一种研究喷雾形态及其微观特性的定容燃烧装置的制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种研究喷雾形态及其微观特性的定容燃烧装置，包括安装在箱体内部的燃烧弹体，所述燃烧弹体设置有四个形状为通孔的观察孔，所述观察孔的轴线均在同一水平面，其中两个观察孔的轴线之间的角度为180°，另外两个观察孔的轴线之间的夹角为160°；所述观察孔上安装有光学观察窗口，所述光学观察窗口由端口法兰、光学玻璃和玻璃压盖构成；所述燃烧弹体的中部正上方设置有喷油器系统。本实用新型装置能与多种现代光学测量仪器配合使用，进而达到既能观测喷雾宏观形态又能测量其微观特性的目的，而且通过设置同步信号，可同时获得一束或多束喷雾的宏观形貌图及其微观信息，从而实现对燃料的破碎雾化更进一步的研究。
【专利说明】
一种研究喷雾形态及其微观特性的定容燃烧装置
技术领域
[0001]本实用新型涉及内燃机喷雾特性研究领域，具体的说，是涉及一种用于观察喷雾宏观形态和测量喷雾微观特性的定容燃烧装置。
【背景技术】
[0002]在内燃机领域，燃料的雾化过程直接影响着燃烧和排放性能，进而为缓解能源和环境问题做出贡献。因此对于内燃机研究者而言，获得燃料的喷雾特性(射流破碎长度，喷雾锥角，油滴粒径与速度等)及其与周围环境参数(压力，温度，环境气体种类及密度等)的关系，进而建立燃料雾化反应动力学机理，最终为发动机喷雾模拟以及优化提供基础数据，是开展喷油雾化研究的主要目的。
[0003]在实际的内燃机中，对喷雾的试验研究很难进行，这是因为对喷雾条件参数的控制和调整很难做到十分精确，而且受现有测量仪器的限制，对喷雾形态及其微观特性进行精确测量十分困难。因此常用的喷雾实验研究方法之一就是定容燃烧弹法。
[0004]现有部分定容燃烧装置一般设置的为形状为通孔的观察孔，或者是前后左右四个视窗，轴线在同一水平面且呈垂直分布的四个观察孔。此类定容燃烧装置只能透过视窗观察喷雾的宏观特性，而随着现有光学测量技术的发展，此类定容燃烧装置因结构限制而不能与先进光学测量设备很好的配合，无法研究喷雾的微观特性，进而不能实现对喷雾的宏观形态和微观特性的同步研究，这显然无法达到实验要求。并且此类定容燃烧装置只能针对少数种类燃料的喷雾进行研究，无法实现对多种类燃料的喷雾特性进行研究。因此，这种局限性严重的阻碍了对燃料的破碎雾化深度的研究。
【实用新型内容】
[0005]本实用新型要解决的就是现有定容燃烧弹形体结构不够优化，导致无法与先进光学测量设备配合使用，无法应用多种燃料喷射系统，从而无法有效同步测量多种燃料喷雾的宏观形态和微观特性的技术问题，提供了一种研究喷雾形态及其微观特性的定容燃烧装置，该装置既能与高速摄影机配合，又能与相位多普勒粒子分析仪(PDA)和粒子图像测速仪(PIV)等多种现代光学测量仪器配合使用，进而达到既能观测喷雾宏观形态又能测量其微观特性的目的，而且通过设置同步信号，可同时获得一束或多束喷雾的宏观形貌图及其微观信息，从而实现对燃料的破碎雾化更进一步的研究。此外可以通过更换喷油嘴法兰，适用于多种燃料的喷射系统结构，实现对多种类燃料喷雾的特性研究和对比。同时改变传统光学视窗玻璃尺寸相同的结构，利于改善实验的观察数据和测量效果。
[0006]本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的:
