CN106441912B - 一种多功能喷雾与燃烧可视化测量定容弹 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种多功能喷雾与燃烧可视化测量定容弹，包括弹体和弹体上开设的六个窗口，各窗口轴线相交于定容弹中心，形成测量区域，窗口能安装不同功能的适配盖，采用多重密封设计，使容弹能够承受极端的压力和温度载荷，实现大范围的温压可调。采用适配器设计确保定容弹可以使用各种类型传感器。弹体上开有多组进气导向孔，在确保进气压力稳定、测量区域不受干扰的同时保护石英视窗不受油雾及燃烧产物污染，实现连续测量。本发明可为阴影/纹影、激光诱导荧光、粒子图像测速和光谱测温等一种或多种组合测试技术提供灵活的光路布置，结构紧凑，实现对喷雾雾化、蒸发、空气掺混、混合气分布、燃烧及过程产物特性等的研究，测量参数范围广，具有普适性。

Description

一种多功能喷雾与燃烧可视化测量定容弹

技术领域

本发明涉及一种多功能喷雾与燃烧可视化测量定容弹，属于内燃机研究领域。

背景技术

不断提高的排放标准和日益严峻的能源危机问题对发动机技术提出了新的挑战，而在发动机缸内进行的燃油喷射、蒸发、混合以及燃烧过程对于整个发动机的动力性、经济性以及排放特性有着至关重要的影响。因此，只有充分掌握燃油喷雾与燃烧特性才能实现对发动机缸内整个燃烧过程的精确控制，解决柴油机经济性和排放性的矛盾，并为发动机燃烧理论基础研究及新型燃烧系统开发提供支持，实现节能减排的目标。

计算机仿真技术的发展为发动机研发，特别是新型高效低排燃烧系统的设计研究提供了重要的手段，但这仍然需要对燃油的雾化及燃烧过程进行可视化测量及定量分析，从而为模型建设及数值计算工作提供试验验证和精度优化。但燃油的喷射与燃烧过程发生在发动机缸内高温高压的环境下，传统的接触式测量方式即干扰了实际流场由无法获得精确和全面的特征参数信息。而以激光技术为主的光学诊断技术的不断进步为深入研究发动机喷雾与燃烧过程提供了可靠的实验数据支持。因此，目前亟待解决的就是设计出一个能够为多种光学诊断技术提供灵活光路布置，同时又能够真实模拟发动机缸内高温高压环境的可视化装置，定容燃烧弹则是其中之一。

对于能够满足发动机先进燃烧系统设计开发工作的定容燃烧弹系统应该同时具有安全性、稳定性、连续性、准确性、灵活性和普适性。具体来说：

1)安全性：弹体和石英窗的结构强度应能够承受其内部的高温、高压载荷。

2)稳定性：定容弹应该有高效的密封及保温设计，确保测量区域内的温度和压力在试验过程中始终保持稳定。

3)连续性：定容弹的进气与排气过程能够迅速的将喷雾油滴或燃烧产物排除干净，同时还能保证石英视窗不受污染，确保试验可以连续进行。

4)准确性：一方面定容弹应具有多个用来检测内部环境工况的传感器孔；另一方面应能兼容多种不同类型的温度及压力传感器，从而确保对定容弹内部温度和压力条件的准确把握。

5)灵活性：定容弹应能够为多种光学诊断技术提供灵活的光路布置，具有为多种诊断技术同场测量提供光路条件的能力。

6)普适性：定容弹内的温度及压力条件具有较大的可调范围，满足不同发动机燃烧系统设计的需求，同时配合多种光学测量方案，具有对多种燃烧系统设计中多个关键参数进行准确测量的能力。

