本發(fā)明涉及一種多功能噴霧與燃燒可視化測量定容彈，屬于內燃機研究領域。

背景技術：

不斷提高的排放標準和日益嚴峻的能源危機問題對發(fā)動機技術提出了新的挑戰(zhàn)，而在發(fā)動機缸內進行的燃油噴射、蒸發(fā)、混合以及燃燒過程對于整個發(fā)動機的動力性、經(jīng)濟性以及排放特性有著至關重要的影響。因此，只有充分掌握燃油噴霧與燃燒特性才能實現(xiàn)對發(fā)動機缸內整個燃燒過程的精確控制，解決柴油機經(jīng)濟性和排放性的矛盾，并為發(fā)動機燃燒理論基礎研究及新型燃燒系統(tǒng)開發(fā)提供支持，實現(xiàn)節(jié)能減排的目標。

計算機仿真技術的發(fā)展為發(fā)動機研發(fā)，特別是新型高效低排燃燒系統(tǒng)的設計研究提供了重要的手段，但這仍然需要對燃油的霧化及燃燒過程進行可視化測量及定量分析，從而為模型建設及數(shù)值計算工作提供試驗驗證和精度優(yōu)化。但燃油的噴射與燃燒過程發(fā)生在發(fā)動機缸內高溫高壓的環(huán)境下，傳統(tǒng)的接觸式測量方式即干擾了實際流場由無法獲得精確和全面的特征參數(shù)信息。而以激光技術為主的光學診斷技術的不斷進步為深入研究發(fā)動機噴霧與燃燒過程提供了可靠的實驗數(shù)據(jù)支持。因此，目前亟待解決的就是設計出一個能夠為多種光學診斷技術提供靈活光路布置，同時又能夠真實模擬發(fā)動機缸內高溫高壓環(huán)境的可視化裝置，定容燃燒彈則是其中之一。

對于能夠滿足發(fā)動機先進燃燒系統(tǒng)設計開發(fā)工作的定容燃燒彈系統(tǒng)應該同時具有安全性、穩(wěn)定性、連續(xù)性、準確性、靈活性和普適性。具體來說：

1)安全性：彈體和石英窗的結構強度應能夠承受其內部的高溫、高壓載荷。

2)穩(wěn)定性：定容彈應該有高效的密封及保溫設計，確保測量區(qū)域內的溫度和壓力在試驗過程中始終保持穩(wěn)定。

3)連續(xù)性：定容彈的進氣與排氣過程能夠迅速的將噴霧油滴或燃燒產物排除干凈，同時還能保證石英視窗不受污染，確保試驗可以連續(xù)進行。

4)準確性：一方面定容彈應具有多個用來檢測內部環(huán)境工況的傳感器孔；另一方面應能兼容多種不同類型的溫度及壓力傳感器，從而確保對定容彈內部溫度和壓力條件的準確把握。

5)靈活性：定容彈應能夠為多種光學診斷技術提供靈活的光路布置，具有為多種診斷技術同場測量提供光路條件的能力。

6)普適性：定容彈內的溫度及壓力條件具有較大的可調范圍，滿足不同發(fā)動機燃燒系統(tǒng)設計的需求，同時配合多種光學測量方案，具有對多種燃燒系統(tǒng)設計中多個關鍵參數(shù)進行準確測量的能力。

定容彈的兩個關鍵性能參數(shù)就是環(huán)境溫度與壓力。為了能夠適應現(xiàn)代柴油機燃燒系統(tǒng)研發(fā)的需求，就需要定容彈內部能夠達到并維持極高的溫度及壓力條件。

傳統(tǒng)的定容彈常采用燃氣在容彈內混合燃燒的方式實現(xiàn)高溫環(huán)境，這種方法雖然快速，但是如果不能精確控制混合氣各項成分的比例，往往容易出現(xiàn)安全隱患；另外試驗在溫度及壓力下行降低到預設值的時候進行測量，因此準備時間短、誤差大。除此之外，有些定容彈也采用進氣加熱的方式，但是這種方案的缺點是浪費大量環(huán)境氣體，氣體介質本身熱容很低，能夠攜帶的熱量有限，還要有很大一部分的熱量通過排氣損失掉，所以實際的加熱效果及定容彈內所能達到的穩(wěn)定的溫度上限值都不理想。同時，為了維持定容彈內的高溫，需要不斷通入的高溫氣體流量很大，這樣必然會對測量區(qū)域產生明顯的干擾。與上述的兩種加熱方式相比，內置電加熱器對彈體內部環(huán)境氣體進行加熱的方式以其安全性高、加熱效果明顯的特點得到了采用。

