CN112268977A - 一种实现流动式进气加热的燃烧火焰光学可视化测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种实现流动式进气加热的燃烧火焰光学可视化测量装置，包括通过通道连接的空气压缩加热装置和弹体，弹的顶部和底部分别设置带顶部光学视窗的顶盖和带底部光学视窗的底盖；弹体侧壁设置侧面光学视窗、燃气喷射装置、燃油喷射装置、预燃室、排气口，预燃室与弹体内部连通，预燃室内壁设置隔热保温涂层，外壁设置加热保温包片，预燃室设置高压柴油喷射装置，排气口内设排气阀，排气口与进气口位于弹体同一侧。本发明实现了流动式进气加热来模拟实际发动机中的涡流流场和滚流流场，并通过一种合理的控制及保温方法来实现针对预混和扩散燃气的燃烧测试。
Description
技术领域
本发明涉及用来模拟大型低速双燃料内燃机的着火燃烧历程的光学可视化研究装置，特别是可以实现针对进气涡流耦合预混火焰射流的研究，更具体的说，是涉及一种实现流动式进气加热的燃烧火焰光学可视化测量装置。
背景技术
在低速机上燃用气体燃料(以天然气为代表)是一种实现燃烧污染物减排最具潜力的技术路线。天然气在大型低速船用发动机工程应用中通常有两种技术方案，一种是在活塞行至上止点附近时先后喷射少量引燃柴油和燃气，其中引燃柴油由于活性较高会率先着火，随后燃气喷射与柴油火焰作用被引燃形成燃气火焰射流，整个燃烧过程呈现扩散燃烧的特征，发动机实现类似于传统柴油机的狄塞尔循环；另一种方案是燃气较早喷射形成一定程度的预混(部分预混)燃气/空气混合气，随后在活塞行至上止点附近时通过在预燃室内喷射少量引燃柴油产生的预燃室火焰射流来引燃主燃室内的混合气。整个燃烧过程主要呈现预混燃烧的特征，工作过程接近传统汽油机的奥托循环。目前，这两种双燃料着火燃烧过程的湍流火焰发展机制尚不明确，包括高压燃气/燃油火焰射流之间的相互作用机制，预燃室火焰射流对主燃室内预混气体引燃作用的火焰形态变化等。此外，在低速船用发动机大空间下大尺度涡流对混合气形成及后续燃烧火焰的影响不能忽略，有必要通过试验来揭示稳态涡流对燃料/空气的混合、燃烧及后续排放物生成过程的影响。这一系列问题都要求一种可以在一定程度上模拟实际发动机活塞行至上止点附近时燃烧室内的热力学状态和流动状态，并实现相似的双燃料着火燃烧过程的光学可视化装置来针对上述问题开展研究。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种实现流动式进气加热的燃烧火焰光学可视化测量装置，具体是一种用来模拟实际大缸径发动机缸内燃烧并实现针对燃烧火焰及中间后续燃烧产物的光学可视化测量的定容燃烧装置，特别是实现了流动式进气加热来模拟实际发动机中的大尺度涡流流场，并通过一种合理的控制及保温方法来实现针对燃气预混和扩散燃烧测试。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
本发明实现流动式进气加热的燃烧火焰光学可视化测量装置，包括通过通道密封连接的空气压缩加热装置和弹体，所述弹体的顶部和底部分别设置有顶盖和底盖，所述顶盖和底盖分别设置有顶部光学视窗和底部光学视窗；
所述弹体侧壁设置有侧面光学视窗、燃气喷射装置、燃油喷射装置、预燃室、排气口，所述燃气喷射装置设置为两个，燃油喷射装置设置于两个燃气喷射装置之间，所述预燃室与弹体内部等压连通，所述预燃室内壁设置有隔热保温涂层，外壁设置有加热保温包片，所述预燃室设置有高压柴油喷射装置，所述排气口内设置有排气阀，所述排气口与进气口位于弹体同一侧，使流动式空气在弹体内部形成稳态大尺度涡流，实现对实际低速发动机燃烧室内的流场和高温高压热力学边界条件及温度场的模拟。
所述弹体设置为上下开口且连通的中空结构，所述弹体和顶盖、底盖之间均通过螺栓螺母固定连接，所述顶部光学视窗和底部光学视窗的数量相等，且轴向上一一对应。
所述通道连接于空气压缩加热装置的排气口和弹体的进气口之间，所述通道内设置有进气阀，弹体的排气口开闭由ECU控制排气阀精确控制开启/关闭时刻，进气口的开闭由通道内的进气阀控制，响应精度与排气阀同级，通过这两个阀门的先后开闭控制实现对弹体内空气质量的控制和实现燃气与空气的预混/部分预混。
