CN108169406A - 一种高温高压润滑油单液滴蒸发和着火装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

一种高温高压润滑油单液滴蒸发和着火装置及其使用方法，属于高粘度易结焦油液滴蒸发与自燃的实验技术领域。实验装置的密闭高压外容器为高压环境，而内部高温室为高温高压环境，加热空间小，加热效率高。液滴悬挂装置采取交叉石英丝方式，利用油滴高粘度的特点，实现油液滴近距离滴落到交叉石英丝上完成悬挂，解决了液滴在进入到高温室后提前挥发的问题，提高实验精度。在实验装置底部加装蜗轮蜗杆传动装置，来完成石英丝支架的自动定角度旋转，以实现油滴蒸发自燃结焦后石英丝支架的自动换取，并通过升降气缸进行实现液滴支架的快速定时的高温环境的送入，解决了液滴悬挂支架结焦后换支架难的问题，缩短了每组实验时间，使实验更精确便利。

Description

一种高温高压润滑油单液滴蒸发和着火装置及其使用方法

技术领域

本发明涉及一种高温高压润滑油单液滴蒸发和着火装置及其使用方法，属于高粘度易结焦油液滴蒸发与自燃的实验技术领域。

背景技术

近二十年来，二冲程船用发动机的热效率和机械效率得到了显著提高，但与此同时，在发动机中也经常伴随着较高着火压力的不正常燃烧。而造成这种不正常燃烧的主要原因是缸内润滑油（主要是气缸油）的自燃。而自燃发生的频率主要受点火延时的控制，点火延时又分为物理点火延时和化学点火延时。针对于大分子烃类，物理点火延时占整体延时的绝大部分，而润滑油的物理点火延时主要受蒸发过程的影响。因此，展开对船用发动机润滑油的蒸发及着火特性的研究，对了解润滑油特性，消除和避免不正常燃烧现象，保证主机安全高效工作有十分重要的意义。

目前，液滴悬挂装置在研究液滴着火及蒸发特性中得到了广泛的应用。此类方法应用小直径的石英丝或者热电偶原件作为液滴的悬挂装置，运用线性导轨将液滴迅速放入高温环境，并用高速摄像机对于着火情况进行拍摄。运用此类方法进行了许多关于液滴着火的研究。而这些实验的研究对象均为分子量较小并且粘度较低的燃油的着火特性。而做为分子量较高，粘度较大的润滑油的着火特性的相关研究却很少。气缸油具有高粘度，高表面张力，高沸点，液滴直径较大的特点。由于其与燃油的诸多性质均有差异，燃油的着火特性与气缸油的性质也不尽相同。目前高温高压环境下对于液滴尤其高粘度油液滴的蒸发和着火的实验还未见涉及，尤其是对于易结焦油液滴的实验后结焦的处理的实验装置更是没有涉及。

发明内容

为了解决现有技术对粘性较大且易结焦油液滴蒸发自燃实验的不足，本发明提供一种高温高压单液滴蒸发和着火装置及其使用方法，利用油滴高粘度的特点，实现油液滴近距离滴落到交叉石英丝上完成悬挂，解决了液滴在进入到高温室后提前挥发的问题，提高实验精度。

本发明采用的技术方案是：一种高温高压单液滴蒸发和着火装置，它包括由上端盖、下端盖以及侧板围成的密闭高压外容器、单液滴发生器、光学摄影设备和背光源，它还包括内部蜗轮蜗杆传动装置、液滴悬挂装置、石英丝支架和内部高温室，所述上端盖上设有氮气增压进气口、空气增压进气口、单液滴发生器和安全阀；所述密闭高压外容器中除设有液滴悬挂装置和内部高温室外，还设有下隔热板、压力传感器和热电偶；所述下端盖上设有用传动装置保护盖保护的内部蜗轮蜗杆传动装置和排污阀，内部蜗轮蜗杆传动装置的传动轴与位于密闭高压外容器中的液滴悬挂装置连接；所述液滴悬挂装置上设有由内部蜗轮蜗杆传动装置驱动的旋转支撑盘，在旋转支撑盘上环形布置多个石英丝支架，石英丝支架的交叉石英丝中心位置与单液滴发生器的石英喷嘴中心位置相对应，在旋转支撑盘的下部设有多个升降气缸；所述内部高温室包括一个固定的高温壳体，高温壳体上设有与侧板上相匹配的石英玻璃窗和与水泵连接的冷却水套，所述氮气增压进气口、空气增压进气口通过管道与设有加热装置的高温壳体内腔连通；所述光学摄影设备、背光源、侧板上的两个石英玻璃窗和高温壳体上的两个石英玻璃窗布置在一直线上。