提高定容彈壓力性能參數(shù)的關鍵問題則是視窗蓋與彈體之間的密封。已有的專利如：新型燃油噴霧可視化實驗裝置(專利申請?zhí)枮?01310183178.X)等往往只采用O型密封圈或只采用墊片進行密封，而對于噴霧可視化裝置而言，石英玻璃處宜采用墊片密封，以提高密封面積，而視窗蓋與彈體的連接采用O型密封圈更為方便，二者組合使用能夠有效提升定容彈的最大壓力上限。已申請的定容彈視窗專利：一種定容彈視窗(專利申請?zhí)?01410577231.9)提出了視窗蓋與彈體的連接使用橡膠墊片，而使用兩道涂有硅膠的金屬墊圈分別配合橡膠墊片和O型密封圈用于石英玻璃與視窗蓋和定容彈彈體的密封。這種連接方式一是過于繁雜，共計使用了2個不同規(guī)格的橡膠墊片，2個涂有硅膠的金屬墊圈和1個O型密封圈，并且有著嚴格的安裝順序要求；二是并無必要，制作涂有均勻硅膠的金屬墊圈較為不便，在低溫環(huán)境側(石英玻璃與視窗蓋)使用硅膠墊圈便足以滿足要求。而專利：一種自緊密封式定容彈光學玻璃窗口(專利申請?zhí)枮?201110002695.3)，雖然在保證密封性能的同時方便了視窗蓋的拆裝，但是其內側安裝螺孔的存在減小了定容彈的測試區(qū)域，無法實現(xiàn)大視場測量。除此之外，上述的兩種連接方式均未考慮石英玻璃與視窗的安裝配合問題，這就要求石英玻璃與視窗具有較高的匹配精度，無形中增大了加工難度。

傳統(tǒng)的定容彈需要繁瑣的清理工作，往往是經(jīng)過短時間的試驗之后就要對定容彈內的燃油及燃燒產物進行清理，同時擦拭污染的石英視窗，從而影響實驗數(shù)據(jù)的采集質量與效率。已有的專利如：一種噴霧定容彈測試彈體(專利申請?zhí)枮?01010272629.3)考慮到了油霧污染視窗問題，但其進氣孔分布于頂蓋上，距離視窗較遠，并不能很好的起到隔絕油霧和促進彈內氣體均勻分布的作用。

目前，很多的定容彈設計無法實現(xiàn)試驗的連續(xù)測量，除了石英視窗的污染問題之外，一個主要的原因是無法在短時間內通過進排氣過程有效地將定容彈內存留的污染物排出干凈。已有的專利如：一種球形多功能定容彈(專利申請?zhí)枮?01410178854.9)雖然能夠實現(xiàn)連續(xù)測量，但其大流量的進排氣過程很容易在定容彈內產生較強的大尺度氣流運動，從而對試驗與測試結果產生影響。

除此之外，內燃機研究領域涉及到的噴霧與燃燒研究，往往需要使用不同的噴油器或噴氣閥，定容彈在設計時需要考慮對不同噴油器的適配性；在進行實驗時，有時為了光路布置的方便，需要將噴油器裝配在定容彈的下蓋或側蓋位置，這就要求定容彈各窗口之間具有互換性。

在定容彈的使用過程中，還需要安裝多種傳感器以實現(xiàn)對定容彈內的參數(shù)測量。因不同試驗要求需要使用不同的傳感器，其安裝螺紋往往不同；頻繁更換彈體上的傳感器時容易造成傳感器螺紋的損壞，造成整個傳感器無法使用。這就要求定容彈在設計時應考慮到對傳感器的拆裝問題。同時，傳感器的插入位置應最大限度的避免對測試區(qū)域流場以及測試光路產生影響。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了提供一種多功能噴霧與燃燒可視化測量定容彈，可以模擬內燃機缸內極端環(huán)境(溫度、壓力、氣體組分)的裝置，適合燃油噴霧與燃燒基礎科學問題的激光診斷與測量研究。

