一种喷油嘴内部空穴流动可视化试验装置

摘要

本发明公开了一种喷油嘴内部空穴流动可视化试验装置，包括背压系统、气体循环系统、温度控制系统、燃油喷射系统，背压系统包括高压氮气、背压腔体、气体流量控制阀门组件、第一压力变送器，气体循环系统包括滤清器、气体循环压缩机、耐压气瓶、气体控制阀门、第二压力变送器、电控稳压器，温度控制系统包括温度控制单元、换热器，温度控制系统用于保证背压腔体内的温度恒定，燃油喷射系统包括比例放大喷油器、比例放大喷油嘴。本发明有效消除了现有技术中雾化柴油模糊背压接收腔体窥视窗口的问题，从而有利于实验进一步开展；本发明中采用透明比例放大喷油嘴，从而使一定背压条件下柴油机燃油比例放大喷油嘴内部流动的可视化试验成为可能。

说明书

技术领域

本发明涉及一种背压环境下的柴油机燃油比例放大喷油嘴内部流动可视化试验装置，属于柴油机燃油喷雾领域，可用于柴油机喷油嘴内部流动气液两相流（空穴现象）的试验研究。

背景技术

柴油机具有功率大、经济性能好的特点，在节能与降低二氧化碳排放方面有很好的优势，是所有热力发动机都无法取代的。喷油嘴作为柴油机燃油喷射系统的终端，对燃油雾化质量、油束与燃烧室的配合及喷油持续期的长短都有直接影响，进而还会影响缸内燃烧。燃油喷雾的形成、雾化过程及雾化质量除了受喷雾与其周围空气摩擦的影响外，更受到喷油嘴内部流动湍流和空穴的影响。其中，空穴现象成为把喷油嘴内部流动和喷雾行为联系起来的一种关键因素。所以非常有必要开展喷油嘴内空穴流动研究。

模拟柴油发动机缸内喷雾燃烧的装置（实用新型专利CN200820182889）对一定背压条件下的真实柴油发动机喷油器的喷雾形态开展了相关研究，但使用真实喷油器无法观测到喷油嘴内部的流动情况，也就无法研究一定背压条件下的柴油机喷油嘴内部空穴流动对发动机喷雾的影响。目前，实验室条件下尚未开展过一定背压条件下柴油机燃油比例放大喷油嘴内部流动的可视化试验。同时，现有技术尚无法解决由于燃油喷射雾化和背压燃油接收器的体积限制所带来的背压腔窥视窗口模糊的问题，进而无法继续开展相应的喷嘴内部流动机器喷雾形态的高速摄影的试验研究。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，以更好的研究柴油发动机比例放大喷油嘴内部的空穴流动形态，及空穴现象对喷雾的影响，本发明提供一种可以在一定背压环境下用来观测柴油机比例放大喷油嘴内空穴发展状况的试验装置。

本发明的技术方案是：

一种喷油嘴内部空穴流动可视化试验装置，包括背压系统、气体循环系统、温度控制系统、燃油喷射系统，所述背压系统包括高压氮气、背压腔体、气体流量控制阀门组件、第一压力变送器，所述气体循环系统包括滤清器、气体循环压缩机、耐压气瓶、气体控制阀门、第二压力变送器、电控稳压器，所述温度控制系统包括温度控制单元、换热器，温度控制系统用于保证背压腔体内的温度恒定，所述燃油喷射系统包括比例放大喷油器、比例放大喷油嘴；所述背压腔体、气体流量控制阀门组件、第一压力变送器、滤清器、气体循环压缩机、耐压气瓶、电控稳压器、换热器依次连接，换热器的另一端连接至背压腔体，气体控制阀门和第二压力变送器连接于耐压气瓶和电控稳压器之间，通过第二压力变送器控制气体控制阀门的开度来补充或释放气体，所述温度控制单元与换热器相连接，用于控制换热器内的温度，比例放大喷油器固定设置于背压腔体内上端，比例放大喷油嘴固定设置于比例放大喷油器下端。

