CN106989933A - 一种液滴碰壁实验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种液滴碰壁实验装置及方法，该装置包括液滴注射系统、加热系统、可视化系统以及信号控制系统。该实验装置及方法能够有效控制液滴大小、液滴种类、液滴碰壁角度、壁面温度等各个影响液滴碰壁的因素，进而分别探究单一因素的变化对液滴碰壁的影响，以便于探究液滴碰壁的机理，寻找提高发动机经济性与抑制超级爆震的方法。

Description

一种液滴碰壁实验装置及方法

技术领域

本发明涉及液滴碰壁实验装置及方法。

背景技术

对于缸内直喷发动机，随着其向结构小型化与高增压、高喷油压力的方向发展，燃料由于蒸发时间有限等原因容易撞击并附着在气缸壁以及活塞壁上形成附壁油膜，造成实际燃油损失，降低了发动机经济性。同时，因为本循环中的油膜蒸发量很少，因此还会影响发动机后续工作循环的混合气形成。随着附壁油膜的不断积累，会在局部形成一个富燃料区，造成碳烟颗粒物排放大大增加，并且形成积碳。而积碳相当于一个个的热点，在缸内温度较高时，易使其周围的混合气自燃，从而产生超级爆震，严重损坏发动机。因此，可以从液滴碰壁方向来研究提高发动机经济性以及抑制超级爆震的方法。

现有技术中的液体碰壁实验，一般是使用液滴撞击试验台上的液膜，而并非直接撞击试验台平面，并且该试验台也不会被加热，这就导致该实验模型与真实的发动机内部工况相差较远。首先，传统的实验装置中，试验台不会被加热，导致不能很好模拟发动机的高温气缸壁；其次，传统的实验方法，其信号采集，处理较为繁琐；最后，本发明技术方案改进了现有技术方案中实验信号数据的后处理方式；以上优点使得本发明技术方案的模拟更加真实、准确，对实验数据的采集和处理更加高效、合理。

发明内容

有鉴于此，根据液滴碰壁的特点，本发明提供了一种液滴碰壁的实验装置及方法，以模拟发动机内的液滴碰壁现象。由于发动机工作时其环境复杂多变，影响液滴碰壁的因素较多，诸如碰壁速度、碰壁角度、液滴组分、壁面温度等，因此需要控制变量，分别探究单一因素的变化对液滴碰壁的影响。

一种液滴碰壁实验装置，该实验装置包括：液滴注射系统、加热系统、可视化系统以及信号控制系统，其特征在于：加热系统包括可改变倾斜角度的倾斜台，倾斜台上放置可改变加热温度的恒温加热平台。

较佳地，液滴注射系统包括支撑液滴注射系统的支架、设置在支架上的注射泵步进电机、由注射泵步进电机驱动的注射器台架、安装在注射器台架上的可更换的注射器。

优选地，通过注射泵步进电机驱动注射器台架来控制注射器使液滴滴落；通过改变注射器针管的口径来控制液滴尺寸；通过改变注射泵步进电机在支架上的位置来改变液滴下落高度，进而改变液滴碰壁速度；通过改变注射器中的溶液组分类型来测试不同燃料的液滴碰壁现象。

优选地，通过改变恒温加热平台的实验平面温度来控制液滴碰壁时的壁面温度；通过改变恒温加热平台与水平面之间的角度来改变液滴碰壁时的碰壁角度；通过加工恒温加热平台实验平面获得不同的粗糙度，来探究壁面粗糙度对液滴碰壁的影响。

优选地，可视化系统包括高速摄像机、为高速摄像机提供光源的氙灯、使氙灯灯光均匀分布的匀光片、与高速摄像机相连并控制高速摄像机参数的计算机。

优选地，信号控制系统包括与计算机连接，且安装在注射器正下方的触发装置，触发装置包括槽型光电开关、光电开关检测仪和延迟控制系统。

优选地，当液滴穿过槽型光电开关时，光电开关会产生一个阶跃信号，检测仪检测到该阶跃信号并将其输入至延迟控制系统，根据不同的实验条件通过延迟控制系统向高速摄像机输入延迟触发信号，来控制高速摄像机的触发时刻，以保证液滴碰壁过程记录的完整性。

本发明还公开了一种液滴碰壁实验的实验方法，包括如下步骤：

步骤1、使用无水乙醇清洗恒温加热平台的实验平面，防止实验平面上的杂质影响实验结果；

步骤2、用水平仪确定并调整实验平面的倾斜角度，倾斜角度确定后固定可倾斜的恒温加热平台；

步骤3、将实验所用液体注入注射器内，并将注射器固定在注射泵上；

步骤4、用量尺确定并调整注射器针尖与恒温加热平台实验平面的铅垂距离，铅垂距离确定后固定整个液滴注射系统；

步骤5、控制注射泵步进电机驱动注射器滴一滴实验液滴在实验平面上，确定液滴滴落的大致位置；

步骤6、设置高速摄像机的相关参数；

步骤7、调整高速摄像机镜头焦距至液滴滴落的大致范围内，再次滴一滴液滴，拍摄液滴碰壁过程，观察实验图像是否清晰，重复以上过程，直至能够清晰地观察到整个液滴碰壁过程；