所述燃气喷射装置采用高压燃气喷射器，其最高喷射压力大于30MPa；所述燃油喷射装置和高压柴油喷射装置均采用柴油高压共轨系统供油，喷油压力为500-3000bar；所述燃气喷射装置、燃油喷射装置和高压柴油喷射装置的喷油嘴部分均根据需要采用单孔或多孔改造，并根据需要改变喷孔位置及喷射角度。
所述弹体侧壁设置有预留接口，预燃室安装于预留接口处，通过预留接口与弹体内部等压连通，所述预燃室内壁涂抹的隔热保温涂层采用低导热系数材料，所述预燃室外壁贴附的加热保温包片采用电加热贴片，电加热贴片可以达到600K以上的加热温度。
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
(1)本发明可以实现流动式进气加热并实现对火焰射流引燃预混气体的光学可视化研究。这意味着在研究火焰射流发展历程和预混燃烧的过程中，突出了大尺度涡流的作用，更接近实际发动机的工作状态，研究结果对工程应用更具有实际意义。此前已有的类似装置可以实现流动式进气加热但是无法针对预混燃烧进行测量；或者可以实现气体预混后从外部加热，随后点燃预混气体，但是未见能同时满足这两种条件的相关报道。
(2)本发明通过对进气阀和排气阀的开闭时刻的精确控制。可以实现对留存在弹体内部的空气质量控制。具体来说(但应当理解本发明保护点并不受具体方式限制)：排气阀略早关闭可以使弹体内留存更多的空气，相应的进气阀略早关闭可以使弹体内部留存较少的空气。这样针对空气量的控制可以对实际发动机在不同负荷下不同进气量的模拟。
(3)此外，对进排气阀的精确控制，耦合燃气/燃油喷射装置喷射时刻的精确控制，可以实现在高温高压流动状态下的燃气/空气相互作用，燃气/燃油束相互作用，以及火焰射流对预混气体的作用等研究。
(4)通过一定精度的控制系统控制进排气口的开闭配合燃气高压喷射时刻，并通过PLIF等光学测试技术，可以观测缸内流场和燃气贯穿之间的相互作用以及后续的燃气分布；进一步说，通过与燃气喷射时刻相近的引燃油喷射实现燃气射流着火，可以观测燃气射流火焰及燃烧产物的生成发展迁移等历程。
(5)针对流动式加热定容燃烧系统的预燃室气体的保温措施是实现火焰射流引燃预混气体的关键点，本发明通过降低壁面传热系数同时增加壁面温度的保温方法，具体保温措施包括两部分：其一是在预燃室内壁涂抹保温涂层，涂层材料采用低导热系数材料，实现降低热空气的传热损失。同时在预燃室外壁贴电加热贴片，电加热贴可以达到6 00K以上的加热温度，因而可以认为预燃室壁面温度也能达到600K以上。综合这两种措施，可以保证在进排气口关闭之后到燃油喷射的时间内预燃室内部的高温高压空气在燃气和空气混合的过程中温度降低幅度达到最低，确保预燃室内部的引燃高活性燃料能顺利着火，并通过预燃室和容弹内腔之间的通道产生火焰射流引燃预混(部分预混)的燃气/空气混合气；随后，凭借高速摄像、PLIF、LII等光学测试技术可以测试火焰射流、湍流火焰发展及各种中间产物和碳烟等燃烧产物的生成、氧化、迁移的过程。
附图说明
图1是本发明实现流动式进气加热的燃烧火焰光学可视化测量装置主视图；
图2是本发明中弹体部分俯视局部剖图。
附图标记：1空气压缩加热装置，2通道，3进气口，4弹体，5顶盖，6燃气喷射装置，7燃油喷射装置，8侧面光学视窗，9排气口，10顶部光学视窗，11高压柴油喷射装置，12预燃室，13隔热保温涂层，14加热保温包片，15螺栓螺母，16排气阀，17底盖。
具体实施方式
为进一步阐述本发明的功能，下面对本发明作详细说明，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
