CN116104657A - 一种实现喷雾燃烧可视化的系统及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实现喷雾燃烧可视化的系统及其工作方法，该系统包括定容燃烧弹、供气系统、排气系统、燃料供给系统、ECU电控单元和背景条件控制柜，定容燃烧弹的视窗外侧设有高速摄像机；供气系统和排气系统通过气体管路与定容燃烧弹相连接；定容燃烧弹上部与燃料供给系统的喷油器连接；燃料供给系统和高速摄像机分别与ECU电控单元信号连接；同时定容燃烧弹上还具有热电偶和信号采集系统，而热电偶和信号采集系统分别与背景条件控制柜信号连接。采用本发明可以用背景条件控制柜远程调控定容燃烧弹的温度与压力条件，采用控制计算机和ECU电控单元控制喷油与燃烧，并且在供油管路中加入了油压控制阀和燃油过滤器，提高了实验安全性和实验效率。

Description

一种实现喷雾燃烧可视化的系统及其工作方法

技术领域

本发明涉及柴油机燃烧可视化领域，具体涉及一种实现喷雾燃烧可视化的系统及其工作方法。

背景技术

柴油机是一种被广泛应用的工程机械，但其功率在特殊的工作条件下如高山、地下等缺氧以及高EGR率的工作环境受到显著的影响。随着工作环境的变化，传统的柴油机已不再适用。为了适应工作环境的变化，目前已有可用于不同于空气的特殊环境气体的柴油机。但这些柴油机往往无法稳定工作，原因是柴油在不同的环境气体中的燃烧特性差异很大。

定容燃烧弹能够模拟真实的柴油机气缸内的燃烧条件，作为一种实验器材，一直以来都是进行相关研究主要工具。燃烧可视化试验是研究燃烧过程的重要基础方法之一，可视化指的是将燃烧过程中的部分不能直接观察到的参数以图片或视频的方式记录下来并研究分析。

发明内容

为克服现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种实现喷雾燃烧可视化的系统及其工作方法，以研究柴油在多种气体环境下着火与燃烧的过程。

为此，本发明提出了一种实现喷雾燃烧可视化的系统，包括定容燃烧弹、供气系统、排气系统、燃料供给系统、ECU电控单元和背景条件控制柜，定容燃烧弹的视窗外侧设有高速摄像机；供气系统和排气系统通过气体管路与定容燃烧弹相连接；定容燃烧弹上部与燃料供给系统的喷油器连接；燃料供给系统和高速摄像机分别与ECU电控单元信号连接；同时定容燃烧弹上还具有热电偶和信号采集系统，而热电偶和信号采集系统分别与背景条件控制柜信号连接。

进一步，高速摄像机与视窗之间设置了带有荧光材料的透镜，透镜的正下方设置了激发光源，并且激发光源发射的光经透镜反射进入视窗。

进一步，燃料供给系统包括依次连接的油箱、油泵、燃油过滤器、压力控制阀、高压油轨和喷油器；高压油轨上设有油压传感器，同时，油泵、压力控制阀、油压传感器和喷油器分别通过数据线与ECU电控单元信号连接。

进一步，供气系统包括依次连接的气瓶、气体阀门、气体搅拌器、气体压缩机；气体压缩机再通过气管与定容燃烧弹内壁连通。

进一步，供气系统上设有多个气瓶，每个气瓶都连接有气体阀门，并且不同气瓶装有不同类型的气体。

进一步，还包括水冷系统，水冷系统包括水泵和水箱，水泵通过水管与定容燃烧弹上端连通，定容燃烧弹的下端通过回水管路与水箱连接；同时水泵与背景条件控制柜信号连接。

进一步，信号采集系统为温度与压力传感器，温度与压力传感器与定容燃烧弹内腔连通，同时温度与压力传感器与背景条件控制柜信号连接。

进一步，排气系统为真空泵，定容燃烧弹还通过气管连接真空泵。

本发明还提出了一种实现喷雾燃烧可视化的系统的工作方法，包括以下步骤：

S1：采用背景条件控制柜，热电偶，气体温度与压力传感器，水泵，水箱，气瓶，气体阀门，气体搅拌器，气体压缩机，真空泵在定容燃烧弹内营造实验所需的背景气体及气体条件；

