CN108458877B - 一种悬挂液滴保护罩自动分离装置及方法 - Google Patents

一种悬挂液滴保护罩自动分离装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种悬挂液滴保护罩自动分离装置，包括夹具体、悬挂装置、保护罩连接杆、等；夹具体左右侧面设有支耳，上下表面设有中贯通孔和边贯通孔；前侧面设有紧固孔和调节孔；悬挂装置包括金属杆和石英架；金属杆末端固定连接石英架的顶板；金属杆穿过中贯通孔，且通过紧固孔内的紧固螺钉固定；保护罩连接杆穿过边贯通孔，且通过调节孔内的调节螺钉调节；保护罩连接杆中段设置有与其垂直的支杆，支杆上固定有定位螺钉；进口平板固定于高温腔上部且位于定位螺钉下方；保护罩连接杆底端固定连接石英玻璃罩顶端；金属杆、石英架和石英玻璃罩的中部形成放置热电偶的通孔；使液滴在目标位置开始蒸发时更接近初始位置的状态。

Description

一种悬挂液滴保护罩自动分离装置及方法
技术领域
本发明涉及内燃机高温高压环境燃油液滴蒸发与燃烧技术领域，具体涉及一种悬挂液滴保护罩自动分离装置。
背景技术
柴油机广泛应用于运输车辆船舶、农用机械设备、军事装备等领域，柴油机缸内喷雾燃烧过程十分复杂，包括喷射、雾化、蒸发、混合、燃烧等过程，其中燃油蒸发和油气混合速率严重制约柴油机燃烧效率。为此，国内外学者对燃油的雾化蒸发和油气混合做了大量的研究，设计了单液滴蒸发与燃烧实验装置。目前针对单液滴蒸发和燃烧的实验装置主要分为“挂滴法”和“飞滴法”。“挂滴法”如中国专利CN103529078A提供了“一种高温高压环境下液滴蒸发点火实验装置及其使用方法”；“飞滴法”如中国专利CN103308662A“一种高温高压单液滴蒸发与燃烧装置”。挂滴法具有方便易操作等特点，得到更广泛的使用。但是这种方式在悬挂液滴及液滴输运上也存在一些问题：(1)若在高温高压密闭环境中，燃油是通过输运管路悬挂在石英丝上；该过程会加热管路从而升高燃油初始温度，影响实验效果。目前蒸发实验环境所需温度普遍为800℃，当处于800℃时，整个实验过程时间不低于3s，“飞滴法”与“挂滴法”在800℃温度下3s内悬挂液滴由室温20℃加热至240℃，其内部管路由室温20℃加热至130℃；同时，在进行重复性对比实验时实验次数至少为两次以上，以上述相同情况进行实验，在第二次进入800℃环境时，“飞滴法”与“挂滴法”内部管路温度升温至190℃，达到轻组分柴油沸点；(2)“挂滴法”液滴悬挂装置固定，采用燃油采用推进装置推进到输送管路中，管路一部分暴露于高温腔内部，会导致管路升温迅速，燃油温度达到柴油沸点，不但会影响实验结果，而且会导致输送管路在高温下迅速老化；“飞滴法”让燃油从高温腔外部在重力作用下飞入高温腔观察位置，避免了燃油温度升温较高，但由于重力作用燃油液滴会成水滴形而不是正球形，导致液滴体积测量误差达8％；(3)悬挂液滴直径一般大于1mm，而内燃机缸中液滴直径多为20-30um，无法准确模拟缸内环境的液滴蒸发，且无法实现对微小液滴蒸发与燃烧特性的研究，因此能够悬挂越小的液滴对实验的准确性至关重要。
由此可见，无论是高温密闭空间或开放空间的“挂滴法”，都无法悬挂直径小于0.5mm的液滴，“飞滴法”则因液滴变形导致实验误差较大。目前罕有人使用微小液滴的悬挂方法，且尚无人提出悬挂液滴保护及自动分离装置。
发明内容
针对上述现有技术中悬挂液滴保护装置的不足，本发明的目的在于提供一种悬挂液滴保护罩自动分离装置，实现液滴输运过程中的隔热与保护，避免输运过程中液滴被加热与蒸发，使液滴在目标位置开始蒸发时更接近初始位置的状态；采用交叉石英丝悬挂液滴，可实现对微小直径液滴蒸发与燃烧的研究。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种悬挂液滴保护罩自动分离装置，包括夹具体、悬挂装置、保护罩连接杆、进口平板和石英玻璃罩；所述夹具体左右两侧面设有支耳，上下表面设有中贯通孔和关于其对称的2个边贯通孔；前侧面设有紧固孔和关于其对称的2个调节孔；所述边贯通孔两侧设有沟槽；所述沟槽的宽度小于边贯通孔的直径；所述悬挂装置包括金属杆和石英架；所述石英架包括顶板、石英柱和底板；所述石英柱固定在顶板和底板之间，且石英柱上固定有石英丝；所述金属杆末端固定连接石英架的顶板；所述金属杆穿过中贯通孔，且通过紧固孔内的紧固螺钉固定；所述保护罩连接杆穿过边贯通孔，且通过调节孔内的调节螺钉调节；所述保护罩连接杆中段设置有与其垂直的支杆，所述支杆上固定有定位螺钉；所述进口平板固定于高温腔上部；所述进口平板位于定位螺钉下方；所述保护罩连接杆底端固定连接石英玻璃罩顶端；所述石英玻璃罩为内部中空且无底面的罩体；所述石英玻璃罩的直径和高度均大于石英架的直径和高度；所述金属杆、石英架和石英玻璃罩的中部形成通孔，所述通孔内放置热电偶。