作为本发明的进一步改进，所述比例放大喷油嘴采用透明材料。

作为本发明的进一步改进，所述透明材料为丙烯酸。

作为本发明的进一步改进，所述燃油喷射系统使用氮气为燃油喷雾提供喷射压力。

作为本发明的进一步改进，所述气体流量控制阀门组件包括上压力场控制阀门、下压力场控制阀门、气压大小调节阀门，所述上压力场控制阀门和下压力场控制阀门用于控制背压腔体内部压力场上下均匀分布，他们的一端连接至比例放大喷油器，另一端经过第一压力变送器与滤清器相连，所述气压大小调节阀门用于在调试阶段调节气压大小，气压大小调节阀门连接于上压力场控制阀门和下压力场控制阀门之间。

作为本发明的进一步改进，所述气体循环压缩机有两台，采用并联方式连接，用于为整个气体循环回路提供循环动力。

作为本发明的进一步改进，所述可视化试验装置采用安装有微距镜头的高速数码摄影机记录燃油喷射过程中的比例放大喷油嘴内部空穴的产生、发展及溃灭过程，拍摄过程中采用LED冷光源作为拍摄的光源。

本发明的有益效果是：

1、本发明一种喷油嘴内部空穴流动可视化试验装置有效消除了现有技术中由于背压燃油接收器的体积限制而导致的雾化柴油模糊背压接收腔体窥视窗口的问题，从而有利于实验进一步开展；

2、本发明中采用透明比例放大喷油嘴，从而使一定背压条件下柴油机燃油比例放大喷油嘴内部流动的可视化试验成为可能。

附图说明

图1是本发明一种喷油嘴内部空穴流动可视化试验装置的结构图；

图2是本发明中燃油喷射系统的结构示意图；

图3是燃油喷射系统中比例放大透明喷油嘴的结构示意图。

图中：1、上压力场控制阀门；2、下压力场控制阀门；3、气压大小调节阀门；4、滤清器；5、第一压力变送器、6、气体循环压缩机；7、耐压气瓶；8、气体控制阀门；9、第二压力变送器；10、电控稳压器；11、温度控制单元；12、换热器；13、比例放大喷油器；14、比例放大喷油嘴；15、背压腔体、16、针阀体；17、连接螺栓；18、卡盘。 

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明一种喷油嘴内部空穴流动可视化试验装置的结构如图1所示，包括背压系统、气体循环系统、温度控制系统、燃油喷射系统。背压系统包括高压氮气、背压腔体15、气体流量控制阀门组件、第一压力变送器5；气体循环系统包括滤清器4、气体循环压缩机6、耐压气瓶7、气体控制阀门8、第二压力变送器9、电控稳压器10；温度控制系统包括温度控制单元11、换热器12；温度控制系统用于保证背压腔体15内的温度恒定；燃油喷射系统包括比例放大喷油器13、比例放大喷油嘴14。背压腔体15、气体流量控制阀门组件、第一压力变送器5、滤清器4、气体循环压缩机6、耐压气瓶7、电控稳压器10、换热器12依次连接，换热器12的另一端连接至背压腔体15，气体控制阀门8和第二压力变送器9连接于耐压气瓶7和电控稳压器10之间，通过第二压力变送器9控制气体控制阀门8的开度来补充或释放气体，温度控制单元11与换热器12相连接，用于控制换热器12内的温度，比例放大喷油器13固定设置于背压腔体15内上端，比例放大喷油嘴14固定设置于比例放大喷油器13下端。燃油喷射系统使用氮气为燃油喷雾提供较大的喷射压力。

将一定体积的氮气提供到背压腔体15内，开启气体循环压缩机6，电控稳压器10及相关气体阀门使背压腔体15内部的压力维持恒定。背压腔体15左侧三个阀门主要通过调节上压力场控制阀门1和下压力场控制阀门2的开度来控制背压腔体15内部的压力场上下均匀分布，右侧气压大小调节阀门3主要在调试阶段起调节气压大小的作用。

