定容燃烧弹燃料喷雾特性测量系统设计毕业论文

2020-02-18 10:42:39

摘要

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。发动机的燃烧对于经济性和汽车质量的影响很大，所以各大公司对发动机的研究非常重视。对发动机的燃烧进行研究时，多在模拟装置中进行。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，对发动机中燃料喷雾的研究非常便利，所以近年的研究在定容燃烧弹中居多。

首先是对定容燃烧弹系统内的总体进行设计，对定容燃烧弹腔体上的视窗玻璃进行设计和部分校核工作，用CAD及手工作图工具作出定容燃烧弹的装配图和部分零件图，用CREO进行定容燃烧弹的三维模型的建立，把利用CREO建立好的数模导入ANSYS中，进而利用ANSYS对其光学通道上的玻璃进行压力和温度分析。并根据设计完成的定容燃烧弹搭建光学测试平台。

设计的定容燃烧弹的设计压力为6.0MPa，设计容积为0.06m³，设计温度为450°C，其上所使用的视窗玻璃是直径为130mm，厚度为75mm的JGS1的石英玻璃。整个定容燃烧弹净重1200kg左右。对定容弹系统中的进排气系统、点火系统、供油系统、光学系统和控制系统也进行了部分设计。在设计的定容燃烧弹的基础上，搭建出合适的光学测试平台，以便于能够运用高速摄像机等仪器和纹影法、阴影法等多种光学诊断方式对燃料喷雾进行各种工况下的研究。

关键词：定容燃烧弹，燃料喷雾，视窗玻璃，高速摄像机，纹影法

Abstract

In recent years, people pay special attention to the development of automobiles, and have high expectations for the quality and economy of automobiles. Engine combustion has a great impact on economy and automobile quality, so the major companies attach great importance to engine research. When the combustion of engine is studied, it is mostly carried out in the simulation device. The constant volume incendiary bomb can simulate the thermal environment in the instantaneous cylinder of the engine fuel injection well. It is very convenient to study the fuel spray in the engine, so the research in recent years is mostly in the constant volume incendiary bomb.

Firstly, the overall design of the constant volume combustion bomb system is carried out. The window glass on the chamber of the constant volume combustion bomb is designed and partially checked. The assembly drawings and part parts drawings of the constant volume combustion bomb are made by CAD and manual drawing tools. The three-dimensional model of the constant volume combustion bomb is established by CREO. The mathematical model established by CREO is imported into ANSYS, and then the light of the fixed volume combustion bomb is obtained by ANSYS. The glass on the learning channel is analyzed for pressure and temperature. According to the designed constant volume combustion bomb, an optical test platform is built.

The designed constant volume combustion bomb has a design pressure of 6.0 MPa, a design volume of 0.06 m³ and a design temperature of 450 °C. The window glass used on it is JGS1 quartz glass with a diameter of 130 mm and a thickness of 75 mm. The net weight of the whole constant volume combustion bomb is about 1200 kg. In addition, the intake and exhaust system, ignition system, fuel supply system, optical system and control system of constant volume projectile system are designed in this paper. On the basis of the designed constant volume incendiary bomb, a suitable optical testing platform is set up to facilitate the research of fuel spray under various working conditions by means of high-speed camera and other optical diagnostic methods, such as schlieren method and shadow method.

Key Words：Constant volume incendiary bomb,Fuel spray, Window glass, High speed camera, Schlieren method.

摘要 I

Abstract II

第1章绪论 1

1.1 选题背景 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 本文主要研究内容 2

第2章定容燃烧弹的功能与结构设计 4

2.1 定容燃烧弹的功能 4

2.2 定容弹的结构设计 4

2.2.1 定容弹的主体设计 5

2.2.2 定容弹的光学窗口设计 6

2.2.3 定容弹的加热和冷却模块设计 8

第3章定容弹系统 13

3.1 进排气系统设计 13

3.2 点火系统设计 15

3.3 供油系统设计 15

3.4 光学系统设计 15

3.5 控制系统设计 17

第4章总结与展望 21

4.1 总结 21

4.2 工作展望 21

参考文献 22

致谢 24

绪论

选题背景

相比较其他模拟研究设备，定容燃烧弹可以更好地模拟内燃机中各种工况，根据想要环境条件进行精确地调试。改革开放以来,大家对汽车行业的发展都非常的关注，随着人们生活水平的不断提高，人们对汽车的质量和经济性都有着越来越高的要求和期待，进而对内燃机系统的设计也有着不断提高的要求。