优选的，所述定位螺钉至进口平板的距离等于石英架的高度；所述金属杆和保护罩连接杆中段通过滑块连接。
优选的，所述金属杆为凸状结构；所述滑块位于金属杆的阶梯位置处。
优选的，所述保护罩连接杆上部设有焊接块。
优选的，所述石英柱有4根，且上面交叉布置有2根石英丝。
优选的，所述4根石英柱呈非等距布置；对角线的2根石英柱连接与水平线成150°；所述石英丝直径为10μm。
优选的，所述保护罩连接杆底端设有螺纹和轴肩，通过螺母固定连接石英玻璃罩(5)顶端。
优选的，所述石英架的底板内放置有柔性石墨垫。
优选的，所述石英玻璃罩的厚度为2毫米，且高度大于等于石英架高度的1.5倍。
为达到上述目的，本发明采用的另一技术方案如下：
一种悬挂液滴保护罩自动分离方法，包含如下步骤：
S1：将燃油液滴悬挂在交叉石英丝上，将石英玻璃罩合上石英架且两者保持微小缝隙不发生接触；确保保护罩连接杆上的焊接块位于夹具体内部，并与夹具体内的沟槽接触；
S2：通过调节孔内的调节螺钉，使石英玻璃罩和悬挂装置同步向下运动且同时受力后可快速分离；调节定位螺钉，使其向下运动时可接触进口平板，同时保证分离后石英玻璃罩的底部未超出石英架的顶板；
S3：进给系统带动悬挂装置和保护罩连接杆向下运动，当定位螺钉运行至与进口平板接触时，继续运动，石英玻璃罩和石英架分离，连接杆上端的焊接块从夹具体的沟槽中脱离，实现了悬挂液滴保护罩自动分离过程。
本发明的优点和有益效果：
本发明所述悬挂液滴保护罩自动分离装置，通过在石英架外部设置石英玻璃罩，将液滴置于石英玻璃罩内，由于玻璃的传热系数小，可以最大程度的减小高温气流的对流传热和辐射传热，使得液滴在推进的极短时间内能保持悬挂液滴的初始温度与直径，极大提高了实验准确性；通过设置夹具体、保护罩连接杆、悬挂装置、进口平板等设备，使得石英玻璃罩和石英架之间采用摩擦受力和接触受力的基本原理即可实现自动分离，结构简单不需额外增加控制，大大简化了现有装备的复杂性，并且可以根据需要调节定位位置与摩擦力大小，灵活性、可重复性较好；液滴悬挂采用10um的交叉石英丝，非等距布置石英柱，减小了挂丝传热，能够实现微小液滴的蒸发与燃烧研究。本装置在800℃情况下3s内悬挂液滴由室温20℃升温至60℃，内部管路由20℃升温至35℃，温升极小；本装置第二次进入800℃环境内部管路温度为110℃，可以避免实验产生误差，有利于重复性实验分析；推进装置及输送管路位于本装置内部，确保内部升温小，既保证实验误差，也能保护输送管路能够低于柴油沸点的180℃温度下工作；由于高温腔上部开口安装有进口平板，限制了高温腔内部的温度不会扩散至压力容器内部，长时间工作时压力容器内壁升温不超过200℃，保证压力容器内壁物性不变，避免压力容器因温升过大而爆炸；采用10um交叉丝结构，保证液滴在蒸发过程中处于正球形，液滴体积测量精度控制在4.35％，大大提高了实验准确性；保障了液滴进入高温腔时的温度，因此能够悬挂直径小于0.5mm的液滴，并且采用10um交叉丝结构，使得液滴不会过早蒸发，也能确保液滴在整个实验过程处于正球形。
附图说明
图1为本发明夹具体的三视图。
图2为图1中B-B处的剖视图。
图3为本发明金属杆的全剖图。
图4为本发明悬挂液滴保护罩自动分离装置初始状态的主视图。
图5为本发明悬挂液滴保护罩自动分离装置分离状态的主视图。
图6为图5P处的局部剖视图。
图7为图6A-A处的剖视图。
附图说明：1-夹具体，2-悬挂装置，3-保护罩连接杆，4-进口平板，5-石英玻璃罩，6-通孔，7-滑块，101-支耳，102-中贯通孔，103-边贯通孔，104-紧固孔，105-调节孔，106-沟槽，201-金属杆，202-石英架，203-顶板，204-石英柱，205-底板，206-柔性石墨垫，301-支杆，302-定位螺钉，303-焊接块，304-螺母。
