一种用于喷雾、燃烧、碳烟生成特性测试的多功能定容弹

摘要

本发明公开一种用于喷雾、燃烧和碳烟生成测试的定容弹，包括：本体、二到六个光学窗口。本发明的本体构造简单，光学窗口采用双层玻璃（即承压厚玻璃与隔热薄玻璃）和空气隔热层保护，提供稳定的高温高压试验环境。具有结构紧凑、构造简单、加工方便，光学系统和喷射器布置灵活的特点。光学窗口固定器上设置的导光槽，可适用于在高温高压下位相多普勒法连续测量。本发明定容弹可以对喷雾、燃烧、碳烟生成等实施平面激光诱导荧光（喷雾截面燃油落点分布等）、激光诱导磷光法（气相和壁面的温度分布）、激光吸收与散射法（气液两相浓度场、空燃比分布等）、激光诱导炽光法（碳烟）、纹影法，以及各种测量方法的组合和同时测量，具有普适性。

说明书

技术领域

本发明属于热力发动机技术领域，涉及一种用于燃油喷雾以及燃烧测试的定容 弹，具体是一种可产生类似于内燃式发动机缸内气体环境（压力、温度、成分）的 装置，可进行燃油喷雾的雾化、蒸发、混合气形成、燃烧、碳烟生成等过程及其各 种特性的测试和试验。

背景技术

发动机的燃油喷雾特性是影响发动机性能的最重要因素之一，而对于高压直喷 汽油机来说，喷雾特性对发动机燃烧与排放性能有很大的影响。因此，燃油喷射系 统的喷雾特性的测试，对发动机燃烧系统的设计开发有非常重要的意义。

在先进直喷汽油机燃烧系统的研发中，激光诊断技术、缸内工作过程三维计算 流体力学仿真和基于光学发动机的燃烧诊断技术三位一体，是匹配与优化直喷燃烧 系统中喷雾、气流运动和燃烧室形状的不可或缺的重要技术手段。而通过喷雾的激 光诊断可实现对燃油雾化与蒸发过程进行可视化以及定量测量，为数值计算和建模 提供实验验证进而提高模拟仿真的精确性，还为缸内混合气形成过程及燃烧诊断提 供直观的物理描述和解释，其重要性不言而喻。喷雾的性能直接关系到缸内燃油分 布，从而决定燃烧的效率和有害物质的生成。因此，开发高效、清洁的汽油直喷发 动机，必须对直喷喷雾的雾化、蒸发和混合过程进行精确的测量。

定容弹是用来产生类似于发动机缸内各工况下的一定压力、温度、成分的气体 的装置。向特定温度、压力、成分的气体中喷射燃油时，燃油将会雾化、蒸发，并 与周围气体（通常是空气）混合，形成混合气。这时如果点燃混合气，将开始燃烧， 最后形成二氧化碳、水和微量的氮氧化物、碳烟等有害燃烧产物。因此，用带有若 干光学窗口的定容弹可以用光学的方法很方便地测出燃油喷雾的雾化特性、蒸发特 性、燃烧特性、有害物生成特性。

先进喷雾燃烧测量要求定容弹：1）具有较大的温度和压力的可调范围，2）可 进行连续测量而不需中途间断换气，3）待测区域的流速梯度小和温度场均匀，4） 有较大观察视角范围以实现位相多普勒发射器和接收器的150度夹角的要求，5） 整体紧凑便于复杂光路布置从而实现多物理量同时测量，6）光学窗口的玻璃受力 受热均匀以减小因不均匀变形导致的破损进而保证安全可靠。

目前大多数的定容弹的主要特点和局限性可以归纳为三点，简述如下。

一是多为静态系统。即在实验前先往容弹内部充入气体，之后将容弹封闭进行 单次实验（如需对气体加热的话也在封闭条件下进行内部加热），测试结束后将容 弹内部的油气混合物放掉，准备下次实验。这种结构的容弹比较简单，但实验效率 低下。因为在两次实验之间会出现间隔，需要充气-加热-放气-再充气-再加热的反 复循环，实验费时长，目标温度及其均匀性难以控制。

二是测试工况很难达到足够高的温度和压力。比如目前增压柴油机在上止点附 近的温度和压力可达1100K、10MPa左右，而目前所设计的定容弹极少能达到增压 发动机缸内燃烧前的温度和压力，从而限制了用定容弹进行柴油发动机缸内喷雾、 燃烧情况的模拟和测试，主要原因是高温高压测试工况下容弹各部分的受热、受力 不对称，容易使容弹体产生变形进而使光学窗口的玻璃破碎而发生爆炸。

