專利名稱：燃油耦合蒸發(fā)模擬裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種模擬油滴耦合蒸發(fā)的裝置，用照相機(jī)采集進(jìn)入模擬裝置中油滴的
圖像，以此來(lái)測(cè)量和分析耦合蒸發(fā)特性，從而達(dá)到研究柴油機(jī)缸內(nèi)燃油蒸發(fā)過(guò)程的目的。
背景技術(shù)：
柴油機(jī)的燃燒過(guò)程是兩相流不均勻混合非穩(wěn)態(tài)燃燒過(guò)程，以擴(kuò)散燃燒為主?？扇?混合氣在通常的燃燒室高溫環(huán)境下，化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行得很快，而柴油蒸氣與空氣的混合過(guò)程 要慢得多，這是制約柴油機(jī)燃燒速度的關(guān)鍵因素。油氣混合速率主要決定于噴入氣缸的柴 油油滴的蒸發(fā)速率，因此，油滴蒸發(fā)對(duì)柴油機(jī)燃燒性能具有很大影響。然而，在柴油機(jī)中不 存在單個(gè)油滴獨(dú)立的蒸發(fā)，每個(gè)油滴都處于油滴群的包圍之中，它的蒸發(fā)受到周圍油滴的 影響。油滴之間的耦合蒸發(fā)特性以及隨背景壓力和溫度的變化規(guī)律成為研究的重點(diǎn)和主要 方向。 由于柴油機(jī)氣缸內(nèi)的油氣蒸發(fā)、混合、燃燒的速度都極快，想要直接研究缸內(nèi)燃料 液滴的蒸發(fā)過(guò)程幾乎是不可可能的。目前，國(guó)內(nèi)外普遍采用定容裝置來(lái)近似模擬柴油機(jī)氣 缸內(nèi)的環(huán)境，進(jìn)而進(jìn)行液滴蒸發(fā)的研究。但是，目前用于研究燃料液滴蒸發(fā)的模擬裝置都 只能進(jìn)行單油滴的蒸發(fā)試驗(yàn)，對(duì)雙油滴及多油滴之間的耦合蒸發(fā)過(guò)程卻沒(méi)有合適的模擬裝置。 本發(fā)明中提出的耦合蒸發(fā)模擬裝置可以模擬多個(gè)油滴的耦合蒸發(fā)，并且各個(gè)油滴 之間的間距可調(diào)。這對(duì)研究多油滴蒸發(fā)的耦合影響有重要的作用。并且該裝置具有通用 性，可以研究多種燃料的耦合蒸發(fā)特性，對(duì)內(nèi)燃機(jī)內(nèi)的油氣混合、燃燒控制以及實(shí)現(xiàn)多燃料 燃燒的方案有重要的指導(dǎo)意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一套可研究燃料液滴耦合蒸發(fā)的試驗(yàn)裝置，模擬燃油在缸內(nèi) 高溫、高背景氣體密度的環(huán)境下蒸發(fā)。 為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，提出了一種燃料的耦合蒸發(fā)模擬設(shè)備，其特征在于包 括高壓球罐，在高壓球罐上設(shè)有觀察窗口、溫度和壓力測(cè)試孔及進(jìn)排氣口 ；安裝在高壓球 罐上的燃料液滴注入裝置，其中燃料液滴注入裝置包括伸入到高壓球罐的內(nèi)部中央的針 管，在針管上纏繞有熱電偶絲；與高壓球罐連接的加熱保溫控制系統(tǒng)。 優(yōu)選的是，纏繞在針管上的熱電偶絲在針管的末端的針孔處彎折，以隔開(kāi)通過(guò)針 管在熱電偶絲的端部產(chǎn)生的油滴與燃料源。 優(yōu)選的是，燃料液滴注入裝置還包括儲(chǔ)油腔，和儲(chǔ)油腔連通的分油盤(pán)，所述分油盤(pán) 設(shè)置有多個(gè)出油孔，所述出油孔的一個(gè)或者多個(gè)連接所述針管，與多個(gè)出油孔相連的多個(gè) 針管能夠?qū)⑷剂戏蛛x，形成多個(gè)油滴。 優(yōu)選的是，束套在針管之間的套束能夠沿著針管移動(dòng)以在0-5mm的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)油 滴之間的距離。
3
優(yōu)選的是，還包括圖像采集裝置，所述圖像采集裝置通過(guò)觀察窗口記錄油滴的蒸發(fā)。 優(yōu)選的是，分油盤(pán)端面布置有十個(gè)出油孔，其中中間兩個(gè)出油孔，其它八個(gè)圓周均 勻排列；以及所屬十個(gè)出油孔在分油盤(pán)內(nèi)部由四個(gè)橫向的連通孔連通。 采用本發(fā)明可以在不同背景氣體中不同的背景壓力和溫度下進(jìn)行試驗(yàn)，模擬柴油 機(jī)缸內(nèi)液滴的耦合蒸發(fā)特性，通過(guò)處理數(shù)據(jù)可分析油滴的蒸發(fā)狀況。


