CN113944582A - 用于柴油机低温冷启动条件下的燃油喷雾特性测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种用于柴油机低温冷启动条件下的燃油喷雾特性测试系统，对燃油供给喷射系统设置低温舱、对舱外油管及喷油器外缠绕通有冷却剂的铜管，从而实现了发动机冷气动燃油供给喷射系统低温环境的营造。由于利用点燃氢气和氧气营造弹体内温度压力环境的方法，相比加热炉营造高温环境的方法不会使喷油器温度出现大幅升高，保证了实验中喷油器的低温控制。喷雾定容弹弹体设计了三个光学视窗，可以同满足激光测量和纹影两种光学诊断技术的布置，能够实现在一次喷雾中多个喷雾特性参数的测量。

Description

用于柴油机低温冷启动条件下的燃油喷雾特性测试系统

技术领域

本发明涉及柴油机启动试验技术领域，尤其涉及一种用于柴油机低温冷启动条件下的燃油喷雾特性测试系统。

背景技术

柴油机喷雾与燃烧过程是其工作循环的核心，直接影响柴油机的动力性、经济性及排放特性。燃油雾化是燃烧的前提和根本，雾化的完成度决定着燃烧的好坏。雾化过程本身作为一个动态过程，受到喷嘴结构形式、喷射压力的影响，同时也受缸内压力、温度、气流运动等因素的影响，如高海拔条件下出现的喷雾过贯穿以及燃油触壁现象，极端条件下冷启动时的壁面油膜无法及时蒸发等。燃油喷射后要经历油滴破碎、油滴碰撞和聚合、油束撞壁、燃油多组分蒸发等过程，涉及到气液两相的相互作用以及分散液滴和油膜的相互作用，整个过程的流动和蒸发特性十分复杂。柴油在低温的情况下，粘度和雾化情况都会剧烈变化，为了测试柴油机在冷启动工况下的喷油特性，一方面需要将柴油和供油系统都降温至极低的温度下，并在此环境下工作，将低温柴油加压从喷油器中喷出，同时还要营造与发动机缸内相似的液态油雾蒸发的高温高压环境；另一方面需要应用观测燃油喷雾特性的光学测量技术，进行相应测试。

发明内容

本发明的实施例提供了一种用于柴油机低温冷启动条件下的燃油喷雾特性测试系统，用于解决现有技术中存在的问题。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。

一种用于柴油机低温冷启动条件下的燃油喷雾特性测试系统，包括定容弹、燃油供给与喷射子系统、图像采集子系统、控制单元和实验监控子系统；

定容弹包括弹体，弹体内具有弹腔，侧壁具有光学观测视窗结构，定容弹还具有点火装置；

燃油供给与喷射子系统具有低温舱、喷油器、动力装置和制冷装置，该低温舱内设有相互管路连接的油箱、油泵和油轨；喷油器通过一侧与油轨相连接，另一侧接入弹腔内；制冷装置用于向低温舱内提供冷量；动力装置与油泵驱动连接；

气体加注装置，用于在向弹腔内喷射燃油前向弹腔内加注试验用气体；

图像采集子系统通过光学观测视窗结构采集处理弹腔内的试验状态图像信息，并与控制单元和实验监控子系统相连接；

控制单元分别与喷油器、点火装置、动力装置、制冷装置、油泵和油轨电路连接；

实验监控子系统用于获得弹腔和低温舱内的环境状态参数，和喷油器、动力装置、制冷装置、油泵和油轨的工作状态参数。

优选地，光学观测视窗结构包括：弹体的侧壁开设有窗口部；第一端盖，可拆卸地与弹体的侧壁相连接，并与窗口部相配合，该第一端盖还具有第一通孔部；第二端盖，可拆卸地与第一端盖相连接，并与窗口部相配合，该第二端盖还具有第二通孔部；石英视窗，分别与第一端盖和第二端盖相配合；当第一端盖和第二端盖相互连接时，能够夹持住石英视窗，使石英视窗封住第一通孔部和第二通孔部。

优选地，第一通孔部和/或第二通孔部的内侧面具有环形密封槽，该环形密封槽内具有O型密封圈；通孔部内还具有与石英视窗边缘紧密贴合的密封垫圈。

优选地，定容弹为方形体结构，侧部分别设置3组光学观测视窗结构，顶部具有与喷油器相配合燃油接口，喷油器通过该燃油接口接入弹腔内；定容弹底部具有连通弹腔的进气孔、排气孔和安全阀。

优选地，动力装置为电机，该电机输出侧具有联轴器，电机通过该联轴器与油泵驱动连接，联轴器贯穿低温舱，并且低温舱通过设置保温层密封低温舱的开口；制冷装置设有缠绕保温层的第一输冷管路，当制冷装置工作时向该第一输冷管路中输送冷量。