[0007]—种研究喷雾形态及其微观特性的定容燃烧装置，包括安装在箱体内部的燃烧弹体，所述箱体和燃烧弹体之间填充有用于保温的石棉，所述燃烧弹体设置有四个形状为通孔的观察孔，所述观察孔的轴线均在同一水平面，其中两个观察孔的轴线之间的角度为180°，另外两个观察孔的轴线之间的夹角为160° ;所述观察孔上安装有光学观察窗口，所述光学观察窗口由端口法兰、光学玻璃和玻璃压盖构成，所述端口法兰通过内六角螺栓安装于观察孔，光学玻璃安放在端口法兰上，玻璃压盖压紧光学玻璃后通过内六角螺栓与端口法兰相连接;所述燃烧弹体的中部正上方设置有喷油器系统，所述喷油器系统由喷油嘴法兰、喷油嘴和喷油嘴压盖构成，喷油嘴法兰上设置有用于安装喷油嘴的连接孔。
[0008]所述其中一个光学玻璃的直径为210mm，另外三个光学玻璃的直径为180mm。
[0009]所述喷油嘴法兰由上法兰和下法兰构成。所述喷油嘴压盖通过内六角螺栓与上法兰相连接。
[0010]所述端口法兰、玻璃压盖和喷油嘴法兰均为不锈钢材料。
[0011]所述箱体由上箱体、下箱体和箱盖构成。所述上箱体和下箱体上相对称的设置有与所述观察孔形状相契合的半圆弧形结构。
[0012]与现有技术相比，本实用新型的技术方案所带来的有益效果是:
[0013](— )本实用新型的燃烧弹体设置有四个形状为通孔的观察孔，观察孔的轴线均在同一水平面，其中两个观察孔的轴线之间的角度为180°，另外两个观察孔的轴线之间的夹角为160°，观察孔上安装有光学观察窗口；改变了定容燃烧弹体中传统观察窗口的结构布局设计，使其能够与多种现代先进光学测量仪器配合使用，突破了在定容燃烧弹体内运用光学测量技术的局限性。这样，既能观测燃料喷雾的宏观形态，又能获取喷雾的微观信息，而且通过设置同步信号，可实现对喷雾宏观形态和微观信息的同步测量，有利于对燃料的破碎雾化更进一步的研究。
[0014](二)本实用新型改变了定容燃烧弹体中传统观察窗口的结构尺寸设计，在其中三个光学观察窗口尺寸相同的前提下，加大了另外一个光学观察窗口的尺寸;这样，可以提高定容燃烧弹体的观察和拍摄效果，同时可以提高光学测量仪器的数据采集率，进而可以改善实验的观察数据和测量效果。
[0015](三)本实用新型在燃烧弹体的中央正上方设置有喷油器系统，喷油器系统由喷油嘴法兰、喷油嘴和喷油嘴压盖构成，喷油嘴法兰上设置有用于安装喷油嘴的连接孔。使其可以通过更换喷油嘴法兰从而使用不同结构类型的喷油嘴。这样，可以实现多种类燃料的喷射，进而可对多种类燃料的喷雾特性进行研究和对比。
【附图说明】
[0016]图1是本实用新型燃烧弹体三维结构示意图。
[0017]图2是图1的剖视结构示意图。
[0018]图3是端口法兰的结构示意图。
[0019]图4是端口法兰的剖视结构示意图。
[0020]图5是玻璃压盖的结构示意图。
[0021 ]图6是喷油嘴法兰的分体状态结构示意图。
[0022]图7是喷油嘴法兰中下法兰的剖视结构示意图。
[0023]图8是喷油嘴压盖的结构示意图。
[0024]图9是上箱体的三维结构示意图。
[0025]图10是下箱体的三维结构示意图。
[0026]图11是箱盖的三维结构示意图。
[0027]附图标记:1-光学观察窗口2-光学观察窗口 3-光学观察窗口 4-光学观察窗口5-端口法兰6-玻璃压盖7-下法兰8-连接孔9-上法兰10-螺栓孔11-喷油嘴压盖12-上箱体13-下箱体14-箱盖
【具体实施方式】
[0028]下面结合附图对本实用新型作进一步的描述:
