CN114047287A - 一种模拟发动机高温高压条件下液滴蒸发燃烧的实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模拟发动机高温高压条件下液滴蒸发燃烧的实验装置，包括高温高压可视化快速压缩机实验系统，喷油器液滴发生系统，信号发生与采集系统，以及显微成像系统；高温高压可视化快速压缩机实验系统采用气压驱动液压制动，通过压缩空气驱动活塞连杆机构快速压缩缸内的气体，在可视化燃烧室形成均匀的高温高压环境；信号发生与采集系统用于控制快速压缩机动作，给出显微成像系统的高速摄像机触发信号和燃烧室动态压力采集信号；喷油器液滴发生系统用于向燃烧室供给一定数量的亚毫米离散液滴；显微成像系统用于获取可视化燃烧室内的液滴过程图像信息。本发明有助于高温高压条件下的液滴蒸发特性与自燃特性研究与数值模型建立。

Description

一种模拟发动机高温高压条件下液滴蒸发燃烧的实验装置

技术领域

本发明属于内燃机技术领域，具体涉及一种模拟发动机高温高压条件下液滴蒸发燃烧的实验装置。

背景技术

液体燃料燃烧所释放的化学能作为一种重要的能源，广泛应用于各种动力设备中，是各种内燃机重要的能量来源。液体燃料的燃烧是一个复杂的非均匀的两相反应流过程，主要包括可燃混合气准备阶段以及混合气着火燃烧阶段。在高温高压的条件下化学反应速度很快，液体燃料燃烧速率主要受限于可燃混合气准备过程，如燃料的蒸发过程以及与空气混合过程。为了获取不同的燃料液滴在不同条件下的蒸发速率、着火延迟与燃烧持续时间，需要对液滴蒸发及自着火特性进行可视化实验研究。目前，研究液滴蒸发及自燃实验研究主要为液滴的高温低压蒸发特性及自燃特性，而对于液滴在高温高压条件下的蒸发特性与自燃特性研究较少；同时，液滴发生的方法主要采用挂滴法，产生的液滴的直径一般大于1mm，与实际发动机中的液滴尺寸相差较大，且悬挂液滴的材料会改变液滴的形态以及液滴与环境的换热条件。

发明内容

本发明的目的在于提供一种模拟发动机高温高压条件下液滴蒸发燃烧的实验装置，具体是一种通过快速压缩缸内气体产生与实际发动机相似的高温高压热力环境，并通过喷油器液滴发生装置产生亚毫米级别微液滴，采用显微成像系统研究液滴高温高压条件下的蒸发特性与自燃特性的光学实验装置，以解决高温高压条件下的液滴蒸发及自燃可视化实验研究所面临的困难，有利于液滴数值模型的建立。

本发明如下技术方案来实现的：

一种模拟发动机高温高压条件下液滴蒸发燃烧的实验装置，包括高温高压可视化快速压缩机实验系统，喷油器液滴发生系统，信号发生与采集系统，以及显微成像系统；

高温高压可视化快速压缩机实验系统用于采用气压驱动液压制动，通过储气罐中的压缩空气驱动活塞连杆机构快速压缩缸内的气体，在可视化燃烧室形成均匀的高温高压环境；

信号发生与采集系统用于控制快速压缩机动作，给出显微成像系统的高速摄像机触发信号和燃烧室动态压力采集信号；喷油器液滴发生系统用于向可视化燃烧室供给设定数量的亚毫米离散液滴；显微成像系统用于获取可视化燃烧室内的液滴过程图像信息。

本发明进一步的改进在于，高温高压可视化快速压缩机实验系统包括依次连接的可视化燃烧室、压缩段、活塞连杆机构、液压段和驱动段，液压段通过液压油泵、液压油箱及其管路组成液压回路，驱动段通过储气罐、高压气泵、电动蝶阀及其管路组成气压回路。