S2：背景条件达到要求后，控制计算机，ECU电控单元，油箱，油泵，燃油过滤器，压力控制阀，高压油轨，油压传感器控制喷油达到所需的条件并由喷油器将燃油喷入定容燃烧弹中；

S3：燃烧过程透过视窗被观察，采用激发光源和带有荧光材料的透镜增强成像效果并由高速摄像机进行记录；

S4：燃烧结束后，燃烧产物收集器收集燃烧产物。

进一步，通过激发光源激发带有荧光材料的透镜上的荧光材料，使其处于激发态，增强成像效果。

本专利对光源激发系统进行研究，依托于定容燃烧弹设计了一套实现喷雾燃烧可视化的系统，采用本发明可以用背景条件控制柜远程调控定容燃烧弹的温度与压力条件，采用控制计算机和ECU电控单元控制喷油与燃烧，并且在供油管路中加入了油压控制阀和燃油过滤器，提高了实验安全性和实验效率。此外，本发明还可以使用燃烧产物收集器收集燃烧产物，为后续的试验提供了便利与条件。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明的实现喷雾燃烧可视化的系统的结构示意图；

图2为本发明的实现喷雾燃烧可视化的系统工作方法的步骤流程图；

附图标记说明

1、背景条件控制柜；2、控制计算机；3、ECU电控单元；4、热电偶；5、温度与压力传感器；6、水泵；7、水箱；8、定容燃烧弹；9、气瓶；10、气体阀门；11、气体搅拌器；12、气体压缩机；13、真空泵；14、油箱；15、燃油过滤器；16、油泵；17、压力控制阀；18、高压油轨；19、油压传感器；20、喷油器；21、燃烧产物收集器；22、视窗；23、激发光源；24、透镜；25、高速摄像机。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

如图1所示，本发明的实现喷雾燃烧可视化的系统，包括：背景条件控制柜1、控制计算机2、ECU电控单元3、热电偶4、气体温度与压力传感器5、水泵6、水箱7、定容燃烧弹8、气瓶9、气体阀门10、气体搅拌器11、气体压缩机12、真空泵13、油箱14、油泵16、燃油过滤器15、压力控制阀17、高压油轨18、油压传感器19、喷油器20、燃烧产物收集器21、视窗22、激发光源23、带有荧光材料的透镜24、高速摄像机25。

具体地，气瓶9、气体阀门10、气体搅拌器11、气体压缩机12依次连接，形成供气系统，气体压缩机12再通过气管与定容燃烧弹8内壁连通；其中，供气系统上设有多个气瓶9，每个气瓶9都连接有气体阀门10，并且不同气瓶9装有不同类型的气体；根据所需的环境气体选取气瓶9，并根据所需环境气体的体积分数或浓度调节气体阀门10的开度。不同的气体将在气体搅拌器11中被搅拌成均匀的混合气体。可通过更换不同的气瓶9并调节气体阀门10再通过气体搅拌器11配置不同的背景气体。

此外，定容燃烧弹8还通过气管连接有真空泵13，形成排气系统，在进行实验之前，首先使用真空泵13将定容燃烧弹燃烧室内抽成真空。

温度与压力传感器5与定容燃烧弹8内腔连通，同时温度与压力传感器5与背景条件控制柜1信号连接。背景条件控制柜1设定定容燃烧弹8的目标温度与目标压力，弹体内的温度与压力传感器5将温度信号传递给背景条件控制柜1，背景条件控制柜1通过计算目标温度与实际温度的差值调节热电偶4的加热强度与气体压缩机12的功率来升高弹体内的温度与压力。