[0029]—种研究喷雾形态及其微观特性的定容燃烧装置，包括安装在箱体内部的燃烧弹体，如图1所示，燃烧弹体上设置有四个形状为通孔的观察孔，观察孔的轴线均在同一水平面，其中两个观察孔的轴线之间的角度为180°，另外两个观察孔的轴线之间的夹角为160° ;如图2所示，观察孔上分别相对应的设置有光学观察窗口 1、光学观察窗口 2、光学观察窗口 3和光学观察窗口 4，如图3、图4和图5所示，光学观察窗口由端口法兰5、光学玻璃和玻璃压盖6构成，端口法兰5通过内六角螺栓安装于观察孔，光学玻璃安放在端口法兰5上，玻璃压盖6压紧光学玻璃后通过内六角螺栓与端口法兰5相连接;光学观察窗口 4所在的观察孔的直径大于其他三个观察孔的直径，本实施例中安装在光学观察窗口 4上的光学玻璃的直径为210mm，安装于光学观察窗口 1、2和3上的光学玻璃的直径均为180mm，光学玻璃选用高纯度的石英玻璃，原因是其具有很高的变形温度和软化温度、非常低的热膨胀系数和抗热震能力，从红外线到紫外线有极宽的光谱透过能力和较低的色散现象。
[0030]燃烧弹体的中部开设有通孔，通孔的四周设置有螺栓孔，螺栓孔的外侧还设置有与箱盖14相连接的连接孔，燃烧弹体通过螺栓孔连接有喷油器系统，喷油器系统由喷油嘴法兰、喷油嘴和喷油嘴压盖11构成，喷油嘴法兰上设置有用于安装喷油嘴的连接孔8;如图
6、图7和图8所示，喷油嘴法兰由上法兰9和下法兰7构成，上法兰9上开设有用于与喷油嘴压盖11相连接的螺栓孔10，当喷油器的喷油嘴通过连接孔8伸入燃烧弹体内部后，将喷油嘴压盖11通过螺栓与螺栓孔10相连接并压紧喷油器。
[0031]本实施例中端口法兰5、玻璃压盖6和喷油嘴法兰均选用不锈钢材料，因其强度、韧度高，热变形小，可以减小材料使用的厚度和体积，从而增加定容燃烧装置的安装空间。同时不锈钢不易受汽油、酒精等燃料的腐蚀作用的影响，亦可以省去除锈和涂层的工作，从而提高材料加工精度。
[0032]本实用新型装置的箱体分为上箱体12、下箱体13和箱盖14，如图9、10、11所示，该箱体安装于燃烧弹体的外侧，上箱体12和下箱体13上相对称的设置有与观察孔形状相契合的半圆弧形结构，箱体与燃烧弹体之间还填充了石棉，起到了保温的作用。
[0033]以下是利用该定容燃烧装置进行试验的几种具体实施方案:
[0034]方案一:对于该定容燃烧装置，可运用其光学观察窗口I和光学观察窗口 3轴线在同一条直线上的结构特点，与高速摄影机配合，观测燃料喷雾的宏观形貌。在采用阴影法进行测量时，用新闻灯作为背景光源，将其放置在光学观察窗口 I对应的方位上，并调整到合适高度与亮度，将高速摄影机放置在光学观察窗口 3所对应的方位上，通过调整相机架位置和焦距，通过标定，保证在燃料喷射入燃烧弹体中时，可拍摄出各个时刻最清晰的喷雾宏观形貌图。开始测量时，采用同步的方式，使用数字信号延迟发生器，在标定喷射信号的原点后，每隔特定的时刻拍摄喷雾的形貌，直至整个喷射过程结束。这样，便可拍摄出各个时刻最清晰的喷雾宏观形貌图。
[0035]方案二:对于该定容燃烧装置，可运用其光学观察窗口2和光学观察窗口 3轴线夹角为90°的特点，与粒子图像测速仪(PIV)配合，观测燃料喷雾的宏观形貌和喷雾粒子的速度信息。测量前，将PIV系统的Nd: YAG激光发射器放置在光学观察窗口 2所对应的方位上，并调整到合适高度和强度，将CCD相机放置在光学观察窗口 3所对应的方位上，通过调整相机架位置和焦距，通过标定，保证在燃料喷射入燃烧弹体中时，可同步拍摄出各个时刻最清晰的喷雾宏观形貌图，并测量出喷雾的速度特性。