一种可视化燃料进气道喷雾蒸发试验系统

技术领域

本发明属于内燃机相关技术领域，更具体地，涉及一种可视化燃料进气道喷雾蒸发试验系统。

背景技术

作为发动机燃料喷射技术之一，进气道喷射的喷油压力较低，燃油喷雾不能很快雾化蒸发，再加上进气道空间的限制，不可避免地会有部分燃油撞壁形成油膜，导致燃油瞬时燃烧不能作到精确控制。尤其在变工况与冷启动工况下，需要增加额外的燃油喷入量，造成大量未燃HC的排出，对环境造成污染。同时部分油膜会受热氧化进而碳化附着在进气门表面，产生积碳，从而导致油耗升高、污染物排放增加等问题。基于燃油进气道喷射雾化蒸发的好坏直接影响发动机性能，故而进气道喷射的可视化测量非常重要。

专利CN 106050441 A公开了一种发动机进气道气体燃料喷射可视化试验装置及试验方法，该专利在喷气阀处安装了一个矩形观测窗可视化观察气体燃料喷射与混合气形成，而喷气阀安装在旋转柱体上以改变喷射角度，通过电子控制系统调节节气门开度和调压装置以控制空气流速和喷油压力，能够研究喷油压力、喷射角度和空气流速对气体燃料喷射的影响。

专利CN110398372B公开了一种用于发动机的光学可视化燃烧系统，该专利在光学发动机上采用储气罐与电磁阀控制的方式实现了气门的开闭控制，采用高速摄影机和光学纹影系统记录发动机燃烧室内部燃烧情况并对发动机燃烧过程进行局部追踪，监测发动机燃烧时爆震的发生。

综上所述，现有技术采用简化的矩形观测窗代替气道，与实际气道形状不符合，并且不能控制进气温度、进气压力、进气流量、喷射距离、气门升程、气门温度等因素，可研究的影响因素过少，与实际发动机工况不符合，导致不能真正实现可视化研究和测量燃料进气道喷雾蒸发过程，且目前尚无相关技术能够测量气道内部流场和喷雾速度场。而上述内容对探究和改善进气道喷射时燃料的喷雾蒸发特性，进一步提高发动机性能具有重大理论意义。因此，急需一种可视化燃料进气道喷雾蒸发试验装置实现上述目标。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种可视化燃料进气道喷雾蒸发试验系统，解决气道内部流场和喷雾速度场的测量和可视化的问题。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种可视化燃料进气道喷雾蒸发试验系统，该系统包括进气模块、可视化气道、供油-气门升程模块和气门加热模块，其中：

所述进气模块模拟发动机的进气状况，所述供油-气门升程模块用于模拟发动机的供油和气门升程的调节，所述进气模块和供油-气门升程模块同时与所述可视化气道连接，来自所述进气模块的气体和供油-气门升程模块喷出的燃料同时进入所述可视化气道中，燃料在该可视化气道中蒸发雾化，可视化气道出口处连接有气门，燃料空气混合气流经气门后进入发动机气缸，所述气门加热模块设置在所述气门的下方，用于模拟缸内燃烧放热对气门温度的影响；

所述可视化气道通过修正外轮廓截面形状使得光线照射在该可视化气道后出射光线和入射光线平行，消除了光学畸变问题，进而真实的反映可视化气道中燃料喷雾蒸发和流场的变化。

进一步优选地，所述可视化气道外轮廓上的点的坐标满足下列关系式：

其中，X

进一步优选地，所述供油-气门升程模块包括氮气瓶、减压阀、压力表、储油罐、燃油喷射单元和气门升程控制单元，所述氮气瓶用于存储高压氮气，所述减压阀用于调节气体压力，所述压力表用于显示气体经过减压阀后的压力，所述储油罐用于储存燃料，所述燃油喷射单元用于控制燃油在所述可视化气道内的喷油量、喷射距离和角度，所述气门升程控制单元用于调节气门升程。

