一種球形多功能定容彈的制作方法
【專利摘要】一種球形多功能定容彈，包括：一個外形為球形的本體和在該本體上具有2個以上的窗孔，各個窗孔的軸線相交于本體的球心，球心附近區域是中空的測試區域，在所述的窗孔之間有指向測試區域的通孔。本發明構造簡單，加工方便，結構緊湊，彈體重量輕卻能承受較高強度；測試區域溫度場均勻，容彈所有密封件采用非冷卻密封；內部溫度和壓力較容易控制，能實現高溫高壓下的連續測試；光學系統和噴射器布置靈活，測試范圍廣泛，能夠對噴霧、蒸發、混合、燃燒、碳煙生成等實現平面激光誘導熒光、激光吸收與散射法、位相多普勒法、紋影法、米氏散射等多種測試方法，以及各種測試方法的組合和同時測量，測試光路可以成任意角度布置，具有普適性。
【專利說明】一種球形多功能定容彈
【技術領域】
[0001]本發明屬于熱力發動機【技術領域】，涉及一種用于燃油噴霧和燃燒測試的定容容器，具體是一種可產生類似于熱力發動機燃燒室內氣體環境(壓力、溫度、成分)的裝置，適合燃油噴霧的霧化、蒸發、混合氣形成、燃燒等過程及其各種特性的光學測試和試驗。
【背景技術】
[0002]熱力發動機的燃油噴霧特性是影響發動機性能的最重要因素之一，而對于高壓直噴汽油機、柴油機、液體燃料沖壓發動機、燃氣輪機等來說，燃油的霧化特性、蒸發特性、混合特性幾乎決定了發動機著火、燃燒及排放等重要性能。因此，獲得并掌握燃油噴霧的霧化、蒸發、混合等特性，對先進發動機燃燒系統的設計開發具有至關重要的意義。
[0003]在先進發動機燃燒系統的研發中，激光診斷技術、燃燒室內工作過程三維計算流體力學仿真和基于光學發動機的燃燒診斷技術三位一體，是匹配與優化燃燒系統中噴霧、氣流運動和燃燒室形狀的不可或缺的重要技術手段。而通過燃料噴霧、燃燒的激光診斷可實現對燃油霧化、蒸發、混合、燃燒過程進行可視化以及定量測量，為數值計算和建模提供實驗驗證進而提高模擬仿真的精確性，還為燃燒室內混合氣形成過程及燃燒診斷提供直觀的物理描述和解釋，其重要性不言而喻。噴霧的性能直接關系到燃燒室內燃油分布，從而決定燃燒的效率和有害物質的生成。因此，開發高效、清潔的發動機，必須對直噴噴霧的霧化、蒸發和混合過程進行精確的測量。
[0004]定容彈是用來產生類似于發動機燃燒室內各工況下的一定壓力、溫度、成分的氣體的裝置。向特定溫度、壓力、成分的氣體中噴射燃油時，燃油將會霧化、蒸發，并與周圍氣體(通常是空氣)混合，形成混合氣。這時如果點燃混合氣，將開始燃燒，最后形成二氧化碳、水和微量的氮氧化物、碳煙等有害燃燒產物。因此，用帶有若干光學窗口的定容彈可以用光學的方法很方便地測出燃油噴霧的霧化特性、蒸發特性、燃燒特性、有害物生成特性。
[0005]先進噴霧燃燒測量對定容彈的要求如下:
[0006]I)具有足夠的強度，能承受:聞溫聞壓；
[0007]2)溫度場均勻、內流速度低，內部溫度和壓力較容易控制；
[0008]3)結構簡單、重量輕，可實現多種基本光學測試功能；
[0009]4)可進行連續測量而不需中途間斷換氣；
[0010]5)整體緊湊便于復雜光路布置從而實現多物理量同時測量。
[0011]目前大多數定容彈的主要特點和局限性可以歸納為三點，簡述如下:
[0012]一是多為靜態系統。即在實驗前先往定容彈內部充入氣體，之后將定容彈封閉進行單次實驗(如需對氣體加熱的話也在封閉條件下進行內部加熱)，測試結束后將容彈內部的油氣混合物放掉，準備下次實驗。這種結構的定容彈多裝有內部加熱部件，目標溫度及其均勻性難以控制。并且兩次實驗之間會出現間隔，需要充氣-加熱-放氣-再充氣-再加熱的反復循環，實驗費時長，實驗效率低下。