步骤8、将一标定尺置于焦距平面内，拍摄以确定液滴实际尺寸；

步骤9、再次清洗实验平面，加热实验平面至所需温度；

步骤10、正式实验时，控制注射泵步进电机驱动注射器生成液滴，液滴通过触发装置时触发相机，记录液滴撞壁过程；

步骤11、选择有效数据进行存储，对拍摄结果进行剪辑，只保留液滴撞壁过程，若拍摄效果不理想，则重复以上步骤至达到满意效果；

步骤12、完成一组实验后，若需要变更实验参数进行下一组实验，重复实验步骤1～11。

优选地，当由于实验平面已经加热导致的不易再次确定高速摄像机镜头焦距是否合适时，直接更换另一相同加热平台进行下一组实验。

本发明的有益效果是：

(1)本发明能够最大程度地接近发动机内部真实工况而进行液滴撞壁过程的模拟。

(2)本发明的实验装置结构简单、成本较低。

(3)本发明的实验装置能够方便快捷的改变各个影响液滴碰壁的因素。

(4)本发明的实验装置可以即时观察实验现象，反馈及时。

(5)本发明的实验装置实验过程中安全性较高，能有效保障实验操作人员的人身安全。

附图说明

图1为实验装置图。

图2为加热平台与倾斜台的配合图。

其中，1-支架，2-注射泵(包括注射泵步进电机和注射器台架)，3-注射器，4-触发装置，5-氙灯，6-匀光片，7-恒温加热平台，8-支撑平台，9-倾斜台，10-高速摄像机，11-计算机。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

首先，本发明提供了一种液滴碰壁实验装置，该实验装置包括：液滴注射系统，加热系统，可视化系统以及信号控制系统，加热系统包括可改变倾斜角度的倾斜台9，倾斜台9上放置可改变加热温度的恒温加热平台7。

液滴注射系统包括支撑液滴注射系统的支架1、设置在支架1上的注射泵步进电机、由注射泵步进电机驱动的注射器台架、安装在注射器台架上的可更换的注射器3。

通过注射泵步进电机驱动注射器台架来控制注射器3液滴滴落；通过改变注射器针管的口径来控制液滴尺寸；通过改变注射泵步进电机在支架1上的位置来改变液滴下落高度，即液滴碰壁速度；通过改变注射器3中的溶液组分类型来测试不同燃料的液滴碰壁现象。

通过改变恒温加热平台7的实验平面温度来控制液滴碰壁时的壁面温度；通过改变恒温加热平台7与水平面之间的角度来改变液滴碰壁时的碰壁角度；通过加工恒温加热平台7实验平面获得不同的粗糙度，来探究壁面粗糙度对液滴碰壁的影响。

可视化系统包括高速摄像机10、为高速摄像机10提供光源的氙灯5、使氙灯5灯光均匀分布的匀光片6、与高速摄像机10相连并控制高速摄像机参数的计算机11。

信号控制系统包括与计算机11连接，且安装在注射器3正下方的触发装置4，触发装置4包括槽型光电开关、光电开关检测仪和延迟控制系统。

当液滴穿过槽型光电开关时，光电开关会产生一个阶跃信号，检测仪检测到该阶跃信号并将其输入至延迟控制系统，根据不同的实验条件通过延迟控制系统向高速摄像机10输入延迟触发信号，来控制高速摄像机10的触发时刻，以保证液滴碰壁过程记录的完整性。

另外，根据液滴碰壁实验装置的特点，本发明提供了一种液滴碰壁实验方法，能够有效控制各个影响液滴碰壁的因素，便于探究液滴碰壁的机理，以寻找提高发动机经济性与抑制超级爆震的方法，具体实验过程如下：

(1)使用无水乙醇清洗恒温加热平台7的实验平面，防止实验平面上的杂质影响实验结果。

(2)用水平仪确定并调整实验平面的倾斜角度，倾斜角度确定后固定倾斜台9。

(3)将实验所用液体注入注射器3内，并将注射器3固定在注射泵2上。

(4)用量尺确定并调整注射器3针尖与恒温加热平台7实验平面的铅垂距离，铅垂距离确定后固定整个液滴注射系统。

(5)控制注射泵步2进电机驱动注射器3滴一滴实验液滴在实验平面上，确定液滴滴落的大致位置。

(6)设置高速摄像机10的相关参数。

(7)调整高速摄像机10镜头焦距至液滴滴落的大致范围内，再次滴一滴液滴，拍摄液滴碰壁过程，观察实验图像是否清晰，重复以上过程，直至能够清晰地观察到整个液滴碰壁过程。

