一种结合纹影技术和PIV技术的双燃料射流研究装置及其方法

摘要

本发明提供一种结合纹影技术和PIV技术的双燃料射流研究装置及其方法，包括定容弹系统、喷气系统、喷油系统、纹影系统、PIV系统和电控系统；所述喷气系统的天然气喷射器和供油系统柴油喷射器固定安装在定容弹系统的喷射组合器内，喷射组合器安装在定容弹顶部；电控系统控制天然气喷射器和柴油喷射器的工作，同时通过同步器控制激光器与相机一和相机二同时工作。本发明实现双燃料的喷射混合，利用纹影技术，捕获清晰的喷雾轮廓图像，同时利用PIV技术获得实验区域的速度场，综合二者结果以研究双燃料射流的喷射混合特性。

说明书

技术领域

本发明属于内燃机研究领域，具体涉及一种结合纹影技术和PIV技术的天然气/柴油双燃料射流研究装置及其方法。

背景技术

随着工业消耗和生活消费的扩张，我国对能源需求持续上升，而化石资源，如柴油、汽油的过度开发所造成的问题日益凸显。能源、环境危机的不断加深，严重影响了我国经济和社会的健康快速发展。此外，我国环保法规不断升级，国四排放已全面实施，对柴油发动机行业影响甚大。由此可见，开发和利用清洁能源势在必行。天然气作为一种清洁的代用燃料，在我国的储量相对较丰富。其主要成分是甲烷，和柴油相比有较高的热值。研究SAE981160中表明，甲烷在2ms内自燃的温度至少要达到1200K，远高于传统柴油发动机能达到的温度850K～950K，因此，需要靠电火花点火或者柴油引燃技术为天然气燃烧提供能量。近几十年来，天然气发动机的研究取得了较大进展。加拿大Westport公司，美国BKM公司均提出了“微引燃”双燃料系统，用少量的引燃柴油为天然气提供能量。研究SAE 1999-01-3556发现，在高压直喷柴油机中利用柴油引燃天然气能够获得较低的排放和较高的热效率，为天然气在发动机内的应用提供了有效的依据。柴油引燃天然气工作过程是，先在缸内喷射少量柴油作为引燃剂，柴油在活塞运动到上止点过程中被压燃形成火焰，随后主燃料天然气以较高的压力喷入缸内燃烧作功。在文献SAE981400中，Ouellette等人提到的喷射系统是在传统的喷油器中增加一个阀套，阀套既充当柴油喷油器的阀体，又充当天然气喷射器的针阀。公开号为US5996558的专利提出了利用两套喷嘴的复杂结构，成本高。国内关于这方面的专利很少，专利公开号为ZL 200410016233.7的专利提出的一种双燃料喷油泵以及专利公开号为ZL 200510017269.1提出的双燃料喷嘴均无法实现CNG/柴油缸内直喷技术。专利公开号为ZL 201310019736.9的专利提出了一种实现天然气柴油双燃料的喷射装置和方法。该专利在针阀和阀体组成的喷嘴偶件基础上，增加一个阀套零件组成的喷嘴，三个零件之间互为偶件，实现了天然气/柴油同轴喷射技术。但是该喷射器的加工精度要求极高，结构复杂，国内目前很难实现。

上述专利提到的双燃料喷射装置和方法，无法实现柴油引燃天然气缸内直喷技术。目前该技术的核心都被国外企业所垄断，国内尚处于技术空白。面对日益严峻的能源环境危机，迫切的需要开发清洁能源的应用技术。因此，非常有必要开发环保效益突出、动力性能强劲的柴油引燃天然气缸内直喷技术。

发明内容

本发明的目的是针对上述问题提供一种结合纹影技术和PIV技术的双燃料射流研究装置及其方法，本发明设计了一种能够实现柴油和天然气双燃料喷射的喷射组合器，并将其安装于定容弹顶部，并与一套天然气喷射系统和一套柴油喷射系统相连，通过电控系统的控制，实现双燃料的喷射混合；再将纹影技术和PIV技术有机的结合在一起，通过同步器同时拍摄双燃料喷雾的轮廓图像和速度场图像。经图像后处理后结合二者结果，深入分析双燃料喷射混合过程。