测量时，使用Nd: YAG激光器发出的片光作为光源，使用CCD相机进行拍摄，并储存在计算机中。由于之前已对PIV系统和燃烧弹体系统进行位置设置，当燃料喷射入燃烧弹体中后，Nd:YAG激光器的片光刚好沿喷雾中心线方向照亮喷雾，此时，CXD相机也恰好垂直于片光面进行拍摄。由于激光器和CCD相机的频率较低，使用同步的方式，采用数字信号延迟发生器，在标定喷射信号的原点后，每隔特定的时刻拍摄喷雾的形貌，直至整个喷射过程结束。这样，便可拍摄出各个时刻最清晰的喷雾宏观形貌图，并测量出喷雾的速度特性。
[0036]方案三:对于该定容燃烧装置，可运用其光学观察窗口3和光学观察窗口 4的轴线夹角为70°的结构特性，与相位多普勒粒子分析仪(PDA)配合，测量燃料喷雾的微观信息，包括破碎液滴的粒径分布信息和速度分布信息。测量前，安置燃烧弹体，将燃烧弹体上的光学观察窗口 3与PDA的发射探头位置相对应，控制TOA坐标架，让激光中心刚好通过光学观察窗口 3的轴线，此时，PDA的接收探头刚好与燃烧弹体的光学观察窗口 4相对应，且两者中心线在同一条直线上，如此，便可实现PDA测量喷雾粒子微观特性的功能。测量时，先打开激光器，并调整到合适的强度，通过计算机软件控制PDA坐标架，将激光测量中心移至喷孔位置处，并标定为原点，之后将激光测量中心移至实验设置的测量点处。由于之前已经设置好燃烧弹体和TOA的位置，因此当燃料喷射入燃烧弹体中并开启PDA测量软件后，PDA能够实现对喷雾粒子的粒径和速度测量功能。开始测量时，使用同步的方式，采用数字信号延迟发生器，在标定喷射信号的原点后，每隔特定的时刻对喷雾场测量点的喷雾粒子进行测量，直至获取到实验需要的测量点数，停止喷射。这样，便可测量出特定阶段的喷雾微观特性，包括喷雾粒子的粒径分布信息和速度分布信息。
[0037]由于光学观察窗口4的直径较其余三个窗口要更大一些，因此其在与PDA配合使用时，PDA接收探头可以获得更多喷雾场的信息，有助于提高数据采集率，进而可以改善实验的观察数据和测量效果。
[0038]方案四:对于该定容燃烧装置，可运用其四个光学观察窗口的结构特性，同时与PDA和PIV配合，并且通过设置同步信号，可同时测取燃料喷雾的宏观形貌图和喷雾粒子的粒径分布信息与速度分布信息。测量前，先安置燃烧弹体，将燃烧弹体的光学观察窗口 3与PDA的发射探头位置相对应，控制PDA坐标架，让激光中心刚好通过光学观察窗口 3的轴线，此时，PDA的接收探头刚好与燃烧弹体的光学观察窗口 4相对应，且两者中心线在同一条直线上，如此，便可实现PDA测量喷雾粒子微观特性的功能。然后将PIV系统的Nd: YAG激光发射器放置在光学观察窗口 I所对应的方位上，并调整到合适高度，将CCD相机放置在光学观察窗口 2所对应的方位上，通过调整相机架位置和焦距，通过标定，保证在燃料喷射入燃烧弹体中时能够拍摄出最清晰的喷雾图片。PDA和PIV的工作方式在方案二和方案三中已经叙述过，这里不再赘述。测量时，同样采用同步的方式，使用数字信号延迟发生器，在标定喷射信号的原点后，每隔特定的时刻使PIV拍摄喷雾的形貌，每隔特定的时刻使PDA对喷雾场测量点的喷雾粒子进行测量，直至获取到实验需要的测量点数，停止喷射。这样，便可同步拍摄出各束喷雾各个时刻最清晰的宏观形貌图，并测量出对应喷雾特定阶段的微观特性，包括喷雾粒子的粒径分布信息和速度分布信息。
