CN107389354B - 基于预混燃烧引燃的附壁油膜燃烧实验装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于预混燃烧引燃的附壁油膜燃烧实验装置和实验方法，定容燃烧弹内腔通过进气系统预先充满可燃气体；通过火花塞点燃预充的可燃气体，进而引燃附壁油膜；壁面上油膜燃烧的环境状态均通过调节进气系统控制点火时刻腔内气体初始条件实现。系统控制单元可控制壁面温度，模拟实际发动机活塞顶或壁面温度。本发明可以在油膜形成后，利用预混燃烧的方法瞬间产生附壁油膜发火燃烧所需的实验条件，避免加热点燃方式中加热过程油膜的蒸发逃逸。

Description

基于预混燃烧引燃的附壁油膜燃烧实验装置和方法

技术领域

本发明涉及一种实验装置，具体涉及一种基于预混燃烧引燃的附壁油膜燃烧实验装置和实验方法。

背景技术

对于缸内直喷汽油机和柴油机，随着其向结构小型化与高增压、高喷油压力的方向发展，由于燃料蒸发时间有限等原因容易撞击并附着在气缸壁和活塞顶上，形成附壁油膜。对于GDI汽油机，附壁油膜的燃烧与超级爆震和碳烟生成直接相关；对于柴油机，附壁燃烧与低温/超低温冷启动过程的活塞烧蚀有较大关系。附壁燃烧对发动机的排放、经济性、可靠性均产生了极大的影响，逐渐引起了人们的重视。

然而目前，对油膜附壁现象的研究，主要集中在油膜蒸发的研究上，一般将燃油涂抹至壁面上，观察油膜生存的时间。而直接针对附壁油膜燃烧的研究仍比较少见，已见的报道亦是通过数值计算的方法实现。

发明内容

有鉴于此，根据附壁油膜燃烧的特点，本发明提供了基于预混燃烧引燃的附壁油膜燃烧实验装置和实验方法，以模拟发动机内的附壁油膜燃烧现象，并记录附壁油膜燃烧过程。

为了解决上述技术问题，本发明是这样实现的。

一种基于预混燃烧引燃的附壁油膜燃烧实验装置，包括具有光学视窗的定容燃烧弹，定容燃烧弹内布置具有可控加热丝的壁面、喷油器、火花塞和缸压传感器，喷油器对准壁面，定容燃烧弹外设有进气系统、排气系统、系统控制单元、可视化系统和数据采集系统；进气系统和排气系统分别与定容燃烧弹的进、排气口相连；进气系统用于向定容燃烧弹预充可燃气体；系统控制单元与壁面的加热丝、喷油器、缸压传感器、进气系统、排气系统、数据采集系统相连，实现控制和数据收集；

系统控制单元用于控制实验过程，先通过加热丝控制壁面温度，以模拟发动机缸内壁面；然后进气系统向定容燃烧弹预充可燃气体，并控制喷油器向所述壁面喷射液体燃料，形成附壁油膜；之后通过火花塞点燃预充的可燃气体，进而引燃附壁油膜；

可视化系统通过光学视窗记录壁面的火焰燃烧过程，将记录的图片信息发送给数据采集系统；缸压传感器记录定容燃烧弹内附壁油膜的燃烧压力，用于分析燃烧放热规律。

优选地，通过调节喷油器的喷油压力以及喷油量，调节液体燃料在壁面上表面形成的油膜形状、大小以及厚度。

优选地，所述进气系统向定容燃烧弹通入乙炔、氧气、氮气的混合气体，通过调节乙炔、氧气、氮气的掺混比例和预混燃烧初始压力，改变附壁燃烧的初始环境条件。

优选地，壁面固定在定容燃烧弹的底部中心，其中壁面内部嵌有温度可控的加热丝；喷油器布置在定容燃烧弹某一侧面的上端，喷嘴以一定的角度对着壁面的中心位置；火花塞布置于定容燃烧弹顶面中央位置；缸压传感器布置在定容燃烧弹任一侧面的上端位置。

优选地，光学视窗布置于定容燃烧弹四个周向面。

本发明还提供了采用上述装置的基于预混燃烧引燃的附壁油膜燃烧实验方法，系统控制单元控制实验过程，包括如下步骤：

步骤1、调节可视化系统，直到能清晰地观测到壁面中心处参照物；

步骤2、控制加热系统将壁面(2)温度加热至预设值，以模拟发动机缸内壁面温度；

步骤3、控制排气系统将定容燃烧弹抽真空，去除定容燃烧弹内的废气；

步骤4、利用分压法调节进气系统所提供的混合可燃气体的掺混比例和预混燃烧初始压力，将混合可燃气体冲入定容燃烧弹；

步骤5、触发喷油器喷射液体燃料，使液体燃料在壁面上形成所需附壁油膜；油膜参数通过调节喷油压力及喷油量实现；

步骤6、控制火花塞点燃可燃气体，使定容燃烧弹内的温度高于液体燃料的燃点，此时附壁油膜开始燃烧；通过可视化系统记录附壁油膜燃烧过程，缸压传感器测量定容燃烧弹内压力；