定容弹的两个关键性能参数就是环境温度与压力。为了能够适应现代柴油机燃烧系统研发的需求，就需要定容弹内部能够达到并维持极高的温度及压力条件。

传统的定容弹常采用燃气在容弹内混合燃烧的方式实现高温环境，这种方法虽然快速，但是如果不能精确控制混合气各项成分的比例，往往容易出现安全隐患；另外试验在温度及压力下行降低到预设值的时候进行测量，因此准备时间短、误差大。除此之外，有些定容弹也采用进气加热的方式，但是这种方案的缺点是浪费大量环境气体，气体介质本身热容很低，能够携带的热量有限，还要有很大一部分的热量通过排气损失掉，所以实际的加热效果及定容弹内所能达到的稳定的温度上限值都不理想。同时，为了维持定容弹内的高温，需要不断通入的高温气体流量很大，这样必然会对测量区域产生明显的干扰。与上述的两种加热方式相比，内置电加热器对弹体内部环境气体进行加热的方式以其安全性高、加热效果明显的特点得到了采用。

提高定容弹压力性能参数的关键问题则是视窗盖与弹体之间的密封。已有的专利如：新型燃油喷雾可视化实验装置(专利申请号为201310183178.X)等往往只采用O型密封圈或只采用垫片进行密封，而对于喷雾可视化装置而言，石英玻璃处宜采用垫片密封，以提高密封面积，而视窗盖与弹体的连接采用O型密封圈更为方便，二者组合使用能够有效提升定容弹的最大压力上限。已申请的定容弹视窗专利：一种定容弹视窗(专利申请号201410577231.9)提出了视窗盖与弹体的连接使用橡胶垫片，而使用两道涂有硅胶的金属垫圈分别配合橡胶垫片和O型密封圈用于石英玻璃与视窗盖和定容弹弹体的密封。这种连接方式一是过于繁杂，共计使用了2个不同规格的橡胶垫片，2个涂有硅胶的金属垫圈和1个O型密封圈，并且有着严格的安装顺序要求；二是并无必要，制作涂有均匀硅胶的金属垫圈较为不便，在低温环境侧(石英玻璃与视窗盖)使用硅胶垫圈便足以满足要求。而专利：一种自紧密封式定容弹光学玻璃窗口(专利申请号为:201110002695.3)，虽然在保证密封性能的同时方便了视窗盖的拆装，但是其内侧安装螺孔的存在减小了定容弹的测试区域，无法实现大视场测量。除此之外，上述的两种连接方式均未考虑石英玻璃与视窗的安装配合问题，这就要求石英玻璃与视窗具有较高的匹配精度，无形中增大了加工难度。

传统的定容弹需要繁琐的清理工作，往往是经过短时间的试验之后就要对定容弹内的燃油及燃烧产物进行清理，同时擦拭污染的石英视窗，从而影响实验数据的采集质量与效率。已有的专利如：一种喷雾定容弹测试弹体(专利申请号为201010272629.3)考虑到了油雾污染视窗问题，但其进气孔分布于顶盖上，距离视窗较远，并不能很好的起到隔绝油雾和促进弹内气体均匀分布的作用。

目前，很多的定容弹设计无法实现试验的连续测量，除了石英视窗的污染问题之外，一个主要的原因是无法在短时间内通过进排气过程有效地将定容弹内存留的污染物排出干净。已有的专利如：一种球形多功能定容弹(专利申请号为201410178854.9)虽然能够实现连续测量，但其大流量的进排气过程很容易在定容弹内产生较强的大尺度气流运动，从而对试验与测试结果产生影响。

除此之外，内燃机研究领域涉及到的喷雾与燃烧研究，往往需要使用不同的喷油器或喷气阀，定容弹在设计时需要考虑对不同喷油器的适配性；在进行实验时，有时为了光路布置的方便，需要将喷油器装配在定容弹的下盖或侧盖位置，这就要求定容弹各窗口之间具有互换性。

在定容弹的使用过程中，还需要安装多种传感器以实现对定容弹内的参数测量。因不同试验要求需要使用不同的传感器，其安装螺纹往往不同；频繁更换弹体上的传感器时容易造成传感器螺纹的损坏，造成整个传感器无法使用。这就要求定容弹在设计时应考虑到对传感器的拆装问题。同时，传感器的插入位置应最大限度的避免对测试区域流场以及测试光路产生影响。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种多功能喷雾与燃烧可视化测量定容弹，可以模拟内燃机缸内极端环境(温度、压力、气体组分)的装置，适合燃油喷雾与燃烧基础科学问题的激光诊断与测量研究。