[0013]二是定容彈體結構復雜、笨重，承受強度卻不高，比如柴油機在上止點附近時燃燒室內壓力可達IOMPa左右，而目前所設計的定容彈即使能承受這樣的強度，彈體也結構復雜且笨重，加工不便。
[0014]三是測試范圍不夠廣泛。即不能適用于各種光學測試，主要是難以實現截面燃油落點分布測試以及用位相多普勒(PDI/PDA)分析儀進行液滴粒徑測試，也不便進行各種不同角度的光路布置和復雜光路布置實現多物理量同時測量。這多是由于彈體結構方面的設計導致噴油器的位置以及光路的布置不能靈活調整。
[0015]比如，專利“一種噴霧測試定容彈”(專利申請號為201010272629.3)，雖然聲稱可以實現連續測試，但是由于容彈結構方面的設計，噴油器只能安裝在容彈上蓋上，光學窗口只能安裝在容彈周向。導致容彈只可以進行噴霧的軸向平面光的測量，不能進行截面燃油落點分布的測量，也很難用位相多普勒(PDI)分析儀進行液滴粒徑測試，縮小了容彈的測試范圍。
[0016]本發明人在專利申請“一種用于噴霧、燃燒、碳煙生成特性測試的多功能定容彈”(專利申請號為201310717167.5)中也公開了一種用于噴霧燃燒測試的定容彈，雖然這種定容彈可以實現高溫高壓下的連續測試，而且噴油器和光學窗口的位置可以根據測試需求靈活調整，可以實現截面燃油落點分布測試、用位相多普勒(PDI/PDA)分析儀進行液滴粒徑測試等光學測試以及復雜光路布置實現多物理量同時測量。但是，由于容彈本體仍采用常規的正交多面體設計，導致各個窗口軸線之間的夾角局限在90°或180°，很難實現任意角度的光路布置，比如基于米氏散射光強對角度的依存性測量粒徑；專利中提到的用該定容彈實現位相多普勒(PDI/PDA)分析儀進行液滴粒徑測試(要求入射光與相機軸線成150°夾角)也是借助于玻璃固定器上的導光槽、倒角結構，測量范圍受到限制，并且此時入射光和出射光都不是垂直通過石英玻璃，光線在玻璃中的折射會對測試產生一定的誤差。再者，在一定的可視化窗口大小和承受高溫高壓的強度下，正交多面體的結構設計會使得本體結構笨重(在下文詳述)。
【發明內容】
[0017]針對上述現有容彈的不足，本發明提出一種球形多功能定容彈。該定容彈結構簡單，加工方便，重量輕卻能承受高強度；便于包括噴霧的軸向平面光測試、截面燃油落點分布測試和液滴粒徑分布測試等在內的各種噴霧特性測試以及燃燒測試、碳煙生成過程測試，具有普適性；結構緊湊，能進行任意角度光路布置和復雜光路布置實現多物理量同時測量；可以實現連續測試，提聞實驗效率。
[0018]本發明的技術解決方案如下:
[0019]一種球形多功能定容彈，特征在于其構成包括:一個外形為球形的本體和在該本體上具有2個以上的窗孔，各個窗孔的軸線相交于本體的球心，球心附近區域是中空的測試區域，在所述的窗孔之間有指向測試區域的通孔。
[0020]所述的窗孔包括上窗孔、下窗孔和三個周邊窗孔，所述的上窗孔和下窗孔的窗口平面相互平行，所述的周邊窗孔的窗口平面與上窗孔、下窗孔的窗口平面垂直。
[0021]每一個窗孔可以由玻璃、O型橡膠圈和玻璃固定器與所述的本體密封連接構成光學窗口，或者由端蓋、墊塊、O型橡膠圈與本體密封連接構成測試壁面，或者由噴油器、安裝塊、O型橡膠圈與本體密封連接構成噴射系統，其中光學窗口的數量是兩個以上。[0022]所述的窗孔軸線之間的夾角為30°、90°、180°或其它角度。
[0023]所述的通孔為進氣通道、排氣通道或安裝儀器的通道。