所述上端盖和下端盖通过螺栓与侧板固定连接，采用紫铜垫密封。

所述加热装置采用4kw的电加热丝和用于支撑电加热丝、隔热的陶瓷圈。

所述石英丝支架均布在旋转支撑盘周围，旋转支撑盘与内部蜗轮蜗杆传动装置进行螺纹连接，通过对蜗轮蜗杆传动装置的控制，自动控制石英丝支架的定角度旋转。

所述单液滴发生器包括压电陶瓷片、石英喷嘴和液滴发生器冷却水套。

一种高温高压润滑油单液滴蒸发和着火装置的使用方法包括以下步骤：

（a）调节液滴喷射器密封性及其液面，使液滴在高压情况下顺利滴下；

（b）通过氮气增压进气口、空气增压进气口注入气体，使密闭压力容器中形成高压环境；同时对加热装置通电使热电偶测得温度为实验指定温度，形成高温环境；

（c）当电信号控制压电片使液滴滴落时，单液滴发生器滴入液滴，滴到交叉石英丝上，使石英丝支架上的液滴、背光源、石英玻璃、光学摄影设备位于同一条水平直线上，通过升降气缸的自动控制实现液滴悬挂装置定时定速的快速上送到内部高温室中加热装置的下部位置，同时，光学摄影设备进行拍摄，记录高温高压环境下液滴的蒸发自燃特性；

（d）实验完成，将液滴悬挂装置下放，通过自动控制系统转动蜗轮蜗杆传动装置，使下一个崭新的石英丝支架和交叉石英丝平稳转到刚好悬挂到滴落的新油滴的位置，并进行下一组实验。

本发明的有益效果是：这种高温高压单液滴蒸发和着火装置通过压电片式液滴喷射器构成单液滴生成器，滴落后经较短的距离滴到液滴悬挂装置上，由于冷却水套的保护和隔热板的隔热作用，液滴在稳定在液滴悬挂装置上时，将液滴的提前蒸发对于实验的影响降至最低。同时由于润滑油液滴的粘度更高，液滴滴落后可以很好地粘附在交叉石英丝上，这也解决了在正常挂滴时液滴由于粘度高很难从液滴发生器挂到液滴悬挂装置的问题。运用高功率的升降气缸，以保证每次液滴均以很快的速度定时定速的进入到内部高温室。同时，采用电加热丝均匀加热的方式，采用小型高温室，高温室冷却水套用以尽可能的降低过余热量向外部的扩散，加热体积较小，加热效率高，稳定性高，升温时间短。加装旋转支撑盘和内部蜗轮蜗杆传动装置，以实现石英丝支架的自动转换，消除油滴蒸发和自燃结焦产物的影响。同时，实验装置结构稳定，只需液滴滴落到悬挂装置即可完成实验，实验装置简便，步骤简单，耗能较少，实验装置寿命长。

附图说明

图1是一种高温高压环境下润滑油油滴蒸发自燃的实验装置主视图。

图2是一种高温高压环境下润滑油油滴蒸发自燃的实验装置侧视图。

图3是液滴悬挂装置的俯视图

图中：1、密闭高压外容器，2、侧板，3、下端盖，4、升降气缸控制器，5、下隔热板，6、传动装置保护盖，7、内部蜗轮蜗杆传动装置，8、齿轮垫片，9、液滴悬挂装置，9a、旋转支撑盘，10、升降气缸，11、排污阀，12、螺栓，13、压力传感器，14、石英丝支架，15、冷却水套，16、加热装置，17、内部高温室，18、石英玻璃，19、光学摄影设备，20、热电偶电缆，21、水泵，22、热电偶，23、氮气增压进气口，24、空气增压进气口，25、单液滴发生器，26、液滴发生器冷却水套，27、压电陶瓷片，28、石英喷嘴，29、安全阀，30、上端盖，31、背光源。

具体实施方式

下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明进一步详细的说明。

如图1所示，一种高温高压环境下润滑油油液滴蒸发自燃的实验装置包括由上端盖30、下端盖3以及侧板2围成的密闭高压外容器1，密闭压力容器1内部的内部高温室17中的加热装置16、液滴悬挂装置9、隔热材料为实验提供绝热的高温环境和液滴稳定蒸发着火的载体。密闭高压外容器1是一个为实验提供高压环境的装置，为了方便安装和实验顺利进行，形状采取内外均为方形结构，同时外部可以加装吊环螺栓方便移动该装置。