优选地，实验监控子系统包括：气压传感器，用于获取并传输弹腔内的气压数据；油压传感器，用于获取并传输油轨的油压数据；温度传感器，用于分别获取弹腔和低温舱内的温度数据；流量计，用于获取并传输喷油器的喷油量数据；计时器，用于获取并传输喷油器的喷油时刻数据。

优选地，弹腔具有三个光学观测视窗结构；图像采集子系统包括光源、高能双腔激光器、高速摄像机、CCD相机、图像采集计算机和同步触发器；

光源通过光学观测视窗结构向弹腔内照射光束；

高速摄像机与光源相互对置，用于采集弹腔内的燃油喷雾全过程影像信息，并传输至图像采集计算机；

高能双腔激光器用于向弹腔内的燃油喷雾照射示踪粒子；

CCD相机用于采集具有示踪粒子的图像信息，并传输至图像采集计算机；

图像采集计算机基于燃油喷雾全过程影像信息，通过图像处理获得喷雾锥角和喷雾贯穿距的量化值，还通过对具有示踪粒子的图像信息进行处理，获得定容弹内喷雾的二维速度分布信息；

同步触发器分别与控制单元、实验监控子系统、高能双腔激光器、高速摄像机和CCD相机电路连接；控制单元开启喷油器喷射燃油时，通过同步触发器启动高速摄像机；当实验监控子系统监测到定容弹内温度和压力下降至预设阈值时，将该监测结果传输到控制单元，控制单元通过同步触发器依次启动高能双腔激光器和CCD相机。

优选地，燃油喷雾特性测试系统的工作过程包括：

S1基于预设的喷雾特征参数，布置图像采集子系统，向油箱内注入待测燃油；

S2基于试验喷雾所需的环境参数计算所需预燃气体的量值，向弹腔内注入预燃气体；

S3基于试验喷雾所需的环境参数，向控制单元输入包括喷油脉宽和喷油延时的输入量，使得控制单元能够基于该输入量控制喷油器向弹腔内喷射燃油；

S4当喷油器向弹腔内喷射燃油时，启动图像采集子系统采集处理弹腔内的试验状态图像信息；

S5待低温舱和弹腔内状态稳定，通过实验监控子系统获取定容弹内的温度和压力数据；触发点火装置，获取定容弹内的试验环境数据；

S6排出定容弹内的废气，对定容弹进行洗气，完成一次燃油喷雾特性测试；

S7若继续进行试验，通过控制单元重置试验参数，重复执行步骤S2至S6。

优选地，步骤S4具体包括：

S41当喷油器向弹腔内喷射燃油时，启动高速摄像机，使得高速摄像机采集弹腔内的燃油喷雾全过程影像信息；

S42通过图像采集计算机基于燃油喷雾全过程影像信息，通过图像处理获得喷雾锥角和喷雾贯穿距的量化值；

步骤S5还包括：

当单腔内的压力和温度下降至预设值时，依次启动高能双腔激光器和CCD相机，使得CCD相机能够采集具有示踪粒子的图像信息；

通过图像采集计算机对具有示踪粒子的图像信息进行处理，获得定容弹内喷雾的二维速度分布信息。

由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明提供的用于柴油机低温冷启动条件下的燃油喷雾特性测试系统，对燃油供给喷射系统设置低温舱、对舱外油管及喷油器外缠绕通有冷却剂的铜管，从而实现了发动机冷气动燃油供给喷射系统低温环境的营造。由于利用点燃氢气和氧气营造弹体内温度压力环境的方法，相比加热炉营造高温环境的方法不会使喷油器温度出现大幅升高，保证了实验中喷油器的低温控制。喷雾定容弹弹体设计了三个光学视窗，可以同满足激光测量和纹影两种光学诊断技术的布置，能够实现在一次喷雾中多个喷雾特性参数的测量。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的用于柴油机低温冷启动条件下的燃油喷雾特性测试系统的逻辑框图；