[0024]所述的定容彈在做高溫測試時，還包括進氣加熱系統，進氣加熱系統分別固定連接在所述的本體的進氣通道旁。在進氣通道外面加裝功率可調的加熱器，進氣被加熱到設定溫度后經進氣通道連續地流入本體中的測試區域供測試之用，然后經排氣通道及時排出以保持容器內的壓力和溫度恒定。
[0025]與現有技術相比，本發明的有益效果是:
[0026](I)由于本發明定容彈采用球形本體，可以很方便地加工出互成任意角度的平面，平面的個數、相互之間的方向完全根據需求而定，并且每個平面形狀都是圓面，便于開通圓形窗孔以安裝光學窗口、測試壁面或噴射系統；光學窗口的個數(至少兩個)也可以根據測試需求而定，并且容彈可以以任意角度放置，進而適應于布置各種方向的光路，以實現包括軸向平面光測試、截面燃油落點分布測試和液滴粒徑分布測試等在內的各種光學測試，滿足用光學手段進行各類噴霧、燃燒、碳煙生成特性等測試的需求。
[0027](2)由于本發明定容彈采用球形本體，所以結構緊湊，構造簡單，加工方便，彈體重量輕卻能承受較高強度(具體情況會在下文實施例中說明)；緊湊的結構也使得窗口與窗口之間的距離比較近，這有助于進行復雜光路布置從而實現多物理量同時測量。
[0028](3)由于本發明定容彈是球體結構，所以進排氣孔道的布置和加工也非常方便，可以在本體上窗孔之間的多處部位加工出指向測試區域的通孔作為進排氣道，以保證測試區域內流速度低、溫度場均勻。測試所需的傳感器、點火電極等也可以沿著通孔布置，指向球心附近的測試區域。
[0029]在進氣通道外部采用連續加熱連續換氣方式，可以進行連續測試，提高實驗效率。
[0030]本發明定容彈適用于高溫高壓下連續對噴霧、蒸發、混合、燃燒、碳煙生成等進行測試，測試范圍包括:
[0031]I)要求入射光與相機軸線成90°夾角的有:平面激光誘導熒光(噴霧截面燃
[0032]油落點分布、燃燒中間產物濃度分布、氣液兩相速度場和濃度場等)，激光
[0033]誘導磷光法(氣相和壁面的溫度分布)，激光誘導熾光法(碳煙)；
[0034]2)要求入射光與相機軸線成150°夾角的有:位相多普勒法(粒徑和速度測
[0035]量)；
[0036]3)要求入射光與相機軸線成180°夾角的有:激光吸收與散射法(氣液兩相
[0037]濃度場、空燃比分布等測量)，紋影法(密度梯度)；
[0038]4)其他任意角度:米氏散射法(粒徑等)，折射(油膜厚度)，以及各種測量
[0039]方法的組合和同時測量等。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0040]圖1為本發明球形多功能定容彈的外觀示意圖；
[0041]圖2為本發明球形多功能定容彈的本體結構示意圖；
[0042]圖2.1為本發明本體的水平截面三維圖；
[0043]圖2.2為本發明本體的水平截面剖面圖；
[0044]圖3為用本發明定容彈在入射光線和相機軸線成90°時的布置圖；[0045]圖4為本發明定容彈在入射光線和相機軸線成150°時的布置圖；
[0046]圖5為本發明定容彈在入射光線和相機軸線成180°時的布置圖；
[0047]圖6為用本發明定容彈實現多物理量同時測量時的復雜光路布置圖；
[0048]圖7為本發明定容彈另一個實施例的本體結構示意圖；
[0049]圖7.1為本發明定容彈另一個實施例下的一般光路布置圖；
[0050]圖中:1_本體；10-測試區域；11、12、13、14-通孔；Ia-本體上平面；Ib-本體下平面；lc、ld、le-本體周向平面；If-本體上平面(另一實施例)；lg、lh、lk-本體周向平面(另一實施例)；2_光學窗口 ；3_安裝塊；40_激光發射器；41-片激光發射器；42-相機；43-PDI激光發射器；44-PDI激光接收器；45_凹透鏡；46_凸透鏡；47_凹面鏡；48_刀口 ；49-噴霧液滴；α、β -散射角；