自从上个世纪以来, 各个汽车技术领先的国家的汽车公司、高等院校和研究所都已经投资了大批的人才和物品进而展开有关燃料在发动机燃烧的研究与讨论，其内容涉及的范围也很广泛，其中包括有燃烧过程的传热传质、化学反应动力学、火焰的传播与结构、分层燃烧等各个方面。定容燃烧弹这种装置可以很好的模拟出内燃机中的各种工况，通过各个系统的协调工作，可以达到对其中的压力、温度和空燃比等参数的精确控制，为汽车行业的发展提供了帮助。所以定容燃烧弹在内燃机的发展历程中占有重要的位置。

定容燃烧弹是一种模拟发动机燃烧工作的实验装置,它作为一种研究载体可以很好的结合理论分析和实际应用。它可以结合实验、模拟各种工况进而比较计算等手段对各种燃料的燃烧过程进行非常全面的分析和研讨工作，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。通过对各个工况下喷雾的研究达到优化喷雾和优化燃烧的目的。再以此推出相应的对于发动机设计的改良措施，达到节能减排的目的。因此，很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，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燃烧下的各种形态的喷雾和不同环境件下的喷雾燃烧进行研究。

国内外研究现状

对于纹影法、阴影法的主要应用：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，采用纹影法开展了乙醇柴油喷雾的实验研究；张永林、李君、刘泽潇等^{[6、8、10-12、14-20]} 搭建45号钢制作成的不同尺寸的弹体系统，采用高速摄影机，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。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。Hai-Wen Ge等 ^[22]使用PVI纹影法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。

对于激光诊断技术的主要应用：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、燃烧过程的图像等。2012年广西大学的安彦召 ^[4] 采用了蒸馏釜，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。汪淼等 ^[15]利用激光诊断技术进行了汽油喷雾碰壁和油膜形成的可视化试验与数值模拟。

对于高速摄像机的主要应用：2008年长安大学的曹建明等 ^[3] 采用高速数字摄像机对柴油与柴油—生物柴油混合燃料喷雾特性进行了对比研究，利用Photoshop软件进行图片的处理。天津大学的尧命发 ^[7]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。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。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，戊醇以不同比例添加到柴油中对喷雾和蒸发特性的影响。Jaat N等 ^[26、28]使用数码相机直接拍摄技术，捕捉喷雾蒸发、喷雾长度的真实图像变化。

一些论文采用了其他技术进行数据的采集和研究：2009年青岛大学的林辉 ^[5] 研制了一种定容燃烧弹，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。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。William A等^[27]进行了有限元阵列在无强制对流的情况下的瞬态燃烧和蒸发研究。

本文主要研究内容

首先是定容燃烧弹的总体设计，对定容燃烧弹光学通路上的玻璃进行设计和分析工作，用CAD及手绘作图工具作出定容燃烧弹的装配图和部分零件图，用CREO进行定容燃烧弹的三维模型的建立，把建立好的数模导入ANSYS中，进而利用ANSYS对其玻璃进行应力和温度的分析。除此之外，对定容弹系统中的部分系统进行相关设计。根据设计好的定容燃烧弹搭建光学测试平台。通过此次毕业设计，期望达成以下目标：

（1）了解研究燃料喷雾特性的重要意义和研究方法；

（2）成功设计出高温定容燃烧弹，设计压力为6.0MPa，设计温度为450°C，容积为0.06m³，整个容弹净重为1200kg左右；

（3）设计出单层的视窗玻璃，其设计直径为130mm，厚度为75mm。设计出单层隔热玻璃，其设计直径为103mm，厚度为5mm。它们的材料为JGS1的石英玻璃。以便更好地承受高温高压的环境，利于光学系统诊断和实验研究；

