验装置的使用方法如下：

（1）根据压力变送器的分布将压力传感单元安装在各个管路上，再将相应的信号接收器、数据处理模块、带长工作距离显微镜头的高速相机的图像处理单元连接起来。

（2）将原有真实喷油器沿喷嘴密封面以下部分磨掉（可以采用金刚石磨砂片），通过夹具将聚碳酸酯材料加工而成的透明喷嘴头部固定于上述喷油器下端，替代原有头部，检查安装的气密性，确保在喷射压力达1000bar时不漏油。将喷油器固定于定容弹上端，连接好高压油路，检查安装的紧密性质。

（3）将气体循环系统和温度控制系统与定容弹连接，调节好各阀门开度，检查定容弹气密性，确保无漏气。

（4）安装好高频闪光灯、同步控制器、外触发ECU控制单元、带长距离工作显微镜头的高速相机和工作站，完成调试工作。

（5）开启气体循环系统和温度控制系统，使定容弹内的压力场和温度场稳定在试验所需数值范围。

（6）将柴油按所需喷射压力经低压油泵泵出，再经高压油泵加压泵进共轨管，随后进入喷油器，经喷嘴射至定容弹内。

（7）通过工作站的数据记录软件做好相应管路的压力、温度和流量数据。

（8）观察高速相机所采集到的真实尺寸透明喷嘴内的流动照片，并记录随着针阀运动的空穴流动特性，以便进一步研究柴油机喷嘴内的流动情况。

本发明为填补目前柴油机真实尺寸喷油器内的流动特性可视化试验研究的空白，将原有真实喷油器沿喷嘴密封面以下部分磨掉，并采用聚碳酸酯材料加工而成的透明喷嘴头部替代原有头部。设计加工专用夹具将二者密封连接。透明喷嘴头部根据试验要求可为单喷孔、两喷孔或多喷孔，加之自行设计的背压系统、温度控制系统和气体循环系统有效地消除了现有技术中雾化柴油模糊背压接收腔体窥视窗口和压力场、温度场不稳定问题。采用高频闪光灯作背景光源，采用带长距离工作显微镜头的高速相机记录喷射过程中的喷嘴内流动特性，本发明装置可以完成高喷射压力条件下，一定背压和温度环境下柴油机原型尺寸喷油嘴内部流动的可视化试验，进而能够开展真实尺寸柴油机喷油器内针阀运动对气液两相流动的瞬态流动特性（如空化流动、气泡倒吸，气泡扩散，线空穴现象等）机理的研究。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种柴油机透明喷嘴内空穴流动可视化试验装置，其特征在于：包括燃油供给系统、喷射系统、温度控制系统、背压系统和气体循环系统；所述燃油供给系统包括油箱（2）、第一过滤器（3）、高压油泵（5）、共轨管（22）；所述喷射系统包括喷油器（7）；所述温度控制系统包括控制面板（1）中的温度控制单元、第一换热器（4）和第二换热器（9）；所述背压系统包括定容弹（6）、气体流量控制阀门组件；所述气体循环系统包括气体循环压缩机（15）、耐压气瓶（17）、气体控制阀门（18）、第二压力变送器（19）；

所述油箱（2）与共轨管（22）通过第I回油管路相连，油箱（2）与定容弹（6）通过第II回油管路相连；

所述控制面板（1）、油箱（2）、第一过滤器（3）、第一换热器（4）、高压油泵（5）、共轨管（22）、定容弹（6）依次连接；

所述耐压气瓶（17）通过管路与气体循环压缩机（15）的进口连接，气体循环压缩机（15）出口通过气体流量控制阀门组件与定容弹（6）连接；

所述定容弹（6）内设有若干个第二换热器（9）；所述定容弹（6）内上端设有喷油器（7），所述喷油器（7）下端装载有透明喷嘴头部（23）；

所述耐压气瓶（17）上设有气体控制阀门（18）和第二压力变送器（19）

所述第一换热器（4）、第二换热器（9）、均与控制面板（1）中的温度控制单元电性连接；

所述气体控制阀门（18）和第二压力变送器（19）均与控制面板（1）电性连接。

2.根据权利要求1所述的柴油机透明喷嘴内空穴流动可视化试验装置，其特征在于，还包括第三压力变送器（20）和第四压力变送器（21），所述第三压力变送器（20）设于共轨管（22）和定容弹（6）之间，所述第四压力变送器（21）设置于定容弹（6）上端。

3.根据权利要求1所述的柴油机透明喷嘴内空穴流动可视化试验装置，其特征在于，所述耐压气瓶（17）与气体循环压缩机（15）之间设有第三过滤器（16），所述气体循环压缩机（15）与气体流量控制阀门组件之间还设有第二过滤器（14），在所述第二过滤器（14）和气体流量控制阀门组件设有第一压力变送器（13）。

4.根据权利要求1-3所述的柴油机透明喷嘴内空穴流动可视化试验装置，其特征在于，所述第一压力变送器（13）、第三压力变送器（20）和第四压力变送器（21）均与控制面板（1）电性连接。

5.根据权利要求1所述的柴油机透明喷嘴内空穴流动可视化试验装置，其特征在于，所述透明喷嘴头部（23）和喷油器（7）由夹具（24）固定连接。

6.根据权利要求1所述的柴油机透明喷嘴内空穴流动可视化试验装置，其特征在于，所述透明喷嘴头部（23）采用的透明材料为聚碳酸酯。

7.根据权利要求1所述的柴油机透明喷嘴内空穴流动可视化试验装置，其特征在于，所述透明喷嘴头部（23）为单喷孔、两喷孔或多喷孔。

8.根据权利要求1所述的柴油机透明喷嘴内空穴流动可视化试验装置，其特征在于，所述气体循环压缩机（15）为两台或多台，气体循环压缩机之间采用并联方式连接。

9.根据权利要求1所述的柴油机透明喷嘴内空穴流动可视化试验装置，其特征在于，所述气体流量控制阀门组件包括气压大小调节阀门（10）、下压力场控制阀门（11）和上压力场控制阀门（12），所述上压力场控制阀门（12）和下压力场控制阀门（11）用于控制定容弹（6）内部压力场均匀分布；所述气压大小调节阀门（10）连接于上压力场控制阀门（12）和下压力场控制阀门（11）之间，用于在调试阶段调节气压大小。

10.根据上述权利要求所述的柴油机透明喷嘴内空穴流动可视化试验装置，其特征在于，配合高频闪光灯，同步控制器，外触发ECU控制单元和带长工作距离显微镜头的高速相机记录燃油喷射过程中透明喷嘴头部内的空穴两相流动特性。