步骤7、保存实验数据；

步骤8、打开排气阀使定容燃烧弹内已燃烧废气流出，并用新鲜空气扫气，为下次实验做好准备。

有益效果：

(1)本发明可以在油膜形成后，利用预混燃烧的方法瞬间产生附壁油膜发火燃烧所需的实验条件。该装置对油膜所处环境的加热方式为预混气体点燃的方式，可以瞬间产生高温高压环境，避免加热点燃方式中加热过程油膜的蒸发逃逸。

(2)本发明能够方便快捷的改变油膜形状、大小以及厚度等因素。

(3)本发明可以通过调整预混燃烧的初始条件，确定并控制油膜燃烧的初始环境条件，为附壁燃烧的变参数研究提供可能。

(4)本发明能控制附壁燃烧的初始壁面温度，模拟发动机缸内壁面状态。

(5)本发明提供了即时记录火焰燃烧过程的可视化窗口，能够通过拍摄记录附壁油膜燃烧过程，还通过记录缸压传感器测得火焰燃烧过程的瞬态压力信息，为日后的研究提供关键数据。

附图说明

图1为本发明实验装置的示意图。

其中，1-定容燃烧弹，2-壁面，3-喷油器，4-火花塞，5-光学视窗，6-缸压传感器，7-进气系统，8-排气系统，9-系统控制单元，10-可视化系统，11-数据采集系统。

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。

本发明提供了一种基于预混燃烧引燃的附壁油膜燃烧实验装置，如图1所示，该装置包括定容燃烧弹1、壁面2、喷油器3、火花塞4、光学视窗5、缸压传感器6、进气系统7、排气系统8、系统控制单元9、可视化系统10和数据采集系统11。本实施例中，可视化系统10采用高速摄像机。

壁面2固定在定容燃烧弹1的底部中央位置，喷油器3布置在定容燃烧弹1内部的某侧面的上端，喷嘴以一定的角度对着壁面2的中心位置。喷油器3向所述壁面2喷液体燃料，例如柴油，形成附壁油膜。通过调节喷油器3的喷油角度、喷油压力以及喷油量调节液体燃料在壁面2上表面形成的油膜形状、大小以及厚度。火花塞4布置于定容燃烧弹1顶面中央位置，点火端伸入定容燃烧弹1内部。光学视窗5布置于定容燃烧弹1四个周向面。缸压传感器6布置在定容燃烧弹1任一侧面的上端位置。进气系统7和排气系统8分别与定容燃烧弹1的进排气口相连。

系统控制单元9连接壁面2的加热丝、喷油器3、火花塞4、缸压传感器6、可视化系统10、进气系统7、排气系统8和数据采集系统11。该系统控制单元9的功能包括：

1)控制壁面2加热丝，调节壁面温度，模拟发动机缸内实际壁面温度状态；

2)控制排气系统8在对定容燃烧弹抽真空和实验完成后的排气；

3)控制进气系统7向定容燃烧弹1预充可燃气体；本实施例中，进气系统7可以向定容燃烧弹通入乙炔、氧气、氮气的混合气体，通过调节乙炔、氧气、氮气的掺混比例和预混燃烧初始压力，改变附壁燃烧的初始环境条件。

4)控制喷油器3向所述壁面2喷射液体燃料，形成附壁油膜，且可以通过调节喷油器3的喷油压力以及喷油量，调节液体燃料在壁面2上表面形成的油膜形状、大小以及厚度；

5)通过控制火花塞4点燃预充的可燃气体，进而引燃附壁油膜；

6)控制可视化系统10开始拍摄，该可视化系统10通过光学视窗5拍摄壁面的火焰燃烧过程，可视化系统10拍摄的图片信息发送给数据采集系统11。系统控制单元9还通过缸压传感器6获得火焰燃烧过程中的瞬态压力信息，用于分析燃烧放热规律。上述获得的数据可以用于从附壁燃烧方向来研究抑制烧蚀现象。

在实验时，定容燃烧弹1内腔通过进气系统7预先充满可燃气体。例如可以充入氧气、乙炔、氮气的混合气体，且该混合气体的组分可调；通过火花塞4点燃预充的可燃气体，进而引燃附壁油膜；壁面2上油膜燃烧的环境状态(温度、压力、氧浓度)均通过调节进气系统7控制点火时刻腔内气体初始条件实现。系统控制单元9可控制壁面2温度，模拟实际发动机活塞顶或壁面温度。可视化系统通过定容燃烧弹1上的视窗5，拍摄附壁油膜燃烧过程。