本发明的技术方案是：一种结合纹影技术和PIV技术的双燃料射流研究装置，包括定容弹系统、喷气系统、供油系统、纹影系统、PIV系统和电控系统；

所述喷气系统的天然气喷射器和供油系统柴油喷射器固定安装在定容弹系统的喷射组合器内，喷射组合器安装在定容弹顶部；

所述纹影系统包括光源、反射镜一、凹面镜一、凹面镜二、反射镜二、刀口和相机二；所述圆形凹面镜一、凹面镜二与圆形定容弹侧面窗口同轴，对称的布置在定容弹两侧；所述光源轴线与凹面镜一轴线共面、且有夹角；反射镜一布置在光源前方，反射光线可投射到凹面镜一上；所述相机二轴线与凹面镜二轴线共面、且有夹角；反射镜二布置在相机二前方，反射镜二反射光束被相机二接收；刀口放置在反射镜二、相机二之间光束的焦点上；反射镜一、凹面镜一、凹面镜二、反射镜二依次连线呈“Z”型；

所述PIV系统包括PIV激光器、相机一和分光镜；PIV激光器布置在定容弹背面，所发射激光通过定容弹背面窗口投射到实验区域；定容弹内示踪物遇激光发生散射，散射光经定容弹侧面窗口投射到凹面镜二上；相机一轴线与凹面镜二轴线共面、且有夹角；分光镜布置在相机一前方，分光镜反射光束被相机一接收；

所述电控系统包括计算机二、ECU和同步器；所述ECU包括收发模块、天然气喷射器控制模块和柴油喷射器控制模块；所述收发模块与计算机二电连接，将从计算机二接收的信号传送到天然气喷射器控制模块和柴油喷射器控制模块，所述天然气喷射器控制模块与天然气喷射器电连接，所述柴油喷射器控制模块与柴油喷射器电连接；所述同步器输入端与计算机二电连接，输出端分别与PIV激光器、相机一和相机二电连接；ECU在给天然气喷射器和柴油喷射器发射信号的同时，也将该信号传送到计算机二，计算机二通过同步器控制PIV激光器发射激光而相机一和相机二同时拍摄照片。

上述方案中，所述定容弹系统包括定容弹、喷射组合器和氮气瓶；所述喷射组合器通过螺纹孔与螺栓固定在定容弹的顶部，氮气瓶通过高压气管二与定容弹连接；所述高压气管二上安装有阀门和减压阀一。

上述方案中，所述喷气系统包括天然气瓶、天然气高压气管一和天然气喷射器；所述天然气瓶通过高压气管一与天然气喷射器连接，天然气喷射器安装在喷射组合器上；所述高压气管上分别安装有压力传感器、温度传感器和减压阀二。

上述方案中，所述供油系统包括高压油轨、高压油泵、油箱、计算机一和柴油喷射器；所述高压油泵的一端与油箱连接，另一端与高压油轨连接，高压油轨通过高压油管与柴油喷射器连接，柴油喷射器安装在喷射组合器上；

所述高压油轨上安装有压力传感器；所述计算机一分别与高压油泵和压力传感器电连接；所述计算机一中设置喷油压力，计算机一根据压力传感器检测到的高压油轨内的油压信号，通过控制高压油泵对高压油轨的供油量，将高压油轨内的油压调整到所需压力。

一种根据所述结合纹影技术和PIV技术的双燃料射流研究装置的测试方法，包括以下步骤：

S1、将所述结合纹影技术和PIV技术的双燃料射流研究装置包含的部件安装连接；

S2、打开光源，调整反射镜一、反射镜二、凹面镜一、凹面镜二、刀口到适当位置，将靶标置于实验区域中央，调节相机二焦距，直至靶标清晰可见；保持反射镜一、反射镜二、凹面镜一、凹面镜二、刀口位置不变，调整分光镜到适当位置，将靶标置于实验区域中央，调节相机一焦距，直至靶标清晰可见；

S3、开启供气系统和供油系统，通过减压阀二、计算机一分别将气压、油压调节到所需实验值；

S4、打开光源，在计算机二上通过配套软件控制ECU，调节天然气喷射器和柴油喷射器的喷射脉宽、喷射相位，以及喷射频率，在天然气喷射器和柴油喷射器开始工作的瞬间，ECU将喷射脉冲信号发射给计算机二，计算机二通过同步器分别控制PIV激光器、相机一和相机二同时开始工作；相机一、相机二分别捕捉PIV系统和纹影系统的影像；通过改变相机的延时，捕获不同时刻下的喷雾形态，以进行双燃料射流混合特性研究；

