一种可调节燃烧室样件传热特性研究系统的制作方法

本发明涉及发动机传热过程的试验装置领域，具体涉及一种可调节燃烧室样件传热特性研究系统。

背景技术：

我国地域辽阔，地形复杂，其中3000m海拔高度以上面积占比为26%。高海拔条件下由于大气密度和压力的下降，导致柴油机出现功率下降、燃烧恶化、冷却子系统散热能力下降等问题。在实际工作场景中，部分柴油机在高原变海拔环境下运行，出现了活塞烧蚀等故障。柴油机进气量减少，燃油缸内直接喷射阻力减少，导致喷雾贯穿距离增大，出现喷雾撞壁情况，燃油喷雾撞击壁面的同时也会让部分燃油附着在燃烧室壁面上，形成附壁油膜并产生燃油附壁燃烧，从而直接影响缸内燃气侧和燃烧室壁面的换热状态与热流分布。因此，有必要探究燃油喷雾撞壁燃烧对燃烧室热状态的影响。

研究者多利用定容燃烧弹与光学发动机来研究燃油喷雾与燃烧，鲜有人对燃油附壁燃烧对燃烧室或受热样件的传热特性进行探究。究其原因是对燃烧室或受热样件进行温度测量较为困难，而且如何获取瞬态温度场也是一个难题。

技术实现要素：

为了探究在燃油喷雾撞壁燃烧状态下的活塞传热状态，本发明提供了一种可调节燃烧室样件传热特性研究系统，用于模拟发动机燃烧室内部环境，可以深入探究变海拔状态下燃油喷雾撞壁燃烧对受热样件热状态的影响，探究燃油附壁燃烧传热机理并修正近壁附壁燃烧传热模型。

一种可调节燃烧室样件传热特性研究系统，包括二维可调节燃烧室样件、定容燃烧弹、同步控制与瞬态温度采集子系统、燃油供给子系统、高速摄像子系统、进排气子系统、冷却子系统；二维可调节燃烧室样件安装在定容燃烧弹中，用于模拟活塞不同上止点位置状态；定容燃烧弹主体为圆柱形造型，用于模拟柴油机燃烧室中高温、高压环境；同步控制与瞬态温度采集子系统具有喷油时刻控制、图像拍摄控制以及瞬态温度采集功能；燃油供给子系统包括油箱、高压共轨与喷油器，为定容燃烧弹弹体提供高压燃油；高速摄像子系统对定容燃烧弹中燃油喷雾附壁以及燃油附壁燃烧过程进行过程记录，并结合光学测量方法分析燃烧状态；进排气子系统连接定容燃烧弹的进气孔与排气孔；冷却子系统连接定容燃烧弹，对喷油器与石英视窗进行冷却。

所述的二维可调节燃烧室样件包括模拟活塞型线样件、模拟缸盖火力面样件、模拟余隙样件，不同厚度的模拟余隙样件放置在活塞型线样件与模拟缸盖火力面样件之间，模拟不同活塞行进至不同上止点位置，从而研究不同喷油时刻下燃料喷雾撞壁以及燃油附壁燃烧下的传热特性。

所述的定容燃烧弹，主体为圆柱形造型，弹体侧面安装石英视窗或者铁块，弹体上部设有连接立柱用来固定二维可调节燃烧室样件，弹体下部设有加热线圈以及加热调节器，为定容燃烧弹提供高温气体。

所述的同步控制与瞬态温度采集子系统，包括同步控制单元和瞬态温度采集单元，同步控制单元采用ni公司生产的compactrio控制系统和同步控制上位机，用于控制喷油脉宽信号、喷射触发信号、拍摄触发信号、加热器加热信号，瞬态温度采集单元包括快速响应热电偶，pxi温度采集箱，以及温度采集上位机。