图2为本发明提供的用于柴油机低温冷启动条件下的燃油喷雾特性测试系统的组成示意图；

图3为本发明提供的用于柴油机低温冷启动条件下的燃油喷雾特性测试系统的定容弹立体示意图；

图4为本发明提供的用于柴油机低温冷启动条件下的燃油喷雾特性测试系统的定容弹主视图；

图5为本发明提供的用于柴油机低温冷启动条件下的燃油喷雾特性测试系统的定容弹侧视图；

图6为本发明提供的用于柴油机低温冷启动条件下的燃油喷雾特性测试系统的定容弹剖面图；

图7为本发明提供的用于柴油机低温冷启动条件下的燃油喷雾特性测试系统的光学观测视窗结构的局部放大图；

图8为本发明提供的用于柴油机低温冷启动条件下的燃油喷雾特性测试系统的燃油供给与喷射子系统结构示意图；

图9为本发明提供的用于柴油机低温冷启动条件下的燃油喷雾特性测试系统的图像采集子系统的组成示意图。

图中：

10.定容弹 101.弹体 102.弹腔 103.第一端盖 1031.第一通孔部 104.石英视窗105.第二端盖 1051.第二通孔部 106.环形密封槽 107.窗口部；

11.燃油供给与喷射子系统 111.油泵 112.油箱 113.油轨 114.电机 115.联轴器 116.低温舱 1161.保温层 117.油滤 119.喷油器；

12.控制单元；

13.图像采集子系统 131.光源 132.高能双腔激光器 133.高速摄像机 134.CCD相机 135.同步触发器 136.图像采集计算机；

14.实验监控子系统 141.轨压传感器；

15.气体加注装置。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。

本发明提供一种用于柴油机低温冷启动条件下的燃油喷雾特性测试系统，用于解决现有技术中存在的如下问题：

在柴油机极端的条件下冷启动时，柴油处在低温状态，粘度和雾化情况都会随柴油机运行工况发生剧烈变化，同时缸内的温度环境较差，油雾在空间喷射和撞壁后无法获得足够的热量，壁面油膜无法及时蒸发也是导致燃油蒸发和混合情况变差。所以需要建立相应的数值模拟模型或者实验来建立与柴油机内实际柴油喷雾过程充分相近的环境条件来研究柴油机内的柴油喷雾过程；

目前燃油喷雾测试这个要基于高压燃油喷射、高温高压的喷雾环境和喷雾过程观测这几方面来搭建试验系统，系统主要包括喷雾定容弹、燃油供给喷射系统、光学观测系统、控制单元、压力及温度控制系统等子系统。喷雾定容弹、高压气瓶及加热炉为喷雾提供模拟柴油机活塞到上止点高温高压的喷雾环境；燃油供给喷射系统保证高压燃油的持续稳定供给与喷射；光学系统进行燃油喷射过程的观测；控制单元控制燃油喷射与喷射过程的拍摄与记录。这样下来，一方面燃油供给喷射系统高压油泵等部件的长时间工作必然会使燃油温度升高，另一方面虽然定容弹中的加热炉能使定容弹保持恒定的温度环境，但其高温环境也会使喷油器及其连接部件共同加热，导致燃油温度升高，不能充分实现柴油机低温冷启动状态下燃油及喷雾环境的营造，与实际过程相差较远，导致实验效果大打折扣；

燃油喷射后要经历油滴破碎、油滴碰撞和聚合、油束撞壁、燃油多组分蒸发等过程，涉及到气液两相的相互作用以及分散液滴和油膜的相互作用，整个过程的流动和蒸发特性十分复杂，很难通过单一的方法进行燃油喷雾特性的研究。在数值模拟方面，目前人们基于分散液滴假设，创建了不同的雾化模型，包括流动、破碎、蒸发及撞壁模型，能够一定程度上近似模拟柴油机喷雾过程但是还有在一些情况下尤其是喷雾撞壁模型发挥较大作用时还存在较大误差；而在实验观测方面，一是现有技术大多数对于喷雾特性的测试都是燃油在常温环境或者是在高温高压喷雾环境的原理性研究，虽然能在一定程度上测试柴油喷雾特性，但是它没有考虑到柴油机低温冷启动的情况，仅将这些试验系统用于柴油机冷启动时低温燃油喷雾特性测试，不但燃油供给喷射系统高压油泵等部件的工作会导致燃油温度升高，而且定容弹中加热炉的高温工作也会因容弹自身材质的迅速热传导使共轨喷射系统及燃油温度升高，这样必然会导致实验效果产生较大误差，对柴油机喷雾的指导意义大大降低；二是系统中的定容弹仅预留了两个光学视窗，其喷雾过程的观测局限于一种光学测试手段，能获取到的喷雾特性参数有限。

本发明主要解决柴油机冷启动低温燃油喷雾特性测试中难以稳定营造和控制燃油供给与喷射系统及燃油低温环境的问题，通过对燃油供给喷射系统设置低温舱和定容弹内预混气体燃烧提供高温高压喷雾环境的方式解决燃油供给喷射系统低温环境(-40℃—20℃)难以稳定的缺陷，从而营造充分接近柴油机冷启动时实际低温燃油喷雾测试环境，实现低温燃油喷雾特性的最佳测试；在此基础上本测试系统的喷雾定容弹设计了三个光学视窗，可以同满足激光测量和纹影两种光学诊断技术的布置，实现在一次喷雾中多个喷雾特性参数的测量。