进一步优选地，所述燃油喷射单元包括共轨管、喷油器、喷油器座和定时延迟发生器，其中，所述喷油器座中设置有可旋转的球体，该球体中心设置有末端呈阶梯状的喷油器安装孔，通过调节所述喷油器与不同的阶梯配合调节安装深度，以此改变所述喷油器到气道壁面的距离，进而实现喷射距离的调节，所述喷油器座的顶部和底部各开有一个矩形槽，所述喷油器可随球体在所述矩形槽里转动，而底部的矩形槽的宽度与喷油器直径相等，以此限制所述喷油器只在矩形槽长度方向的平面内转动，从而实现喷射角度的控制，所述定时延时发生器用于控制喷油时序和喷油量。

进一步优选地，所述气门升程控制单元包括电磁阀、气缸、活塞、弹簧、气体流量传感器、信号放大器、电压电流转化器和控制阀，所述气缸连接所述储油罐，并与所述氮气瓶连接，所述气缸内设置有与所述气门连接的活塞，该活塞下方设置有弹簧，所述氮气瓶中的高压气体通过所述储油罐后进入所述气缸推动活塞下行，从而改变气门升程，在不同活塞行程处设置有阀门，打开阀门气体将依次流经气体流量传感器、信号放大器、电压电流转化器产生信号使氮气瓶出口处的电磁阀关闭，从而实现不同气门升程的设置。

进一步优选地，所述气门加热模块包括加热单元和温控单元，所述加热单元设置在所述气门下方用于对设置在所述可视化气道下端的气门进行加热，所述温控单元与所述加热单元连接，用于控制和调节所述加热单元的温度。

进一步优选地，所述进气模块包括空气压缩机、储气罐、加热罐和减压阀，所述空气压缩机产生高压空气并储存在所述储气罐中，所述加热罐对来自所述储气罐中高压空气进行加热，所述减压阀设置在所述加热罐的后方，用于调节进入所述可视化气道的气体的压力和流量。

进一步优选地，所述系统还包括图像采集模块，该图像采集模块包括喷雾蒸发拍摄单元和流场拍摄单元，所述喷雾蒸发拍摄单元用于拍摄燃料喷雾进入所述可视化气道内蒸发的过程，所述流场拍摄单元用于拍摄所述燃料和进气在所述可视化气道中运动时流场的变化。

进一步优选地，所述喷雾蒸发拍摄单元包括点光源、平凸透镜、背光源扩散膜、菲涅尔透镜和高速摄像机，所述点光源、平凸透镜、背光源扩散膜、菲涅尔透镜均设置在所述可视化气道的一侧，所述高速摄像机设置在所述可视化气道的另一侧，所述平凸透镜上设置在所述点光源的前面，用于将所述点光源发射的光线汇聚，所述背光源扩散膜用于提高所述平凸透镜汇聚光线的均匀性，所述菲涅尔透镜用于将通过所述背光源扩散膜的光线转化为平行光线。

进一步优选地，所述流场拍摄单元包括激光器、发射器和相机，所述激光发射器用于控制所述发射器发射激光，所述发射器设置在所述可视化气道的一侧，用于发射激光照射进气和燃料中的示踪粒子，所述相机用于设置在所述可视化气道的另一侧，用于拍摄所述可视化气道内的内部流场的变化。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具备下列有益效果：

1.本发明通过光学畸变矫正原理获得外轮廓修正后的透明进气道模型，采用特定透镜组合的方式形成一定范围的均匀平行光照射气道，实现了燃料在气道内的喷雾蒸发过程可视化，便于直观了解燃料喷雾在进气道内的发展情况；

2.本发明采用供油-气门升程控制一体设计，在控制喷油过程的同时实现气门升程精确可变，能模拟发动机不同运行时刻下的气道状态和喷油状态。通过在喷油器座的旋转球体中设置阶梯状，通过喷油器与不同的阶梯孔配合实现喷射距离的调节，另外通过在底座的两端设置矩形槽进一步限定喷油器旋转的角度，提高喷油器的限位精度，精确可变，结构简单，便于确定最优的喷油器安装方案；