本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的：包括定容彈的彈體、設置在彈體上的六個窗口、安裝在六個窗口內的適配蓋板，所述六個窗口兩兩相對布置并形成三條光路，且每個窗口的直徑相等、各窗口的軸線相交與定容彈的中心，所述適配蓋板包括噴油器適配蓋板、視窗適配蓋板和加熱器適配蓋板，且適配蓋板與對應窗口的連接處設置有O型密封圈，位于彈體四個側面上的窗口上開設有八個進氣導向孔，每個進氣導向孔的上游與混氣穩(wěn)壓腔連接，所述彈體上設置有四個傾斜的傳感器適配安裝孔，每個傳感器適配安裝孔中設置有傳感器適配器，傳感器適配器中設置傳感器。

本發(fā)明還包括這樣一些結構特征：

1.八個進口導向孔采用斜插式設計，且每個進氣導向孔與垂直方向夾30度角。

2.彈體的四個側面的窗口中安裝視窗適配蓋板，上方的窗口安裝噴油器適配蓋板，下方的窗口安裝加熱器適配蓋板。

3.所述視窗適配蓋板包括彈體連接的視窗蓋蓋體、石英玻璃，石英玻璃和彈體、視窗蓋蓋體之間分別通過耐高溫墊片和硅膠墊片進行密封，且石英玻璃的周向設置有固定用墊片；所述噴油器適配蓋板上設置有噴油器安裝孔，噴油器安裝孔內安裝噴油器；所述加熱器設配蓋板與位于彈體內的環(huán)向加熱器連接。

4.耐高溫墊片是聚四氟乙烯墊片、石墨金屬纏繞墊片或銅墊片。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明結構緊湊，強度高，安全性好；內部環(huán)境溫度及壓力的可調范圍大，能夠滿足內燃機先進燃燒系統(tǒng)設計的要求；能有效的保護視窗區(qū)域免受油霧干擾，在對測量區(qū)域不產生干擾的前提下實現(xiàn)連續(xù)測量，提高測試效率；同時，六個窗口形成的3條大口徑光通路可以滿足不同測試技術的需求，配合米氏散射法、陰影/紋影法、激光誘導熒光法、激光誘導白熾光法以及粒子圖像測速等測試技術對噴霧的霧化、蒸發(fā)、混合、燃燒、過程產物生成等特性進行研究。具體的說是：

1)適配蓋板通過螺栓固定可與六個窗口實現(xiàn)任意方式組合布置，周向均勻分布的12個緊固螺絲確保了蓋板各向受力均勻，提高了密封效果。提出了一種適用于高溫環(huán)境下的視窗蓋組合密封方式：所述的視窗蓋可與相應的石英玻璃匹配，通過機械連接安裝到彈體上。定容彈各面具有一個或多個密封槽，視窗蓋與彈體之間通過O型密封圈密封，石英玻璃和彈體、視窗蓋之間分別通過耐高溫墊片(如四氟墊片或纏繞石墨墊片)和硅膠墊片進行密封，且石英玻璃的周向具有固定用墊片，降低了石英玻璃與視窗蓋的配合精度要求。

2)進氣系統(tǒng)采用八個進氣導向孔同時進氣的方式，外置高壓混氣穩(wěn)壓腔將穩(wěn)壓后的高壓氣體通過兩兩布置在四個側面窗口附近的進氣導向孔通入到定容彈內部，在石英視窗表面形成氣膜，從而保護視窗不受污染。同時，可以采用較大進氣流量將氣體分八個通路送入定容彈內部與安裝在低端蓋板上的排氣孔配合完成實時的定容彈內部排污與換氣，而此過程還能夠保證不會對定容彈中心的測量區(qū)域產生干擾，從而大大降低了定容彈的清理次數(shù)，提高了實驗數(shù)據(jù)質量和實驗效率。

