CN107631880B - 基于喷雾燃烧引燃的附壁油膜燃烧实验装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于喷雾燃烧引燃的附壁油膜燃烧实验装置和试验方法，在实验时，定容燃烧弹内腔通过进气系统预先充满气体，且氧浓度可调；加热棒将定容燃烧弹的弹体温度加热至重质燃料自燃温度以上，但低于轻质燃料自燃温度；壁面温度加热至模拟发动机缸内壁面温度的预设值；轻质燃料喷油器向所述壁面喷射轻质液体燃料，形成附壁油膜；重质燃料喷油器将燃料喷入高温容弹内，自燃形成火焰喷向形成的轻质燃料油膜，并将其引燃。本发明利用壁面加热模拟发动机缸内壁面温度条件，利用轻质燃料与重质燃料的自燃温度差异，调节燃烧弹温度，使重质燃料自燃，之后引燃附壁油膜，以模拟发动机内的附壁油膜燃烧现象。
Description
技术领域
本发明涉及一种实验装置，具体涉及一种基于喷雾燃烧引燃的附壁油膜燃烧实验装置和实验方法。
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，增加了污染物排放。与此同时，附壁油膜的燃烧会引起气缸壁以及活塞表面的局部温度升高，若温度高于合金材料的熔点会产生烧蚀现象，严重损坏发动机。因此，可以从附壁燃烧方向来研究抑制烧蚀现象的方法。
以往的研究多从油膜蒸发的角度对附壁燃烧进行了研究，很少有见附壁油膜燃烧的报道。已见报道也是通过数值模拟的角度实现的。
发明内容
有鉴于此，根据附壁油膜燃烧的特点，本发明提供了基于喷雾燃烧引燃的附壁油膜燃烧实验装置和实验方法，以模拟发动机内的附壁油膜燃烧现象。
通过容弹壁面加热模拟发动机缸内壁面温度条件。利用轻质燃料(如汽油)与重质燃料(如柴油)的自燃温度差异，调节燃烧弹温度，使重质燃料自燃，之后引燃附壁油膜。从而避开了轻质燃料喷油过程中即发生燃烧而无法形成油膜的现象。
为了解决上述技术问题，本发明是这样实现的。
一种基于喷雾燃烧引燃的附壁油膜燃烧实验装置，包括具有光学视窗(5)的定容燃烧弹，定容燃烧弹布置有可控加热丝的壁面、轻质燃料喷油器、重质燃料喷油器、缸压传感器及加热棒；轻质燃料喷油器对准壁面；定容燃烧弹外设有进气系统、排气系统、系统控制单元、光学测试系统和数据记录系统；进气系统和排气系统分别与定容燃烧弹的进、排气口相连；系统控制单元与壁面的加热丝、轻质燃料喷油器、重质燃料喷油器、缸压传感器、加热棒、进气系统、排气系统、数据记录系统相连，实现控制和数据收集；
加热棒将定容燃烧弹的弹体温度加热至重质燃料自燃温度以上，但低于轻质燃料自燃温度；系统控制单元控制壁面温度，模拟发动机缸内壁面；轻质燃料喷油器向所述壁面喷射轻质液体燃料，形成附壁油膜；重质燃料喷油器将重质燃料喷入高温容弹内，自燃形成火焰喷向轻质燃料的附壁油膜，并将其引燃；
光学测试系统通过光学视窗记录壁面的火焰燃烧过程，将记录的图片信息发送给数据记录系统；缸压传感器记录定容燃烧弹内附壁油膜的燃烧压力，用于分析燃烧放热规律。
优选地，通过调节轻质燃料喷油器的喷油压力以及喷油量，调节液体燃料在壁面上表面形成的油膜形状、大小以及厚度。
优选地，所述进气系统向定容燃烧弹预先通入氧气、氮气的混合气体，通过调节氧气、氮气的掺混比例和预混燃烧初始压力，改变附壁燃烧的初始环境条件。
优选地，壁面固定在定容燃烧弹的底部中央位置，其中壁面内部嵌有温度可控的加热丝；轻质燃料喷油器布置在定容燃烧弹某一侧面的上端，喷嘴以一定的角度对着壁面的中心位置；重质燃料喷油器布置于定容燃烧弹顶面中央位置；光学视窗布置于定容燃烧弹四个周向面；缸压传感器布置在定容燃烧弹任一侧面的上端位置。
优选地，加热棒布置于定容燃烧弹的弹体。