三是测试范围不够广泛。即不能适用于各种条件下的喷雾和燃烧测试。在喷雾 测试方面，多是由于结构方面的设计导致喷油器的位置以及光路的布置不能灵活调 整；在燃烧测试方面，如上文所述，主要限于容弹内的实验温度和压力难以进一步 提高。

比如，专利“一种喷雾测试定容容弹”（专利申请号为201010272629.3），虽 然声称可以实现连续测试，但是由于容弹结构方面的设计，喷油器只能安装在容弹 上盖上，光学窗口只能安装在容弹周向。这样的设计导致容弹可以进行喷雾的轴向 平面光的测量，但是不能进行截面燃油落点分布的测量，也很难用位相多普勒（PDI） 分析仪进行液滴粒径测试，缩小了容弹的测试范围；并且该容弹只能用于喷雾测 试，不能用于燃烧测试，因为高温高压测试条件下容弹各部分的受力受热不均而使 强度安全得不到有效地保障。

发明内容

针对现有容弹设计存在的问题，本发明提出一种用于喷雾、燃烧和碳烟生成测 试的多功能定容弹，有一定的连续换气速度，可以实现连续测试，提高实验效率； 并且容弹内的测试条件可以达到增压柴油机燃烧前的温度和压力，进而可以进行高 温高压下的喷雾、混合、燃烧等的测试；同时该容弹适用于包括喷雾的轴向平面光 测试、截面燃油落点分布测试和液滴粒径分布测试等在内的各种喷雾特性测试以及 燃烧测试、碳烟生成过程测试，具有普适性，并且可以进行复杂光路布置实现多物 理量同时测量。

本发明的技术解决方案如下：

一种用于喷雾、燃烧和碳烟生成测试的定容弹，其特点在于，包括：本体、至 少二个光学窗口。

所述的本体是正交多面体，每个面设有孔，且两两相对的两个面的孔大小相同、 互相贯通，构成三个通孔，该三个通孔的轴线彼此垂直相交，该三个通孔相交的中 间区域形成测试区域；所述的本体的各顶点附近分别设有通向该测试区域的通气 口。

所述的光学窗口包括一薄玻璃和一厚玻璃，二层玻璃之间存在空隙，且两层 玻璃分别安装在各自固定器的固定槽内，两个固定器之间固定连接有绝热环形垫 片，该绝热垫片上设有沿绝热垫片径向的通孔，用于连通测试区域以使两层玻璃之 间的气体压力与测试区域气体压力几乎相等从而保证薄玻璃不承压。在所述的厚玻 璃和厚玻璃固定器之间的环周面放置隔热垫，所述的厚玻璃和厚玻璃固定器接触的 端面设有第一O型橡胶圈实现密封；整个光学窗口安装定容弹本体上时，在厚玻璃 固定器、绝热环形垫片、薄玻璃固定器三者与本体的环周向形成第二空隙。

所述的厚玻璃固定器具有中心孔，该中心孔和厚玻璃一起用于观察窗，固定 器中心孔两侧设有楔形导光槽，所述的厚玻璃固定器穿过本体的孔并与本体固定连 接，且厚玻璃固定器和本体的交接处设有第二O型橡胶圈实现密封；

所述的厚玻璃固定器的导光槽两侧还设有倒斜角，以此进一步扩大测试光束的 可移动范围和角度变化范围。

所述的定容弹在做缸内喷雾测试时还包括第一端盖，该第一端盖上安装有喷油 器，第一端盖穿过本体的孔并与本体固定连接，且其和本体的交接处设有O型橡胶 圈实现密封。

所述的的定容弹在做燃油湿壁、碳烟生成特性等测试时还包括第二端盖，该第 二端盖上含有测试壁面和油浴槽，第二端盖穿过本体的孔并与本体固定连接，且其 和本体的交接处设有O型橡胶圈实现密封。

所述的本体如果还有其余的孔，既不需要安装光学窗口，也不需要安装第一、 第二端盖，则安装普通端盖，其穿过本体的孔并与本体固定连接，并在其和本体的 交接处设O型橡胶圈实现密封。

所述的端盖与本体交接处设有垫块，来调节端盖以及连接在端盖上的喷油器或 测试壁面距离测试区域中心的距离。

所述的的定容弹在做高温测试时还包括进气加热系统，进气加热系统分别固定 连接在所述的本体的通气口旁。可以在进气通道外面加装加热器，进气被加热到设 定温度后经四个进气口连续地流入本体中的测试区域供测试之用，然后经四个排气 口及时排出以保持容器内的压力和温度恒定。