如图1和图2所示，本发明实现流动式进气加热的燃烧火焰光学可视化测量装置，包括空气压缩加热装置1和弹体4，二者通过通道2密封连接，所述通道2连接于空气压缩加热装置1的排气口和弹体4的进气口3之间，所述通道2内设置有进气阀。所述弹体4设置为上下开口且连通的中空结构，所述弹体4的顶部和底部分别设置有顶盖5和底盖17，所述弹体4和顶盖5、底盖17之间均通过一系列螺栓螺母15固定连接，所述顶盖5和底盖17分别设置有顶部光学视窗10和底部光学视窗，所述顶部光学视窗10和底部光学视窗的数量相等，且轴向上一一对应。其中，所述顶盖5和底盖17可以通过螺栓螺母15的拆卸，旋转后重装，进而实现顶部光学视窗10、底部光学视窗的视野范围覆盖弹体内绝大部分区域，可以在大范围内对燃烧火焰及产物的生成、迁移、转化进行研究，同时相比较大型光学视窗可以大幅降低弹体强度要求。
所述弹体4侧壁设置有侧面光学视窗8、燃气喷射装置6、燃油喷射装置7、预燃室12、排气口9。所述侧面光学视窗8设置为三个，可以实现从三个方向来的片体激光进入弹体4内部。所述燃气喷射装置6设置为两个，燃油喷射装置7设置于两个燃气喷射装置6之间，靠近其中一个燃气喷射装置6，远离另一个燃气喷射装置6设置。其中，所述燃气喷射装置6采用高压燃气喷射器，其最高喷射压力大于30MPa，因而可以实现在高背景压力下的燃气喷射贯穿，目前此类喷射器已经有相关报道并实现商品化，可以采购得到。所述燃油喷射装置7和预燃室12的高压柴油喷射装置11均采用柴油高压共轨系统供油，喷油压力为500-3000bar。所述燃气喷射装置6、燃油喷射装置7和高压柴油喷射装置11的喷油嘴部分均可以根据需要采用单孔或多孔改造，并根据需要改变喷孔位置及喷射角度。
所述弹体4侧壁设置有预留接口，预燃室12安装于预留接口处，通过预留接口与弹体4内部等压连通，所述预燃室12内壁设置有隔热保温涂层13，外壁设置有加热保温包片14，所述预燃室12设置有高压柴油喷射装置11。所述预燃室12是为了研究引燃油在预燃室12内着火燃烧过预留接口后形成的火焰射流在预混气体中的发展过程，以及整个燃烧过程中的各种产物生成机制等。其中，所述预燃室12外壁贴附的加热保温包片14采用电加热贴片。由于进气阀、排气阀16关闭后弹体4内空气失去热源，温度降低速度很快，而燃气和空气实现预混又需要一定时间。这意味着燃气喷射后到喷射引燃柴油这段时间内不可避免的出现空气温度大幅降低现象，为了确保预燃室12内引燃柴油的着火，有必要对预燃室12内的热空气增加保温措施，保温措施包括两部分：其一是在预燃室12内壁涂抹隔热保温涂层13，涂层材料采用低导热系数材料，实现降低热空气的传热损失。同时在预燃室12外壁贴电加热贴片，电加热贴片可以达到600K以上的加热温度，因而可以认为预燃室12壁面温度也能达到600K以上。综合这两种措施，可以使预燃室12内的高温高压空气在燃气和空气混合的过程中温度降低幅度达到最低，从而确保引燃柴油的着火和燃烧。
所述空气压缩加热装置1提供超过20MPa、900K以上的高温高压流动式空气，通过通道2和进气口3进入弹体4内部，在内部充分运动通过排气口9排出弹体4。所述排气口9内设置有排气阀16，所述排气口9与进气口3位于弹体4同一侧，进气口3、排气口9经过一定角度和位置的设计，能够使高温高压的流动式空气在弹体4内部形成稳态大尺度涡流，实现对实际低速发动机燃烧室内的流场和高温高压热力学边界条件及温度场的模拟。排气口9、进气口3的布置方向与连接处的弹体4切线方向接近，且存在较小的角度(应当理解不受具体角度所限)，以确保在装置使用过程中能够在缸内实现稳态涡流运动。
弹体4的排气口9开闭由ECU控制排气阀16精确控制开启/关闭时刻，机械响应误差在毫秒级以下，进气口3的开闭由通道2内的进气阀控制，响应精度与排气阀16同级，通过这两个阀门的先后开闭控制可以实现对弹体4内空气质量的控制和实现燃气与空气的预混/部分预混，防止混合气逸出带来安全隐患。
在进气阀和排气阀16关闭后开启燃气喷射，通过对燃气内掺混荧光剂耦合PILF技术手段，可以观测燃气喷射和大尺度涡流相互作用对局部空燃比和燃气混合状态的影响研究。此外，由于燃气喷射角度可变，涡流强度可以根据空气流量在一定程度上调节，所以此项研究有一定的可变参数。
在进气阀和排气阀16关闭后，在非常短的时间内直接喷射高压柴油，此时弹体内空气压力温度仍然较高，可以使柴油自燃着火。随后喷射高压燃气，使燃气射流与柴油火焰射流相互作用，并通过(包括但不限于)高速摄像、PLIF和LII等技术方案研究燃气射流与火焰射流相互作用及着火燃烧后续产物生成等的机理性研究。此外，由于燃气喷射压力、角度、燃气喷射束的数目以及燃油喷射参数等可调节，因而利用本发明可以开展涵盖了大范围的参数化研究。