参见图1，本发明提供一种用于柴油机低温冷启动条件下的燃油喷雾特性测试系统，根据各组成结构的功能及运行中的相互关系，低温冷起动条件下喷雾模拟实验系统分为五个子系统，分别是：喷雾实验所用的定容弹10、燃油供给与喷射子系统11、图像采集子系统13、控制单元12、实验监控子系统14。各子系统包括不同实验仪器和设备，如图1所示为低温燃油喷雾模拟实验系统图。

定容弹10：定容弹10是为整个测试系统提供高温高压喷雾环境、光学观测视窗结构、预燃气及废气的进排出、压力温度采集、喷油器119及点火装置安装的一个腔室，在本发明提供的实施例中，其包括弹体101，该弹体101内具有弹腔102，侧壁具有光学观测视窗结构，弹体101一侧还具有点火装置(图中未示出)。

燃油供给与喷射子系统11：燃油供给是指燃油从油箱112流经供油系统各部件直至喷油器119的过程，稳定的供油可以保证实验具有良好的可重复性，其具有低温舱116、喷油器119、动力装置和制冷装置(主体位于低温舱116外，图中未示出)。为了实现低温供油，系统中的油箱112、油泵111、油轨113以及相应的油管路都放置于低温舱116中，制冷装置用于向低温舱116内提供冷量。喷油器119通过一侧与油轨113相连接，另一侧接入弹腔102内，动力装置与油泵111驱动连接。油泵111优选高压油泵，油轨113优选耐高压的多路换向阀。

气体加注装置15(具体设置基于现有技术，本文不再赘述)，用于在向弹腔102内喷射燃油前向弹腔102内加注试验用气体，并接受控制单元12的控制。

图像采集子系统13，是负责喷雾过程的观测与记录，其中定容弹10布置了光学视窗，可同时布置两种光学诊断仪器，主要包括光学信号接收、光源131、图像采集计算机136几个部分，并接受控制单元12的控制，以及与实验监控子系统14相互通信。

控制单元12：本测试系统要实现喷雾过程的实时观测记录要对点火线圈、油泵111、喷油器119、光源131、图像接收设备、低温舱116进行控制，其中点火线圈、喷油器119、光源131和图像接收设备要进行同步控制。为了实现冷启动时在燃烧室内的低温喷油工况，要保持喷油器119低温，所以在燃烧弹内喷油前点燃氢气和氧气实现弹体101内柴油机缸内环境的营造，故而要控制点火线圈；高压共轨油泵111需要提供驱动电流，通过控制驱动电流的大小改变控制阀开度，调节油轨113进油量，进而改变油轨113压力；喷油器119要在弹体101内环境下降到目标值后及时喷油，同时控制喷油脉宽，从而精确控制喷油时刻和喷油量；在燃油喷射后还要及时触发光源131与图像接收设备，保证喷雾过程的记录；低温舱116要保证燃油供给喷射系统11稳定的低温环境，也需要进行温度控制。

图像采集子系统13通过光学观测视窗结构采集弹腔102内的试验状态图像信息，并发送到控制单元12和实验监控子系统14。其包括光源131、图像采集计算机136、高速摄影+纹影和激光测量系统。

实验监控子系统14：本测试系统要实现燃油供给系统低温环境、喷油压力、喷油时刻、弹体101内温度压力环境的精确控制，所以需要对低温舱116和弹体101内温度、共轨管和弹体101内压力进行精确测量，实时监控并反馈至控制单元12，还可图像采集子系统13相互通信。其能够获得弹腔102和低温舱116内的环境状态参数，和喷油器119、动力装置、制冷装置、油泵111和油轨113的工作状态参数。其具体的传感器均可采用现有技术的仪器，例如分别位于弹腔102、低温舱116内的温度计，安装在油轨113上的轨压传感器141(即监测油压)，位于弹腔102内的气压计。