本发明的目的是这样实现的：包括定容弹的弹体、设置在弹体上的六个窗口、安装在六个窗口内的适配盖板，所述六个窗口两两相对布置并形成三条光路，且每个窗口的直径相等、各窗口的轴线相交与定容弹的中心，所述适配盖板包括喷油器适配盖板、视窗适配盖板和加热器适配盖板，且适配盖板与对应窗口的连接处设置有O型密封圈，位于弹体四个侧面上的窗口上开设有八个进气导向孔，每个进气导向孔的上游与混气稳压腔连接，所述弹体上设置有四个倾斜的传感器适配安装孔，每个传感器适配安装孔中设置有传感器适配器，传感器适配器中设置传感器。

本发明还包括这样一些结构特征：

1.八个进口导向孔采用斜插式设计，且每个进气导向孔与垂直方向夹30度角。

2.弹体的四个侧面的窗口中安装视窗适配盖板，上方的窗口安装喷油器适配盖板，下方的窗口安装加热器适配盖板。

3.所述视窗适配盖板包括弹体连接的视窗盖盖体、石英玻璃，石英玻璃和弹体、视窗盖盖体之间分别通过耐高温垫片和硅胶垫片进行密封，且石英玻璃的周向设置有固定用垫片；所述喷油器适配盖板上设置有喷油器安装孔，喷油器安装孔内安装喷油器；所述加热器设配盖板与位于弹体内的环向加热器连接。

4.耐高温垫片是聚四氟乙烯垫片、石墨金属缠绕垫片或铜垫片。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明结构紧凑，强度高，安全性好；内部环境温度及压力的可调范围大，能够满足内燃机先进燃烧系统设计的要求；能有效的保护视窗区域免受油雾干扰，在对测量区域不产生干扰的前提下实现连续测量，提高测试效率；同时，六个窗口形成的3条大口径光通路可以满足不同测试技术的需求，配合米氏散射法、阴影/纹影法、激光诱导荧光法、激光诱导白炽光法以及粒子图像测速等测试技术对喷雾的雾化、蒸发、混合、燃烧、过程产物生成等特性进行研究。具体的说是：

1)适配盖板通过螺栓固定可与六个窗口实现任意方式组合布置，周向均匀分布的12个紧固螺丝确保了盖板各向受力均匀，提高了密封效果。提出了一种适用于高温环境下的视窗盖组合密封方式：所述的视窗盖可与相应的石英玻璃匹配，通过机械连接安装到弹体上。定容弹各面具有一个或多个密封槽，视窗盖与弹体之间通过O型密封圈密封，石英玻璃和弹体、视窗盖之间分别通过耐高温垫片(如四氟垫片或缠绕石墨垫片)和硅胶垫片进行密封，且石英玻璃的周向具有固定用垫片，降低了石英玻璃与视窗盖的配合精度要求。

2)进气系统采用八个进气导向孔同时进气的方式，外置高压混气稳压腔将稳压后的高压气体通过两两布置在四个侧面窗口附近的进气导向孔通入到定容弹内部，在石英视窗表面形成气膜，从而保护视窗不受污染。同时，可以采用较大进气流量将气体分八个通路送入定容弹内部与安装在低端盖板上的排气孔配合完成实时的定容弹内部排污与换气，而此过程还能够保证不会对定容弹中心的测量区域产生干扰，从而大大降低了定容弹的清理次数，提高了实验数据质量和实验效率。

3)提出使用适配器来安装传感器的方式，即首先将传感器安装到适配器上，再将适配器安装到弹体的传感器孔中。这样既可以根据不同燃烧系统开发的需要灵活选配适合的温度及压力传感器，同时也保护了传感器螺纹，确保定容弹的高密封性。

4)喷油器适配盖板可以适配安装多种结构的喷油器，同时隔热板的设计也可以有效降低喷油器的热负荷。底部适配盖板采用电加热的形式对定容弹进行加温，提高了定容弹的安全系数和能量使用效率。