本发明还提供了一种采用上述基于喷雾燃烧引燃的附壁油膜燃烧实验装置的实验方法，系统控制单元控制实验过程，包括如下步骤：
步骤1、调节光学测试系统，直到能清晰地观测到壁面中心处参照物；
步骤2、控制加热棒加热定容燃烧弹，使定容燃烧弹内温度达到设定温度，该设定温度在重质燃料自燃温度以上，但低于轻质燃料自燃温度；
步骤3、控制加热系统将壁面温度加热至预设值，模拟发动机缸内壁面温度；
步骤4、控制排气系统将定容燃烧弹抽真空，去除定容燃烧弹内的废气；
步骤5、利用分压法调节进气系统所提供的混合气体掺混比例和初始压力，并充入定容燃烧弹；
步骤6、触发轻质燃料喷油器，喷油并在壁面上形成附壁油膜；油膜尺寸参数通过调节喷油器角度、喷油压力以及喷油量实现；
步骤7、触发重质燃料喷油器喷油，由于定容燃烧弹内温度高于重质燃料燃点，重质燃料会迅速燃烧，火焰撞击附壁油膜将其引燃；
步骤8、通过光学测试系统和缸压传感器记录下附壁油膜燃烧过程和燃烧压力；
步骤9、保存实验数据；
步骤10、打开排气阀使定容燃烧弹内已燃烧废气流出，并用新鲜空气扫气，为下次实验做好准备。
有益效果：
(1)本发明能够利用轻质燃料和重质燃料自燃温度的不同，利用重质燃料喷雾的自燃火焰，将轻质燃料油膜引燃，并进行相关研究。重质燃料的喷射形成持续的燃烧火焰，可以持续将火焰扑向油膜，与发动机缸内的燃烧具有更好的相似性。
(2)本发明能够方便快捷的改变油膜形状、大小以及厚度等因素。
(3)本发明能控制缸内油膜燃烧的缸内环境条件，如初始温度、压力及氧浓度等，为附壁燃烧的变参数研究提供可能。
(4)本发明能控制附壁燃烧的初始壁面温度，模拟发动机缸内壁面状态。
(5)本发明先加热再喷油，避免了加热过程中油膜蒸发消失。
(6)本发明提供了即时记录火焰燃烧过程的可视化窗口，能够通过拍摄记录附壁油膜燃烧过程，还通过记录缸压传感器测得火焰燃烧过程的瞬态压力信息，为附壁燃烧特性的研究提供关键数据。
附图说明
图1为本发明实验装置的示意图。
其中，1-定容燃烧弹，2-壁面，3-轻质燃料喷油器，4-重质燃料喷油器，5-光学视窗，6-缸压传感器，7-加热棒，8-进气系统，9-排气系统，10-系统控制单元，11-光学测试系统，12-数据记录系统。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明提供了一种基于喷雾燃烧引燃的附壁油膜燃烧实验方案，该方案利用定容燃烧弹温度可控的特点，通过温度控制引燃重质燃料(如柴油、重油等)，然后再通过重质燃料燃烧形成的火焰和大量热引燃燃点更高的轻质燃料(如汽油、醇类等)。与直接通过热量控制引燃轻质燃料相比，本发明可以实现瞬态加热，对油膜实现引燃，避免了加热过程中油膜蒸发消失。同时，重质燃料的喷射形成持续的燃烧火焰，可以持续将火焰扑向油膜，与缸内的燃烧具有更好的相似性。
图1为本发明基于喷雾燃烧引燃的附壁油膜燃烧实验装置的示意图。如图1所示，该装置包括可加热的定容燃烧弹1、壁面2、轻质燃料喷油器3、重质燃料喷油器4、光学视窗5、缸压传感器6、加热棒7、进气系统8、排气系统9、系统控制单元10、光学测试系统11和数据记录系统12。本实施例中，光学测试系统11采用高速摄像机。
壁面2固定在定容燃烧弹1的底部中央位置，其中壁面2内部嵌有温度可控的加热丝。轻质燃料喷油器3布置在定容燃烧弹1内部的某一侧面的上端，喷嘴以一定的角度对着壁面2的中心位置，用于喷射轻质燃料，形成附壁油膜。通过调节轻质燃料喷油器3的喷油角度、喷油压力以及喷油量，调节液体燃料在壁面2上表面形成的油膜形状、大小以及厚度。重质燃料喷油器4布置于定容燃烧弹1顶面中央位置。光学视窗5布置于定容燃烧弹1四个周向面。缸压传感器6布置在定容燃烧弹1任一侧面的上端位置。加热棒7布置置于定容燃烧弹1的弹体上，用于控制弹体温度。进气系统8和排气系统9分别与定容燃烧弹1的进排气口相连。