所述的燃油供给子系统包括油箱、高压油泵、高压油轨、电控喷油器，在共轨内设置轨压传感器，高压油泵抽取油箱中燃油至高压油轨，轨压传感器放置在高压油轨测量油轨中燃油压力，电控喷油器连接高压高压油轨进行燃油喷射。

所述的高速摄像子系统包括高速摄影机和光源，其中高速摄影机上安装降低整体光强的中性衰减滤光片。

所述的进排气子系统包括高压气瓶、减压阀、排气阀、压力表和排气腔，高压气瓶通过减压阀连接至定容燃烧弹，压力表安装在高压气瓶上面检测气瓶压力，废气通过排气阀连接至排气腔排出。

所述的冷却子系统包括冷却水箱、水泵、排水槽与进水阀，定容燃烧弹内部设计有冷却水路，冷却水箱与水泵连接，水泵与进水阀连接，通过控制进水阀阀门大小设置冷却水流量，排出的冷却水从定容燃烧弹流出至排水槽。

本发明的有益效果为：

本发明能够模拟实际发动机中燃烧室的关键结构，通过二维可调节燃烧室样件模拟不同曲轴转角下活塞与缸盖火力面之间不同距离，从而研究不同喷油时刻下燃料喷雾撞壁以及燃油附壁燃烧下受热样件的传热特性。

本发明的瞬态温度采集子系统，能够对燃烧室表面瞬态温度进行同步测量采集，从而获取受热样件传热特性，探明燃油附壁燃烧传热机理并修正近壁附壁燃烧传热模型。

本发明综合燃油喷雾附壁的光学分析手段与受热样件传热特性的瞬态温度测量手段，可以探究不同海拔条件下，燃油附壁对受热样件传热特性研究，从而分析变海拔条件下柴油机故障原因。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

模拟活塞型线样件1a、模拟缸盖火力面样件1b、模拟余隙样件1c、连接立柱2、定容燃烧弹3、快速响应热电偶4、pxi温度采集箱5、温度采集上位机6、油箱7、油泵8、高压共轨9、电控喷油器10、高速摄影机11、光源12、高压气瓶13、减压阀14、排气阀15、排气腔16、排水槽17、水箱18、进水阀19、加热线圈以及加热调节器20、compactrio控制系统21、同步控制上位机22、轨压传感器23、压力表24、水泵25；

图2是本发明的二维可调节燃烧室样件的结构示意图。

具体实施方式

以下通过附图和实施例对本发明做进一步的阐述。

如图1所示，本发明的一种可调节燃烧室样件传热特性研究系统包括二维可调节燃烧室样件、定容燃烧弹3、同步控制与瞬态温度采集子系统、燃油供给子系统、瞬态温度采集高速摄像子系统、进排气子系统、冷却子系统；二维可调节燃烧室样件安装在定容燃烧弹3中，可以调节其厚度从而改变喷油角度，从而模拟活塞不同上止点位置状态；定容燃烧弹3总体为圆柱形造型，弹体侧面安装石英视窗或铁块，用于模拟柴油机燃烧室中高温、高压环境；同步控制与瞬态温度采集子系统包含喷油时刻控制、图像拍摄控制以及瞬态温度采集功能；燃油供给子系统包括油箱、高压共轨与喷油器，为定容燃烧弹提供高压燃油；瞬态温度采集高速摄像子系统对定容燃烧弹中燃油喷雾附壁以及燃油附壁燃烧过程进行过程记录，并可结合光学测量方法分析燃烧状态；进排气子系统连接定容燃烧弹进气孔与排气孔；冷却子系统连接定容燃烧弹，对喷油器与石英视窗等特定位置进行冷却。