上端盖30上还设置有氮气增压进气口23、空气增压进气口24以及安全阀29，同时上端盖30通过上端安装螺栓与侧板2连接，上封盖30与侧板2采用紫铜垫密封。上端盖30与单液滴发生器25通过螺栓连接，液滴发生器25与上端盖30一起构成密闭压力容器的上盖部分。

下端盖3设置有排污阀11用以排掉液滴蒸发和着火后产生的废气和污染物。同时，下端盖3通过下端安装螺栓与侧板2连接，下端盖3与侧板2采用紫铜垫密封。下端盖3上部放置升降气缸10，下端盖3通过螺纹连接方式与液滴悬挂装置9连接，以保障悬挂装置的平衡性和稳定性。

侧板2上包括用以实时测量容器内部压强变化的压力传感器13和用以观察液滴在蒸发和自燃中变化情况的石英玻璃18，与之配合使用的还有光学摄影设备19以及背光源31。在侧板2上还有用于放置热电偶电缆20的进线口。侧板2需要一定的厚度来达到压力容器标准对于容器厚度的要求，同时在进线口处增加补强面积以达到压强要求。

加热装置16包括4kw的电加热丝和用于支撑电加热丝和隔热作用的陶瓷圈，并与热电偶及其温度控制器和隔热材料构成高温环境温度控制系统。加热装置通过上端螺栓固定。通过加热装置16加热，并由热电偶22测出的温度给予反馈使内高温室17内部始终维持着恒温的高温环境。

液滴悬挂装置9包括石英丝支架14和交叉石英丝来实现对于单液滴发生器中滴下来的液滴的悬挂。滴落后的液滴经过一段短暂的自由落体运动后掉落并粘附在交叉石英丝支架上，交叉石英丝呈完全水平状态以保证液滴蒸发着火实验以及液滴状态的稳定。

单液滴发生器25包括压电陶瓷片27、石英喷嘴28和液滴发生器冷却水套26。对于压电陶瓷驱动电源进行参数设置，对于压电陶瓷片27进行正矩形脉冲电压激励，使压电陶瓷片27变形，导致液滴溢出，在石英喷嘴28处滴出不同大小的液滴，使实验可以顺利的向下进行。

内部高温室17包括一个上下两端固定的悬于密闭高压外容器上部的高温壳体，以及与内部高温室17匹配的石英玻璃18和覆盖在内部高温室周围的高温室冷却水套15，水泵21与之相连用以提供冷却水的动力。内部高温室用以提供内部高温环境，同时减少加热体积，缩短升温时间。

蜗轮蜗杆传动机构包括内部蜗轮蜗杆传动装置7和传动装置保护盖6以及齿轮垫片8，通过与液滴悬挂装置9螺纹连接的方式带动液滴悬挂装置9，通过转动液滴悬挂装置9来实现石英丝支架14的替换，以实现在高温高压下对于石英丝支架和交叉石英丝的自动换取，这也解决了油滴蒸发和自燃后结焦产物对于接下来实验的影响。

一种高温高压润滑油单液滴蒸发和着火装置的使用方法包括如下步骤：

（a）单液滴发生器25的调节，通过调节压电陶瓷片27平衡度，以及内部油是否充满，当单液滴发生器25内有气泡时，应将气泡滴出，以免影响实验中液滴滴出的大小和形状。

（b）高温高压环境的形成：在液滴蒸发实验环境下，通过氮气增压进气口23向密闭压力容器通入氮气，先期置换密闭高压外容器1内的空气，并为液滴蒸发提供惰性环境。在液滴自燃实验环境下，通过空气增压进气口24想密闭容器中通入空气，为液滴着火提供可燃环境。在持续向密闭高压外容器1内注入氮气（空气）的同时，通过压力传感器13实时监测密闭高压外容器1内的压力变化，待密闭压力容器1内的压力达到要求后关闭增压进气口，并使加热装置16通电，加热内部高温室17内温度，当温度达到预定温度后，控制系统使内部高温室内温度维持在该温度上下轻微波动，使容器稳定在特定的高温高压状态。

（c）单液滴发生器25滴入液滴，滴到液滴悬挂装置9交叉石英丝上，由于润滑油液滴粘度较大，可以黏在交叉石英丝上。通过升降气缸10的自动控制实现液滴悬挂装置的定时定速的快速上送。同时，光学摄影设备16进行拍摄，记录高温高压环境下液滴的蒸发自燃特性。当电信号控制压电片使液滴滴落时，电路给光学摄影设备提供电信号使其同时进行拍摄，使摄像机可以记录完整的蒸发着火过程。同时，石英丝支架14上的液滴、背光源31、石英玻璃18、光学摄影设备19应位于同一条水平直线上，以便于保证拍摄的清晰度和一致性。