为防止温度升高过快以及在燃烧过程中出现温度过高的情况，采用梯度进气加热方法，同时水冷系统将全程参与工作。水冷系统包括水泵6和水箱7，水泵6通过水管与定容燃烧弹8上端连通，同时水泵6与背景条件控制柜1信号连接。此外，定容燃烧弹8的下端通过回水管路与水箱7连接。背景条件控制柜1控制水泵6的流量，使来自水箱7的冷却水通过供水管路进入定容燃烧弹8的内壁中，再由回水管路回到水箱7中。

背景条件控制柜1控制热电偶的加热开度，气体压缩机12的功率以及水泵6的流量，保证定容燃烧弹8中的气体稳定变化并保持在一定范围内，确保了试验的安全性。

热电偶4的加热强度与气体压缩机12的功率随着弹体内温度和压力逐渐接近目标值而减小。待实际温度达到目标温度并稳定后，热电偶4加热强度与水泵6的流量保持不变，气体压缩机停止工作并关闭气体阀门，即可开始实验。

定容燃烧弹8上设有两个视窗22，高速摄像机25正对着视窗22，而高速摄像机25与视窗22之间设置了带有荧光材料的透镜24，透镜24的正下方设置了激发光源23，并且激发光源23发射的光经透镜24反射进入视窗22；激发光源23照射带有荧光材料的透镜24，使荧光材料处于激发状态。此外，更换不同的荧光材料能够增强不同物质的发光成像。

燃烧后，火焰发出的光透过视窗22投影在带有荧光材料的透镜24上，提前被激发的荧光材料将被火焰光照射的情况下发出更强的光，未被火焰照射的区域保持未被激发和被激发之间的临界状态，透镜上荧光材料的发光情况被高速摄像机25拍摄并记录。燃烧结束后，燃烧产物被定容燃烧弹8内部设置的燃烧产物收集器21收集，进行后续试验分析。

定容燃烧弹8上还连接有燃料供给系统，燃料供给系统包括依次连接的油箱14、油泵16、燃油过滤器15、压力控制阀17、高压油轨18和喷油器20，其中，喷油器20与定容燃烧弹8内腔连通，高压油轨18上设有油压传感器19，同时，油泵16、压力控制阀17、油压传感器19和喷油器20分别通过数据线与ECU电控单元3信号连接，而ECU电控单元3与控制计算机连接。此外，ECU电控单元3还与高速摄像机25信号连接。

燃油经过燃油过滤器15后进入高压油轨18，确保了燃油品质。通过油压传感器19实时监测燃油压力，ECU电控单元3控制压力控制阀17确保高压油轨中的油压稳定，提高了试验效率。

喷油器20可在规定的喷油时长内提供稳定的喷油压力，控制计算机2向ECU电控单元3设定喷油参数并下达喷油指令，控制计算机2设定喷油压力与喷油时长，并将指令输入ECU电控单元3，ECU电控单元3控制油泵16流量，使燃油经燃油过滤器15进入高压油轨18中，通过油压传感器19进行反馈调节，ECU电控单元3控制压力控制阀17的最大限制油压以防止高压油轨18中的油压过高。油压达到设定值后，控制计算机2下达喷油指令，ECU电控单元3控制喷油器20完成喷油。喷油的同时，ECU电控单元3控制高速摄像机25开始记录。

如图2所示，本发明还提供了实现喷雾燃烧过程可视化系统的工作方法，步骤如下：

S1：采用背景条件控制柜1，热电偶4，气体温度与压力传感器5，水泵6，水箱7，气瓶9，气体阀门10，气体搅拌器11，气体压缩机12，真空泵13在定容燃烧弹8内营造实验所需的背景气体及气体条件。