基于该附壁油膜燃烧实验装置，系统控制单元控制实验过程如下：

步骤1、系统控制单元9调节高速摄像机焦距，直到能清晰地观测到壁面中心处参照物。

步骤2、系统控制单元(9)控制加热系统将壁面(2)温度加热至预设值；

步骤3、利用排气系统8将定容燃烧弹1抽真空，去除燃烧弹内废气。

步骤4、调节各气体(乙炔、氧气、氮气)的掺混比例和预混燃烧初始压力，利用分压法将其冲入定容燃烧弹，使得定容燃烧点内充满可燃气体。

步骤5、触发喷油器喷射燃油，使燃油在壁面上形成所需附壁油膜；通过调节喷油器的角度、喷油压力以及喷油量，改变附壁油膜的形状、大小以及厚度。

步骤6、触发火花塞点燃可燃气体，使定容燃烧弹内的温度高于燃油燃点，此时燃油的附壁油膜开始燃烧；使用高速摄像机记录下附壁油膜燃烧过程的视频传递给数据采集系统，采用缸压传感器记录燃烧过程中燃烧弹内压力变化；

步骤7、保存实验数据；

步骤8、打开排气阀使定容燃烧弹内已燃烧废气流出，并用新鲜空气扫气，为下次实验做好准备。

由以上实例可以看出，本实验提供了一种附壁油膜燃烧实验装置的设计方法，能够有效控制油膜形成、大小以及厚度等因素，便于探究附壁油膜燃烧的机理，以寻找抑制烧蚀现象的方法。

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 (6)

1.一种基于预混燃烧引燃的附壁油膜燃烧实验装置，其特征在于，包括具有光学视窗(5)的定容燃烧弹(1)，定容燃烧弹(1)内布置具有可控加热丝的壁面(2)、喷油器(3)、火花塞(4)和缸压传感器(6)，喷油器(3)对准壁面(2)，定容燃烧弹(1)外设有进气系统(7)、排气系统(8)、系统控制单元(9)、可视化系统(10)和数据采集系统(11)；进气系统(7)和排气系统(8)分别与定容燃烧弹(1)的进、排气口相连；系统控制单元(9)与壁面(2)的加热丝、喷油器(3)、火花塞(4)、缸压传感器(6)、进气系统(7)、排气系统(8)、数据采集系统(11)相连，实现控制和数据收集；

系统控制单元(9)用于控制实验过程，先通过加热丝控制壁面(2)温度，以模拟发动机缸内壁面；然后进气系统(7)向定容燃烧弹(1)预充混合可燃气体，并控制喷油器(3)向所述壁面(2)喷射液体燃料，形成附壁油膜；之后通过火花塞(4)点燃预充的混合可燃气体，进而引燃附壁油膜；

可视化系统(10)通过光学视窗(5)记录壁面的火焰燃烧过程，将记录的图片信息发送给数据采集系统(11)；缸压传感器(6)记录定容燃烧弹内附壁油膜的燃烧压力，用于分析燃烧放热规律。

2.如权利要求1所述的基于预混燃烧引燃的附壁油膜燃烧实验装置，其特征在于，通过调节喷油器(3)的喷油压力以及喷油量，调节液体燃料在壁面(2)上表面形成的油膜形状、大小以及厚度。

3.如权利要求1所述的基于预混燃烧引燃的附壁油膜燃烧实验装置，其特征在于，所述进气系统(7)向定容燃烧弹通入乙炔、氧气、氮气的混合气体，通过调节乙炔、氧气、氮气的掺混比例和预混燃烧初始压力，改变附壁燃烧的初始环境条件。

4.如权利要求1所述的基于预混燃烧引燃的附壁油膜燃烧实验装置，其特征在于，壁面(2)固定在定容燃烧弹(1)的底部中心，其中壁面(2)内部嵌有温度可控的加热丝；喷油器(3)布置在定容燃烧弹(1)某一侧面的上端，喷嘴以一定的角度对着壁面(2)的中心位置；火花塞(4)布置于定容燃烧弹(1)顶面中央位置；缸压传感器(6)布置在定容燃烧弹(1)任一侧面的上端位置。

5.如权利要求1所述的基于预混燃烧引燃的附壁油膜燃烧实验装置，其特征在于，光学视窗(5)布置于定容燃烧弹(1)四个周向面。

6.一种采用如权利要求1至5任意一项所述附壁油膜燃烧实验装置的实验方法，系统控制单元(9)控制实验过程，包括如下步骤：

步骤1、调节可视化系统，直到能清晰地观测到壁面中心处参照物；

步骤2、控制加热丝将壁面(2)温度加热至预设值，以模拟发动机缸内壁面温度；

步骤3、控制排气系统(8)将定容燃烧弹(1)抽真空，去除定容燃烧弹内的废气；

步骤4、利用分压法调节进气系统(7)所提供的混合可燃气体的掺混比例和预混燃烧初始压力，将混合可燃气体充入定容燃烧弹；

步骤5、触发喷油器(3)喷射液体燃料，使液体燃料在壁面上形成所需附壁油膜；油膜参数通过调节喷油压力及喷油量实现；

步骤6、控制火花塞点燃混合可燃气体，使定容燃烧弹内的温度高于液体燃料的燃点，此时附壁油膜开始燃烧；通过可视化系统记录附壁油膜燃烧过程，缸压传感器测量定容燃烧弹内压力；

步骤7、保存实验数据；

步骤8、打开排气阀使定容燃烧弹内已燃烧废气流出，并用新鲜空气扫气，为下次实验做好准备。