（d）实验完成，将液滴悬挂装置下放，通过自动控制系统转动蜗杆，使下一个崭新的石英丝支架14和交叉石英丝平稳转到刚好可以悬挂到滴落的新油滴的位置，并进行下一组实验。润滑油液滴在高温情况下，蒸发和着火之后会有一定的未蒸发和未着火产物生成，而该产物需要一定的时间才能焦解甚至不能焦解，本实验通过安装多个石英丝支架14并进行自动换取解决了结焦的问题。

Claims (6)

1.一种高温高压润滑油单液滴蒸发和着火装置，它包括由上端盖（30）、下端盖（3）以及侧板（2）围成的密闭高压外容器（1）、单液滴发生器（25）、光学摄影设备（19）和背光源（31），其特征是：它还包括内部蜗轮蜗杆传动装置（7）、液滴悬挂装置（9）、石英丝支架（14）和内部高温室（17），所述上端盖（30）上设有氮气增压进气口（23）、空气增压进气口（24）、单液滴发生器（25）和安全阀（29）；所述密闭高压外容器（1）中除设有液滴悬挂装置（9）和内部高温室（17）外，还设有下隔热板（5）、压力传感器（13）和热电偶（22）；所述下端盖（3）上设有用传动装置保护盖（6）保护的内部蜗轮蜗杆传动装置（7）和排污阀（11），内部蜗轮蜗杆传动装置（7）的传动轴与位于密闭高压外容器（1）中的液滴悬挂装置（9）连接；所述液滴悬挂装置（9）上设有由内部蜗轮蜗杆传动装置（7）驱动的旋转支撑盘（9a），在旋转支撑盘（9a）上环形布置多个石英丝支架（14），石英丝支架（14）的交叉石英丝中心位置与单液滴发生器（25）的石英喷嘴（28）中心位置相对应，在旋转支撑盘（9a）的下部设有多个升降气缸（10）；所述内部高温室（17）包括一个固定的高温壳体，高温壳体上设有与侧板（2）上相匹配的石英玻璃窗和与水泵（21）连接的冷却水套（15），所述氮气增压进气口（23）、空气增压进气口（24）通过管道与设有加热装置（16）的高温壳体内腔连通；所述光学摄影设备（19）、背光源（31）、侧板（2）上的两个石英玻璃窗和高温壳体上的两个石英玻璃窗布置在一直线上。

2.根据权利要求1所述的一种高温高压润滑油单液滴蒸发和着火装置，其特征是：所述上端盖（30）和下端盖（3）通过螺栓与侧板（2）固定连接，采用紫铜垫密封。

3.根据权利要求1所述的一种高温高压润滑油单液滴蒸发和着火装置，其特征是：所述加热装置（16）采用4kw的电加热丝和用于支撑电加热丝、隔热的陶瓷圈。

4.根据权利要求1所述的一种高温高压润滑油单液滴蒸发和着火装置，其特征是：所述石英丝支架（14）均布在旋转支撑盘（9a）周围，旋转支撑盘（9a）与内部蜗轮蜗杆传动装置（7）进行螺纹连接，通过对蜗轮蜗杆传动装置的控制，自动控制石英丝支架（14）的定角度旋转。

5.根据权利要求1所述的一种高温高压润滑油单液滴蒸发和着火装置，其特征是：所述单液滴发生器（25）包括压电陶瓷片（27）、石英喷嘴（28）和液滴发生器冷却水套（26）。

6.根据权利要求1所述的一种高温高压润滑油单液滴蒸发和着火装置的使用方法，其特征是：包括以下步骤：

（a）调节液滴喷射器密封性及其液面，使液滴在高压情况下顺利滴下；

（b）通过氮气增压进气口（23）、空气增压进气口（24）注入气体，使密闭压力容器中形成高压环境；同时对加热装置（16）通电使热电偶（22）测得温度为实验指定温度，形成高温环境；

（c）当电信号控制压电片使液滴滴落时，单液滴发生器（25）滴入液滴，滴到交叉石英丝上，使石英丝支架（14）上的液滴、背光源（31）、石英玻璃（18）、光学摄影设备（19）位于同一条水平直线上，通过升降气缸（10）的自动控制实现液滴悬挂装置（9）定时定速的快速上送到内部高温室（17）中加热装置（16）的下部位置，同时，光学摄影设备（19）进行拍摄，记录高温高压环境下液滴的蒸发自燃特性；

（d）实验完成，将液滴悬挂装置（9）下放，通过自动控制系统转动蜗轮蜗杆传动装置，使下一个崭新的石英丝支架（14）和交叉石英丝平稳转到刚好悬挂到滴落的新油滴的位置，并进行下一组实验。