本发明进一步的改进在于，可视化燃烧室包括燃烧室主体，燃烧室端盖，设置在燃烧室主体前后侧面的石英视窗及石英视窗盖，开设在可视化燃烧室底部的进排气口，以及开设在可视化燃烧室顶部的喷油器安装孔，可视化燃烧室的燃烧室主体的两端面分别与燃烧室端盖和压缩段的端面连接，并与活塞顶面一起形成中空的燃烧室内腔体。

本发明进一步的改进在于，可视化燃烧室的底部还开设有用于安装压力传感器的压力传感器孔。

本发明进一步的改进在于，显微成像系统还包括背光灯和长焦显微镜，背光灯和长焦显微镜分别设置在燃烧室主体前后侧面的石英视窗外，高速摄像机通过长焦显微镜拍摄记录液滴形态和大小随时间变化以及着火燃烧过程的图像。

本发明进一步的改进在于，喷油器液滴发生系统包括燃油箱、高压输液泵和喷油器，喷油器设置在可视化燃烧室顶部的喷油器安装孔处，燃油箱通过高压输液泵连接至喷油器。

本发明进一步的改进在于，喷油器液滴发生系统能够产生亚毫米尺寸的离散液滴。

本发明进一步的改进在于，喷油器液滴发生器沿着压缩段径向方向布置，并与光路方向垂直，液滴的运动方向与活塞连杆机构的运动方向垂直。

本发明进一步的改进在于，信号发生与采集系统用于同步触发快速压缩机、高速摄像机和喷油器液滴发生系统工作，并采集缸内压力信号。

本发明至少具有如下有益的技术效果：

本发明提供的一种模拟发动机高温高压条件下液滴蒸发燃烧的实验装置，通过对快速压缩机的燃烧室进行改造，增加了喷油器液滴发生系统和石英视窗，以及与之配套的显微成像系统。该光学实验装置首先通过快速压缩机压缩缸内气体来提供高温高压的热力学环境环境；通过压力传感器采集缸内气体压力，计算不同时刻的缸内温度和压力等热力学参数以提供液滴蒸发的边界条件。接着采用喷油器液滴发生系统在一定的样品压力和极短的喷油脉宽可以在燃烧室内产生亚毫米尺寸的离散液滴；离散液滴在缸内不断向前运动，在高温环境气体的加热下液滴不断地蒸发；在含氧气体氛围里，燃料蒸汽不断地与周围的气体混合，当达到燃料自着火条件液滴发生自燃。通过调整燃烧室内压缩气体的成分可以分别对液滴纯蒸发过程(不含氧化剂)与着火燃烧过程(含氧化剂)进行实验研究，并可通过调整气体中氧气的含量、环境温度以及环境压力得到液滴发生自着火的临界条件。最后通过高速摄像机和长焦显微镜，采用消光法捕获燃烧室内微小区域中的液滴蒸发及燃烧过程的图像信息，探究液滴高温高压条件下的蒸发特性与自燃特性，为数值模型的建立提供准确的实验数据。

综上，为了探究微小液滴在高温高压热力学条件下的蒸发特性与自燃特性，本发明设计了一种模拟发动机高温高压条件下液滴蒸发燃烧的实验装置，快速压缩机能够在极短的时间内通过快速压缩缸内气体，形成高温高压且均匀的气体环境，提供与实际发动机相似的热力学条件；而喷油器液滴发生系统可以产生与实际发动机燃烧过程中尺寸相似的0.1毫米尺寸的离散液滴；通过该实验装置可以获取微液滴在高温高压条件下的蒸发及自燃过程，为数值模型的建立提供精确的实验数据。

附图说明

图1为可视化快速压缩机实验装置的结构图。

图2为可视化燃烧室的纵剖图。

图3为可视化燃烧室的横剖图。

图4为高温高压实验装置的示意图。

附图标记说明：

1、可视化燃烧室，2、压缩段，3、活塞连杆机构，4、液压段，5、驱动段，6、电动蝶阀，7、储气罐，8、高压气泵，9、液压油箱，10、液压油泵，11、信号发生与采集系统，12、燃烧室主体，13、喷油器液滴发生器，14、石英视窗，15、石英视窗盖，16、进排气口，17、压力传感器孔，18、燃烧室端盖，19、高压输液泵，20、储液瓶，21、背光灯，22、长焦显微镜头，23、高速摄像机。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做出进一步的说明。