3.本发明中气门加热模块模拟气门在缸内燃烧状态下的实际温度上升过程，本发明中梯形铜集热体，能保证加热气门热流的集中和均匀，从而模拟缸内燃烧的高密度加热热流；

4.本发明中透明气道的光学畸变修正，能够采用粒子图像测速(PIV)技术准确测量可视化进气道内的气体流动过程、燃油喷射过程，从而为发动机的燃烧开发提供了精确支撑；

5.本发明可准确定量测量和研究进气道内燃料喷雾发展过程、喷雾撞壁过程、附壁油膜的形成和蒸发过程以及气道内部流动过程，探讨不同条件如进气流量、进气温度、进气压力、喷油量、喷油压力、喷射角度、喷射距离、气门升程、气门温度等因素对进气道喷雾的影响，寻求优化进气道喷雾质量的策略，从而提高发动机性能。

附图说明

图1是按照本发明的优选实施例所构建的可视化进气道喷雾蒸发试验装置总体示意图；

图2是按照本发明的优选实施例所构建的进气模块示意图；

图3(a)是按照本发明的优选实施例所构建的气道外轮廓修正原理；

图3(b)是按照本发明的优选实施例所构建的气道外轮廓修正效果示意图；

图4(a)是按照本发明的优选实施例所构建的供油-气门升程模块；

图4(b)是按照本发明的优选实施例所构建的喷油器座结构的三视图；

图5是按照本发明的优选实施例所构建的气门加热模块图；

图6(a)是按照本发明的优选实施例所构建的喷雾蒸发拍摄单元的结构示意图；

图6(b)是按照本发明的优选实施例所构建的流场拍摄单元的结构示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

空气压缩机1-1，储气罐1-2，加热罐1-3，活塞式减压阀1-4，流量计1-5，压力表1-6；

可视化气道2；

氮气瓶3-1，电磁阀3-2，薄膜式减压阀3-3，压力表3-4，储油罐3-5，阀门3-6，出油阀3-7，喷油器3-8，共轨管3-9，定时延迟发生器3-10，气缸3-11，活塞3-12，弹簧3-13，喷油器座3-14，排气阀3-15，气体流量传感器3-16，信号放大器3-17，电压电流转化器3-18，密封橡胶圈3-19，O型圈3-20，旋转球体3-21，矩形槽3-22；

气门4-1，铜集热体4-2，加热棒4-3，铝圆柱体4-4，热电偶4-5，绝热涂层4-6以及温控仪4-7。

点光源5-1，平凸透镜5-2，背光源扩散膜5-3，菲涅尔透镜5-4，高速摄像机5-5，计算机5-6，CCD相机5-7，同步控制器5-8，激光器5-9，发射器5-10。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

一种可视化燃料进气道喷雾蒸发试验装置，包括进气模块、可视化气道、供油-气门升程模块、气门加热模块和图像采集模块等5个模块。通过进气模块实现进气流量、进气温度、进气压力的控制；通过可视化气道，解决了光学畸变问题，实现了实际气道喷雾可视化；通过供油-气门升程模块控制燃油喷油量、喷油压力、喷射角度、喷射距离以及气门升程；通过气门加热模块实现气门温度的改变；通过进气模块和气门加热模块的联合控制，就可以模拟发动机运行状态下的进气状态、气道以及气门壁面状态；通过图像采集模块获得进气道内燃油喷雾蒸发过程图像及气道内部速度场图像，从而得到燃料进气道喷雾蒸发特性和流动特性，为寻求燃料进气道喷雾蒸发的优化策略，进一步提高发动机性能提供理论基础。