由于容弹本体六个面上的开口具有等效性，所以光学窗口和端盖可以安装在容 弹本体的六个面的任意一个面上，光学窗口的个数（至少两个）也可以根据测试需 求而定，进而适应于用光学手段进行各类喷雾、燃烧、碳烟生成等测试的需求，并 且可以进行复杂光路布置实现多物理量同时测量。

与现有技术相比，本发明的有益效果是结构紧凑，构造简单，加工方便，光学 系统和喷射器的布置灵活方便。采用外部连续加热连续换气方式，可以进行连续测 试，提高实验效率。光学测试窗口采用双层玻璃结构及周围空气隔热层的设计，对 窗口起到有效的隔热保护作用，可以进行高温（1100K）高压（12MPa）下的喷雾 燃烧等的测试。窗口（光学玻璃固定器）上有导光槽和倒角结构，加上容弹采用的 是紧凑型设计，窗口与窗口之间的距离比较近，大大扩大了从窗口观察测试区的视 角，可达到位相多普勒粒径和速度测量时发射光源与接收器的150度夹角的要求。 容弹适用于高温高压下连续对喷雾、燃烧、碳烟生成等进行测量，可实现位相多普 勒法（粒径和速度测量）、平面激光诱导荧光（喷雾轴向平面燃油分布、喷雾截面 燃油落点分布、燃烧中间产物浓度分布、气液两相速度场和浓度场等）、激光诱导 磷光法（气相和壁面的温度分布）、激光吸收与散射法（气液两相浓度场、空燃比 分布等测量）、激光诱导炽光法（碳烟）、纹影法（密度梯度），以及各种测量方法 的组合和同时测量，具有普适性。

附图说明

图1为本发明用于喷雾、燃烧和碳烟生成测试的多功能定容弹的装配示意图；

图2为本发明中本体的结构示意图；

图2.1为本发明中本体的正截面示意图；

图3为本发明用于喷雾、燃烧和碳烟生成测试的多功能定容弹的正截面图；

图3.1为图3中A的局部放大图；

图4为本发明中厚玻璃固定器的三维结构示意图；

图4.1为本发明用于喷雾、燃烧和碳烟生成测试的多功能定容弹的水平截面图；

图5为本发明应用于多物理量同时测量的示意图；

图中：1-本体；11-测试区域；12、13-通气口；2-光学窗口；21-薄玻璃；；22- 厚玻璃；23-两层玻璃之间的空隙（第一空隙）；231-光学窗口在本体上的安装间隙 （第二空隙）；24-厚玻璃固定器；241-楔形导光槽；242-倒斜角；243-倒斜角；244- 凸台；25-薄玻璃固定器；26-绝热环形垫片；27-厚玻璃和其固定器之间的隔热垫； 28-第一O型密封圈；29-第二O型密封圈；3-端盖；31-上端盖（第一端盖）；311- 喷油器；32-下端盖（第二端盖）；321-测试壁面；322-油浴槽；33-垫块；41-PDI 激光发射器；42-PDI激光接收器；51-高速激光发射器；52-柱面透镜；53-高速相 机；54-低速相机；55-反射镜；56-凹透镜；57-凸透镜；58-凹面镜；59-刀口；

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作详细说明，但不应以此限制本发明的保护范 围。

本发明提供的一种用于喷雾、燃烧和碳烟生成特性测试的定容弹，装配示意图 如图1所示，主要包括：容弹本体1、光学窗口2（本实施例中共有四个，布置在 周向，图中显示两个）、端盖3和进气加热系统（进气加热系统设置在本体每个进 气口的外部，使用定容弹做高温测试时对进气进行加热，图中未有显示，下文有述）。 其中四个光学窗口和两个端盖分别连接在本体的六个面上（本实施例以四个光学窗 口安装在周向、上方安装第一端盖、下方安装第二端盖为例进行说明）。第一端盖 上安装有喷油器，第二端盖上含有测试壁面和油浴槽（控制测试壁面温度），细节 部分在图1中未有显示，见下文。

图2为所述容弹的本体1的结构示意图，在正交六面体每个面上开出等大的开 口，其中对着的面上的开口互相贯通，也就是说总共有三个大小一样的通孔，对于 加工而言十分方便，三个通孔相交的中间区域为测试区域11。在正交六面体的8 个顶点附近开通向测试中心的通孔作为进排气通道。在本实施例中，上方四个通道 作为进气通道，下方四个通道作为排气通道。