在本发明提供的实施例中，如图2所示，定容弹10整体设计结构为方形，材料采用316不锈钢。在弹体101上端面布置有喷油器119、热电偶及高频压力传感器；左右和前端面三面布置光学观测视窗结构；后端面安装点火装置，用来点燃预燃气体；下端面布置进气孔、排气孔、安全阀及低频压力传感器。喷雾前定容弹10内环境温度和环境压力分别由热电偶和低频压力传感器来测量，点火开始后环境压力采用高频压力传感器来测量，环境温度根据点火开始时刻测得的温度和高频压力传感器测得的压力曲线由质量守恒定律和理想气体状态方程计算得到。为了安全性考虑，在弹体101上安装安全阀(阈值为10MPa)，防止压力过高引发危险。同时，在可燃气进样管路中安装单向止回阀，防止点火后高温燃气在燃烧弹内高压作用下倒流进入减压阀以及火焰沿进气管道回流引起可燃气瓶发生爆炸。如图3为定容弹10主体结构尺寸图，定容弹10采用316不锈钢(有良好的加工硬化特性，耐高温可达1200-1300℃)锻造加工而成。设计压力为6MPa，并且能承受近1000K的高温。

光学视窗结构是为实验喷雾可视化，光学观测时光路能够通过的窗口。本试验在内径为的定容弹10腔体内安装石英窗，预留通光孔径为120mm。根据强度校核理论，计算确定石英视窗104厚度为40mm。视窗部分采用紫外光学石英玻璃JGS-2，适用波段220nm至2500nm(完全覆盖380nm至780nm的可见光波段)，理论抗压强度800MPa，最高工作温度1100℃。在喷雾实验过程中的喷雾很容易对石英视窗104造成污染，所以试验后必要对石英视窗104进行拆卸清洁。同时为了减少频繁拆装对石英造成损坏以及降低密封性能，光学视窗结构处进行分段设计，原理如图3和4所示：弹体101的侧壁开设有窗口部107；第一端盖103，可拆卸地与弹体101的侧壁(外侧面)相连接，并与窗口部107相配合，该第一端盖103还具有第一通孔部1031；石英视窗104第二端盖105，与窗口部107相配合，具体位于弹体101内侧面，可拆卸地与第一端盖103相连接，具有第二通孔部1051，石英视窗104，分别与第一端盖103和第二端盖105相配合，具体；当第一端盖103和第二端盖105相互连接时，二者能够夹持住石英视窗104，使石英视窗104封住第一通孔部1031和第二通孔部1051。每次清洗石英视窗104，只需对装配体进行整体拆卸，可以很好地保护石英玻璃，同时这种设计还可以加强石英玻璃与端盖结合处的密封效果。

更进一步的，第一通孔部1031和/或第二通孔部1051的内侧面(即与石英视窗104相接触的侧面)具有环形密封槽106，该环形密封槽106内具有O型密封圈。通孔部内还具有与石英视窗104边缘紧密贴合的密封垫圈。例如图3所示的，定容弹10本体与各盖板或石英玻璃的接触面上加工有密封环形槽，在环形槽中放置O型橡胶圈，在盖板或石英玻璃的两侧放置四氟垫圈，并上紧沿法兰盘分布的螺栓时，盖板与石英玻璃挤压后，与产生O型圈和四氟垫圈形成密封面，起到密封作用。上端盖与腔体接合处、石英视窗104与各端面接合处均采用台阶式设计，密封圈通过台阶式结构压在接合处，从而保证接合处的密封效果。

为了实现冷启动时在燃烧室内的低温喷油工况，需要喷油前在弹体101内营造柴油机缸内的温度压力环境，而喷油器119需要保持低温，因此，试验方案为在燃烧弹内充入定量的预燃气体，在喷油前点燃，实现弹体101内气体的高温高压。预混气被火花塞点燃后，弹内压力和温度迅速上升，由于壁面的热传递，弹内压力达到峰值后缓慢下降。当环境压力下降到目标压力时，燃油喷射和高速摄像机133被压力反馈系统触发。相较于加热式的定容弹10(一般加热时间至少30分钟以上)，本系统在点火后可以快速达到预设的温度和压力。

在本发明提供的优选实施例中，动力装置采用电机114，该电机114输出侧具有联轴器115，电机114通过该联轴器115与油泵111驱动连接，联轴器115贯穿所述低温舱116，另一侧连接油泵111。由于电机114发热量较大，将其置于低温舱116外。低温舱116外部还通过敷设保温层1161进行保温，以及密封住自身的开口(开口包括贯设联轴器115的开口，以及贯设高压油轨113连通喷油嘴的高压油管的开口)。制冷装置与低温舱116之间的输冷管路也敷设保温层1161，该输冷管路优选采用铜管，当制冷装置工作时通过输冷管路向低温舱116输送冷量。