S5、根据拍摄的图像，调节气体的浓度，以及相机增益，以获取质量最佳的图像；

S6、获得喷雾图像，用后处理软件进行图像处理后，再进行双燃料射流喷射混合特性的研究分析。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明通过双燃料喷射组合器实现了双燃料的喷射混合，为柴油引燃天然气缸内直喷发动机的开发提供了实验数据。

2.本发明联用纹影技术和PIV技术测试双燃料喷雾场，利用纹影技术获得双燃料的轮廓，利用PIV技术获得双燃料喷雾的速度场，综合分析二者结果，能更加深入的定量分析双燃料喷射混合特性

3.本发明设计了一套电控系统，该电控系统可以控制相机一、相机二、激光器同时工作，使本实验装置可以获得同相位的双燃料喷雾轮廓图像和速度场图像。

本发明实现双燃料的喷射混合，利用纹影技术，捕获清晰的喷雾轮廓图像，同时利用PIV技术获得实验区域的速度场，综合二者结果以研究双燃料射流的喷射混合特性。

附图说明

图1为本发明一实施方式的结合纹影技术和PIV技术的双燃料射流研究装置结构示意图；

图2为本发明一实施方式的喷射组合器三维截面图。

图中：1、电脑一；2、压力传感器一；3、高压共轨系统；4、凹面镜一；5、高压油管；6、LED光源；7、高压气管一；8、压传感器二；9、阀门；10、温度传感器；11、PIV激光器；12、减压阀一；13、减压阀二；14、高压气管二；15、天然气瓶；16、氮气瓶；17、凹面镜二；18、相机一；19、相机二；20、刀口；21、同步器；22、电脑二；23、ECU；24、反射镜一；25、喷射组合器；26、定容弹；27、反射镜二；28、分光镜；29、天然气喷射器；30、柴油喷射器。

具体实施方式

下面结合附图具体实施方式对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于此。

图1为本发明所述一种结合纹影技术和PIV技术的双燃料射流研究装置的一种实施方式，所述结合纹影技术和PIV技术的双燃料射流研究装置，包括定容弹系统、喷气系统、供油系统、纹影系统、PIV系统和电控系统。

所述定容弹系统包括定容弹26、喷射组合器25和氮气瓶16；所述喷射组合器25通过螺纹孔与螺栓固定在定容弹26的顶部；氮气瓶16通过高压气管二14与定容弹26连接，所述高压气管二上安装有阀门9和减压阀一12。打开阀门9，通过减压阀一12调节氮气压力至所需值，为定容弹26提供背压；达到所需压力后，关闭阀门9和减压阀一12。

所述喷气系统包括天然气瓶15、天然气高压气管一7和天然气喷射器29；天然气瓶15通过高压气管一7与天然气喷射器29连接，压力传感器8、温度传感器10和减压阀13分别安装在高压气管7上。天然气瓶15中的高压天然气经过减压阀13减压到所需压力，通过压力传感器8、温度传感器10检测天然气的压力与温度。天然气喷射器29安装在喷射组合器25上，实现天然气喷射。

所述供油系统包括高压油轨3、高压油泵、油箱、计算机一1和柴油喷射器30；所述高压油泵的一端与油箱连接，另一端与高压油轨3连接，高压油轨3通过高压油管5与柴油喷射器30连接，柴油喷射器30安装在喷射组合器25上，实现柴油喷射；所述高压油轨3上安装有压力传感器2；所述计算机一1分别与高压油泵和压力传感器2电连接。根据实验需要在计算机一1中设置喷油压力。计算机一1根据压力传感器2检测到的高压油轨3内的油压信号，通过控制高压油泵对高压油轨3的供油量，将高压油轨3内的油压调整到所需压力。

所述纹影系统包括光源6、反射镜一24、凹面镜一4、凹面镜二17，反射镜二27,、刀口20和相机二19。各部件相对位置如图1所示。所述圆形凹面镜一4、凹面镜二17与圆形定容弹26侧面窗口同轴，对称的布置在定容弹26两侧；所述光源6轴线与凹面镜一4轴线共面，有适当夹角；将反射镜一24布置在光源6前方，使反射光线可以投射到凹面镜一4上；所述相机二19轴线与凹面镜二17轴线共面，有适当夹角；将反射镜二27布置在相机二19前方，使反射镜二27反射光束可以被相机二19接收；将刀口20放置在反射镜二17、相机二19之间光束的焦点上；反射镜一24、凹面镜一4、凹面镜二17、反射镜二27依次连线呈“Z”型。