【具體實施方式】
[0051]下面結合附圖和實施例對本發明作詳細說明，但不應以此限制本發明的保護范圍。
[0052]先請參閱圖1、圖2，圖1為本發明球形多功能定容彈的外觀示意圖，圖2為本發明球形多功能定容彈的本體結構示意圖，圖2.1為圖2本體的水平截面三維圖，圖2.2為圖2本發明實施例1本體的水平截面剖面圖，由圖可見，本發明球形多功能定容彈，包括:一個外形為球形的本體I和在該本體I上具有2個以上的窗孔，各個窗孔的軸線相交于本體I的球心，球心附近區域是中空的測試區域，在所述的窗孔之間有指向測試區域的通孔11、12。
[0053]本發明提供的一種球形多功能定容彈，外觀示意圖如圖1所示，主要包括:容彈本體I (本實施例中本體上有五個窗孔，下文詳述)、光學窗口 2 (本實施例中共有三個,布置在周向)、安裝塊3 (本實施例中上方窗孔安裝由噴油器、安裝塊、O型橡膠圈組成的噴射系統，噴油器連接在安裝塊上，圖中未有顯示；下方窗孔安裝由端蓋、墊塊、O型橡膠圈組成的測試壁面，圖中未有顯示)和進氣加熱系統(進氣加熱系統設置在本體每個進氣口的外部，使用定容彈做高溫測試時對進氣進行加熱，圖中未有顯示，下文有述)。其中三個光學窗口、噴射系統和測試壁面分別連接在本體的五個面的窗孔上。
[0054]圖2為本實施例中所述容彈本體I的結構示意圖，在球體上加工出距離球心等距的五個平面，每個平面形狀都是等大的圓面，其中有兩個平面成180°相對(即圖中上平面Ia和下平面Ib)，有三個平面互成90°垂直(即圖中平面la、lc、ld，或平面lb、lc、ld)，有兩個平面夾角成30° (法線成150°夾角，即圖中平面Ie和平面lc，在圖2.2中注明)；在相對的兩個面la、lb上開貫通孔，另外三個面上也開出等大的孔與貫通孔連通，開孔方向垂直于平面且指向球體中心，這幾個孔(且命名為窗孔，以免與之后的進排氣孔混淆)相交的中間區域形成測試區域10 ;在本體上窗孔之間的多處部位沿著球體中心方向開出通孔作為進排氣孔或用來安裝傳感器、點火電極等，如圖中的11、12、13、14部位(13、14在圖2中未有顯示，在圖4、圖5中有顯示)。
[0055]圖2.1、圖2.2是上述的球形本體(不包含進排氣道)被過球心的水平截面切割之后的形狀，圖2.1是三維結構示意圖，圖2.2是剖面圖，用來更形象地說明本實施例中的本體結構。
[0056]這樣的球形本體相對于一般的正交多面體設計，由于結構緊湊，在同樣的可視化窗口尺寸下，彈體重量輕卻能承受同等壓力和溫度。比如在本實施例中，可視化部分直徑是100mm，本體的設計壓力和溫度是6MPa，800K，而本體質量僅為32kg，單位質量下的本體的承壓和耐溫約為0.19MPa/kg, 25K/kg ;對于一般的正交多面體結構，比如本發明人在專利申請“一種用于噴霧、燃燒、碳煙生成特性測試的多功能定容彈”(專利申請號為201310717167.5)中公開的一種用于噴霧燃燒測試的定容彈，在同等的可視化直徑IOOmm下，本體的承壓耐溫為12MPa、1100K，但此時本體質量約160kg，單位質量下的本體的承壓和耐溫比較低，僅為0.075MPa/kg，6.875K/kg，遠低于球形本體結構，而且結構復雜，加工成本增加。
