摘 要

本文针对燃油喷雾特性实验的不同实际要求，自行设计了一套定容燃烧弹实验装置，并以此实验装置设计光学观测系统和数据处理系统。定容燃烧弹实验系统能够模拟内燃机在压缩上止点附近的气缸内部工作情况；光学观测系统可以记录燃油喷雾的宏观特性和微观特性，使实验过程可视化；数据处理系统能获取图像所携带的喷雾特性，并对图像进行增强处理。

所设计的定容燃烧弹实验装置有良好的承高压、承高温和密封性能，为喷雾实验提供所需的背压和温度条件。光学观测系统采用纹影法、PIV和PDPA三种测量手段，使喷雾图像可视化，可同时得到喷雾的宏观特性和微观特性。数据处理系统基于MATLAB软件设计而成，可提取出实际喷雾图像继而分析计算得到实验结果。

本文还设计有一些附属系统如进排气系统可以保证装置内气压并提供燃烧所需的空气，还有加热系统用于模拟缸内高温环境，以及提供燃油和喷雾的喷油器。

关键词：定容弹；PIV；喷雾特性；MATLAB

Abstract

In this paper, according to different actual requirements of the fuel spray characteristics experiment. A set of constant volume combustion chamber (CVCC) experimental device was designed and the optical observation system and data processing system were designed for this experimental device. The constant volume combustion chamber experiment system can simulate the internal working conditions of the internal combustion engine near the compression top dead center of the internal combustion engine. The optical observation system can record the macroscopic characteristics and microscopic characteristics of fuel spray and translate this process visualized. The data processing system can obtain the spray characteristics from the image meanwhile enhance them.

The designed constant volume incendiary bomb experimental device has good bearing high pressure, high temperature bearing and sealing performance, and provides the necessary backpressure and temperature conditions for spray experiments. The optical observation system uses schlieren method, PIV and PDPA three kinds of measurement methods to visualize the spray image, and can simultaneously obtain the macroscopic and microscopic characteristics of the spray. The data processing system is based on MATLAB software, which can extract the actual spray image and then analyze and calculate the experimental results.

This article also designed some ancillary systems such as the intake and exhaust system to ensure that the air pressure inside the device and provide the air required for combustion, as well as the heating system used to simulate the high temperature environment within the cylinder, as well as fuel injectors to provide fuel and spray.

Key Words：CVCC; PIV; spry characteristics; MATLAB

目 录

第1章 绪论 1

1.1课题研究背景及意义 1

1.2燃烧实验装置 2

1.3光学观测方法 5

1.3.1 直接摄影法 6

1.3.2纹影法 6

1.3.3粒子图像速度场仪 6

1.3.4激光多普勒 6

1.3.5相位多普勒粒子分析 6

1.3.6激光诱导荧光法（LIF） 7

1.4本文主要研究内容及目标 7

第2章 定容燃烧弹的设计 8

2.1弹体主体设计 8

2.1.1材料选择 8

2.1.2参数设计 9

2.1.3弹体强度校核 12

2.2密封设计 13

2.2.1封盖设计 13

2.2.2紧固螺栓计算 14

2.3观测窗口设计 16

2.3.1观测窗口结构图 17

2.3.2观测窗口参数设计 17

2.4弹体加热设计 18

2.4.1外部气体加热 18

2.4.2电加热 18

2.4.3预混燃烧加热 18

第3章 光学观测系统设计 19

3.1纹影法光路搭建 19

3.2PIV光路搭建 20

3.3PDPA光路搭建 21

3.4观测窗口布置 22

第4章 喷雾图像处理方法 24

4.1图像处理的流程 24

4.2读取数字图像 24

4.3灰度图转换 25

4.4提取喷雾图像 25

4.5图像边缘检测 25

4.6图像形态学操作 26

4.7图像识别与计算 26

第5章 总结与展望 27

5.1全文总结 27

5.2 展望 28

参考文献 29

致 谢 31

附 图 32

第1章 绪论

1.1课题研究背景及意义

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。主要污染物包括碳氧化物、氮氧化物（NOx）、碳氢化合物（HC）以及细微颗粒（PM）。微粒物是雾霾的主要成分，不仅会引发各种呼吸道疾病，重度雾霾天气还会导致交通受阻、航班停运；CO 能够阻止人体内的血红蛋白与氧气结合，降低血液的输氧能力；而碳氢化合物与空气中的氮化物在阳光的照射下会发生化学反应，产生污染气体，也称光化学污染，这些污染物严重威胁着人们的身心健康。^[17]如图1.1所示，柴油发动机对上述四种主要污染物的贡献率都比较高。