具体实施方式
以下结合附图和实施方式进一步说明本发明，下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。
一种悬挂液滴保护罩自动分离装置，包括夹具体1、悬挂装置2、保护罩连接杆3、进口平板4和石英玻璃罩5。如图1和图2所示，所述夹具体1左右两侧面设有支耳101，用于固定夹具体1及整个挂滴装置；夹具体1上下表面设有中贯通孔102和2个边贯通孔103，前侧面设有紧固孔104和2个调节孔105；所述边贯通孔103两侧设有沟槽106；所述沟槽106的宽度小于边贯通孔103的直径。
所述悬挂装置2包括不锈钢的金属杆201和石英架202。如图3所示，所述金属杆201为凸状结构，所述滑块7位于金属杆201的阶梯位置处，阶梯上侧设有销钉孔用于安装销钉固定滑块7。如图4和图5所示，所述金属杆201穿过中贯通孔102，且通过紧固孔104内的紧固螺钉固定；所述保护罩连接杆3穿过边贯通孔103，且通过调节孔105内的调节螺钉调节摩擦力；所述金属杆201和保护罩连接杆3中段通过滑块7连接，保证运动中二者不发生偏离。
所述保护罩连接杆3中段设置有与其垂直的支杆301，所述支杆301上固定有定位螺钉302，所述进口平板4位于定位螺钉302下方，所述进口平板4固定于高温腔上部，用于液滴推进过程中实现石英玻璃罩5与悬挂装置2分离，使得燃油液滴瞬间暴露在高温环境中。所述保护罩连接杆3上部还设有焊接块303；保护罩连接杆3底端设有螺纹和轴肩，通过螺母304固定连接石英玻璃罩5顶端。所述石英玻璃罩5为内部中孔且无底面的罩体，增加石英玻璃罩5的厚度和高度，可以提高玻璃罩的隔热效果，减小对金属杆201的加热作用，在保证其运动的平稳性与灵活性的情况下，可适量的增加玻璃罩的厚度和高度。本实施例中所述石英玻璃罩5的厚度为2毫米且高度大于等于石英架202的1.5倍。
如图6和图7所示，所述石英架202包括顶板203、石英柱204和底板205；所述金属杆201末端固定连接石英架202的顶板203；所述石英柱204一共有4根，固定在顶板203和底板205之间，呈非等距布置，对角线的2根石英柱204连接与水平线成150°；所述交叉石英丝为10μm，起到既不影响燃油挂滴效果又合理利用空间的作用。石英柱204上固定有交叉石英丝，所述石英架202的底板205设置有一定的深度，可阻挡系统运动过程中的对流热空气，其内放置有柔性石墨垫206，当石英玻璃罩5滑落下来时可以避免碰撞；石英架202的顶板203可防止空气涡流加热液滴。所述金属杆201、石英架202和石英玻璃罩5的中部形成通孔6，所述通孔6内放置热电偶；所述石英玻璃罩5的直径和高度均大于石英架202的直径和高度。所述定位螺钉302至进口平板4的距离等于石英架202的高度，同时保证分离后石英玻璃罩5的底部未超出石英架202的顶板203。
本发明的工作过程：
将燃油液滴悬挂在交叉石英丝上，将石英玻璃罩5合上石英架202，并且两者保持微小的缝隙不发生接触；此时保护罩连接杆3上的焊接块303置于夹具体1内部，并与夹具体内的沟槽106接触。实验开始前先进行调试，主要通过调节孔105内的调节螺钉调节摩擦力，确保摩擦作用下石英玻璃罩5和悬挂装置2同步向下运动，同时受力后快速分离。调节定位螺钉302，使得向下运动时接触进口平板4，同时保证分离后石英玻璃罩5的底部未超出石英架202的顶板203。
当定位螺钉302运行至和进口平板4接触时，继续运动，石英玻璃罩5和石英架202分离，连接杆3上端的焊接块303从夹具体1的沟槽106中脱离，此时燃油液滴暴露在高温环境中开始逐渐蒸发。
当液滴蒸发结束之后，进给系统将整个挂滴装置从高温加热室中退出，由于连接杆3上端焊接块303的存在，焊接块303不会进入夹具体1的沟槽106内部，这也就保证了石英玻璃罩5的底部不会与石英架的底板205发生碰撞，同时柔性石墨垫206的存在，在石英玻璃罩5滑落下来的情况下也可以避免碰撞；实现悬挂液滴保护罩自动分离过程。