S2：背景条件达到要求后，控制计算机2，ECU电控单元3，油箱14，油泵16，燃油过滤器15，压力控制阀17，高压油轨18，油压传感器19控制喷油达到所需的条件并由喷油器20将燃油喷入定容燃烧弹8中，

S3：燃烧过程透过视窗22被观察，采用激发光源23和带有荧光材料的透镜24增强成像效果并由高速摄像机25进行记录。

S4：燃烧结束后，燃烧产物收集器21收集燃烧产物。

本发明是通过背景条件控制柜1控制定容燃烧弹8的背景气体条件来满足实验要求，通过激发光源23与带有荧光材料的透镜24增强成像效果，并通过控制计算机2对ECU电控单元3下达指令，控制油泵16、压力控制阀17和高速摄像机25来实现喷雾燃烧与过程记录。

采用本发明可以用背景条件控制柜1远程调控定容燃烧弹的温度与压力条件，采用控制计算机2和ECU电控单元3控制喷油与燃烧，并且在供油管路中加入了油压控制阀和燃油过滤器，提高了实验安全性和实验效率。此外，本发明还可以使用燃烧产物收集器21收集燃烧产物，为后续的试验提供了便利与条件。

下面结合附图简述本发明的实现喷雾燃烧可视化的系统的工作原理。

在进行实验之前，首先使用真空泵13将定容燃烧弹燃烧室内抽成真空，根据所需的环境气体选取气瓶9，并根据所需环境气体的体积分数或浓度调节气体阀门10的开度。不同的气体将在气体搅拌器11中被搅拌成均匀的混合气体。

背景条件控制柜1设定定容燃烧弹8的目标温度与目标压力，弹体内的温度与压力传感器5将温度信号传递给背景条件控制柜1，背景条件控制柜1通过计算目标温度与实际温度的差值调节热电偶4的加热强度与气体压缩机12的功率来升高弹体内的温度与压力。

为防止温度升高过快以及在燃烧过程中出现温度过高的情况，采用梯度进气加热方法，同时水冷系统将全程参与工作。背景条件控制柜1控制水泵6的流量，使来自水箱7的冷却水通过供水管路进入定容燃烧弹的内壁中，再由回水管路回到水箱7中。

热电偶4的加热强度与气体压缩机12的功率随着弹体内温度和压力逐渐接近目标值而减小。待实际温度达到目标温度并稳定后，热电偶4加热强度与水泵6的流量保持不变，气体压缩机停止工作并关闭气体阀门，即可开始实验。

激发光源23照射带有荧光材料的透镜24，使荧光材料处于激发状态，控制计算机2设定喷油压力与喷油时长，并将指令输入ECU电控单元3，ECU电控单元3控制油泵16流量，使燃油经燃油过滤器15进入高压油轨18中，通过油压传感器19进行反馈调节，ECU电控单元3控制压力控制阀17的最大限制油压以防止高压油轨18中的油压过高。油压达到设定值后，控制计算机2下达喷油指令，ECU电控单元3控制喷油器20完成喷油。喷油的同时，ECU电控单元3控制高速摄像机25开始记录。喷雾燃烧后，火焰发出的光透过视窗22投影在带有荧光材料的透镜24上，提前被激发的荧光材料将被火焰光照射的情况下发出更强的光，未被火焰照射的区域保持未被激发和被激发之间的临界状态，透镜上荧光材料的发光情况被高速摄像机25拍摄并记录。燃烧结束后，燃烧产物被燃烧产物收集器21收集，进行后续试验分析。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种实现喷雾燃烧可视化的系统，其特征在于，包括定容燃烧弹(8)、供气系统、排气系统、燃料供给系统、ECU电控单元(3)和背景条件控制柜(1)，

所述定容燃烧弹(8)的视窗(22)外侧设有高速摄像机(25)；所述供气系统和所述排气系统通过气体管路与所述定容燃烧弹(8)相连接；所述定容燃烧弹(8)上部与所述燃料供给系统的喷油器(20)连接；所述燃料供给系统和所述高速摄像机(25)分别与所述ECU电控单元(3)信号连接；