图1.1 柴油车污染排放物占汽车比例^[17]

随着汽车保有量日益增加，汽车尾气排放物对空气污染的贡献已成为不可忽视的问题，各国政府对此也高度重视，数十年来不断出台新的环保法规。目前世界上主要的三大排放法规分别由美国、日本和欧盟制定，以欧盟的排放法规为例，如表1.1所示，在早期法规中，对CO、HC和NOx的要求都不高，甚至对烟雾没有要求，仅提高了对颗粒物排放的要求。而进入21世纪后，从欧Ⅲ到欧Ⅵ的标准中，对各项污染物排放都提出了愈发严苛的要求。可以预见，未来这种状况还会持续，甚至会增加排放物的种类要求。由此可见，世界各国对于尾气排放问题的重视。为满足严格的新排放法规，本文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。

表1.1 欧洲柴油机排放标准

1.2燃烧实验装置

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。

因定容燃烧弹的设计参数有多种选择，且可搭配不同的观测手段来记录实验结果，所以国内外众多高校及科研院所会自行设计满足不同实验要求的定容弹装置，表1.2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的汇总表格

表1.2 各研究机构设计定容弹的参数

研究机构	弹体形状、尺寸	压力范围	喷油装置及压力	燃料	引燃方式	观测手段
阿卜杜拉国王科技大学	腔体容积0.95L 立方体	5MPa	高压共轨系统 100MPa	生物柴油、柴油	火花塞、等离子线圈	Phantom 4.3 高速摄像机
西安交通大学	内部尺寸108x108 x135mm	工作压力 5MPa		乙醇汽油		NEC E-10 高速摄像机
广岛大学	圆柱形直径为76mm，高为30mm，容积为138cc	工作压力 10MPa		丙烷	壁侧布置一对火花塞	Photometrics 高速摄像机
韩国科学技术院	圆柱形	工作压力13MPa	35MPa	柴油	两个火花塞点火	五个直径 96mm的观测窗口 Photron, FASTCAM SA1.1高速摄像机
天津大学	圆筒型 直径80mm 高268mm	10MPa	高压共轨系统40~120MPa	柴油		Photron SA 1.1 高速摄像机
华中科技大学	立方体外壳边长380mm 内腔边长136mm	工作压力10MPa	博世CRIN2型燃油喷射器 1500bar	戊醇、柴油		MotionPro Y4-S1高速摄像机
美国西南研究院	外部为方形 内部为两个相交圆筒	1MPa	90MPa	柴油	火花塞	Vision Research Phantom v7.0 高速摄像机
桑迪亚国家实验室	圆柱形直径114.3mm， 高28.6mm	35MPa	高压液体泵，蓄能器，注油器 180~350MPa	柴油	火花塞	Hycam 高速摄像机
广西大学	立方体 外壳280x280 以上是毕业论文大纲或资料介绍，该课题完整毕业论文、开题报告、任务书、程序设计、图纸设计等资料请添加微信获取，微信号：bysjorg。 相关图片展示： 您需要先支付 80元 才能查看全部内容！立即支付 课题毕业论文、开题报告、任务书、外文翻译、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。 最新文档 泗阳县中小学足球运动的现状调查与对策研究 南京市雨花台中学校园足球活动开展制约因素调查分析 酒店管理系统的设计与实现 基于安卓的公路客运售票系统的设计与实现 淮安市金湖三所高中女生耐力跑的现状调查及对策研究 连云港市灌云县初级中学体育课开展情况调查与分析 连云港市新浦区业余网球运动发展现状与市场前景探讨 影响铜山区初中生选择课余体育体育锻炼项目的因素分析 浅析刘锦棠对新疆环境治理的贡献 洪泽县城区中学开设羽毛球课程现状调查与研究 宿迁市宿城区中学开展篮球运动现状的调查分析 高校健美操教学中学生学习兴趣培养的研究 关于宿迁市区三所高中的校园篮球开展状况的调查分析 联系我们 加微信咨询 加QQ咨询 服务时间：09:00-23:50(周一至周日)   