图2.1是上文所述的正交六面体（不包含进排气道）被过中心点的竖直正截面 切割之后三维结构示意图，用来更形象地说明本体结构设计。

在本实施例中，本体周向安装四个光学窗口，上面安装安装有喷油器的第一端 盖，可以进行喷雾的轴向片光测试、液滴粒径测试（在下文详述）、喷雾速度场测 试等；下面再安装含有测试壁面和油浴槽的第二端盖，并且调节垫块（见图3）厚 度来调节喷油器距离容弹测试区域中心的距离，可以进行燃油湿壁现象测试；

如果把喷油器连同上端盖与任意一个光学窗口互换位置。则可以进行喷雾的截 面燃油落点分布测试；

由于容弹本体上的开口具有等效性，所以光学窗口和端盖可以安装在容弹本体 的六个面的任意一个面上，测试所需的喷油器或测试壁面可以连接在端盖上并且可 以用改变垫块厚度的方法调节其距离容弹测试区域中心的距离。这样，容弹可以根 据测量光路的要求来确定端盖和光学窗口的安装位置和数量分配，适应于用光学手 段进行各类喷雾、燃烧、碳烟生成等测试的需求，具有一定的普适性，并且可以进 行复杂光路布置实现多物理量同时测量（在图5另一个实施例示意图中详述）。

进排气通道采用结构对称的多通道设计，加上本体的对称性结构，保证了气体 流场分布的均匀性和本体受气流加热作用的均匀性，使得待测区域的流速梯度小、 温度场均匀，避免本体产生不均匀变形进而损坏窗口导致密封不严，这也保证了容 弹在高温高压实验条件下的安全性。

图3也是经过容弹本体中心点的竖直截面图，这张图是本实施例整个容弹的竖 直截面图，进排气体主要流向用虚线和箭头表示。

其中喷油器311到测试区域中心距离用垫块33调节。其中油浴槽322通过在 下端盖上打出的的孔道（图中未有显示）连接到外部温控油浴形成循环油路，这样 通过控制外部油浴的温度来控制测试壁面321的温度。在本实施例中直接把下端盖 深入本体的表面作为测试壁面，也可以另外在下端盖上安装其他材料的物体，把其 裸露于测试区域内的表面作为测试壁面。

下面用图3在光学窗口部分的局部放大图（放大区域是图3中圆域A）图3.1 来说明光学窗口的结构设计。

如图3.1，光学窗口含有两层石英玻璃，一薄一厚，二者之间存在第一空隙23， 两层玻璃安装在各自的固定器的固定槽内，并且之间放置一个绝热环形垫片，两个 固定器与绝热垫片之间可以通过螺钉等方式连接（图中略去）。其中，在绝热垫片 26的下端沿着径向打出直径很小的通孔用于将容器内的高温高压气体导入两层玻 璃之间的空隙23中。厚玻璃22和其固定器24之间在环周面上安装隔热垫27，厚 玻璃22和厚玻璃固定器24接触的端面安装有第一O型橡胶圈28实现二者之间的 密封；同样的道理，整个光学窗口安装在本体1上时，厚玻璃固定器24和本体1 的径向定位靠厚玻璃固定器上的凸台结构244实现，在厚玻璃固定器、绝热环形垫 片、薄玻璃固定器与本体的环周向存在第二空隙231，而在二者的交接处安装有第 二O型橡胶圈29实现二者之间的密封。这样容器测试区域11内的高温高压气体受 到了薄玻璃21的阻挡，只能经过窗口安装间隙211和绝热垫片的通孔进入两层玻 璃之间的小空隙23中，气压作用在厚玻璃的表面上，正好加强了厚玻璃22和厚玻 璃固定器24接触的端面处的密封效果（如果是负压状态，该密封处所需的正压力 由连接两个固定器和绝热垫片的连接件的预紧力提供）；薄玻璃21两侧都是高温高 压气体，承受热负荷，但是不承受压差；而对于厚玻璃，虽承受压力，但是热负荷 很小，因为包围厚薄玻璃之间的第一空隙23和窗口与本体环周向之间的第二空隙 231不同于测试区域，内部气体的流动性很差，与厚玻璃的对流换热很小，空隙内 的气体恰恰形成了空气隔热层，阻止厚玻璃、厚玻璃固定器与周围的传热，保证在 没有冷却的情况下厚玻璃温度能保持在许可范围之内。通过双层玻璃的结构和空气 隔热层的设计，将热负荷与力负荷分开，对玻璃窗口起到极大程度的保护作用，为 窗口部分承受高温高压的实验条件提供了保障。加上本体六个面上孔的等效性以及 外部加热方式（下文中详述），使得光学窗口的在本体上的安装可以深入到测试区 域边缘，使得容弹整体结构紧凑，紧凑的结构便于复杂光路布置从而实现多物理量 同时测量。

