定容燃烧弹燃料喷雾特性测量系统设计文献综述
2020-04-15 15:15:45
1．目的及意义
定容燃烧弹可以较好地模拟发动机燃油喷射瞬时缸内的环境热氛围。近年来,人们对汽车的发展尤为关注，对汽车的质量和经济性都有很高的期待，因此我们对发动机燃烧系统的设计也拥有了越来越高的要求。
自从上个世纪以来,各个发达国家的汽车公司、高等院校和研究所都已经投入了大量的人力、物力进行火花点火发动机燃烧的基础研究工作,内容涉及燃烧室内气体流动、燃烧过程的传热传质、化学反应动力学、火焰传播与火焰结构、有害排放物的生成机理与控制、燃烧过程的数学模拟、稀薄混合气和分层燃烧的实现等各个方面。由于实际发动机的燃烧、传热、蒸发与扩散等过程十分复杂,加之伴随有循环之间的变动,要控制每个循环的燃烧条件不变比较困难,实验结果的可比性不强,因此,内燃机的燃烧研究大都在模拟装置中进行,尤以在定容燃烧弹中进行的居多。
他们所使用的定容燃烧弹是一种发动机燃烧模拟试验装置,该装置是一种良好的介于理论分析和实际应用之间的研究载体。它可以结合发动机试验、模拟计算等手段对燃烧过程进行全面的研究分析，尤其对喷雾特性的测量最为方便。其主要功能是模拟发动机活塞在上止点附近时气缸中的燃烧, 创造出类似上止点附近的环境热氛围，以便能够观察和研究缸内喷雾的形成、发展及着火等过程。常见的喷雾燃烧实验装置包括光学发动机、快速压缩机、快速循环机、定压流动装置、定容燃烧弹等。通过调节预混合气体的配比和燃油的喷射时刻，定容燃烧弹的特点是结构比较简易,可以方便地改变热力参数包括空燃比、压力和温度、点火参数、火花塞位置、点火能量等,通过改变某一参数可以研究该参数对燃烧过程的影响,方便地模拟不同发动机喷油时缸内的气体状态。因此，诸多研究机构都采用了定容燃烧弹进行喷雾特性的研究。设计定容燃烧弹时，也需要充分考虑它对安全性和功能适用性的要求，使它可在较大的环境温度、环境压力和环境密度等范围内使用各种光学诊断系统对燃料的非蒸发喷雾、蒸发喷雾和不同氧气浓度条件下喷雾燃烧进行研究。
2014年华中科技大学的邓鹏 [1] 利用可视化定容弹喷油燃烧光学诊断实验系统，开展了强化混合乙醇柴油喷雾雾化、蒸发和燃烧三种类型的实验研究，同时与柴油进行比对。对喷油雾化图像和喷油燃烧图像，分别采用了自动阈值确定算法和固定阈值算法对图像进行处理。对喷油蒸发图像，釆用了背景重构和倾间运算边缘检测等新算法。2015年长安大学的吴晗 [2] 主要研究了在ABE作为柴油的替代燃料时，利用激光诊断技术在预燃加热式定容燃烧弹上对燃油的喷雾及燃烧过程，获得了喷雾过程的米氏散射图像，燃烧过程的火焰自然光图像等。2008年长安大学的曹建明等 [3] 采用高分辨率数码照相机对柴油与柴油—生物柴油混合燃料喷雾特性进行了对比研究，利用Photoshop进行图片处理。2012年广西大学的安彦召 [4] 采用了蒸馏釜分为三个镏程对参考油进行蒸馏，提取相应馏分的混合燃料为研究对象，利用测试技术研究它们的喷雾、蒸发、混合机理和喷雾空间分布。构建和采用平面激光诱导荧光系统。利用MATLAB处理喷雾图像。2009年青岛大学的林辉 [5] 研制了一种定容燃烧弹，它由加热温控系统、气源管路系统、点火系统、数据采集及控制系统和燃烧弹等组成，利用LabVIEW进行数据采集。利用可视化测试技术，主要采用光学的相关原理来得到内燃机燃烧时的实时图像,其中主要采用的是光学纹影技术和激光剪切干涉法。天津大学的尧命发 [6] 等利用定容燃烧弹，在其上用火焰直接成像法研究二甲基醚(DME)燃烧过程。用数字高速摄影机研究了DME的燃烧特性,研究了DME的滞燃期,总结了DME的滞燃期经验公式,并研究了DME的火焰传播特性。张永林、李君等、刘泽潇、胡新亚、黄露等、汪淼等、邓鹏、罗丽、郭涛、刘勰 [7、8、10-12、15-20] 搭建45号钢制作成的不同尺寸的弹体、供油系统、光路系统、电控喷油系统、高皮氮气系统和高速摄影系统等子系统的试验台，采用高速摄影机(CCD)，利用纹影法、阴影法和米氏散射法等获得喷雾、燃烧过程的图像和相关信息。其中高速相机主要由光学部件、光电转换系统、信号处理系统等组成。利用CFD 软件建立了喷雾碰壁和油膜形成过程的三维数值模型。最后基于MATLAP处理程序来对喷雾特性参数进行了量化分析处理。2007年天津大学的付磊 [9] 介绍了一种基于数字图像处理的非接触工业喷头喷雾角度测量的系统。叙述了该系统硬件和软件的实现方法，对原系统进行了改进。并利用 Visual C 实现了喷雾角度测量软件的编写与调试。西安交通大学的阎小俊和蒋德明 [13] 主要分析了甲烷-空气-稀释气混合气在定容燃烧弹内进行火花点火预混层流燃烧的试验结果。Hongzhan Xie等 [21、24、25] 通过采用喷雾可视化和图像处理技术研究环境压力对喷雾特性的影响。Hai-Wen Ge等 [22] 采用实验测量和数值模拟研究了由两个风扇驱动的定容燃烧弹中的流动。使用粒子图像测速（PIV）技术测量两个风扇之间的流场。采用非稳态RANS（Reynolds-averaged NaviereStokes）方法用于模拟风扇驱动的流动。Yinjie Ma等 [23] 在预混燃烧加热定容燃烧弹中进行研究在不同注入体积和环境条件下，戊醇以不同比例（体积0％，20％和40％）添加到柴油中对喷雾和蒸发特性的影响。在该燃烧弹装置中，他们提出利用高速纹影技术和漫射背照明技术作为两种不同的光学装置。
{title}2. 研究的基本内容与方案
{title}2．研究（设计）的基本内容、目标、拟采用的技术方案及措施
2.1研究（设计）的基本内容
（1）查阅文献了解各个燃烧弹系统的作用及结构特点；
（2）对燃烧弹腔体进行整体设计；
（3）着重对视窗玻璃进行选材设计，强度校核；