圖1為燃料液滴注入裝置裝配圖。 圖2為燃料液滴注入裝置的局部放大圖。 圖3為分油盤(pán)的俯視圖。 圖4為耦合蒸發(fā)特性試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖。 圖5為單油滴和雙油滴耦合蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)照片 圖6為不同溫度下單油滴的壽命曲線 圖7為不同間距下雙油滴的蒸發(fā)速率曲線
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明 如圖1所示，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的燃料液滴注入裝置，包括調(diào)節(jié)螺栓 1、柱塞4、儲(chǔ)油腔5、固定支架3、導(dǎo)油管9、分油盤(pán)11、連接件12、出油孔螺堵13、注射器針頭 14、套束15、熱電偶絲16等部件。與之配套的附屬試驗(yàn)裝置還有加熱保溫控制系統(tǒng)19、高 壓氣瓶、熱電偶溫度顯示裝置、傳感器、充排管路、圖像采集系統(tǒng)等。 燃料液滴注入裝置為本發(fā)明的主要裝置，其下端為分油盤(pán)ll，旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)螺栓1可 將燃油擠入分油盤(pán)內(nèi)。分油盤(pán)的下方開(kāi)有10個(gè)出油孔，每個(gè)出油孔都可以用螺堵密封。分 油盤(pán)的存在可以保證各個(gè)出油孔均勻出油。當(dāng)需要某個(gè)出油孔出油時(shí)，擰下螺堵，擰上連接 件12。連接件的另一端可以與注射器針頭14密封連接。本實(shí)驗(yàn)中使用長(zhǎng)度為100mm的鋼 制針頭，以滿足耐高溫、耐高壓的要求。在針頭上繞有熱電偶絲，調(diào)節(jié)熱電偶絲的長(zhǎng)度，使熱 電偶絲端點(diǎn)的小球處于針孔的正下方，使針孔中滴下的油滴掛在小球上進(jìn)行蒸發(fā)。另外，在 針孔處將熱電偶絲折彎，使熱電偶絲不與針孔接觸，這樣就可以使產(chǎn)生的油滴與分油盤(pán)內(nèi) 的燃油分離，在蒸發(fā)過(guò)程中就不會(huì)有新的燃油補(bǔ)充到正在蒸發(fā)的油滴中，使試驗(yàn)結(jié)果真實(shí) 可靠。在本發(fā)明中分油盤(pán)的出油孔的數(shù)目不局限于10個(gè)，可以采用兩個(gè)以上的任意適合布 置在分油盤(pán)中的多個(gè)數(shù)目。同時(shí)，可以對(duì)兩個(gè)或者更多數(shù)目的出油孔中安裝一個(gè)或者多個(gè) 注射器針頭，從而產(chǎn)生一個(gè)或者多個(gè)油滴。 附屬試驗(yàn)裝置中，高壓球罐25的內(nèi)徑為400mm，最高壓力為4MPa，最高溫度為 500°C ，帶有三個(gè)透明視窗，便于圖像采集；設(shè)有進(jìn)排氣接口和溫度、壓力傳感器，可與加熱 保溫控制系統(tǒng)和高壓氣瓶相連，實(shí)現(xiàn)恒溫恒壓的實(shí)驗(yàn)條件。 高壓氣瓶?jī)?nèi)的壓力大約為2MPa，要求背景密度較低時(shí)選用介質(zhì)為空氣或N2，較 高時(shí)選用介質(zhì)為SFe。 SF6常態(tài)下是一種無(wú)色、無(wú)味、無(wú)嗅、無(wú)毒的非燃燒氣體，分子量為 146. 06，標(biāo)準(zhǔn)狀況下密度為6. 09克/升，約為空氣的5倍。N2、 SF6是已知化學(xué)穩(wěn)定性良好的氣態(tài)物質(zhì)，它們都具有極好的熱穩(wěn)定性，純態(tài)下即使在50(TC以上高溫也不分解，可以保證燃油蒸發(fā)后不會(huì)著火燃燒。 傳感器包括溫度傳感器、高壓球罐和高壓氣瓶的壓力表。充排管路包括進(jìn)、出高壓球罐的氣體管路。熱電偶顯示裝置可以實(shí)時(shí)顯示蒸發(fā)過(guò)程中油滴的溫度。圖像采集系統(tǒng)主要為一個(gè)多功能數(shù)碼照相機(jī)，可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件調(diào)整拍攝頻率，用于記錄蒸發(fā)過(guò)程中油滴直徑的變化。 