[发明专利]一种液滴碰壁实验装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及液滴碰壁实验装置及方法。

背景技术

对于缸内直喷发动机，随着其向结构小型化与高增压、高喷油压力的方向发展，燃料由于蒸发时间有限等原因容易撞击并附着在气缸壁以及活塞壁上形成附壁油膜，造成实际燃油损失，降低了发动机经济性。同时，因为本循环中的油膜蒸发量很少，因此还会影响发动机后续工作循环的混合气形成。随着附壁油膜的不断积累，会在局部形成一个富燃料区，造成碳烟颗粒物排放大大增加，并且形成积碳。而积碳相当于一个个的热点，在缸内温度较高时，易使其周围的混合气自燃，从而产生超级爆震，严重损坏发动机。因此，可以从液滴碰壁方向来研究提高发动机经济性以及抑制超级爆震的方法。

现有技术中的液体碰壁实验，一般是使用液滴撞击试验台上的液膜，而并非直接撞击试验台平面，并且该试验台也不会被加热，这就导致该实验模型与真实的发动机内部工况相差较远。首先，传统的实验装置中，试验台不会被加热，导致不能很好模拟发动机的高温气缸壁；其次，传统的实验方法，其信号采集，处理较为繁琐；最后，本发明技术方案改进了现有技术方案中实验信号数据的后处理方式；以上优点使得本发明技术方案的模拟更加真实、准确，对实验数据的采集和处理更加高效、合理。

发明内容

有鉴于此，根据液滴碰壁的特点，本发明提供了一种液滴碰壁的实验装置及方法，以模拟发动机内的液滴碰壁现象。由于发动机工作时其环境复杂多变，影响液滴碰壁的因素较多，诸如碰壁速度、碰壁角度、液滴组分、壁面温度等，因此需要控制变量，分别探究单一因素的变化对液滴碰壁的影响。

一种液滴碰壁实验装置，该实验装置包括：液滴注射系统、加热系统、可视化系统以及信号控制系统，其特征在于：加热系统包括可改变倾斜角度的倾斜台，倾斜台上放置可改变加热温度的恒温加热平台。

较佳地，液滴注射系统包括支撑液滴注射系统的支架、设置在支架上的注射泵步进电机、由注射泵步进电机驱动的注射器台架、安装在注射器台架上的可更换的注射器。

优选地，通过注射泵步进电机驱动注射器台架来控制注射器使液滴滴落；通过改变注射器针管的口径来控制液滴尺寸；通过改变注射泵步进电机在支架上的位置来改变液滴下落高度，进而改变液滴碰壁速度；通过改变注射器中的溶液组分类型来测试不同燃料的液滴碰壁现象。

优选地，通过改变恒温加热平台的实验平面温度来控制液滴碰壁时的壁面温度；通过改变恒温加热平台与水平面之间的角度来改变液滴碰壁时的碰壁角度；通过加工恒温加热平台实验平面获得不同的粗糙度，来探究壁面粗糙度对液滴碰壁的影响。

优选地，可视化系统包括高速摄像机、为高速摄像机提供光源的氙灯、使氙灯灯光均匀分布的匀光片、与高速摄像机相连并控制高速摄像机参数的计算机。

优选地，信号控制系统包括与计算机连接，且安装在注射器正下方的触发装置，触发装置包括槽型光电开关、光电开关检测仪和延迟控制系统。

优选地，当液滴穿过槽型光电开关时，光电开关会产生一个阶跃信号，检测仪检测到该阶跃信号并将其输入至延迟控制系统，根据不同的实验条件通过延迟控制系统向高速摄像机输入延迟触发信号，来控制高速摄像机的触发时刻，以保证液滴碰壁过程记录的完整性。

本发明还公开了一种液滴碰壁实验的实验方法，包括如下步骤：

步骤1、使用无水乙醇清洗恒温加热平台的实验平面，防止实验平面上的杂质影响实验结果；

步骤2、用水平仪确定并调整实验平面的倾斜角度，倾斜角度确定后固定可倾斜的恒温加热平台；

步骤3、将实验所用液体注入注射器内，并将注射器固定在注射泵上；

步骤4、用量尺确定并调整注射器针尖与恒温加热平台实验平面的铅垂距离，铅垂距离确定后固定整个液滴注射系统；

步骤5、控制注射泵步进电机驱动注射器滴一滴实验液滴在实验平面上，确定液滴滴落的大致位置；

步骤6、设置高速摄像机的相关参数；

步骤7、调整高速摄像机镜头焦距至液滴滴落的大致范围内，再次滴一滴液滴，拍摄液滴碰壁过程，观察实验图像是否清晰，重复以上过程，直至能够清晰地观察到整个液滴碰壁过程；

步骤8、将一标定尺置于焦距平面内，拍摄以确定液滴实际尺寸；

步骤9、再次清洗实验平面，加热实验平面至所需温度；

步骤10、正式实验时，控制注射泵步进电机驱动注射器生成液滴，液滴通过触发装置时触发相机，记录液滴撞壁过程；

步骤11、选择有效数据进行存储，对拍摄结果进行剪辑，只保留液滴撞壁过程，若拍摄效果不理想，则重复以上步骤至达到满意效果；