系统控制单元10连接壁面2加热丝、轻质燃料喷油器3、重质燃料喷油器4、缸压传感器6、加热棒7、光学测试系统11、进气系统8、排气系统9和数据记录系统12。该系统控制单元10的功能包括：
1)控制排气系统9在对定容燃烧弹抽真空和实验完成后的排气；
2)控制进气系统8向定容燃烧弹1预充环境气体；本实施例中，进气系统8可以向定容燃烧弹通入氧气、氮气的混合气体，通过调节氧气、氮气的掺混比例和预混燃烧初始压力，改变附壁燃烧的初始环境条件。
3)控制加热棒7加热定容燃烧弹，使定容燃烧弹内温度达到设定温度，该设定温度在重质燃料自燃温度以上，但低于轻质燃料自燃温度。
4)控制壁面2加热丝，调节壁面温度，模拟缸内实际壁面温度状态。
5)控制轻质燃料喷油器向所述壁面2喷射液体燃料，形成附壁油膜，且可以通过调节喷油器3的喷油压力以及喷油量，调节液体燃料在壁面2上表面形成的油膜形状、大小以及厚度。
6)触发重质燃料喷油器喷油，由于定容燃烧弹内温度高于重质燃料燃点，重质燃料会迅速燃烧，火焰撞击附壁油膜将其引燃。
7)控制光学测试系统11开始拍摄，该光学测试系统11通过光学视窗5拍摄壁面的火焰燃烧过程，并将拍摄的图片信息发送给数据记录系统12。系统控制单元10还通过缸压传感器6获得火焰燃烧过程中的瞬态压力信息，用于分析燃烧放热规律。上述获得的数据可以用于从附壁燃烧方向来研究抑制烧蚀现象。
在实验时，定容燃烧弹内腔通过进气系统预先充满气体(氧气、氮气混合气)，且氧浓度可调；加热棒将定容燃烧弹的弹体温度加热至重质燃料自燃温度以上，但低于轻质燃料自燃温度；壁面温度加热至模拟发动机缸内壁面温度的预设值；轻质燃料喷油器向所述壁面喷射轻质液体燃料，形成附壁油膜；重质燃料喷油器将燃料喷入高温容弹内，自燃形成火焰喷向形成的轻质燃料油膜，并将其引燃。
基于该附壁油膜燃烧实验装置，系统控制单元控制实验过程如下：
步骤1、系统控制单元10调节高速摄像机的焦距，直到能清晰地观测到壁面中心处参照物。
步骤2、控制加热棒7加热定容燃烧弹，使定容燃烧弹内温度达到设定温度，该设定温度在重质燃料自燃温度以上，但低于轻质燃料自燃温度。
步骤3、系统控制单元10控制加热系统将壁面2温度加热至预设值，以模拟发动机缸内壁面温度；
步骤4、控制排气系统9将定容燃烧弹1抽真空，去除定容燃烧弹内的废气。
步骤5、利用分压法调节进气系统8所提供的混合气体掺混比例和初始压力，并充入定容燃烧弹。
步骤6、触发轻质燃料喷油器，喷油并在壁面上形成附壁油膜；油膜尺寸参数通过调节喷油器角度、喷油压力以及喷油量实现。
步骤7、触发重质燃料喷油器喷油，由于定容燃烧弹内温度高于重质燃料燃点，重质燃料会迅速燃烧，火焰撞击附壁油膜将其引燃。
步骤8、使用高速摄像机和缸压传感器记录下附壁油膜燃烧过程和燃烧压力。
步骤9、保存实验数据。
步骤10、打开排气阀使定容燃烧弹内已燃烧废气流出，并用新鲜空气扫气，为下次实验做好准备。
