[發(fā)明專利]一種液滴碰壁實驗裝置及方法

在審

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• 申請日: 2017-06-02
• 公開（公告）號: CN106989933A
• 公開（公告）日: 2017-07-28
• 發(fā)明（設計）人: 劉福水;岑春澤;吳晗;郝樹新;李佳峰
• 申請（專利權(quán)）人: 北京理工大學
• 主分類號: G01M15/04
• 分類號: G01M15/04
• 代理公司: 北京理工大學專利中心11120
• 代理人: 溫子云,仇蕾安

技術領域

本發(fā)明涉及液滴碰壁實驗裝置及方法。

背景技術

對于缸內(nèi)直噴發(fā)動機，隨著其向結(jié)構(gòu)小型化與高增壓、高噴油壓力的方向發(fā)展，燃料由于蒸發(fā)時間有限等原因容易撞擊并附著在氣缸壁以及活塞壁上形成附壁油膜，造成實際燃油損失，降低了發(fā)動機經(jīng)濟性。同時，因為本循環(huán)中的油膜蒸發(fā)量很少，因此還會影響發(fā)動機后續(xù)工作循環(huán)的混合氣形成。隨著附壁油膜的不斷積累，會在局部形成一個富燃料區(qū)，造成碳煙顆粒物排放大大增加，并且形成積碳。而積碳相當于一個個的熱點，在缸內(nèi)溫度較高時，易使其周圍的混合氣自燃，從而產(chǎn)生超級爆震，嚴重損壞發(fā)動機。因此，可以從液滴碰壁方向來研究提高發(fā)動機經(jīng)濟性以及抑制超級爆震的方法。

現(xiàn)有技術中的液體碰壁實驗，一般是使用液滴撞擊試驗臺上的液膜，而并非直接撞擊試驗臺平面，并且該試驗臺也不會被加熱，這就導致該實驗模型與真實的發(fā)動機內(nèi)部工況相差較遠。首先，傳統(tǒng)的實驗裝置中，試驗臺不會被加熱，導致不能很好模擬發(fā)動機的高溫氣缸壁；其次，傳統(tǒng)的實驗方法，其信號采集，處理較為繁瑣；最后，本發(fā)明技術方案改進了現(xiàn)有技術方案中實驗信號數(shù)據(jù)的后處理方式；以上優(yōu)點使得本發(fā)明技術方案的模擬更加真實、準確，對實驗數(shù)據(jù)的采集和處理更加高效、合理。

發(fā)明內(nèi)容

有鑒于此，根據(jù)液滴碰壁的特點，本發(fā)明提供了一種液滴碰壁的實驗裝置及方法，以模擬發(fā)動機內(nèi)的液滴碰壁現(xiàn)象。由于發(fā)動機工作時其環(huán)境復雜多變，影響液滴碰壁的因素較多，諸如碰壁速度、碰壁角度、液滴組分、壁面溫度等，因此需要控制變量，分別探究單一因素的變化對液滴碰壁的影響。

一種液滴碰壁實驗裝置，該實驗裝置包括：液滴注射系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、可視化系統(tǒng)以及信號控制系統(tǒng)，其特征在于：加熱系統(tǒng)包括可改變傾斜角度的傾斜臺，傾斜臺上放置可改變加熱溫度的恒溫加熱平臺。

較佳地，液滴注射系統(tǒng)包括支撐液滴注射系統(tǒng)的支架、設置在支架上的注射泵步進電機、由注射泵步進電機驅(qū)動的注射器臺架、安裝在注射器臺架上的可更換的注射器。

優(yōu)選地，通過注射泵步進電機驅(qū)動注射器臺架來控制注射器使液滴滴落；通過改變注射器針管的口徑來控制液滴尺寸；通過改變注射泵步進電機在支架上的位置來改變液滴下落高度，進而改變液滴碰壁速度；通過改變注射器中的溶液組分類型來測試不同燃料的液滴碰壁現(xiàn)象。

優(yōu)選地，通過改變恒溫加熱平臺的實驗平面溫度來控制液滴碰壁時的壁面溫度；通過改變恒溫加熱平臺與水平面之間的角度來改變液滴碰壁時的碰壁角度；通過加工恒溫加熱平臺實驗平面獲得不同的粗糙度，來探究壁面粗糙度對液滴碰壁的影響。

優(yōu)選地，可視化系統(tǒng)包括高速攝像機、為高速攝像機提供光源的氙燈、使氙燈燈光均勻分布的勻光片、與高速攝像機相連并控制高速攝像機參數(shù)的計算機。

優(yōu)選地，信號控制系統(tǒng)包括與計算機連接，且安裝在注射器正下方的觸發(fā)裝置，觸發(fā)裝置包括槽型光電開關、光電開關檢測儀和延遲控制系統(tǒng)。

優(yōu)選地，當液滴穿過槽型光電開關時，光電開關會產(chǎn)生一個階躍信號，檢測儀檢測到該階躍信號并將其輸入至延遲控制系統(tǒng)，根據(jù)不同的實驗條件通過延遲控制系統(tǒng)向高速攝像機輸入延遲觸發(fā)信號，來控制高速攝像機的觸發(fā)時刻，以保證液滴碰壁過程記錄的完整性。

本發(fā)明還公開了一種液滴碰壁實驗的實驗方法，包括如下步驟：

步驟1、使用無水乙醇清洗恒溫加熱平臺的實驗平面，防止實驗平面上的雜質(zhì)影響實驗結(jié)果；

步驟2、用水平儀確定并調(diào)整實驗平面的傾斜角度，傾斜角度確定后固定可傾斜的恒溫加熱平臺；

步驟3、將實驗所用液體注入注射器內(nèi)，并將注射器固定在注射泵上；

步驟4、用量尺確定并調(diào)整注射器針尖與恒溫加熱平臺實驗平面的鉛垂距離，鉛垂距離確定后固定整個液滴注射系統(tǒng)；

步驟5、控制注射泵步進電機驅(qū)動注射器滴一滴實驗液滴在實驗平面上，確定液滴滴落的大致位置；

步驟6、設置高速攝像機的相關參數(shù)；

步驟7、調(diào)整高速攝像機鏡頭焦距至液滴滴落的大致范圍內(nèi)，再次滴一滴液滴，拍攝液滴碰壁過程，觀察實驗圖像是否清晰，重復以上過程，直至能夠清晰地觀察到整個液滴碰壁過程；

步驟8、將一標定尺置于焦距平面內(nèi)，拍攝以確定液滴實際尺寸；

步驟9、再次清洗實驗平面，加熱實驗平面至所需溫度；

步驟10、正式實驗時，控制注射泵步進電機驅(qū)動注射器生成液滴，液滴通過觸發(fā)裝置時觸發(fā)相機，記錄液滴撞壁過程；

步驟11、選擇有效數(shù)據(jù)進行存儲，對拍攝結(jié)果進行剪輯，只保留液滴撞壁過程，若拍攝效果不理想，則重復以上步驟至達到滿意效果；