[0057]在本實施例中，本體周向安裝三個光學窗口，上方窗孔安裝由噴油器、安裝塊、O型橡膠圈組成的噴射系統，下方窗孔安裝由端蓋、墊塊、O型橡膠圈組成的測試壁面，可以實現上文提到的入射光線和相機軸線成90°、150°布置時的測試功能，也可以進行燃油濕壁現象測試及油膜燃燒測試。如果把周向平面lc、ld、le中的任意一個當做底面，就把180°相對的上下兩個平面Ia和Ib調整到了水平方向，就便于實現入射光與相機軸線成180°角的光學測試。下面分別【專利附圖】
【附圖說明】。
[0058]圖3是用本發明第一實施例，定容彈進行入射光線和相機軸線成90°的光路布置和相應測試(為了顯示光路，圖中略去了光學窗口、噴射系統和測試壁面)，片激光發射器41發射的片激光由Id面進入，光信號被相機從Ic面接收，可以實現平面激光誘導熒光(燃燒中間產物濃度分布、氣液兩相速度場和濃度場等)，激光誘導磷光法(氣相和壁面的溫度分布)，激光誘導熾光法(碳煙)等測試方法。
[0059]圖4是本發明第二實施例，定容彈進行入射光線和相機軸線成150°的光路布置和相應測試(為了顯示光路，圖中略去了光學窗口、噴射系統和測試壁面)，在法線成150°的兩個窗孔面(lc、le)外面布置PDI激光發射器43和PDI接收器44，可以實現位相多普勒法(roi)測量噴霧液滴的粒徑和速度。
[0060]圖5是本發明第三實施例，定容彈進行入射光線和相機軸線成180°的光路布置和相應測試(為了顯示光路，圖中略去了光學窗口、噴射系統和測試壁面)。把本體翻轉，Id作為底面，激光器40發射出來的激光束經過凹透鏡45和凸透鏡46的組合達到擴束效果，光束在對側面Ib面外經凸透鏡46匯聚后被相機42接收，可以實現激光吸收與散射法(氣液兩相濃度場、空燃比分布等測量)。
[0061]由于容彈本體各個面上的窗孔具有等效性，所以光學窗口、噴射系統和測試壁面可以安裝在容彈本體上的任意一個面上，光學窗口、噴射系統和測試壁面的安裝位置和數量分配(光學窗口的數量是兩個以上)也完全根據測試需求而定，適用于光學手段進行各類噴霧燃燒測試，具有一定的普適性，并且可以進行復雜光路布置實現多物理量同時測量。
[0062]圖6是本發明第四實施例，如何利用本實施例進行復雜光路布置進而實現多物理量同時測量，圖中球形本體的五個面上的圓孔都安裝光學窗口(光學窗口在圖中略去)，上方進氣孔11中通入燃油、空氣的混合氣，經過測試區域后從下方排氣孔12排出。圖中片激光發射器41發射片激光，配合相機42，可以實現利用粒子圖像法(PIV)測量噴霧速度場或激光誘導熒光法測量截面燃油質量分布、汽液兩相濃度分布；PDI激光發射器43和接收器44配合完成位相多普勒法測量油霧液滴速度和粒徑；激光器40發射出來的激光束經過凹透鏡45和凸透鏡46的組合達到擴束效果，通過測試區域之后在另一端經過凹面鏡47聚焦，在焦點處放置一刀口 48，用于遮擋正好通過焦點的光線，后方用相機42接收剩余光信號，可以利用紋影法測量油霧和蒸汽的密度變化。
[0063]對于前面提到的正交多面體結構的定容彈本體，測試功能方面，也可以實現前面所述的入射光線和相機軸線成90°、180°的光路布置以及復雜光路布置；入射光線和相機軸線成150°的光路布置可以勉強實現，但是存在光線折射的問題(前文中有提到)。對于更一般角度的光路布置和測試比如基于米氏散射光強對角度的依存性進行粒徑測試，利用正交多面體結構的定容彈本體則很難實現，而本發明定容彈中的球形本體則可以實現任意角度的光路布置，因為在球體的基礎上可以加工出互成任意角度的平面和窗孔，并保證各個平面離球心的距離相等且各平面軸線相交于球心。