5)六个尺寸一致的大口径视窗组成的三组光路两两垂直，能够实现灵活的光路布置，配合米氏散射法、阴影/纹影法、激光诱导荧光法、激光诱导白炽光法、粒子图像测速多项测试技术对喷雾的雾化、蒸发、混合、燃烧过程以及过程产物生成特性等基础科学问题进行研究。

附图说明

图1为本发明的整体外观示意图；

图2为混气稳压腔的三维结构图；

图3为定容弹三维结构图(O型圈密封槽未画出)；

图4为定容弹水平截面三维图(O型圈密封槽未画出)；

图5为传感器适配器示意图；

图6为装上所有适配盖板后定容弹垂直截面图；

图7为喷油器顶盖结构图；

图8为视窗盖与弹体密封方式示意图；

图9为多功能喷雾与燃烧测试定容弹的实施实例。

图中：1-定容弹弹体；1a-窗口；1b-O型圈密封槽；1b1-O型密封圈；1c-进气导向孔；1d-传感器适配安装孔；2-适配盖板；2a-喷油器适配盖板；2a1-喷油器压紧装置；2b-视窗适配盖板；2b1-视窗盖盖体；2b2-石英玻璃；2c-加热器适配盖板；2c1-陶瓷红外加热器；3-混气稳压腔；3a-混气稳压腔进气口；3b-混气稳压腔出气口；3c-混气稳压腔压力表安装口；4-传感器适配器；-传感器；6-喷油器；7-垫片；7a-耐高温垫片；7b-硅胶垫片；7c-固定用垫片；8-激光器；9-片光组件；10-氙灯；11-纹影镜；12-反射镜；13-ICCD相机；14-CCD相机。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

本发明提供的一种多功能喷雾与燃烧可视化测量定容弹，其外观示意图如图1所示，主要包括：定容弹弹体1、适配盖板2和混气稳压腔3。定容弹弹体通过安装不同功能的适配盖板来固定喷油器、电加热器、石英玻璃等设备，可以实现不同的光路和功能。混气稳压腔上有1个进气口3a和8个出气口3b以及1个压力表安装口3c，用于保证进气压力稳定，如图2所示。

定容弹弹体的结构图如图3和图4所示，定容弹弹体上开有6个窗口1a，每个窗口外侧开设有O型圈密封槽1b，见图8，窗口与适配盖板采用直口配合的设计，提高适配盖板的安装质量。弹体上开设了八个进气导向孔1c，每个导向孔的上游与一个大的混气稳压腔3相连接。由于八孔同时进气，使通过每个进气导向孔的进气量很小，不会在定容弹内部产生强烈的气流运动，确保在测量区域形成一个稳态的测量环境。八个进口导向孔1c采用斜插式设计，每个进气导向孔与垂直方向夹30度角，两两对称布置在侧面窗口的两侧，引导进入定容弹内的气体吹向石英玻璃表面，从而在玻璃表面形成了一层具有保护作用的气膜，有效阻挡油滴及燃烧产物接触石英窗，防止其对视窗的污染，从而为实验提供一个可实现连续测量的稳态环境。

弹体上端设有四个传感器适配安装孔1d，可以通过传感器适配器4安放不同类型的压力传感器、热电偶等探测装置。如图5所示，先将传感器安装到适配器上，然后将适配器安装到传感器适配安装孔1d上。传感器适配安装孔采用斜插式设计，使传感器靠近测量区域的同时并不会对测量区域产生干扰。

适配盖板2包括但不限于喷油器适配盖板2a、视窗适配盖板2b和电加热器适配盖板2c。装上适配盖后的定容弹垂直截面剖面图如图6所示。电加热器适配盖板2c将大功率电热丝盘绕到陶瓷套2c1中，陶瓷套安置在适配盖板上并紧贴定容弹内表面，从而在相同盘绕圈数的条件下有效增大电热丝实际长度，确保在不干扰测量区域的前提下实现对定容弹内部的快速加热。由于定容弹的6个窗口完全相同，所以不同类型之间的适配盖板可以互换位置，根据采用的光学诊断技术对光路的需求以及试验边界条件的设定来自由组合。