在本发明提供的优选实施例中，制冷装置采用压缩机和冷凝器，制冷功率1.5kW，通过温控器进行控制，可设置制冷目标温度，满足最低-40℃的制冷需求。为了保证制冷效果和节能，在联轴器115的缝隙处需要按照低温舱116标准做保温层1161，并将保温层1161可靠地安装在低温舱116壁上。电机114和油泵111与试验台采用可拆卸方式连接，便于后期的维护、维修和升级。压缩机、冷凝器、温控器均使用市售知名品牌，确保质量稳定可靠；采用全铜散热器和管路，确保更高效的制冷效率和能力；选用R12冷媒，无毒、不燃、无腐蚀性，具有良好的热稳定性和化学稳定性。油箱112选用优质不锈钢材质，有效容积不小于5L，并配有液位指示装置可实现低液位报警，内部装有冷却铜管用于快速制冷。喷油器119的管路贯穿低温舱116的缝隙也通过保温层1161进行密封。

为了实现高压油管和喷油器119的冷却，制冷装置的输冷管路还缠绕高压油管和喷油器119，这些管路采用铜管，通冷却剂。在低温舱116外的连通高压油轨113与喷油嘴的高压油管的表面，以及喷油嘴的表面，也敷设保温层1161，并优选将缠绕在上述高压油管表面的输冷管路一并包覆住。输冷管路的布设基于现有技术，此处不再赘述。

为了拆装方便和安全，使用液体冷却剂。在高压油管和喷油器119外围冷却铜管的两端安装易拆装接头，方便试验台位置改动。

如图8所示，为了保证燃油的燃烧效果，避免试验出现较大偏差，低温舱116内还具有油滤117，用于过滤燃油的杂质，其分别与油箱112、油泵111管路连接。

在本发明提供的优选实施例中，弹腔102具有三个光学观测视窗结构，实际实验中根据所需不同的喷雾特性参数来确定实施哪种光学诊断方法；如图9所示，图像采集子系统13包括光源131、高能双腔激光器132、高速摄像机133、CCD相机134(电荷耦合器件相机charge coupled device)、图像采集计算机136和同步触发器135。

光源131通过光学观测视窗结构向弹腔102内照射光束。

高速摄像机133与光源131相互对置(即分别位于相互对置的弹腔102两侧)，用于采集弹腔102内的燃油喷雾全过程影像信息，并传输至图像采集计算机136。

高能双腔激光器132用于向弹腔102内的燃油喷雾照射示踪粒子。

CCD相机134用于采集具有示踪粒子的图像信息，并传输至图像采集计算机136。

图像采集计算机136基于燃油喷雾全过程影像信息，通过图像处理(例如MATLAB图像处理软件)获得喷雾锥角和喷雾贯穿距的量化值。

在本实施例中，高能双腔激光器132和CCD相机134构成PIV(粒子图像测速技术)激光测试系统，能够直接得到喷雾的速度分布，其原理是对测量平面上的多个点进行跟踪、测量，实现流速分布的二维测量。如图PIV测试系统的激光器与CCD相机134布置在相互垂直的视窗两侧，在触发喷油器119的同时触发激光器和CCD相机134，高能双腔激光器132会以设置时间间隔先后发出两束激光，同样相机会先后两次记录到被测视场中示踪粒子位置，CCD相机134会将这两张具有示踪粒子(位置)的图像记录至计算机中，通过PIV系软件处理即可得到定容弹10内喷雾的二维速度分布。

同步触发器135分别与控制单元12、实验监控子系统14、高能双腔激光器132、高速摄像机133和CCD相机134电路连接；控制单元12开启喷油器119喷射燃油时，通过同步触发器135启动高速摄像机133；当实验监控子系统14监测到定容弹10内温度和压力下降至预设阈值时，将该监测结果传输到控制单元12，控制单元12通过同步触发器135依次启动高能双腔激光器132和CCD相机134。

在本实施例中，待弹腔内的压力和温度下降至预设值，再启动高能双腔激光器132和CCD相机134的作用在于：实验通过预燃一定量的气体来营造温度压力环境，点燃预混气后弹内温度压力迅速升高至最高点后开始下降。预设(阈)值可以通过监测弹腔102内环境温度和压力变化，绘制变化曲线的方式，当变化曲线较为平缓进行常规计算取值。

本发明还提供一个实施例，用于显示本测试系统的工作过程，包括：

S1基于预设的喷雾特征参数，确定光学诊断仪器，并布置好光路，进行光源131与控制单元12、光学信号接收器与控制单元12的、光学信号接收器与图像采集计算机136的连接；在燃油供给喷射系统11的油箱112中注入多于油箱112容积2/3的待测燃油，在控制单元12中按实验方案设置燃油温度、喷油压力，开启与低温舱116及舱外连接的制冷设备，开启供油泵111电机114；