由以上实例可以看出，本实验提供了一种附壁油膜燃烧实验装置的设计方法，能够有效控制油膜形成、大小以及厚度等因素，便于探究附壁油膜燃烧的机理，以寻找抑制烧蚀现象的方法。而且，通过控制加热和喷油的顺序，避免了加热过程中油膜蒸发消失。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种基于喷雾燃烧引燃的附壁油膜燃烧实验装置，其特征在于，包括具有光学视窗(5)的定容燃烧弹(1)，定容燃烧弹(1)布置具有可控加热丝的壁面(2)、轻质燃料喷油器(3)、重质燃料喷油器(4)、缸压传感器(6)及加热棒(7)；轻质燃料喷油器(3)对准壁面(2)；定容燃烧弹(1)外设有进气系统(8)、排气系统(9)、系统控制单元(10)、光学测试系统(11)和数据记录系统(12)；进气系统(8)和排气系统(9)分别与定容燃烧弹(1)的进、排气口相连；系统控制单元(10)与壁面(2)的加热丝、轻质燃料喷油器(3)、重质燃料喷油器(4)、缸压传感器(6)、加热棒(7)、进气系统(8)、排气系统(9)、数据记录系统(12)相连，实现控制和数据收集；
加热棒(7)将定容燃烧弹(1)的弹体温度加热至重质燃料自燃温度以上，但低于轻质燃料自燃温度；系统控制单元(10)控制壁面(2)温度，模拟发动机缸内壁面；轻质燃料喷油器(3)向所述壁面(2)喷射轻质液体燃料，形成附壁油膜；重质燃料喷油器(4)将重质燃料喷入定容燃烧弹(1)，自燃形成火焰喷向轻质燃料的附壁油膜，并将其引燃；
光学测试系统(11)通过光学视窗(5)记录壁面的火焰燃烧过程，将记录的图片信息发送给数据记录系统(12)；缸压传感器(6)记录定容燃烧弹内附壁油膜的燃烧压力，用于分析燃烧放热规律。
2.如权利要求1所述的基于喷雾燃烧引燃的附壁油膜燃烧实验装置，其特征在于，通过调节轻质燃料喷油器(3)的喷油压力以及喷油量，调节液体燃料在壁面(2)上表面形成的油膜形状、大小以及厚度。
3.如权利要求1所述的基于喷雾燃烧引燃的附壁油膜燃烧实验装置，其特征在于，所述进气系统(8)向定容燃烧弹预先通入氧气、氮气的混合气体，通过调节氧气、氮气的掺混比例和预混燃烧初始压力，改变附壁燃烧的初始环境条件。
4.如权利要求1所述的基于喷雾燃烧引燃的附壁油膜燃烧实验装置，其特征在于，壁面(2)固定在定容燃烧弹(1)的底部中央位置，其中壁面(2)内部嵌有温度可控的加热丝；轻质燃料喷油器(3)布置在定容燃烧弹(1)某一侧面的上端，喷嘴以一定的角度对着壁面(2)的中心位置；重质燃料喷油器(4)布置于定容燃烧弹(1)顶面中央位置；光学视窗(5)布置于定容燃烧弹(1)四个周向面；缸压传感器(6)布置在定容燃烧弹(1)任一侧面的上端位置。
5.如权利要求1所述的基于喷雾燃烧引燃的附壁油膜燃烧实验装置，其特征在于，加热棒(7)布置于定容燃烧弹(1)的弹体。
6.一种采用如权利要求1至5任意一项所述的基于喷雾燃烧引燃的附壁油膜燃烧实验装置的实验方法，系统控制单元(10)控制实验过程，包括如下步骤：
步骤1、调节光学测试系统(11)，直到能清晰地观测到壁面中心处参照物；
步骤2、控制加热棒(7)加热定容燃烧弹，使定容燃烧弹内温度达到设定温度，该设定温度在重质燃料自燃温度以上，但低于轻质燃料自燃温度；
步骤3、控制加热棒(7)将壁面(2)温度加热至预设值，模拟发动机缸内壁面温度；
步骤4、控制排气系统(9)将定容燃烧弹(1)抽真空，去除定容燃烧弹内的废气；
步骤5、利用分压法调节进气系统(8)所提供的混合气体掺混比例和初始压力，并充入定容燃烧弹；
步骤6、触发轻质燃料喷油器，喷油并在壁面上形成附壁油膜；油膜尺寸参数通过调节喷油器角度、喷油压力以及喷油量实现；
步骤7、触发重质燃料喷油器喷油，由于定容燃烧弹内温度高于重质燃料燃点，重质燃料会迅速燃烧，火焰撞击附壁油膜将其引燃；
步骤8、通过光学测试系统和缸压传感器记录下附壁油膜燃烧过程和燃烧压力；
步骤9、保存实验数据；
步骤10、打开排气阀使定容燃烧弹内已燃烧废气流出，并用新鲜空气扫气，为下次实验做好准备。
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