喷油器适配盖板2a可按图7所示方式与多种喷油器匹配，喷油器适配盖板上开有喷油器安装孔，安装孔可以兼容发动机多款常用喷油器，顶盖适配器通过夹具2a1给喷油器施加轴向预紧力，将喷油嘴拧紧帽和铜垫片2a2与适配器盖板的安装孔最前端小孔端面压紧，实现密封。

图8为视窗适配盖板与弹体密封方式示意图，视窗适配盖板2b包括视窗盖盖体2b1、石英玻璃2b2和垫片7，视窗盖盖体与弹体之间通过O型密封圈密封，石英玻璃和弹体、视窗盖盖体之间分别通过耐高温垫片7a和硅胶垫片7b进行密封，且石英玻璃的周向具有固定用垫片7c。

耐高温垫片可以是聚四氟乙烯垫片、石墨金属缠绕垫片或铜垫片。

图9为本发明的一个实施例，是联合激光诱导荧光法和阴影/纹影法进行测试，图中垂直于纸面方向的为激光诱导荧光法光路，在纸面内的为纹影光路。本实施例中共用到了3个光学通路，表明该定容弹能够实现灵活的光路布置，配合米氏散射法、阴影/纹影法、激光诱导荧光法、激光诱导白炽光法、粒子图像测速多项测试技术对喷雾的雾化、蒸发、混合、燃烧过程以及过程产物生成特性进行研究。

本发明包括弹体1和安装在弹体上六个窗口1a的适配盖板2，所述的六个窗口两两相对布置，每个窗口直径相等，形成三条光路，其中两组侧面视窗的轴线呈水平布置，一组上下视窗的轴线呈垂直布置，三组窗口的轴线在空间上彼此垂直且相交于弹体内的一点，并在此附近形成测量区域，也即三对视窗的轴线相互垂直，在空间结构上组成了X、Y、Z坐标系，坐标原点即在定容弹中心的测试区域。

所述的适配盖板2包括但不限于喷油器适配盖板2a、视窗适配盖板2b和加热器适配盖板2c。

适配盖板2通过螺栓固定可与六个窗口实现任意方式组合布置，每个窗口外侧根据设计需求开设有一个或多个O型圈密封槽1b，确保可以将定容弹内部环境压力长时间维持在设定值。弹体1开设了八个进气导向孔1c，每个导向孔的上游与一个大的混气稳压腔3相连接。八个进口导向孔1c采用斜插式设计，每个进气导向孔与垂直方向夹30度角，两两对称布置在侧面窗口的两侧，引导进入定容弹内的气体吹向石英玻璃表面。弹体上开设四个传感器适配安装孔1d，可以通过传感器适配器4同时安放多个不同类型传感器，对定容弹内的温度及压力等环境条件进行实时监控。也即可以安装压力传感器、热电偶等附件。而传感器与安装孔之间采用适配套连接，即首先将传感器安装到适配套上，再将适配套安装到弹体的传感器孔中，这样既可以使同一个传感器孔安装不同类型的传感器，同时又可以避免因不同试验的不同需求而频繁更换弹体上的传感器，造成对传感器螺纹的永久损失，导致出现无法密封的问题。传感器适配安装孔采用斜插式设计，使传感器靠近测量区域，在实现对定容弹内环境进行测量的同时，确保不会对测量区域产生干扰。

提出了一种适用于高温环境下的视窗盖组合密封方式：

所述适配盖板中的视窗适配盖板2b包括视窗盖盖体2b1、石英玻璃2b2和垫片7，视窗盖盖体与弹体之间通过O型密封圈密封，石英玻璃和弹体、视窗盖盖体之间分别通过耐高温垫片7a和硅胶垫片7b进行密封，且石英玻璃的周向具有固定用垫片7c；