S2基于试验喷雾所需的环境参数计算所需预燃气体的量值，向弹腔内注入预燃气体；

S3基于试验喷雾所需的环境参数，向控制单元12输入包括喷油脉宽、喷油延时、光源131触发延时、光学信号接收器触发延时的输入量，使得控制单元12能够基于该输入量控制喷油器119向弹腔102内喷射燃油；

S4当喷油器119向弹腔102内喷射燃油时，启动图像采集子系统13采集处理弹腔102内的试验状态图像信息；

S5待低温舱116和弹腔102内状态稳定，且定容弹10内预燃气充分预混后，通过实验监控子系统14获取定容弹10内的温度和压力数据；触发点火装置，获取定容弹10内的试验环境数据；弹腔102图像采集子系统13

S6排出定容弹10内的废气，对定容弹10进行两到三次洗气，完成一次燃油喷雾特性测试；

S7若继续进行试验，通过控制单元12重置试验参数，重复执行步骤S2值S6。

进一步的，步骤S4具体包括：

S41当喷油器119向弹腔102内喷射燃油时，启动高速摄像机133，使得高速摄像机133采集所述弹腔102内的燃油喷雾全过程影像信息；

S42通过图像采集计算机136基于所述燃油喷雾全过程影像信息，通过图像处理获得喷雾锥角和喷雾贯穿距的量化值；

步骤S5还包括：

当弹腔内的压力和温度下降至预设值时，依次启动所述高能双腔激光器132和CCD相机134，使得CCD相机134能够采集具有示踪粒子的图像信息；

通过图像采集计算机136对具有示踪粒子的图像信息进行处理，获得定容弹10内喷雾的二维速度分布信息。

待弹腔内的压力和温度下降至预设值，再启动高能双腔激光器132和CCD相机134的作用在于：实验通过预燃一定量的气体来营造温度压力环境，点燃预混气后弹内温度压力迅速升高至最高点后开始下降。预设(阈)值可以通过监测弹腔102内环境温度和压力变化，绘制变化曲线的方式，当变化曲线较为平缓进行常规计算取值。

综上所述，本发明提供的一种用于柴油机低温冷启动条件下的燃油喷雾特性测试系统，对燃油供给喷射系统设置低温舱、对舱外油管及喷油器外缠绕通有冷却剂的铜管，从而实现了发动机冷气动燃油供给喷射系统低温环境的营造。由于利用点燃氢气和氧气营造弹体内温度压力环境的方法，相比加热炉营造高温环境的方法不会使喷油器温度出现大幅升高，保证了实验中喷油器的低温控制。喷雾定容弹弹体设计了三个光学视窗，可以同满足激光测量和纹影两种光学诊断技术的布置，能够实现在一次喷雾中多个喷雾特性参数的测量。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.用于柴油机低温冷启动条件下的燃油喷雾特性测试系统，其特征在于，包括定容弹、燃油供给与喷射子系统、图像采集子系统、控制单元和实验监控子系统；

所述定容弹包括弹体，所述弹体内具有弹腔，侧壁具有光学观测视窗结构，所述定容弹还具有点火装置；

所述燃油供给与喷射子系统具有低温舱、喷油器、动力装置和制冷装置，该低温舱内设有相互管路连接的油箱、油泵和油轨；所述喷油器通过一侧与所述油轨相连接，另一侧接入所述弹腔内；所述制冷装置用于向所述低温舱内提供冷量；所述动力装置与所述油泵驱动连接；

气体加注装置，用于在向所述弹腔内喷射燃油前向所述弹腔内加注试验用气体；

所述图像采集子系统通过所述光学观测视窗结构采集处理所述弹腔内的试验状态图像信息，并与所述控制单元和实验监控子系统相连接；

所述控制单元分别与所述喷油器、点火装置、动力装置、制冷装置、油泵和油轨电路连接；

所述实验监控子系统用于获得所述弹腔和低温舱内的环境状态参数，和所述喷油器、动力装置、制冷装置、油泵和油轨的工作状态参数。

2.根据权利要求1所述的燃油喷雾特性测试系统，其特征在于，所述光学观测视窗结构包括：所述弹体的侧壁开设有窗口部；第一端盖，可拆卸地与所述弹体的侧壁相连接，并与所述窗口部相配合，该第一端盖还具有第一通孔部；第二端盖，可拆卸地与所述第一端盖相连接，并与所述窗口部相配合，该第二端盖还具有第二通孔部；石英视窗，分别与所述第一端盖和第二端盖相配合；当所述第一端盖和第二端盖相互连接时，能够夹持住所述石英视窗，使所述石英视窗封住所述第一通孔部和第二通孔部。