[0064]圖7、7.1不意在球形本體基礎上的另外一個實施例以及光路布置(為了光路顯不方便，圖中略去了窗孔、光學窗口、噴射系統、測試壁面以及進排氣孔)，用以說明球形結構可以實現任意一般方向的光路布置，實現基于米氏散射光強對角度的依存性的液滴粒徑測試。在該實施例本體上有4個平面(lf，lg, lh, Ik)，上平面If上的窗孔安裝由噴油器、安裝塊、O型橡膠圈組成的噴射系統；lg、lh和Ik平面垂直于If平面，但是三者之間可以成任意角度，具體角度根據測試需求(感興趣的散射方向)而定，三者的窗孔上安裝光學窗口。
[0065]本實施例可以完成光路成一般角度下的測試，比如基于米氏散射光強對角度的依存性的粒徑測試見圖7.1。入射光線從Ig面進入，在碰到液滴49之后在各個方向發生散射，從lh、lk面出來的散射光被相機接收。球形本體結構使得平面可以沿任意方向布置，所以可以根據需求在特定方向設計平面、窗孔，實現任意角度的光路布置，在本實施例中即散射角α、β可以任意變化。
[0066]由于是球體結構，所以進排氣孔道的布置和加工也非常方便，可以在窗孔之間的球體表面任意位置開孔指向測試區域形成多個進排氣通道，以保證測試區域內流速低、溫度場均勻。并且測試所需的傳感器、點火電極等也可以沿著通孔布置，指向球心附近的測試區域。而對于前面提到的正交多面體結構的定容彈本體，進排氣孔在本體上的位置基本局限在多面體的頂點附近，給傳感器、點火電極等部件的布置帶來不便。
[0067]定容彈在使用中，如要進行高溫高壓測試，需要對進氣進行加熱。可以在進氣通道外面加裝加熱器，高壓氣體經過加熱之后變成高溫高壓氣體通入本體內部測試區域，然后經排氣口及時排出以保持容器內的壓力和溫度恒定。由于加熱方式是外部加熱，因此可以在一定的進氣流量下，通過調節加熱器功率來控制進氣溫度，使得測試區域的溫度場較均勻，實現高溫高壓下的連續測試。外部加熱的好處還在于容彈內部的高溫高壓測試區域變得較小，整個容器的體積也可以做得比較小，降低了出現意外情況的危險性。
【權利要求】
1.一種球形多功能定容彈，特征在于其構成包括:一個外形為球形的本體(I)和在該本體(I)上具有兩個以上的窗孔，各個窗孔的軸線相交于本體(I)的球心，球心附近區域是中空的測試區域，在所述的窗孔之間有指向測試區域的通孔(11、12)。
2.根據權利要求1所述的球形多功能定容彈，其特征在于所述的窗孔包括上窗孔、下窗孔和三個周邊窗孔，所述的上窗孔和下窗孔的窗口平面相互平行，所述的周邊窗孔的窗口平面與上窗孔、下窗孔的窗口平面垂直。
3.根據權利要求1所述的窗孔，其特征在于，所述的窗孔密封連接有由玻璃、O型橡膠圈和玻璃固定器構成的光學窗口(2)，或者由端蓋、墊塊和O型橡膠圈構成的測試壁面，或者由噴油器、安裝塊(3)和O型橡膠圈構成的噴射系統，其中光學窗口(2)的數量是兩個以上。
4.根據權利要求1所述的球形多功能定容彈，其特征在于，所述的窗孔軸線之間的夾角為30°、90°、180°或其它角度。
5.根據權利要求1至4任一項所述的球形多功能定容彈，其特征在于所述的通孔為進氣通道、排氣通道或安裝儀器的通道。
【文檔編號】G01N21/00GK103926196SQ201410178854
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2014年4月29日 優先權日:2014年4月29日
【發明者】張玉銀, 林柏洋, 梁毅, 李世琰 申請人:平湖瓦愛樂發動機測試技術有限公司
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