两台并联的气体循环压缩机6为整个气体循环回路提供循环动力，采用并联方式连接，主要可以通过调节每个压缩机的功率来满足不同喷射压力和背压环境所需要的循环气量。

由两台并联的气体循环压缩机6出来的气体先进入耐压气瓶7，而后流出，耐压气瓶7可以起到稳定气流的作用，防止整个气体回路出现较大的压力波动。

气体控制阀门8和第二压力变送器9，可以观测压力变送输出的数据控制阀门来补充或者释放背压气体循环系统的气体，以保证系统内压力稳定。

温度控制单元11和换热器12可以用来保证背压腔体15内的温度保持恒定，具体通过控制换热器12内另一介质的温度，而后观察温度控制单元11的数据，进而控制背压腔体15内的气体温度。

背压腔体15上端，自行设计的比例放大喷油器13及丙烯酸材料制作的透明比例放大喷油嘴14，分别可以与一定背压的燃油接收器相连接以及可以用来观测燃油喷射过程中的喷嘴内部的流动情况。

本发明中燃油喷射系统的结构如图2所示，其中比例放大透明喷油嘴的结构如图3所示。比例放大喷油器13的外壁上设有用于固定燃油喷射系统的卡盘18和用于将比例放大喷油嘴14固定于比例放大喷油器13上的连接螺栓17，比例放大喷油器13的中间设有针阀体16，比例放大喷油嘴14固定套设于针阀体16下端的外部。

本发明一种喷油嘴内部空穴流动可视化试验装置的使用方法如下：

（1）将流量传感单元、压力传感单元安装在高压油路上，再将相应的信号接收器、数据处理模块、高速数码摄影的图像处理单元及计算机连接起来。

（2）将装有比例放大喷油嘴的喷油器安装在燃油接收器上，连接好高压油路，检验安装的紧密性质，确保无漏气，背压保持恒定。

（3）将空气循环系统及温度控制系统与背压腔体连接，调节好各个阀门开度，再向背压腔体内部通入一定压力的氮气，打开空气压缩机，使空气循环系统开始工作，保证背压腔内的背压稳定。

（4）开启温度控制系统，确保通入背压腔内的温度场维持在试验所需要的数值范围内。

（5）安装好高速数码摄影装置，LED冷光源，完成调试工作。

（6）将柴油泵进气液压力容器内，关闭上侧出气阀，向该气液压力容器内通入一定体积的氮气，达到试验所需的喷射压力值。

（7）通过控制高压油路上的感压控制阀的开度，来调节喷射压力，并通过计算机的数据记录软件做好相应的流量和压力数据。

（8）观察高速数码摄像所采集的比例放大喷油嘴内部流动的照片，并记录空穴产生、发展及溃灭的变化时的照片，记录相应的时间，以便于进一步的研究比例放大喷油嘴内部的流动情况。

本发明为更好的研究比例放大喷油嘴内部的空穴发展，采用丙烯酸等透明材料设计制造该比例放大喷油嘴；设计制作可以装载该喷油嘴的比例放大喷油器，并可以将该喷油器与燃油接收器密封连接，同时保证喷油嘴与喷油器的密封连接；背压腔体配合自行设计的空气循环及温度控制系统，可以有效地解决背压腔体周围窥视孔模糊及腔内气体温度场不稳定的问题；采用安装有微距镜头的高速数码摄影机记录燃油喷射过程中的比例放大喷油嘴内部的空穴产生、发展及溃灭过程，拍摄过程中采用LED冷光源作为拍摄的光源。该试验装置可通过装载有透明材料制作的比例放大柴油机喷油嘴，完成被压环境下的柴油机喷油器喷孔内部流动的试验研究，进而可以开展柴油机喷射过程中喷油嘴内部空穴机理的研究。该试验装置可解决窥视窗口的雾化问题，能够顺利开展燃油比例放大喷油嘴内部空穴发展的高速数码摄像的记录过程。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。