(1)进气模块

如图2所示，进气模块由空气压缩机1-1、储气罐1-2、加热罐1-3、活塞式减压阀1-4、流量计1-5、压力表1-6等组成。空气压缩机1-1产生高压空气，储气罐1-2存储高压空气，加热罐1-3对高压空气进行加热并对进气温度进行控制，根据流量计1-5和压力表1-6的示数调节活塞式减压阀1-4的开度，从而控制进气流量和进气压力至所需试验值。为避免管道长导致热量过多损失，在管道外包裹有保温层。

(2)可视化气道

可视化气道2是进行外轮廓修正后的透明气道，材料为光敏树脂。由于实际气道为曲面，光线通过气道两侧的弧面时会发生偏折，导致实际成像产生畸变。为此，在保证气道内表面形状不变的情况下对气道外部轮廓进行了修正，确保出射光线和入射光线平行，从而实现真实气道内部喷雾可视。

如图3(a)所示，以水平光线通过二维圆环为例阐述气道外轮廓修正的原理，水平入射光线Ray1入射圆环时与其内轮廓交于点A(x

由于圆环内外分别是介质1和介质3，其折射率分别是n

则折射光线Ray2与入射光线Ray1的夹角α

α

折射光线Ray2与圆环外轮廓的交点为B(X

θ

根据折射定律有：

n

联立公式(4)和(5)可以求得θ

给定初始点C坐标(X

给出一组平行入射光束后，进行迭代计算即可获得修正后的各个圆环外轮廓点，将外轮廓点连接即为外轮廓曲线。其中入射光束设置间隔越窄，外轮廓曲线越光滑，精确程度越高，而给定的初始点C坐标(X

(3)供油-气门升程模块

如图4(a)所示，供油-气门升程模块包括氮气瓶3-1、薄膜式减压阀3-3、压力表3-4、储油罐3-5、燃料喷射单元和气门升程控制单元，氮气瓶3-1存储高压氮气，通过压力表3-4的示数调节薄膜式减压阀3-3的开度控制喷油压力，燃料喷射单元由共轨管3-9、喷油器3-8、喷油器座3-14、定时延迟发生器3-10等组成，其中，如图4(b)所示，喷油器座3-14中有一可旋转的球体，球体上开有喷油器3-8的安装孔，并且孔末端呈阶梯形，通过更换不同大小的O型圈3-20可以改变喷油器3-8的安装深度，从而改变喷油器到气道壁面的距离即喷射距离，同时在喷油器座3-14顶部和底部各开有一个矩形槽3-22，喷油器3-8可随球体在矩形槽里转动，而底部矩形槽的宽度与喷油器直径相等，保证了喷油器只在矩形槽长度方向的平面内转动，从而实现喷射角度的控制。而定时延迟发生器3-10控制喷油时序和喷油量。

气门升程控制单元主要由电磁阀3-2、气缸3-11、活塞3-12、弹簧3-13、气体流量传感器3-16、信号放大器3-17、电压电流转化器3-18、控制阀等组成。气缸3-11依次连接储油罐3-5和氮气瓶3-1，弹簧3-13位于活塞3-12下方，而活塞3-12位于气缸3-11内并与气门相连接。氮气瓶3-1中的高压气体通过储油罐3-5进入气缸3-11推动活塞3-12下行，从而改变气门升程。在不同活塞行程处设置有阀门，打开阀门气体将依次流经气体流量传感器3-16、信号放大器3-17、电压电流转化器3-18产生信号使氮气瓶3-1出口处的电磁阀3-2关闭，从而实现不同气门升程的设置。该单元可实现喷油过程中气门升程精确可变。

如图4(a)所示，常开电磁阀3-2在没有接收到关闭信号前处于开启状态，关闭阀门3-6，打开出油阀3-7，根据压力表3-4示数调节薄膜式减压阀3-3开度，从而控制喷油压力，调至所需的喷油压力后关闭薄膜式减压阀3-3。弹簧3-13两端分别连接活塞3-12和气缸3-11，活塞3-12又与气门4-1相连接。气缸3-11侧面设置不同的活塞行程1、2和3，对应不同的气门升程1、2和3。弹簧3-13自然状态下活塞行程为0，对应的气门升程也为0。活塞各个行程处开有孔并连接管道和控制阀，其后依次连接有气体流量传感器3-16、信号放大器3-17和电压电流转化器3-18。