参见图1至图4，本发明提供的一种模拟发动机高温高压条件下液滴蒸发燃烧的实验装置，包括可视化燃烧室1、压缩段2、活塞连杆机构3、液压段4、驱动段5、电动蝶阀6、储气罐7、高压气泵8、带液压油泵10的液压油箱9以及信号发生与采集系统11组成。可视化燃烧室1由燃烧室主体12、石英视窗14、石英视窗盖15、进排气口16、压力传感器孔17以及喷油器安装孔构成。显微成像系统由背光灯21、石英视窗14、长焦显微镜22、高速摄像机23构成。喷油器液滴发生系统由燃油箱20、高压输液泵19、喷油器13和燃油管构成。其中，可视化燃烧室1内部是一个与压缩段2同轴线且直径相同的圆柱形腔体，可以通过调节燃烧室端盖18伸入燃烧室主体12的长度调节压缩比。喷油器23安装于燃烧室主体12的上侧面且沿着压缩段2径向布置，喷油方向与活塞连杆机构3的运动方向垂直。两个石英视窗14正对布置，光路方向与喷油方向和活塞连杆机构3的运动方向相垂直。燃烧室下侧壁面分别开有进排气口16和压力传感器孔17。

工作过程：用压缩空气推动活塞连杆机构3至下止点，电动蝶阀6将驱动段5与储气罐7的连接切断。接着，进气系统向抽真空后的压缩段2和可视化燃烧室1充入一定初始温度和初始压力、组分确定的实验气体。然后，高压气泵8向储气罐7中充气至预定的压力，使得气压足以驱动活塞连杆机构3快速运动至上止点，并且能够稳定保持在静止。然后，通过液压油泵10向液压段4内充入压力足够高的液压油，使得活塞连杆机构3能够在储气罐8的气压力作用下仍然能够停驻在下止点；打开电动蝶阀6使得储气罐8与驱动段5连通，气压力直接作用于活塞连杆机构3的右侧，完成气体驱动的准备过程。接着，通过信号发生与采集系统11发出信号开启液压段4的泄油阀，同时发出缸压采集信号，液压段4中的液压油通过油管回流到液压油箱9里，使得油压迅速下降。活塞连杆机构3在储气罐7中的压缩空气作用下快速运动，快速压缩压缩段的缸内气体。根据绝热压缩公式：Pc＝Pa×εⁿ，Tc＝Ta×ε^n-1。压缩过程结束后，可视化燃烧室1内可以形成高温高压的环境。通过采集到的高压信号可以计算出缸内的压力和温度的演化历程，为液滴蒸发提供温度和压力边界条件。接着，信号发生与采集系统11发出喷油信号和相机触发信号，喷油器液滴发生装置13在极短的喷油脉宽的作用下向可视化燃烧室1内产生离散的样品微液滴。液滴在可视化燃烧室1内向下游运动并在高温环境气体加热逐渐蒸发，在有氧氛围下燃油蒸汽与周围的气体混合后发生自燃。显微成像系统采用背光法捕获视域内的液滴的形态大小变化以及着火燃烧过程，由背光灯21产生散射光通过石英视窗14为可视化燃烧室1提供背景光，视域中由于液滴对背景光的反射和散射，液滴形成黑色的成像可以表征液滴在投影面的形貌。通过长焦显微镜22放大燃烧室中的局部区域，以观察该区域中的微小液滴，然后采用高速摄像机23拍摄记录液滴形态和大小随时间变化以及着火燃烧过程的图像。后处理对液滴的投影特性进行分析，可以获取液滴在特定的高温高压条件下，液滴蒸发过程中的直径变化历程、蒸发速率常数、液滴寿命、着火延迟时间与燃烧持续时间，为液滴蒸发燃烧数值模型的建立提供基础实验数据，填补部分燃料的液滴高压蒸发特性与自然特性实验数据的空缺。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (9)