[0039]方案五:对于该定容燃烧装置，可运用其四个光学观察窗口的结构特性，同时与TOA和高速摄影机配合，并且通过设置同步信号，可同时测取燃料喷雾的宏观形貌图和喷雾粒子的粒径分布信息与速度分布信息。测量前，先如方案三所述安置燃烧弹体，再将大功率LED灯放置在光学观察窗口 I所对应的方位上，高速摄影机放置在光学观察窗口 2所对应的方位上，调整LED灯的高度和亮度，调整相机架位置和焦距，通过标定，保证在燃料喷射入燃烧弹体中时，可同步拍摄出各个时刻最清晰的喷雾宏观形貌图。再如方案三所述，标定测量原点并将TOA激光测量中心移至测量点处。开始测量时，同样采用同步的方式，使用数字信号延迟发生器，在标定喷射信号的原点后，每隔特定的时刻使高速摄影机拍摄喷雾的形貌，每隔特定的时刻使I3DA对喷雾场测量点的喷雾粒子进行测量，直至获取到实验需要的测量点数，停止喷射。这样，便可同步拍摄出各束喷雾各个时刻最清晰的宏观形貌图，并测量出对应喷雾特定阶段的微观特性，包括喷雾粒子的粒径分布信息和速度分布信息。
[0040]本实用新型并不限于上文描述的实施方式。以上对【具体实施方式】的描述旨在描述和说明本实用新型的技术方案，上述的【具体实施方式】仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本实用新型宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本实用新型的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本实用新型的保护范围之内。
【主权项】
1.一种研究喷雾形态及其微观特性的定容燃烧装置，包括安装在箱体内部的燃烧弹体，其特征在于，所述箱体和燃烧弹体之间填充有用于保温的石棉，所述燃烧弹体设置有四个形状为通孔的观察孔，所述观察孔的轴线均在同一水平面，其中两个观察孔的轴线之间的角度为180°，另外两个观察孔的轴线之间的夹角为160° ;所述观察孔上安装有光学观察窗口，所述光学观察窗口由端口法兰、光学玻璃和玻璃压盖构成，所述端口法兰通过内六角螺栓安装于观察孔，光学玻璃安放在端口法兰上，玻璃压盖压紧光学玻璃后通过内六角螺栓与端口法兰相连接;所述燃烧弹体的中部正上方设置有喷油器系统，所述喷油器系统由喷油嘴法兰、喷油嘴和喷油嘴压盖构成，喷油嘴法兰上设置有用于安装喷油嘴的连接孔。2.根据权利要求1所述的一种研究喷雾形态及其微观特性的定容燃烧装置，其特征在于，所述光学玻璃的其中一个直径为210mm，另外三个光学玻璃的直径为180mm。3.根据权利要求1所述的一种研究喷雾形态及其微观特性的定容燃烧装置，其特征在于，所述喷油嘴法兰由上法兰和下法兰构成。4.根据权利要求3所述的一种研究喷雾形态及其微观特性的定容燃烧装置，其特征在于，所述喷油嘴压盖通过内六角螺栓与所述上法兰相连接。5.根据权利要求1所述的一种研究喷雾形态及其微观特性的定容燃烧装置，其特征在于，所述端口法兰、玻璃压盖和喷油嘴法兰均为不锈钢材料。6.根据权利要求1所述的一种研究喷雾形态及其微观特性的定容燃烧装置，其特征在于，所述箱体由上箱体、下箱体和箱盖构成。7.根据权利要求6所述的一种研究喷雾形态及其微观特性的定容燃烧装置，其特征在于，所述上箱体和下箱体上相对称的设置有与所述观察孔形状相契合的半圆弧形结构。
【文档编号】G01M15/04GK205449505SQ201521144616
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2015年12月31日
【发明人】杨子明, 杜青, 白富强, 杨贤, 郭瑾朋
【申请人】天津大学