当要设置气门升程1、对应活塞行程1时，关闭出油阀3-7，打开薄膜式减压阀3-3、阀门3-6和活塞行程1处的控制阀，高压氮气推动活塞3-12下行至行程1后，气体从管道流走，在弹簧3-13作用下活塞3-12停止下行，气体流量传感器3-16感知气体流动并产生电压信号传递至信号放大器3-17放大，电压电流转换器3-18将获得的电压信号转化为电流信号，并传递给电磁阀3-2使其关闭，此时，活塞稳定在行程1处，压力表3-4示数不再变化，关闭薄膜式减压阀3-3，实现了气门升程的设置。

当要改变气门升程时，只需打开对应活塞行程处的阀门，关闭其他行程处的阀门，打开电磁阀3-2和薄膜式减压阀3-3，待压力表3-4示数稳定后关闭薄膜式减压阀3-3即可，实现了喷油过程中气门升程精确可变。定时延迟控制器3-10的主要作用是控制喷油时序，并通过设置喷油脉宽来控制喷油量。排气阀3-15主要起泄压保护作用。

(4)气门加热模块

如图5所示，气门加热模块由气门4-1、铜集热体4-2、加热棒4-3、铝圆柱体4-4、热电偶4-5、绝热涂层4-6和温控仪4-7等组成。铝圆柱体4-4充当导热体，起一个传递热流的作用，其上开有孔便于加热棒4-3嵌入，两者采用耐高温导热胶粘接。在铝圆柱体4-4上方有一梯形集热体4-2，其材料为热扩散系数较大的铜，可以保证热流的均匀性，而上窄下宽梯形的设计则会使向上的热流量逐渐增大，起集中热流的作用。在铜集热体4-2和铝圆柱体4-4的外表面涂有绝热涂层4-6，避免热量向侧面传递。铜集热体4-2顶部与气门4-1之间也采用耐高温导热胶粘接，保证热流均匀加热气门，并在其中放置热电偶4-5，用于测量温度。由于气门4-1材料为合金，导热系数大，并且厚度较小，因此热电偶4-5测量的温度值近似可认为是气门4-1的温度。温控仪4-7分别连接热电偶4-5和加热棒4-3，通过接收热电偶4-5的反馈温度来控制加热棒4-3的功率输出，从而实现气门4-1温度的改变。

(5)图像采集模块

图像采集模块包括喷雾蒸发拍摄单元和流场拍摄单元，由点光源5-1、平凸透镜5-2、背光源扩散膜5-3、菲涅尔透镜5-4、高速摄像机5-5、计算机5-6、CCD相机5-7、同步控制器5-8、激光器5-9及其发射器5-10等组成。

喷雾蒸发拍摄单元包括点光源5-1、平凸透镜5-2、背光源扩散膜5-3、菲涅尔透镜5-4、高速摄像机5-5和计算机5-6，点光源5-1发射的光依次经过平凸透镜5-2、背光源扩散膜5-3、菲涅尔透镜5-4后形成一定范围的均匀平行光照射通过透明气道，由高速摄像机5-5拍摄燃料进气道喷雾蒸发图像、计算机5-6进行存储，从而实现燃料进气道喷雾蒸发的可视化。