如圖1、2所示，本發(fā)明的噴霧模擬裝置包括儲(chǔ)油腔5通過(guò)儲(chǔ)油腔壓板7固定在高壓球罐密封蓋8上，固定支架3固定在高壓球罐密封蓋8上，調(diào)節(jié)螺栓1與支架3通過(guò)螺紋連接，可以調(diào)節(jié)柱塞4的高度，分油盤(pán)11通過(guò)導(dǎo)油管9與儲(chǔ)油腔5相連，將燃料分到十個(gè)油孔中，針頭14與分油盤(pán)11相連，從針孔中滴出的油滴可以落地?zé)犭娕冀z16的頭部上，實(shí)驗(yàn)時(shí)不用的出油孔用螺堵13密封，套束15為細(xì)鐵絲圍成的扁圓形線圈，長(zhǎng)軸略小于兩根針管自然豎直下垂時(shí)的平行距離，由于針管較長(zhǎng)，可以發(fā)生一定的彈性變形，當(dāng)將它向上移動(dòng)時(shí)，兩個(gè)針管會(huì)被 束緊，而彼此靠近，油滴間距變小；當(dāng)將它向下移動(dòng)時(shí)，兩個(gè)針管會(huì)在彈性作用下，彼此遠(yuǎn)離，油滴間距變大。 如圖3所示，分油盤(pán)端面布置有十個(gè)出油孔18，其中中間兩個(gè)，其他八個(gè)圓周均勻排列，可實(shí)現(xiàn)不同個(gè)數(shù)油滴的均勻排列，另外，十個(gè)油孔在內(nèi)部由四個(gè)橫向的連通孔17連通，可實(shí)現(xiàn)燃料在十個(gè)出油孔中的均勻分配。
結(jié)合圖4來(lái)說(shuō)明具體的控制過(guò)程 在試驗(yàn)開(kāi)始前，首先接好加熱保溫控制系統(tǒng)的電源，各個(gè)傳感器的線路和進(jìn)排氣的管路。調(diào)試好照明設(shè)備和照相設(shè)備。將燃料液滴注入裝置從高壓球罐上取下，拆下分油盤(pán)，將剩余部分倒置，將調(diào)節(jié)螺栓擰到最頂端，然后用注射器向儲(chǔ)油腔內(nèi)注入燃油，這樣可以把儲(chǔ)油腔內(nèi)的空氣排出，否則在加熱過(guò)程中，由于空氣受熱膨脹，在針孔處會(huì)有氣泡冒出，影響實(shí)驗(yàn)觀測(cè)。然后裝上分油盤(pán)，并將該燃料液滴注入裝置放在高壓球罐上，加上墊片，擰緊螺母，保證其良好的密封性。開(kāi)始試驗(yàn)，打開(kāi)進(jìn)氣閥，充入背景氣體。打開(kāi)加熱保溫控制系統(tǒng)，設(shè)定需要加熱到的溫度，開(kāi)始加熱。當(dāng)溫度到達(dá)設(shè)定溫度時(shí)，高壓球罐的內(nèi)的溫度將不再變化。記錄溫度控制系統(tǒng)上顯示的背景溫度和壓力傳感器上顯示的背景壓力。打開(kāi)照明系統(tǒng)和照相系統(tǒng)。緩慢的順時(shí)針旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)螺栓，使燃料從針孔滴下，落在熱電偶絲的小球上。記錄熱電偶上顯示的溫度即為油滴的初始溫度，同時(shí)時(shí)按下照相機(jī)的遙控器，開(kāi)始拍照。設(shè)置拍照速度為l張/秒，從透明視窗中觀察液滴的蒸發(fā)過(guò)程。當(dāng)油滴蒸發(fā)完時(shí)，停止拍照，關(guān)閉照明系統(tǒng)，停止加熱。打開(kāi)排氣閥，將高壓球罐中的氣體排出。若有需要，則重新開(kāi)始試驗(yàn)。 圖5為使用本裝置在進(jìn)行蒸發(fā)試驗(yàn)過(guò)程中拍攝的單油滴和雙油滴的蒸發(fā)照片。下面介紹兩組采用本裝置進(jìn)行的蒸發(fā)試驗(yàn)的結(jié)果
1)單油滴的蒸發(fā) 圖6為不同溫度下單油滴的蒸發(fā)壽命曲線。圖6中橫坐標(biāo)為背景溫度(°C )，縱坐標(biāo)為油滴的壽命(s)。 從圖6中可以看出，隨著溫度的升高，油滴的壽命越短，即油滴的蒸發(fā)速率越快，
與理論結(jié)果相符。 2)雙油滴的耦合蒸發(fā)
圖7為背景氣體為空氣，背景壓力lbar，背景溫度為175°C時(shí)，雙油滴之間距離分別2mm和3mm時(shí)的蒸發(fā)速率曲線。其中橫坐標(biāo)為時(shí)間(s)，縱坐標(biāo)為油滴直徑的平方(mm2)。