3)提出使用適配器來安裝傳感器的方式，即首先將傳感器安裝到適配器上，再將適配器安裝到彈體的傳感器孔中。這樣既可以根據(jù)不同燃燒系統(tǒng)開發(fā)的需要靈活選配適合的溫度及壓力傳感器，同時也保護了傳感器螺紋，確保定容彈的高密封性。

4)噴油器適配蓋板可以適配安裝多種結構的噴油器，同時隔熱板的設計也可以有效降低噴油器的熱負荷。底部適配蓋板采用電加熱的形式對定容彈進行加溫，提高了定容彈的安全系數(shù)和能量使用效率。

5)六個尺寸一致的大口徑視窗組成的三組光路兩兩垂直，能夠實現(xiàn)靈活的光路布置，配合米氏散射法、陰影/紋影法、激光誘導熒光法、激光誘導白熾光法、粒子圖像測速多項測試技術對噴霧的霧化、蒸發(fā)、混合、燃燒過程以及過程產物生成特性等基礎科學問題進行研究。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的整體外觀示意圖；

圖2為混氣穩(wěn)壓腔的三維結構圖；

圖3為定容彈三維結構圖(O型圈密封槽未畫出)；

圖4為定容彈水平截面三維圖(O型圈密封槽未畫出)；

圖5為傳感器適配器示意圖；

圖6為裝上所有適配蓋板后定容彈垂直截面圖；

圖7為噴油器頂蓋結構圖；

圖8為視窗蓋與彈體密封方式示意圖；

圖9為多功能噴霧與燃燒測試定容彈的實施實例。

圖中：1-定容彈彈體；1a-窗口；1b-O型圈密封槽；1b1-O型密封圈；1c-進氣導向孔；1d-傳感器適配安裝孔；2-適配蓋板；2a-噴油器適配蓋板；2a1-噴油器壓緊裝置；2b-視窗適配蓋板；2b1-視窗蓋蓋體；2b2-石英玻璃；2c-加熱器適配蓋板；2c1-陶瓷紅外加熱器；3-混氣穩(wěn)壓腔；3a-混氣穩(wěn)壓腔進氣口；3b-混氣穩(wěn)壓腔出氣口；3c-混氣穩(wěn)壓腔壓力表安裝口；4-傳感器適配器；-傳感器；6-噴油器；7-墊片；7a-耐高溫墊片；7b-硅膠墊片；7c-固定用墊片；8-激光器；9-片光組件；10-氙燈；11-紋影鏡；12-反射鏡；13-ICCD相機；14-CCD相機。

具體實施方式

下面結合附圖與具體實施方式對本發(fā)明作進一步詳細描述。

本發(fā)明提供的一種多功能噴霧與燃燒可視化測量定容彈，其外觀示意圖如圖1所示，主要包括：定容彈彈體1、適配蓋板2和混氣穩(wěn)壓腔3是否應該包括在內。定容彈彈體通過安裝不同功能的適配蓋板來固定噴油器、電加熱器、石英玻璃等設備，可以實現(xiàn)不同的光路和功能。混氣穩(wěn)壓腔上有1個進氣口3a和8個出氣口3b以及1個壓力表安裝口3c，用于保證進氣壓力穩(wěn)定，如圖2所示。

定容彈彈體的結構圖如圖3和圖4所示，定容彈彈體上開有6個窗口1a，每個窗口外側開設有O型圈密封槽1b，見圖8，窗口與適配蓋板采用直口配合的設計，提高適配蓋板的安裝質量。彈體上開設了八個進氣導向孔1c，每個導向孔的上游與一個大的混氣穩(wěn)壓腔3相連接。由于八孔同時進氣，使通過每個進氣導向孔的進氣量很小，不會在定容彈內部產生強烈的氣流運動，確保在測量區(qū)域形成一個穩(wěn)態(tài)的測量環(huán)境。八個進口導向孔1c采用斜插式設計，每個進氣導向孔與垂直方向夾30度角，兩兩對稱布置在側面窗口的兩側，引導進入定容彈內的氣體吹向石英玻璃表面，從而在玻璃表面形成了一層具有保護作用的氣膜，有效阻擋油滴及燃燒產物接觸石英窗，防止其對視窗的污染，從而為實驗提供一個可實現(xiàn)連續(xù)測量的穩(wěn)態(tài)環(huán)境。