3.根据权利要求2所述的燃油喷雾特性测试系统，其特征在于，所述第一通孔部和/或第二通孔部的内侧面具有环形密封槽，该环形密封槽内具有O型密封圈；所述通孔部内还具有与所述石英视窗边缘紧密贴合的密封垫圈。

4.根据权利要求2所述的燃油喷雾特性测试系统，其特征在于，所述定容弹为方形体结构，侧部分别设置3组所述光学观测视窗结构，顶部具有与所述喷油器相配合燃油接口，所述喷油器通过该燃油接口接入所述弹腔内；所述定容弹底部具有连通所述弹腔的进气孔、排气孔和安全阀。

5.根据权利要求1所述的燃油喷雾特性测试系统，其特征在于，所述动力装置为电机，该电机输出侧具有联轴器，所述电机通过该联轴器与所述油泵驱动连接，所述联轴器贯穿所述低温舱，并且所述低温舱通过设置保温层密封所述低温舱的开口；所述制冷装置设有缠绕所述保温层的第一输冷管路，当所述制冷装置工作时向该第一输冷管路中输送冷量。

6.根据权利要求1所述的燃油喷雾特性测试系统，其特征在于，所述实验监控子系统包括：气压传感器，用于获取并传输所述弹腔内的气压数据；油压传感器，用于获取并传输所述油轨的油压数据；温度传感器，用于分别获取弹腔和低温舱内的温度数据；流量计，用于获取并传输所述喷油器的喷油量数据；计时器，用于获取并传输所述喷油器的喷油时刻数据。

7.根据权利要求1所述的燃油喷雾特性测试系统，其特征在于，所述弹腔具有三个所述光学观测视窗结构；所述图像采集子系统包括光源、高能双腔激光器、高速摄像机、CCD相机、图像采集计算机和同步触发器；

所述光源通过所述光学观测视窗结构向所述弹腔内照射光束；

所述高速摄像机与所述光源相互对置，用于采集所述弹腔内的燃油喷雾全过程影像信息，并传输至所述图像采集计算机；

所述高能双腔激光器用于向所述弹腔内的燃油喷雾照射示踪粒子；

所述CCD相机用于采集具有示踪粒子的图像信息，并传输至所述图像采集计算机；

所述图像采集计算机基于所述燃油喷雾全过程影像信息，通过图像处理获得喷雾锥角和喷雾贯穿距的量化值，还通过对具有示踪粒子的图像信息进行处理，获得定容弹内喷雾的二维速度分布信息；

所述同步触发器分别与所述控制单元、实验监控子系统、高能双腔激光器、高速摄像机和CCD相机电路连接；所述控制单元开启所述喷油器喷射燃油时，通过所述同步触发器启动所述高速摄像机；当所述实验监控子系统监测到所述定容弹内温度和压力下降至预设阈值时，将该监测结果传输到所述控制单元，所述控制单元通过所述同步触发器依次启动所述高能双腔激光器和CCD相机。

8.根据权利要求1所述的燃油喷雾特性测试系统，其特征在于，所述燃油喷雾特性测试系统的工作过程包括：

S1基于预设的喷雾特征参数，布置图像采集子系统，向油箱内注入待测燃油；

S2基于试验喷雾所需的环境参数计算所需预燃气体的量值，向弹腔内注入预燃气体；

S3基于试验喷雾所需的环境参数，向控制单元输入包括喷油脉宽和喷油延时的输入量，使得控制单元能够基于该输入量控制喷油器向弹腔内喷射燃油；

S4当喷油器向弹腔内喷射燃油时，启动图像采集子系统采集处理弹腔内的试验状态图像信息；

S5待低温舱和弹腔内状态稳定，通过实验监控子系统获取定容弹内的温度和压力数据；触发点火装置，获取定容弹内的试验环境数据；

S6排出定容弹内的废气，对定容弹进行洗气，完成一次燃油喷雾特性测试；

S7若继续进行试验，通过控制单元重置试验参数，重复执行步骤S2至S6。

9.根据权利要求8所述的燃油喷雾特性测试系统，其特征在于，步骤S4具体包括：

S41当喷油器向弹腔内喷射燃油时，启动高速摄像机，使得高速摄像机采集所述弹腔内的燃油喷雾全过程影像信息；

S42通过图像采集计算机基于所述燃油喷雾全过程影像信息，通过图像处理获得喷雾锥角和喷雾贯穿距的量化值；

步骤S5还包括：

当单腔内的压力和温度下降至预设值时，依次启动所述高能双腔激光器和CCD相机，使得CCD相机能够采集具有示踪粒子的图像信息；

通过图像采集计算机对具有示踪粒子的图像信息进行处理，获得定容弹内喷雾的二维速度分布信息。

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