在进气阀和排气阀16关闭后，在非常短的时间内喷射高压燃气，经过与高温高压空气充分/部分的预混后，在预燃室12内喷射引燃柴油。如前文所言，预燃室12通过一系列保温措施，其内部的温度压力降低幅度不大，可以确保引燃柴油着火。随后预燃室12内柴油着火燃烧后通过预留接口形成高能火焰射流进入作为主燃烧室的弹体4，点燃预混的气体。这个过程中的火焰发展形态、中间产物等可以通过(包括但不限于)高速摄像、PLIF和LII等技术方案研究。此外，由于预燃室是在弹体上预留接口，在后续加入的装置，其形状、大小、通孔等参数可变，并且预燃室内的柴油喷射参数也可以灵活调节，因而基于本发明针对预燃室火焰射流发展及对主燃烧室内着火燃烧历程的研究涵盖了较多的可变参数。
尽管上面结合附图对本发明的功能及工作过程进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体功能和工作过程，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。
Claims (5)
1.一种实现流动式进气加热的燃烧火焰光学可视化测量装置，其特征在于，包括通过通道(2)密封连接的空气压缩加热装置(1)和弹体(4)，所述弹体(4)的顶部和底部分别设置有顶盖(5)和底盖(17)，所述顶盖(5)和底盖(17)分别设置有顶部光学视窗(10)和底部光学视窗；
所述弹体(4)侧壁设置有侧面光学视窗(8)、燃气喷射装置(6)、燃油喷射装置(7)、预燃室(12)、排气口(9)，所述燃气喷射装置(6)设置为两个，燃油喷射装置(7)设置于两个燃气喷射装置(6)之间，所述预燃室(12)与弹体(4)内部等压连通，所述预燃室(12)内壁设置有隔热保温涂层(13)，外壁设置有加热保温包片(14)，所述预燃室(12)设置有高压柴油喷射装置(7)，所述排气口(9)内设置有排气阀(16)，所述排气口(9)与进气口(3)位于弹体(4)同一侧，使流动式空气在弹体(4)内部形成稳态大尺度涡流，实现对实际低速发动机燃烧室内的流场和高温高压热力学边界条件及温度场的模拟。
2.根据权利要求1所述的实现流动式进气加热的燃烧火焰光学可视化测量装置，其特征在于，所述弹体(4)设置为上下开口且连通的中空结构，所述弹体(4)和顶盖(5)、底盖(17)之间均通过螺栓螺母(15)固定连接，所述顶部光学视窗(10)和底部光学视窗的数量相等，且轴向上一一对应。
3.根据权利要求1所述的实现流动式进气加热的燃烧火焰光学可视化测量装置，其特征在于，所述通道(2)连接于空气压缩加热装置(1)的排气口和弹体(4)的进气口(3)之间，所述通道(2)内设置有进气阀，弹体(4)的排气口(9)开闭由ECU控制排气阀(16)精确控制开启/关闭时刻，进气口(3)的开闭由通道(2)内的进气阀控制，响应精度与排气阀(16)同级，通过这两个阀门的先后开闭控制实现对弹体(4)内空气质量的控制和实现燃气与空气的预混/部分预混。
4.根据权利要求1所述的实现流动式进气加热的燃烧火焰光学可视化测量装置，其特征在于，所述燃气喷射装置(6)采用高压燃气喷射器，其最高喷射压力大于30MPa；所述燃油喷射装置(7)和高压柴油喷射装置(11)均采用柴油高压共轨系统供油，喷油压力为500-3000bar；所述燃气喷射装置(6)、燃油喷射装置(7)和高压柴油喷射装置(11)的喷油嘴部分均根据需要采用单孔或多孔改造，并根据需要改变喷孔位置及喷射角度。
5.根据权利要求1所述的实现流动式进气加热的燃烧火焰光学可视化测量装置，其特征在于，所述弹体(4)侧壁设置有预留接口，预燃室安装于预留接口处，通过预留接口与弹体(4)内部等压连通，所述预燃室(12)内壁涂抹的隔热保温涂层(13)采用低导热系数材料，所述预燃室(12)外壁贴附的加热保温包片(14)采用电加热贴片，电加热贴片可以达到600K以上的加热温度。
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