同时所述定容燃烧弹(8)上还具有热电偶(4)和信号采集系统，而所述热电偶(4)和所述信号采集系统分别与所述背景条件控制柜(1)信号连接。

2.根据权利要求1所述的实现喷雾燃烧可视化的系统，其特征在于，所述高速摄像机(25)与所述视窗(22)之间设置了带有荧光材料的透镜(24)，所述透镜(24)的正下方设置了激发光源(23)，并且所述激发光源(23)发射的光经所述透镜(24)反射进入所述视窗(22)。

3.根据权利要求1所述的实现喷雾燃烧可视化的系统，其特征在于，所述燃料供给系统包括依次连接的油箱(14)、油泵(16)、燃油过滤器(15)、压力控制阀(17)、高压油轨(18)和喷油器(20)；所述高压油轨(18)上设有油压传感器(19)，同时，所述油泵(16)、所述压力控制阀(17)、所述油压传感器(19)和所述喷油器(20)分别通过数据线与所述ECU电控单元(3)信号连接。

4.根据权利要求1所述的实现喷雾燃烧可视化的系统，其特征在于，所述供气系统包括依次连接的气瓶(9)、气体阀门(10)、气体搅拌器(11)、气体压缩机(12)；所述气体压缩机(12)再通过气管与所述定容燃烧弹(8)内壁连通。

5.根据权利要求4所述的实现喷雾燃烧可视化的系统，其特征在于，供气系统上设有多个所述气瓶(9)，每个所述气瓶(9)都连接有所述气体阀门(10)，并且不同所述气瓶(9)装有不同类型的气体。

6.根据权利要求1所述的实现喷雾燃烧可视化的系统，其特征在于，还包括水冷系统，所述水冷系统包括水泵(6)和水箱(7)，所述水泵(6)通过水管与所述定容燃烧弹(8)上端连通，所述定容燃烧弹(8)的下端通过回水管路与所述水箱(7)连接；同时所述水泵(6)与所述背景条件控制柜(1)信号连接。

7.根据权利要求1所述的实现喷雾燃烧可视化的系统，其特征在于，所述信号采集系统为温度与压力传感器(5)，所述温度与压力传感器(5)与所述定容燃烧弹(8)内腔连通，同时所述温度与压力传感器(5)与所述背景条件控制柜(1)信号连接。

8.根据权利要求1所述的实现喷雾燃烧可视化的系统，其特征在于，所述排气系统为真空泵(13)，所述定容燃烧弹(8)还通过气管连接所述真空泵(13)。

9.一种如权利要求1至8中任一项所述的实现喷雾燃烧可视化的系统的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：采用背景条件控制柜(1)，热电偶(4)，气体温度与压力传感器(5)，水泵(6)，水箱(7)，气瓶(9)，气体阀门(10)，气体搅拌器(11)，气体压缩机(12)，真空泵(13)在定容燃烧弹(8)内营造实验所需的背景气体及气体条件；

S2：背景条件达到要求后，控制计算机(2)，ECU电控单元(3)，油箱(14)，油泵(16)，燃油过滤器(15)，压力控制阀(17)，高压油轨(18)，油压传感器(19)控制喷油达到所需的条件并由喷油器(20)将燃油喷入定容燃烧弹(8)中；

S3：燃烧过程透过视窗(22)被观察，采用激发光源(23)和带有荧光材料的透镜(24)增强成像效果并由高速摄像机(25)进行记录；

S4：燃烧结束后，燃烧产物收集器(21)收集燃烧产物。

10.根据权利要求9所述的实现喷雾燃烧可视化的系统的工作方法，其特征在于，通过激发光源(23)激发带有荧光材料的透镜(24)上的荧光材料，使其处于激发态，增强成像效果。

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