流场拍摄单元分别在进气和燃料中添加示踪粒子，采用激光照射可视化气道2、CCD相机5-7拍摄的方式实现了进气道喷射时气道内部流场的可视化。

如图6(a)所示，平凸透镜5-2对点光源5-1发出的光进行汇聚，平凸透镜5-2出口处贴有背光源扩散膜5-3，用于增加光的扩散，提高光的均匀性，避免气道图像上形成斑驳。当匀光入射菲涅尔透镜5-4后，出射光线为平行光，并且不会出现边角变暗、模糊的现象，可以较好地实现外轮廓修正后透明气道2内喷雾的可视化，为进一步研究燃料气道喷雾蒸发特性提供条件。如图6(b)所示，在进气和喷雾中添加示踪粒子，激光器5-9和发射器5-10产生激光照射气道2，CCD相机5-7拍摄图像，同步控制器5-8控制激光器5-9和CCD相机5-7的触发时序，实现了气道内部流场和喷雾速度场的可视化。

下面将结合具体的实施例进一步说明本发明。

实施例1

气门位置稳定时研究进气流量、进气温度、进气压力、喷油量、喷油压力、喷射角度、喷射距离、气门升程、气门温度等因素对进气道喷射时燃料喷雾蒸发特性的影响。

具体流程为：通过旋转球体3-21和使用确定大小的O型圈3-20设置好喷射角度和喷射距离，往储油罐3-5中注入一定体积的燃料，在定时延迟发生器3-10上设置喷油脉宽，关闭阀3-6，打开薄膜式减压阀3-3和出油阀3-7，通过压力表3-4示数调节薄膜式减压阀3-3开度来设置试验喷油压力。随后关闭出油阀3-7，打开阀门3-6，打开试验气门升程1对应的活塞行程1处的阀门，压力表3-4示数稳定后关闭薄膜式阀门3-3。关闭活塞式减压阀1-4，打开空气压缩机1-1往储气罐1-2和加热罐1-3充高压空气，达到一定值后调节活塞式减压阀1-4开度使流量计1-5和压力表1-6示数为试验值，在温控仪4-7上设置气门温度，打开点光源5-1，调节光路形成稳定的平行光后在计算机5-6上给高速摄像机5-5输入触发信号，高速摄像机5-5开始拍摄并输出信号给定时延迟发生器3-10，随即触发喷油器3-8喷油。喷油结束后，停止高速摄像机5-5的拍摄，并将图像数据保存在计算机5-6中，打开排气阀3-15泄压，防止出现实验事故。至此，一次进气道喷雾蒸发实验完成。通过设置不同的进气流量、进气温度、进气压力、喷油量、喷油压力、喷射角度、喷射距离、气门升程以及气门温度并重复上述过程可以实现不同工况下的进气道喷雾蒸发试验，对试验图像进行分析后可以获得进气道喷射时燃料喷雾蒸发特性以及优化的策略。

实施例2

气门运动过程中研究进气流量、进气温度、进气压力、喷油量、喷油压力、喷射角度、喷射距离、气门温度等因素对进气道喷射时燃料喷雾蒸发特性的影响。

具体工作流程为：设置好气门升程1，过程与例1相同，调节光路形成稳定的平行光后，关闭活塞行程1处的阀门，打开电磁阀3-2、薄膜式减压阀3-3和活塞行程3处的阀门，此时气门升程1向气门升程3变化，在计算机5-6上触发高速摄像机5-5拍摄和喷油器3-8喷油，拍摄气门升程变化过程中的燃料进气道喷雾蒸发特性，喷油结束后关闭薄膜式减压阀3-3，停止高速摄像机5-5拍摄并保存图像数据，打开排气阀3-15泄压。改变不同因素的水平，重复上述过程。

实施例3

测量不同因素下进气道喷射时的气道流场和喷雾速度场。

具体工作流程为：在储油罐3-5和储气罐1-2中加入示踪粒子，设置好进气温度、进气流量、进气压力、喷油量、喷油压力、喷射角度、喷射距离、气门升程、气门温度等参数后，在计算机5-6上触发喷油器3-8喷油、激光器5-9产生激光以及CCD相机5-7拍摄，喷油结束后停止CCD摄像机5-7拍摄并保存图像数据，打开排气阀3-15泄压。改变不同因素的水平，重复上述过程。通过图像后处理可得不同因素对气道内部流场和喷雾速度场的影响及优化策略。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。