（4）对定容燃烧弹系统里面的各个相关系统的相关部件进行相应的选取、设计和描述工作。

（5）了解光学测试平台的作用，选取一个符合要求的光学平台，对部分设备的进行合理的布置。

定容燃烧弹的功能与结构设计

定容燃烧弹的功能

对于建立的定容燃烧弹可以对常规和非常规的燃料进行燃烧过程的观察研究与分析，对各种燃料在各种工况的燃烧过程中的物理变化进行调研。在对燃烧弹配备各种光学分析仪器时，可对各种燃料的产物进行进一步的光谱分析与研究。在各种燃料进行燃烧的过程中，燃烧弹可以通过控制系统对其工况条件进行各种调整，以便于对各种工况下的实验结果进行比对与分析。在各种软件的帮助下，还可以对实验出的结果进行时的比对与分析。

定容弹的结构设计

设计出定容弹的主要目的在于模拟发动机内的运行环境。通过对发动机内上止点附近的高温高压的工况的切实模拟，可以从燃烧弹上提供的光学通路中观察到各种燃料的喷雾特性，并加以研究分析。为了更好地达到这些目的，在进行定容燃烧弹的设计时，应把各个方面考虑周全，统筹兼顾。既要考虑到燃料气体的进入问题，也要考虑到废气的排出问题；既要考虑到喷油器的安装问题，也要考虑到火花塞的安装问题；既要考虑到他的功能性，也必须考虑到他的安全性。以下给出定容燃烧弹的工作流程的简介：在扫气后，燃料燃烧使得定容燃烧弹的腔内的压力迅速提升；由于定容弹的弹体壁面的传热损失，使得定容弹内的压力在燃料燃烧完毕到达峰值之后持续下降；当到达某一设定的数值后，系统开始喷油和高速摄像的拍摄工作，以此记录各种燃料的喷雾图像和燃料燃烧过程中的各种变化情况。

由于在对石英玻璃进行分析时采用到了ANSYS这款有限元分析软件，以下对ANSYS有限元分析软件进行简单的介绍工作。

这款软件主要是由三个部分构成，分别是前处理模块，分析计算模块以及后处理模块。在前处理模块中，其给出的是一个有力的实体建模和网格划分工具，使用者可以更加便捷地构造有限元模型。在分析计算模块中，它给出的是流体动力学分析，声场分析，结构分析，电磁场分析以及多物理场的耦合分析，可利用这个模块模拟分析出多种物理介质之间的相互作用，此部分使分析更加的优化。在后处理模块中，我们可以将计算出的结果以各种各样的图形方式，图表形式，线形式表达出来。此款软件提供了不低于一百种的单元类型，以便于人们在使用过程中准确的模拟出各种样式的材料和结构。

软件自开发以来，更新了诸多版本，以便于在使用过程中适用不同的硬件环境。即从小型的个人电脑到大型的计算机器都能够很好的使用ANSYS这款有限元分析软件。

定容弹的主体设计

为了使定容燃烧弹可以在不同的工况下安全工作，要求定容燃烧弹必须能够承受的住燃料的高温高压的燃烧冲击，设计的定容燃烧弹必须便于各种设备的接入。

设计的定容燃烧弹如图2.1所示，此图为用CREO制作的定容燃烧弹的三维模型。如图2.2所示为定容燃烧弹的实物图。此燃烧弹整体用不锈钢304制作。四周有四个结构完全相同的对称的光学通路。定容弹的设计压力为6.0MPa，设计温度为450°C。整个弹体的重量为1200kg左右。

定容燃烧弹整体大致是由上封盘、下封盘、弹体、玻璃压板、视窗座、视窗玻璃以及各个螺栓组成。整体形状类似一个大圆柱体加上对称分布的四个小圆柱通路。其体积约为0.06m³，周围的四个通孔为光学通路，通路上安装有相应大小的石英玻璃，可视化窗口的设计便于进行实验研究和实验数据的获取。在定容燃烧弹上封盘部位，可以装有喷油适配器和温度传感器以便于各种燃料喷入腔体内和定容弹中各个部位温度的监控。其燃烧部分即为大圆柱体的中心空心的腔体部分。在定容弹的周围及下封盘部位区域可以布置进排气管，温度和压力传感器，冷却水的进出管道等。如图2.3为压力表的表盘，采用的是青岛华青集团有限公司制作的压力表。在安装座上采用众所周知的耐高温又耐油的氟橡胶O型圈进行密封工作，并结合螺旋进行压紧工作，最大程度保证了定容燃烧弹的密封性。为高温高压环境的创造作下了可靠的铺垫，为以后的维护工作也提供了便利。