(8)将一标定尺置于焦距平面内，拍摄以确定液滴实际尺寸。

(9)再次清洗实验平面，加热实验平面至所需温度。

(10)正式实验时，控制注射泵2步进电机驱动注射器3生成液滴，液滴通过触发装置4时触发高速摄像机10，记录液滴撞壁过程。

(11)选择有效数据进行存储，对拍摄结果进行剪辑，只保留液滴撞壁过程。若拍摄效果不理想，则重复以上步骤至达到满意效果。

(12)完成一组实验后，若需要变更实验参数进行下一组实验，重复实验步骤(1)～(11)。注意：由于实验平面已经加热，不易再次确定高速摄像机镜头焦距是否合适，故可以直接更换另一相同加热平台进行下一组实验。

由以上实例可以看出，本发明提供了一种液滴碰壁实验装置及方法，能够有效控制各个影响液滴碰壁的因素，便于探究液滴碰壁的机理，以寻找提高发动机经济性与抑制超级爆震的方法。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种液滴碰壁实验装置，该实验装置包括：液滴注射系统、加热系统、可视化系统以及信号控制系统，其特征在于：加热系统包括可改变倾斜角度的倾斜台(9)，倾斜台(9)上放置可改变加热温度的恒温加热平台(7)。

2.根据权利要求1所述的液滴碰壁实验装置，其特征在于：液滴注射系统包括支撑液滴注射系统的支架(1)、设置在支架(1)上的注射泵步进电机、由注射泵步进电机驱动的注射器台架、安装在注射器台架上的可更换的注射器(3)。

3.根据权利要求2所述的液滴碰壁实验装置，其特征在于：通过注射泵步进电机驱动注射器台架来控制注射器(3)使液滴滴落；通过改变注射器针管的口径来控制液滴尺寸；通过改变注射泵步进电机在支架(1)上的位置来改变液滴下落高度，进而改变液滴碰壁速度；通过改变注射器(3)中的溶液组分类型来测试不同燃料的液滴碰壁现象。

4.根据权利要求1所述的液滴碰壁实验装置，其特征在于：通过改变恒温加热平台(7)的实验平面温度来控制液滴碰壁时的壁面温度；通过改变恒温加热平台(7)与水平面之间的角度来改变液滴碰壁时的碰壁角度；通过加工恒温加热平台(7)实验平面获得不同的粗糙度，来探究壁面粗糙度对液滴碰壁的影响。

5.根据权利要求1所述的液滴碰壁实验装置，其特征在于：可视化系统包括高速摄像机(10)、为高速摄像机(10)提供光源的氙灯(5)、使氙灯(5)灯光均匀分布的匀光片(6)、与高速摄像机(10)相连并控制高速摄像机参数的计算机(11)。

6.根据权利要求1所述的液滴碰壁实验装置，其特征在于：信号控制系统包括与计算机(11)连接，且安装在注射器(3)正下方的触发装置(4)，触发装置(4)包括槽型光电开关、光电开关检测仪和延迟控制系统。

7.根据权利要求6所述的液滴碰壁实验装置，其特征在于：当液滴穿过槽型光电开关时，光电开关会产生一个阶跃信号，检测仪检测到该阶跃信号并将其输入至延迟控制系统，根据不同的实验条件通过延迟控制系统向高速摄像机(10)输入延迟触发信号，来控制高速摄像机(10)的触发时刻，以保证液滴碰壁过程记录的完整性。

8.一种液滴碰壁实验的实验方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤1、使用无水乙醇清洗恒温加热平台(7)的实验平面，防止实验平面上的杂质影响实验结果；

步骤2、用水平仪确定并调整实验平面的倾斜角度，倾斜角度确定后固定可倾斜的恒温加热平台(7)；

步骤3、将实验所用液体注入注射器(3)内，并将注射器(3)固定在注射泵(2)上；

步骤4、用量尺确定并调整注射器(3)针尖与恒温加热平台(7)实验平面的铅垂距离，铅垂距离确定后固定整个液滴注射系统；

步骤5、控制注射泵步进电机驱动注射器(3)滴一滴实验液滴在实验平面上，确定液滴滴落的大致位置；

步骤6、设置高速摄像机(10)的相关参数；

步骤7、调整高速摄像机(10)镜头焦距至液滴滴落的大致范围内，再次滴一滴液滴，拍摄液滴碰壁过程，观察实验图像是否清晰，重复以上过程，直至能够清晰地观察到整个液滴碰壁过程；

步骤8、将一标定尺置于焦距平面内，拍摄以确定液滴实际尺寸；

步骤9、再次清洗实验平面，加热实验平面至所需温度；

步骤10、正式实验时，控制注射泵步进电机驱动注射器(3)生成液滴，液滴通过触发装置(4)时触发相机，记录液滴撞壁过程；

步骤11、选择有效数据进行存储，对拍摄结果进行剪辑，只保留液滴撞壁过程，若拍摄效果不理想，则重复以上步骤至达到满意效果；

步骤12、完成一组实验后，若需要变更实验参数进行下一组实验，重复实验步骤1～11。

9.根据权利要求8所述的液滴碰壁实验的实验方法，其特征在于：当由于实验平面已经加热导致的不易再次确定高速摄像机(10)镜头焦距是否合适时，直接更换另一相同加热平台进行下一组实验。