如图2所示，所述的二维可调节燃烧室样件包括模拟活塞型线样件1a、模拟缸盖火力面样件1b、模拟余隙样件1c。二维可调节燃烧室样件的材料可以根据真实燃烧室所选用材料，模拟活塞型线样件1a的表面面根据所研究的燃烧室真实形状进行设计，可以是浅盘形、深坑形、球形燃烧室的截面形状，也可以是涡流室、预燃室的截面形状。模拟活塞型线样件1a内部也可以设计有冷却水腔，模拟真实燃烧室和活塞冷却状况，不同厚度的模拟余隙样件1c放置在活塞型线样件1a与模拟缸盖火力面样件1b之间，可以模拟不同曲轴转角下活塞与缸盖火力面之间不同距离，从而研究不同喷油时刻下燃料喷雾撞壁以及燃油附壁燃烧下受热样件的传热特性。在模拟活塞型线样件1a上开有五个1mm通孔，并通过通孔布置5个快速响应热流计至其表面，进行燃烧室表面瞬态温度和燃烧室表面内部瞬态温度的采集，在模拟活塞型线样件上布置双层或多层快速响应热电偶替代热流计同样可以满足要求。

所述的定容燃烧弹弹体，定容燃烧弹3为圆柱形造型，容弹弹体采用40cr钢，形成的容弹弹体可承受高温高压，模拟柴油发动机燃烧室所处的高温高压环境；弹体侧面安装石英视窗或者铁块，石英视窗提供光学通路，在石英视窗布置方向可以布置高速摄影机11和光源12,拍摄燃油喷雾燃烧图像；加热线圈20布置在定容燃烧弹弹体下部为定容燃烧弹提供高温气体，加热线圈20可以采用铁铬铝合金电阻丝或者镍铬合金电阻丝，根据加热功率选择丝径和长度等，在定容燃烧弹内缠绕布置电阻丝，同时安装热电偶实时监测弹内温度。从安全考虑，加热一段时间后应排出定容燃烧弹内高压气体并停止加热电阻丝，防止进排气管道及冷却水管道过热。二维可调节燃烧室样件通过连接立柱2与定容燃烧弹3固定。

同步控制与瞬态温度采集子系统包括同步控制单元和瞬态温度采集单元。同步控制单元采用ni公司生产的compactrio控制系统21和同步控制上位机22，控制喷油脉宽信号、喷射触发信号、拍摄触发信号、加热器加热信号。瞬态温度采集单元采用ni公司的pxi温度采集箱5和温度采集上位机6，运用ni公司的labview语言进行程序编写，其中pxi温度采集箱5包括pxie-1062q机箱、pxie-8133控制器、pxie-4303模拟输入模块。其中瞬态温度采集单元选用快速响应热电偶4，快速热电偶响应时间为10us，瞬态温度采集单元选用的模拟输入模块能够达到51.2ks/s的分辨率，硬件性能和软件性能都能够达到对定容燃烧弹内瞬态温度的实时采集。同步控制与瞬态温度采集子系统也可以采用单片机作为控制采集单元。

如图1所示，所述的燃油供给子系统包括油箱7、高压油泵8、高压油轨9、电控喷油器10、高压油管等。在共轨内设置轨压传感器23。高压油泵8将抽取油箱7中燃油通过高压油管把燃油输送到高压油轨9，轨压传感器23放置在高压油轨9测量油轨中燃油压力，电控喷油器10连接高压高压油轨9进行燃油喷射。燃油喷射压力最高可到200mpa。进行试验之前需要对燃油喷射进行标定，获取不同喷油压力与不同喷油持续期调价下的喷油量。

如图1所示，所述的瞬态温度采集高速摄像子系统包括高速摄影机11和光源12，高速摄影机11上根据不同要求可以安装降低整体光强的中性衰减滤光片，降低光的强度或者是改变通过光的成分。高速摄影机11的拍摄帧速率可达每秒20000张图像，通过电脑操控同步控制单元给告诉摄影机出发摄影信号，同步控制单元的触发信号同时也会发送给温度采集箱。非常短暂的延迟后，电磁阀门开启，喷射燃油进入定容燃烧弹3，可以通过告诉摄影机完整的观测到燃油喷射撞壁燃烧的整个过程。定容燃烧弹3一侧设置光源12，透过定容燃烧弹的石英玻璃，通过调节摄影机的光圈，快口，分辨率等参数，高速摄像子系统可通过定容燃烧弹3的石英玻璃清晰的拍摄出定容燃烧弹内的喷雾和燃烧图像。