從圖7中可以看出，油滴間距為3mm時(shí)曲線的斜率略大于油滴間距為2mm時(shí)曲線的斜率，即當(dāng)油滴間距較大時(shí)油滴蒸發(fā)較快，油滴間距較小時(shí)蒸發(fā)較慢。這說(shuō)明油滴群在蒸發(fā)過(guò)程中會(huì)相互影響，存在耦合現(xiàn)象。 圖中1.調(diào)節(jié)螺栓，2.支架固定螺母，3.固定支架4.柱塞，5.儲(chǔ)油腔，6.壓板固定螺母，7.儲(chǔ)油腔壓板，8.高壓球罐密封蓋，9.導(dǎo)油管，IO.連通孔螺堵，ll.分油盤(pán)，12.針頭連接件，13.出油孔螺堵，14.注射器針頭，15.套束，16.熱電偶絲，17.連通孔，18.出油孔，19.加熱保溫控制系統(tǒng)，20.熱電偶油溫傳感器，21.光源，22.進(jìn)氣管，23.排氣管，24.照相機(jī)。
權(quán)利要求
一種燃料的耦合蒸發(fā)模擬設(shè)備，其特征在于包括高壓球罐，在高壓球罐上設(shè)有觀察窗口、溫度和壓力測(cè)試孔及進(jìn)排氣口；安裝在高壓球罐上的燃料液滴注入裝置，其中燃料液滴注入裝置包括伸入到高壓球罐的內(nèi)部中央的針管，在針管上纏繞有熱電偶絲；與高壓球罐連接的加熱保溫控制系統(tǒng)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的耦合蒸發(fā)模擬設(shè)備，其特征在于，纏繞在針管上的熱電偶絲 在針管的末端的針孔處彎折，以隔開(kāi)通過(guò)針管在熱電偶絲的端部產(chǎn)生的油滴與燃料源。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的耦合蒸發(fā)模擬設(shè)備，其特征在于，燃料液滴注入裝置還包括 儲(chǔ)油腔，和儲(chǔ)油腔連通的分油盤(pán)，所述分油盤(pán)設(shè)置有多個(gè)出油孔，所述出油孔的一個(gè)或者多 個(gè)連接所述針管，與多個(gè)出油孔相連的多個(gè)針管能夠?qū)⑷剂戏蛛x，形成多個(gè)油滴。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的耦合蒸發(fā)模擬設(shè)備，其特征在于，套在針管之間的套束能夠 沿著針管移動(dòng)以在0-5mm的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)油滴之間的距離。
5. 根據(jù)權(quán)利要求l-3之一所述的耦合蒸發(fā)模擬設(shè)備，其特征在于，還包括圖像采集裝 置，所述圖像采集裝置通過(guò)觀察窗口記錄油滴的蒸發(fā)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的耦合蒸發(fā)模擬設(shè)備，其特征在于，分油盤(pán)端面布置有十個(gè)出 油孔，其中中間兩個(gè)出油孔，其它八個(gè)圓周均勻排列；以及所屬十個(gè)出油孔在分油盤(pán)內(nèi)部由 四個(gè)橫向的連通孔連通。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種燃油耦合蒸發(fā)模擬裝置，該裝置用于燃料的耦合蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)，主要包括用于控制燃料滴出的帶有調(diào)節(jié)螺栓的柱塞；用于儲(chǔ)存燃料的儲(chǔ)油腔；用于產(chǎn)生多個(gè)油滴的分油盤(pán)11及注射器針頭14；用于懸掛獨(dú)立的油滴并測(cè)量油滴溫度的熱電偶絲16等。其他附屬裝置包括用于形成蒸發(fā)背景環(huán)境的高壓球罐；用于顯示蒸發(fā)過(guò)程中油滴溫度的熱電偶溫度顯示裝置；加熱保溫控制系統(tǒng)；用于圖像采集的多功能數(shù)碼照相機(jī)等。上述裝置可以進(jìn)行不同數(shù)量的燃料液滴耦合蒸發(fā)試驗(yàn)。本發(fā)明所屬裝置可以在不同背景溫度、壓力下進(jìn)行試驗(yàn)，通過(guò)采集的數(shù)據(jù)可分析燃油的蒸發(fā)狀況，而且該裝置具有多種燃料進(jìn)行耦合蒸發(fā)的通用性。
文檔編號(hào)G01N33/28GK101788554SQ20091023744
公開(kāi)日2010年7月28日 申請(qǐng)日期2009年11月6日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月6日
發(fā)明者劉福水, 李向榮, 王向元, 馬玉坡 申請(qǐng)人:北京理工大學(xué)