图4为本发明的光学窗口部分厚玻璃的固定器的三维结构示意图，用以形象地 说明上文提到的导光槽。图4.1所示，在临近光路的金属框壁部分开出楔形导光槽 241，倒斜角242、243等，通过这样的细节设计，可以进一步扩大测试光束的可移 动范围和角度变化范围，下文详述。

图4.1是本容弹实施例经过本体中心点的水平截面图，水平截面经过四个光学 窗口，用以详述窗口固定器上的导光槽结构设计以及整体的紧凑结构对扩大测试光 束入射、接受角度范围的作用（为了光路显示清楚，略去了两层玻璃上的剖面线）。 以应用位相多普勒干涉法（PDI）进行液滴粒径和速度测量为例说明。应用PDI进 行测试时，要求入射光中心光线与接收光的夹角达到150°，对于周向窗口互为垂 直布置的容弹而言有一定难度。即使勉强能达到150°的要求，由于发射器发出的 光除中心入射光线外周边还有与中心有很小夹角（最大约5°）的光线，使得有的 入射光线很有可能在沿着固定器金属壁边缘附近，加上每束光本身有一定宽度，容 易因衍射效果使得测试光路不精确。图中241对应图4中的楔形导光槽，242、243 是倒斜角的效果。在图4.1中标出了夹角150度的入射光中心光线和接收光，以及 入射中心光线周边的两条光线。可见，由于导光槽和倒角的设计，以及容弹整体比 较紧凑的结构，使得150度夹角容易实现，并可以避免入射光与金属边缘太近导致 的衍射现象，而且测试光束向一个方向有足够的移动范围，可以完成一般的喷雾液 滴粒径测试。

定容弹在使用中，如要进行高温高压测试，需要对进气进行加热。可以在每个 进气通道外面加装加热器，高压气体经过加热之后变成高温高压气体通入本体内部 测试区域，然后经四个排气口及时排出以保持容器内的压力和温度恒定。由于加热 方式是外部加热，因此可以在一定的进气流量下，通过调节加热器功率来控制进气 温度，实现高温高压下的连续测试。外部加热的好处还在于容弹内部的高温高压测 试区域变得较小，整个容器的体积也可以做得比较小，不仅降低了出现意外情况的 危险性，而且容弹紧凑的结构有助于应用位相多普勒干涉法（PDI）进行喷雾的液 滴粒径测试（上文中已提到）。

图5中示意了如何利用本发明用于喷雾、燃烧和碳烟生成测试的多功能定容弹 进行复杂光路布置进而实现多物理量同时测量，作为本发明在实际应用中的另一个 实施例，也可以说明本发明所述定容弹的光学窗口和端盖在数量、位置分配上的灵 活性。在本实施例中本体的六个面上的圆孔都安装光学窗口（光学窗口在图中略 去），上方四个进气孔中通入燃油、空气的混合气，经过测试区域后从下方四个排 气孔排出。图中高速激光发射器51发射出来的激光束经过柱面透镜52之后变成片 激光，配合高速相机53，可以实现利用粒子图像法（PIV）测量喷雾速度场；片光 照射油雾诱导的荧光信号被低速相机54接收，可以利用激光诱导荧光法测量截面 燃油质量分布、汽液两相浓度分布（需要加装针对气相和液相信号的滤镜，图中略 去）；高速激光器51发射出来的激光束经过凹透镜56和凸透镜57的组合达到扩束 效果，通过测试区域之后在另一端经过凹面镜58聚焦，在焦点处放置一刀口59， 用于遮挡正好通过焦点的光线，后方用高速相机53接收剩余光信号，可以利用纹 影法测量油雾和蒸汽的密度变化；PDI激光发射器41和接收器42配合完成位相多 普勒法测量油雾液滴速度和粒径。

正是基于上文中详述的本发明中容弹本体和光学窗口的设计，才实现了本实施 例中的复杂光路布置进而实现多物理量同时测量。本发明的实施例还有很多，比如 在本实施例的基础上，把不需要测量的物理量对应的光学窗口换成端盖安装在原窗 口位置即可。