用于研究燃料喷雾特性的定容弹设计开题报告
2020-04-13 15:52:50
1. 研究目的与意义（文献综述）
环境的污染对人类的日常生活与生产带来了极大危害, 全球日益变暖的气候也在威胁人类生存，有研究表明，发动机排放的污染物占城市主要空气污染物来源比重较大，其中柴油机对环境污染的影响尤为严重。近年来，随着排放法规的愈加严格，对柴油机污染物排放的要求也愈加苛刻，为满足严格的新排放法规，需要对柴油机的工作过程做出改进，而柴油机尾气中的污染物主要产生于燃料燃烧阶段，因此应当对燃烧加以控制以期在较好的动力性下满足排放法规的要求。燃烧控制的重点在于燃料着火过程及燃烧速率的控制，而其受燃料与空气混合速率的制约，即燃料的雾化、混合及着火过程。促进燃料和空气的快速、均匀混合，可实现燃料燃烧完全、降低CO、PM等污染物排放。因此，深入研究燃料喷射雾化过程和油束生成机理以及其着火特性，有助于提升柴油机的工作性能，也符合其优化排放性能、提高燃油经济性的发展方向。
现阶段用于研究喷雾特性及着火特性的实验装置主要有三种：光学发动机、快速压缩机和定容燃烧弹。光学发动机是指在发动机缸套上加装可视化窗口并利用光学观测手段实现缸内喷雾燃烧可视化的实验装置，其机械结构与真实发动机相仿，然而在发动机中，燃料的喷雾特性和着火特性受到发动机缸内湍流作用等诸多因素的影响，难以单独研究相关参数对燃料喷雾特性和着火特性的影响。此外，光学发动机还面临着成本高、占用空间大的问题，因此通常需要借助其他实验装置模拟发动机工况用以研究燃料的喷雾特性。快速压缩机的工作原理是利用发动机的倒拖工况，即利用外力驱动活塞运动。其气缸附近部位有石英窗口，为光学测试手段提供光学通路。与另外两种装置相比，其自由度较大，可以模拟定容过程、定压过程、多变过程等不同的热力过程，因为可以调节外部驱动力来控制活塞位移。其缺点也和光学发动机类似，面临着成本高、结构复杂等问题。
定容燃烧弹可以模拟在内燃机缸内温度压力环境下燃料的喷雾特性和着火特性。与前两者相比，定容弹是三种实验装置中结构最简单的，其容积固定不变，可承受高压高温负载，维护成本低，可以方便的调节温度、喷射压力等变量，光学测量装置易于安装，其几何参数、结构以及附件的选配较为灵活。由此得出，定容燃烧弹是最适合进行模拟实验研究的装置。国内外众多高校及科研院所也都会自行设计满足不同实验要求的定容弹装置。
下表为国内外各高校及科研单位自行设计的定容燃烧弹设计参数：
| 作者/单位 | 材质 | 基本参数 | 主要装置数据 |
| 北京交通大学 | 奥氏体不锈钢06Cr19Ni10， | 立方体，壁面均为法兰可拆卸 | 世博CRS2.0高压共轨喷射系统；电磁阀式喷油器，喷射压力160MPa； |
| 天津大学 | 圆柱体 | 火花塞，压电传感器，进排气口 | |
| 长安大学 | 45号钢 | 圆筒型 | Phantomv7.3高速摄像机 |
| 南非开普敦大学 | 不锈钢 | 圆筒形 | |
| 美国西南研究院 | 不锈钢 | 外部为方形，内部为两个圆筒相交，两个石英窗口 | 火花塞 |
| 普渡大学机械学院 | 燃烧室直径101.6mm，体积361cm3 | 加热器 | |
| 马来西亚理科大学 | 不锈钢 | 内径80mm，外径150mm厚度55mm，可承受压力1MPa | 燃油喷射器，减压阀，进排气阀，Olympus，I-Speed 2高速摄像机 |
| 华中科技大学 | 45号钢锻造加工成型 | 对称立方体，边长380mm，可安装2~4个观察窗口，直径130mm，厚50mm的JGS3远红外光学石英玻璃喷雾自由贯穿长度可达130mm，工作压力0.04~10MPa，温度300~1300K | 喷油器，火花塞，进排气口，混合风扇，压力传感器，点火电极，底部可改装加热器，燃油系统供油压力20~220MPa |
| 广西大学 | 45号钢，表面经防锈镀铬处理 | 长方体形，280x280x390mm，壁厚65mm，正方体内腔容积7.5L，四个石英玻璃直径110mm，厚65mm，最大承压15MPa | 高压共轨喷油器，压力传感器，温度传感器，四个电热管，进排气孔，FASTCAM-SA7高速摄像机 |
| 巴利亚多利德大学 | 不锈钢 | 直径0.2m的球形，最高承压40MPa，最高温度1073K，两个光学通道用于观测 | 两个点火电极 |
由上表可知，定容燃烧弹的弹体几何结构主要有球形、立方体形和圆柱形。球形弹结构制造与加工复杂，一般是焊接制成，测量和加热装置的安装固定都不方便。方形弹结构简单制作成本低，但各视窗角度均为90度，可能会对实验测量造成不便。圆柱形弹视窗角度限制小，但加工成本较高。三种定容弹形式各有优劣，可以根据实验的需求、预估经费和加工水平选择。此外，各科研单位的定容弹最高承压也不尽相同，如西班牙巴利亚多利德大学设计的球形定容弹最高承压达40MPa，而早期的定容弹承压通常在3MPa左右，这与定容弹装置所进行实验的燃料种类、实验目的不同有关。
综上所述，为满足现阶段液体燃料喷雾特性及着火特性的研究需求，本课题将设计一套满足自身实验要求的定容燃烧弹装置，以对燃料喷雾特性和着火特性进行深入研究。
2. 研究的基本内容与方案
2.1基本内容
本课题将设计符合燃料喷雾特性和着火特性实验需求及安全要求的定容燃烧弹装置，利用制图软件绘制出图纸。其设计要求主要有：1.装置的结构和材质可以满足所需的强度要求，有耐高温高压的能力，且密封性能好，可以保持温度和压力；2.在合适位置布置观测窗口，避免喷雾化过程和观测区间受限制；3.定容弹结构要便于附件固定如观测装置、加热装置、供油供气系统。此外本课题还需设计光学观测系统和数据处理系统。前者利用高速摄像机拍摄不同喷射条件和环境条件下的喷雾图片，后者用软件对拍摄的喷雾图片进行处理，从而得到燃料在不同条件下的喷雾锥角、喷雾贯穿距等喷雾特性的变化。对于这些宏观喷雾特性的分析，主要比较不同的喷油压力、环境温度、喷孔直径和燃油性质对燃料宏观喷雾特性的影响，而微观喷雾特性可以比较不同喷油压力的影响。
3. 研究计划与安排
第1-2周 查阅文献完成文献综述和开题报告；
第3-4周 完成外文翻译；
第5-6周 了解喷雾定容燃烧弹的国内外研究现状；
4. 参考文献（12篇以上）
[1] o’rourke p j, bracco f v. modeling of drop interactions inthick sprays and a comparison with experiments[j]. proceedings of theinstitution of mechanical engineers, 1980, 9: 101-106.
[2]. naber j d, siebers d l. effects of gasdensity and vaporization on penetration and dispersion of diesel sprays[r].sandia national laboratory, 1996.
[3] velaers a, schaberg p, yates a.investigation of the combustion characteristics of gtl diesel fuel in aconstant volume combustion chamber[r]. sae technical paper, 2007.