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)

1.一种悬挂液滴保护罩自动分离装置，其特征在于，包括夹具体(1)、悬挂装置(2)、保护罩连接杆(3)、进口平板(4)和石英玻璃罩(5)；所述夹具体(1)左右两侧面设有支耳(101)，上下表面设有中贯通孔(102)和关于其对称的2个边贯通孔(103)；前侧面设有紧固孔(104)和关于其对称的2个调节孔(105)；所述边贯通孔(103)两侧设有沟槽(106)；所述沟槽(106)的宽度小于边贯通孔(103)的直径；所述悬挂装置(2)包括金属杆(201)和石英架(202)；所述石英架(202)包括顶板(203)、石英柱(204)和底板(205)；所述石英柱(204)固定在顶板(203)和底板(205)之间，且石英柱(204)上固定有石英丝；所述金属杆(201)末端固定连接石英架(202)的顶板(203)；所述金属杆(201)穿过中贯通孔(102)，且通过紧固孔(104)内的紧固螺钉固定；所述保护罩连接杆(3)穿过边贯通孔(103)，且通过调节孔(105)内的调节螺钉调节；所述保护罩连接杆(3)中段设置有与其垂直的支杆(301)，所述支杆(301)上固定有定位螺钉(302)；所述进口平板(4)固定于高温腔上部；所述进口平板(4)位于定位螺钉(302)下方；所述保护罩连接杆(3)底端固定连接石英玻璃罩(5)顶端；所述石英玻璃罩(5)为内部中空且无底面的罩体；所述石英玻璃罩(5)的直径和高度均大于石英架(202)的直径和高度；所述金属杆(201)、石英架(202)和石英玻璃罩(5)的中部形成通孔(6)，所述通孔(6)内放置热电偶。
2.根据权利要求1所述的一种悬挂液滴保护罩自动分离装置，其特征在于，所述定位螺钉(302)至进口平板(4)的距离等于石英架(202)的高度；所述金属杆(201)和保护罩连接杆(3)中段通过滑块(7)连接。
3.根据权利要求2所述的一种悬挂液滴保护罩自动分离装置，其特征在于，所述金属杆(201)为凸状结构；所述滑块(7)位于金属杆(201)的阶梯位置处。
4.根据权利要求1所述的一种悬挂液滴保护罩自动分离装置，其特征在于，所述保护罩连接杆(3)上部设有焊接块(303)。
5.根据权利要求4所述的一种悬挂液滴保护罩自动分离装置，其特征在于，所述石英柱(204)有4根，且上面交叉布置有2根石英丝。
6.根据权利要求5所述的一种悬挂液滴保护罩自动分离装置，其特征在于，4根所述石英柱(204)呈非等距布置；对角线的2根石英柱(204)连线与水平线成150°；所述石英丝直径为10μm。
7.根据权利要求1所述的一种悬挂液滴保护罩自动分离装置，其特征在于，所述保护罩连接杆(3)底端设有螺纹和轴肩，通过螺母(304)固定连接石英玻璃罩(5)顶端。
8.根据权利要求1所述的一种悬挂液滴保护罩自动分离装置，其特征在于，所述石英架(202)的底板(205)内放置有柔性石墨垫(206)。
9.根据权利要求1所述的一种悬挂液滴保护罩自动分离装置，其特征在于，所述石英玻璃罩(5)的厚度为2毫米，且高度大于等于石英架(202)高度的1.5倍。
10.一种根据权利要求5所述的悬挂液滴保护罩自动分离装置的自动分离方法，其特征在于，包含如下步骤：
S1：将燃油液滴悬挂在交叉石英丝上，将石英玻璃罩(5)合上石英架(202)且两者保持微小缝隙不发生接触；确保保护罩连接杆(3)上的焊接块(303)位于夹具体(1)内部，并与夹具体内的沟槽(106)接触；
S2：通过调节孔(105)内的调节螺钉，使石英玻璃罩(5)和悬挂装置(2)同步向下运动且同时受力后可快速分离；调节定位螺钉(302)，使其向下运动时可接触进口平板(4)，同时保证分离后石英玻璃罩(5)的底部未超出石英架(202)的顶板(203)；
S3：进给系统带动悬挂装置(2)和保护罩连接杆(3)向下运动，当定位螺钉(302)运行至与进口平板(4)接触时，悬挂装置(2)继续运动，石英玻璃罩(5)和石英架(202)分离，保护罩连接杆(3)上端的焊接块(303)从夹具体(1)的沟槽(106)中脱离，实现了悬挂液滴保护罩自动分离过程。
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