所述的耐高温垫片7a可以是聚四氟乙烯垫片、石墨金属缠绕垫片或铜垫片。

所述的视窗适配盖板可与相应的石英玻璃匹配，通过机械连接安装到弹体上。定容弹各面具有密封槽，视窗盖盖体与弹体之间通过O型密封圈密封，石英玻璃和弹体、视窗盖盖体之间分别通过耐高温垫片铜垫片或聚四氟乙烯垫片和硅胶垫片进行密封，且石英玻璃的周向具有固定用垫片，从而保证了很高的密封性，并降低了石英玻璃与视窗盖的配合精度要求。

所述的喷油器适配盖板可与多种喷油器匹配。喷油器适配盖板上开有喷油器安装孔，安装孔可以兼容发动机多款常用喷油器。喷油器与适配盖板的密封是通过夹具给喷油器施加轴向预紧力将喷油器前端的油嘴拧紧帽和铜垫片与适配器盖板最前端小孔压紧，实现密封。所述的喷油器适配盖板可以与视窗适配盖板进行位置互换。

所述的电加热器适配盖板，将大功率加热器环向安置在定容弹底盖上，承装电热丝的陶瓷套紧贴定容弹内表面，最大限度增加电热丝的长度，确保在不干扰测量区域的前提下实现对定容弹内部的快速加热。

所述的定容弹采用多进气道分开进气的方法：进气导向孔的上游与一个大的混气稳压腔相连接，以保证气流的稳定；八只进气导向孔分四组分别布置在四个侧向窗口处，由于进气孔数量较多，因此即使在总换气量很大的情况下，每个进气导向孔的进气流量都较小，从而即有效避免在定容弹中心的测量区域产生大尺度的气流扰动，同时又可以将定容弹四周的死区内残余的污染物快速的从定容弹下端盖板上开设的一个或多个排气孔排出。另外，八只进气导向孔均采用斜插式设计，每个进气导向孔与垂直方向夹30度角，两两对称布置在侧面窗口的两侧，引导进入定容弹内的气体吹向石英玻璃表面，从而在玻璃表面形成一层气膜，有效阻挡油滴及燃烧产物对石英窗的污染，为实验提供一个可实现连续测量的环境，显著提高了测量效率。

Claims (4)

1.一种多功能喷雾与燃烧可视化测量定容弹，其特征在于：包括定容弹的弹体、设置在弹体上的六个窗口、安装在六个窗口内的适配盖板，所述六个窗口两两相对布置并形成三条光路，且每个窗口的直径相等、各窗口的轴线相交与定容弹的中心，所述适配盖板包括喷油器适配盖板、视窗适配盖板和加热器适配盖板，且适配盖板与对应窗口的连接处设置有O型密封圈，位于弹体四个侧面上的窗口上开设有八个进气导向孔，每个进气导向孔的上游与混气稳压腔连接，所述弹体上设置有四个倾斜的传感器适配安装孔，每个传感器适配安装孔中设置有传感器适配器，传感器适配器中设置传感器；所述视窗适配盖板包括弹体连接的视窗盖盖体、石英玻璃，石英玻璃和弹体、视窗盖盖体之间分别通过耐高温垫片和硅胶垫片进行密封，且石英玻璃的周向设置有固定用垫片；所述喷油器适配盖板上设置有喷油器安装孔，喷油器安装孔内安装喷油器；所述加热器设配盖板与位于弹体内的环向加热器连接。

2.根据权利要求1所述的一种多功能喷雾与燃烧可视化测量定容弹，其特征在于：八个进气导向孔采用斜插式设计，且每个进气导向孔与垂直方向夹30度角。

3.根据权利要求1或2所述的一种多功能喷雾与燃烧可视化测量定容弹，其特征在于：弹体的四个侧面的窗口中安装视窗适配盖板，上方的窗口安装喷油器适配盖板，下方的窗口安装加热器适配盖板。

4.根据权利要求1所述的一种多功能喷雾与燃烧可视化测量定容弹，其特征在于：耐高温垫片是聚四氟乙烯垫片、石墨金属缠绕垫片或铜垫片。