如图1所示，所述的进排气子系统包括高压气瓶13、减压阀14、排气阀15、压力表24、和排气腔16。高压气瓶13通过减压阀14连接至定容燃烧弹3，从而提升定容燃烧弹内压力。通过控制排气阀15使定容燃烧弹弹体内废气通过排气管路排出至排气腔16。通过减压阀14，高压气罐中的气体充入定容燃烧弹内，通过压力表24可实时监测弹内气体压力，压力过髙时也可通过阀口控制来排除弹内高压气体。

如图1所示，所述的冷却子系统包括冷却水箱18、水泵25、排水槽17与进水阀19，定容燃烧弹内部设计有冷却水路，冷却水箱18与水泵25连接，通过控制进水阀19阀门开度大小控制水流量，排出的冷却水从定容燃烧弹流出至排水槽17。从而保护定容燃烧弹上放置的石英玻璃以及电控喷油器10等。冷却子系统还可以在冷却水道上安装流量计和温度计等传感器，从而检测冷却系统的冷却流量与冷却水进水回水温度。

应用实施例

将一种可调节燃烧室样件传热特性研究系统的各个子系统连接好，检查定容燃烧弹内部并将二维可调节燃烧室样件放置在定容燃烧弹弹体中，确保同步控制与瞬态温度采集子系统、燃油供给子系统、瞬态温度采集高速摄像子系统、进排气子系统、冷却子系统准备就绪。

对定容燃烧弹石英视窗与高速摄像机进行尺寸标定。对喷油器在不同喷油压力和喷油持续期下的喷油量进行标定，采用双色法进行温度测量还需要对高速摄影机进行标定。

打开定容燃烧弹加热器加热定容燃烧弹体内部空气，等待温度上升至目标温度（800k）,再将阀打开，使高压气罐中的空气充入定容燃烧弹内，通过气压阀可实时监测弹内气体压力，压力过髙时也可通过阀口控制来排除弹内高压气体，当容弹内压力达到设定值（4mpa）,关闭阀门。

在同步控制与瞬态温度采集子系统中设置喷油持续期和喷油压力，经驱动器驱动喷油器喷油。同时触发瞬态温度采集系统与高速摄像子系统，记录燃油喷射附壁燃烧图像数据与受热样件表面瞬态温度场数据。

分析采集得到的瞬态温度数据，首先运用fft降噪滤波分析得到平滑的燃油喷射附壁燃烧下受热样件表面瞬态温度场数据，可将采集得到表面温度和内部温度作为边界条件，运用有限差分方法求解非定常传热方程，得到瞬态表面热流密度。也可以得到燃烧条件下从受热样件表面传递的热损失。

分析采集得到的图像数据，首先对数据进行降噪处理和校正，通过标定得到的参数计算亮温，并采用数值方法计算方程式，求解得到火焰燃烧真实温度，以及碳烟浓度参数kl因子。采集到的图像数据还可以得到燃烧过程的着火特性、滞燃期、燃烧持续期等其他燃烧过程特性。

分析获得的图像数据可以得出是否在高海拔条件下，燃油喷射更容易撞壁燃烧以及附壁燃烧以及在不同参数条件下，燃油喷射撞壁附壁燃烧具体的表现。

分析获得的瞬态表面热流密度以及撞壁火焰温度可以作为数值仿真计算的边界条件，从而得到燃油撞壁燃烧条件对燃烧室的受热状态的具体影响，探究燃油撞壁燃烧是否对燃烧室壁面产生较大的热冲击与热冲蚀，探究高原环境下柴油机故障原因，并且通过这些数据对现有的柴油机零部件进行优化，满足柴油机在恶劣工况条件下的正常运作。