彈體上端設有四個傳感器適配安裝孔1d，可以通過傳感器適配器4安放不同類型的壓力傳感器、熱電偶等探測裝置。如圖5所示，先將傳感器安裝到適配器上，然后將適配器安裝到傳感器適配安裝孔1d上。傳感器適配安裝孔采用斜插式設計，使傳感器靠近測量區(qū)域的同時并不會對測量區(qū)域產生干擾。

適配蓋板2包括但不限于噴油器適配蓋板2a、視窗適配蓋板2b和電加熱器適配蓋板2c。裝上適配蓋后的定容彈垂直截面剖面圖如圖6所示。電加熱器適配蓋板2c將大功率電熱絲盤繞到陶瓷套2c1中，陶瓷套安置在適配蓋板上并緊貼定容彈內表面，從而在相同盤繞圈數(shù)的條件下有效增大電熱絲實際長度，確保在不干擾測量區(qū)域的前提下實現(xiàn)對定容彈內部的快速加熱。由于定容彈的6個窗口完全相同，所以不同類型之間的適配蓋板可以互換位置，根據(jù)采用的光學診斷技術對光路的需求以及試驗邊界條件的設定來自由組合。

噴油器適配蓋板2a可按圖7所示方式與多種噴油器匹配，噴油器適配蓋板上開有噴油器安裝孔，安裝孔可以兼容發(fā)動機多款常用噴油器，頂蓋適配器通過夾具2a1給噴油器施加軸向預緊力，將噴油嘴擰緊帽和銅墊片2a2與適配器蓋板的安裝孔最前端小孔端面壓緊，實現(xiàn)密封。

圖8為視窗適配蓋板與彈體密封方式示意圖，視窗適配蓋板2b包括視窗蓋蓋體2b1、石英玻璃2b2和墊片7，視窗蓋蓋體與彈體之間通過O型密封圈密封，石英玻璃和彈體、視窗蓋蓋體之間分別通過耐高溫墊片7a和硅膠墊片7b進行密封，且石英玻璃的周向具有固定用墊片7c。

耐高溫墊片可以是聚四氟乙烯墊片、石墨金屬纏繞墊片或銅墊片。

圖7為本發(fā)明的一個實施例，是聯(lián)合激光誘導熒光法和陰影/紋影法進行測試，圖中垂直于紙面方向的為激光誘導熒光法光路，在紙面內的為紋影光路。本實施例中共用到了3個光學通路，表明該定容彈能夠實現(xiàn)靈活的光路布置，配合米氏散射法、陰影/紋影法、激光誘導熒光法、激光誘導白熾光法、粒子圖像測速多項測試技術對噴霧的霧化、蒸發(fā)、混合、燃燒過程以及過程產物生成特性進行研究。

本發(fā)明包括彈體1和安裝在彈體上六個窗口1a的適配蓋板2，所述的六個窗口兩兩相對布置，每個窗口直徑相等，形成三條光路，其中兩組側面視窗的軸線呈水平布置，一組上下視窗的軸線呈垂直布置，三組窗口的軸線在空間上彼此垂直且相交于彈體內的一點，并在此附近形成測量區(qū)域，也即三對視窗的軸線相互垂直，在空間結構上組成了X、Y、Z坐標系，坐標原點即在定容彈中心的測試區(qū)域。