1.一种模拟发动机高温高压条件下液滴蒸发燃烧的实验装置，其特征在于，包括高温高压可视化快速压缩机实验系统，喷油器液滴发生系统，信号发生与采集系统(11)，以及显微成像系统；

高温高压可视化快速压缩机实验系统用于采用气压驱动液压制动，通过储气罐(7)中的压缩空气驱动活塞连杆机构(3)快速压缩缸内的气体，在可视化燃烧室(1)形成均匀的高温高压环境；

信号发生与采集系统(11)用于控制快速压缩机动作，给出显微成像系统的高速摄像机(23)触发信号和燃烧室动态压力采集信号；喷油器液滴发生系统用于向可视化燃烧室(1)供给设定数量的亚毫米离散液滴；显微成像系统用于获取可视化燃烧室(1)内的液滴过程图像信息。

2.根据权利要求1所述的一种模拟发动机高温高压条件下液滴蒸发燃烧的实验装置，其特征在于，高温高压可视化快速压缩机实验系统包括依次连接的可视化燃烧室(1)、压缩段(2)、活塞连杆机构(3)、液压段(4)和驱动段(5)，液压段(4)通过液压油泵(10)、液压油箱(9)及其管路组成液压回路，驱动段(5)通过储气罐(7)、高压气泵(8)、电动蝶阀(6)及其管路组成气压回路。

3.根据权利要求2所述的一种模拟发动机高温高压条件下液滴蒸发燃烧的实验装置，其特征在于，可视化燃烧室(1)包括燃烧室主体(12)，燃烧室端盖(18)，设置在燃烧室主体(12)前后侧面的石英视窗(14)及石英视窗盖(15)，开设在可视化燃烧室(1)底部的进排气口(16)，以及开设在可视化燃烧室(1)顶部的喷油器安装孔，可视化燃烧室(1)的燃烧室主体(12)的两端面分别与燃烧室端盖(18)和压缩段(2)的端面连接，并与活塞顶面一起形成中空的燃烧室内腔体。

4.根据权利要求3所述的一种模拟发动机高温高压条件下液滴蒸发燃烧的实验装置，其特征在于，可视化燃烧室(1)的底部还开设有用于安装压力传感器的压力传感器孔(17)。

5.根据权利要求1所述的一种模拟发动机高温高压条件下液滴蒸发燃烧的实验装置，其特征在于，显微成像系统还包括背光灯(21)和长焦显微镜(22)，背光灯(21)和长焦显微镜(22)分别设置在燃烧室主体(12)前后侧面的石英视窗(14)外，高速摄像机(23)通过长焦显微镜(22)拍摄记录液滴形态和大小随时间变化以及着火燃烧过程的图像。

6.根据权利要求1所述的一种模拟发动机高温高压条件下液滴蒸发燃烧的实验装置，其特征在于，喷油器液滴发生系统包括燃油箱(20)、高压输液泵(19)和喷油器(13)，喷油器(13)设置在可视化燃烧室(1)顶部的喷油器安装孔处，燃油箱(20)通过高压输液泵(19)连接至喷油器(13)。

7.根据权利要求6所述的一种模拟发动机高温高压条件下液滴蒸发燃烧的实验装置，其特征在于，喷油器液滴发生系统能够产生亚毫米尺寸的离散液滴。

8.根据权利要求6所述的一种模拟发动机高温高压条件下液滴蒸发燃烧的实验装置，其特征在于，喷油器液滴发生器(13)沿着压缩段(2)径向方向布置，并与光路方向垂直，液滴的运动方向与活塞连杆机构(3)的运动方向垂直。

9.根据权利要求1所述的一种模拟发动机高温高压条件下液滴蒸发燃烧的实验装置，其特征在于，信号发生与采集系统(11)用于同步触发快速压缩机、高速摄像机(23)和喷油器液滴发生系统工作，并采集缸内压力信号。

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