[发明专利]一种用于喷雾、燃烧、碳烟生成特性测试的多功能定容弹

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：