所述的適配蓋板2包括但不限于噴油器適配蓋板2a、視窗適配蓋板2b和加熱器適配蓋板2c。

適配蓋板2通過螺栓固定可與六個窗口實現(xiàn)任意方式組合布置，每個窗口外側根據(jù)設計需求開設有一個或多個O型圈密封槽1b，確?？梢詫⒍ㄈ輳梼炔凯h(huán)境壓力長時間維持在設定值。彈體1開設了八個進氣導向孔1c，每個導向孔的上游與一個大的混氣穩(wěn)壓腔3相連接。八個進口導向孔1c采用斜插式設計，每個進氣導向孔與垂直方向夾30度角，兩兩對稱布置在側面窗口的兩側，引導進入定容彈內的氣體吹向石英玻璃表面。彈體上開設四個傳感器適配安裝孔1d，可以通過傳感器適配器4同時安放多個不同類型傳感器，對定容彈內的溫度及壓力等環(huán)境條件進行實時監(jiān)控。也即可以安裝壓力傳感器、熱電偶等附件。而傳感器與安裝孔之間采用適配套連接，即首先將傳感器安裝到適配套上，再將適配套安裝到彈體的傳感器孔中，這樣既可以使同一個傳感器孔安裝不同類型的傳感器，同時又可以避免因不同試驗的不同需求而頻繁更換彈體上的傳感器，造成對傳感器螺紋的永久損失，導致出現(xiàn)無法密封的問題。傳感器適配安裝孔采用斜插式設計，使傳感器靠近測量區(qū)域，在實現(xiàn)對定容彈內環(huán)境進行測量的同時，確保不會對測量區(qū)域產生干擾。

提出了一種適用于高溫環(huán)境下的視窗蓋組合密封方式：

所述適配蓋板中的視窗適配蓋板2b包括視窗蓋蓋體2b1、石英玻璃2b2和墊片7，視窗蓋蓋體與彈體之間通過O型密封圈密封，石英玻璃和彈體、視窗蓋蓋體之間分別通過耐高溫墊片7a和硅膠墊片7b進行密封，且石英玻璃的周向具有固定用墊片7c；

所述的耐高溫墊片7a可以是聚四氟乙烯墊片、石墨金屬纏繞墊片或銅墊片。

所述的視窗適配蓋板可與相應的石英玻璃匹配，通過機械連接安裝到彈體上。定容彈各面具有密封槽，視窗蓋蓋體與彈體之間通過O型密封圈密封，石英玻璃和彈體、視窗蓋蓋體之間分別通過耐高溫墊片銅墊片或聚四氟乙烯墊片和硅膠墊片進行密封，且石英玻璃的周向具有固定用墊片，從而保證了很高的密封性，并降低了石英玻璃與視窗蓋的配合精度要求。

所述的噴油器適配蓋板可與多種噴油器匹配。噴油器適配蓋板上開有噴油器安裝孔，安裝孔可以兼容發(fā)動機多款常用噴油器。噴油器與適配蓋板的密封是通過夾具給噴油器施加軸向預緊力將噴油器前端的油嘴擰緊帽和銅墊片與適配器蓋板最前端小孔壓緊，實現(xiàn)密封。所述的噴油器適配蓋板可以與視窗適配蓋板進行位置互換。

所述的電加熱器適配蓋板，將大功率加熱器環(huán)向安置在定容彈底蓋上，承裝電熱絲的陶瓷套緊貼定容彈內表面，最大限度增加電熱絲的長度，確保在不干擾測量區(qū)域的前提下實現(xiàn)對定容彈內部的快速加熱。

所述的定容彈采用多進氣道分開進氣的方法：進氣導向孔的上游與一個大的混氣穩(wěn)壓腔相連接，以保證氣流的穩(wěn)定；八只進氣導向孔分四組分別布置在四個側向窗口處，由于進氣孔數(shù)量較多，因此即使在總換氣量很大的情況下，每個進氣導向孔的進氣流量都較小，從而即有效避免在定容彈中心的測量區(qū)域產生大尺度的氣流擾動，同時又可以將定容彈四周的死區(qū)內殘余的污染物快速的從定容彈下端蓋板上開設的一個或多個排氣孔排出。另外，八只進氣導向孔均采用斜插式設計，每個進氣導向孔與垂直方向夾30度角，兩兩對稱布置在側面窗口的兩側，引導進入定容彈內的氣體吹向石英玻璃表面，從而在玻璃表面形成一層氣膜，有效阻擋油滴及燃燒產物對石英窗的污染，為實驗提供一個可實現(xiàn)連續(xù)測量的環(huán)境，顯著提高了測量效率。