所述光源6发出的发散光经反射镜一24反射后投射到凹面镜一4上，发散光经过凹面镜一4反射后成为平行光，光束经定容弹26视窗穿过实验区域投射到凹面镜二17上，平行光经过凹面镜二17反射后成为汇聚光，经分光镜2投射到反光镜二27上，光束经过刀口20时部分光被刀口遮挡，其余光线被相机二19捕捉成像。其中分光镜28对纹影系统光束基本没有影响。

所述PIV系统包括PIV激光器11、相机一18和分光镜28。各部件相对位置如图1所示。PIV激光器11布置在定容弹26背面，所发射激光通过定容弹26背面窗口投射到实验区域；定容弹26内示踪物遇激光发生散射，散射光经定容弹26侧面窗口投射到凹面镜二17上；相机一18轴线与凹面镜二17轴线共面，有适当夹角；将分光镜28布置在相机一18前方，使分光镜28反射光束可以被相机一18接收。

所述PIV激光器11发出的特定波长激光经定容弹视窗照射到实验区域，激光照射到示踪物上发生散射，散射光经定容弹视窗投射到凹面镜二17上，散射光经过凹面镜二17反射后成为汇聚光，光束经分光镜28反射后被相机一18捕捉成像。

本发明所述结合纹影技术和PIV技术的双燃料射流研究装置有机结合纹影技术和PIV技术，优选地，

所述电控系统包括计算机二22、ECU23、同步器21；所述ECU23包括收发模块、天然气喷射器控制模块和柴油喷射器控制模块；所述收发模块与计算机二22电连接，将从计算机二22接收的信号传送到天然气喷射器控制模块和柴油喷射器控制模块，所述天然气喷射器控制模块与天然气喷射器29电连接、用于控制天然气喷射器29的开关，所述柴油喷射器控制模块与柴油喷射器30电连接、用于控制柴油喷射器30的开关；所述同步器21输入端与计算机二22电连接，输出端分别与PIV激光器11、相机一18、相机二19电连接，相机一18和相机二19为ICCD相机。ECU23在给天然气喷射器29和柴油喷射器30发射信号的同时，也将该信号传送到计算机二22，计算机二22通过同步器21控制PIV激光器11发射激光而相机一18和相机二19同时拍摄照片。

本发明还提供了结合纹影技术和PIV技术的双燃料射流研究装置的测试方法，具体包括以下步骤：

S1、将所述结合纹影技术和PIV技术的双燃料射流研究装置按图1、图2安装连接；

S2、打开光源6，调整反射镜一24、反射镜二27、凹面镜一4、凹面镜二17、刀口20到适当位置，将靶标置于实验区域中央，调节相机二19焦距，直至靶标清晰可见；保持反射镜一24、反射镜二27、凹面镜一4、凹面镜二17、刀口20位置不变，调整分光镜28到适当位置，将靶标置于实验区域中央，调节相机一18焦距，直至靶标清晰可见。

S3、开启供气系统和供油系统，通过减压阀二13、电脑一1分别将气压、油压调节到所需实验值；

S4、打开光源6，在计算机二22上通过配套软件控制ECU23，调节天然气喷射器29和柴油喷射器30的喷射脉宽、喷射相位，以及喷射频率，在天然气喷射器29和柴油喷射器30开始工作的瞬间，ECU23将喷射脉冲信号发射给计算机二22，计算机二22通过同步器21分别控制PIV激光器11、相机一18和相机二19同时开始工作；相机一18、相机二19分别捕捉PIV系统和纹影系统的影像；通过改变相机的延时，捕获不同时刻下的喷雾形态，以进行双燃料射流混合特性研究；

S5、根据拍摄的图像，调节气体的浓度，以及相机增益，以获取质量最佳的图像；

S6、获得喷雾图像，用后处理软件进行图像处理后，再进行双燃料射流喷射混合特性的研究分析。

本发明设计了一种能够实现柴油天然气双燃料喷射的喷射组合器25，并将其安装于定容弹2顶部，与一套天然气供给系统和一套柴油供给系统相连；通过电控系统，控制双燃料的喷射混合，再结合纹影技术和PIV技术，通过同步器21同时拍摄双燃料喷雾的轮廓图像和速度场图像。经图像后处理后结合二者结果，深入分析双燃料喷射混合过程。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。