CN101012771A - 采用汽油作燃料的内置横隔板定容燃烧室 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种采用汽油作燃料的内置横隔板定容燃烧室，属于内燃机燃烧领域。主要由本体(1)、横隔板、前端盖(24)、后端盖(27)、可视化视窗(25)等组成。其中，本体(1)的外部形状为长方体，内部是中间形状为长方体、两端为半圆体的空间，本体(1)的内壁设置有N对横槽，横隔板放置于其中的一对横槽内。横隔板上设置有孔。横隔板把本体(1)内部空间分为上、下两部分，在本体(1)的上部中心位置设置有火花塞(14)，在本体(1)的底部中心位置设置有气体压力传感器(10)。本发明采用内置横隔板，可将一个统一式燃烧室分隔为上、下两个燃烧室；上燃烧室(49)用于火花点燃燃烧研究，下燃烧室(50)用于压燃燃烧或引燃燃烧研究。

Description

采用汽油作燃料的内置横隔板定容燃烧室
技术领域
本发明涉及一种采用汽油作燃料的内置横隔板定容燃烧室(CVCC)，主要用于对影响汽油定容燃烧的各种因素进行分析，进而对实际应用的汽油机的性能进行优化，属于内燃机燃烧领域，具体为汽油/空气混合气的燃烧研究领域。
背景技术
国内外现有的研究汽油定容燃烧的装置为定容燃烧室或定容燃烧弹。现有定容燃烧室或定容燃烧弹的主要结构为一个圆球形、圆桶形、或立方体形的封闭统一空间，汽油和空气在此空间内进行混合和燃烧。现有定容燃烧室的主要缺点在于：(1)燃烧室为统一式(或一体化)空间，无法对燃烧室进行灵活的分隔；(2)由于燃烧室结构的特点，只能用于火花点燃燃烧研究，无法用于压燃燃烧或引燃燃烧研究。
发明内容
本发明的目的在于克服了现有定容燃烧室无法用于压燃燃烧和引燃燃烧研究的缺陷，提出了一种采用汽油作燃料的内置横隔板定容燃烧室，该燃烧室采用内置横隔板，将一个统一式燃烧室分隔为上燃烧室和下燃烧室，上燃烧室用于火花点燃燃烧研究，下燃烧室用于压燃燃烧或引燃燃烧研究，为研究目前汽油机燃烧室内均质混合气压燃现象提供借鉴。
为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。本装置主要由本体1、内置横隔板、前端盖24、后端盖27、可视化视窗25组成。本体1的内壁设置有N对横槽，横隔板放置于其中的一对横槽内，且横隔板可拆卸，并在横隔板上设置有通孔，横隔板把本体1内部空间分为上、下两部分，分别称为上燃烧室49和下燃烧室50，通过横隔板放置的不同的横槽内来改变上下燃烧室的容积。在本体1的一个侧面设置有上喷油器安装孔36和下喷油器安装孔37，在本体1的另一侧壁设置有用于安装可耐高温高压的进气阀的上进气阀安装孔38和下进气阀安装孔39；在后端盖27设置有用于安装可耐高温高压的排气阀的上排气阀安装孔47和下排气阀安装孔48。其中，上喷油器安装孔36、上进气阀安装孔38和上排气阀安装孔47与上燃烧室49连通，下喷油器安装孔37、下进气阀安装孔39、下排气阀安装孔48与下燃烧室50连通。在本体1的上部中心位置处设置有火花塞安装孔51，火花塞安装孔51与上燃烧室49连通；在本体1上还设置有本体温度传感器安装孔53，本体温度传感器安装孔53未与燃烧室连通；在本体1的底部中心设置气体压力传感器安装孔52。
所述的N取值范围为1～10。
所述的横隔板上通孔的数目为1个或3个或9个。
所述的横隔板上通孔的直径相同。
所述的横隔板上的通孔的直径为0.5mm或1.0mm或1.5mm或2.0mm。
燃烧室为中间形状为长方体、两端为半圆体的空间。
横隔板根据通孔的数目分为1孔、3孔和9孔三个系列，根据横隔板上孔径的不同，横隔板又可分为0.5mm、1.0mm、1.5mm、2.0mm四个系列。本体上还有由石英玻璃制成的可视化视窗25，安装在横隔板的前面。
该装置的工作过程如图22所示：
1)同时从上、下进气阀以设定压力(压力可调)分别向上、下两个燃烧室充入空气，当燃烧室内的空气压力值达到试验要求后，关闭上、下进气阀。可以根据试验要求，用调压器4控制空气进气压力，用压力表6监测燃烧室内的空气压力值；
2)上、下两个喷油器以设定喷油压力(压力可调)分别向上、下两个燃烧室喷入汽油；通过控制喷油压力和喷油器电磁阀的通电时间，可以准确的控制喷入燃烧室内的汽油量；
3)通过设置在本体1上的三个电加热器11、后端盖27上的一个电加热器11以及两个电热塞，加热定容燃烧室内的汽油和空气，使之尽快形成均质的混合气；
4)约十分钟后，即可通过火花塞14点燃上燃烧室49内的混合气。经很短时间后，火焰前沿到达横隔板，此时存在两种可能：一是火焰通过横隔板上的小孔时被淬熄，高温高压的已燃气体进入下燃烧室50，对下燃烧室50内的未燃混合气进行压缩，下燃烧室50内的均质混合气可能会产生自燃(压燃现象)；二是火焰通过横隔板上的小孔时没有被淬熄，产生射流效应，快速引燃下燃烧室50内的均质混合气。燃烧室内火焰传播过程可以使用高速摄影机8透过CVCC前部的石英玻璃可视化视窗25拍摄下来，同时可使用气体压力传感器10测量燃烧室内的压力值；
5)上、下燃烧室内的混合气完全燃烧后，打开上、下两个排气阀并启动真空泵21排出废气。
本装置采用分隔式燃烧室，并且横隔板安装位置可调，横隔板上孔的直径及数目可选，如此一来，可通过实施多种试验方案来研究横隔板上孔的各种状况对于下燃烧室50内汽油/空气均质混合气压燃燃烧(自燃)或引燃燃烧的影响。
该装置的主要优点在于：(1)采用内置横隔板，可对燃烧室进行灵活分隔，可将一个统一式燃烧室分隔为上燃烧室49和下燃烧室50；(2)增加了用途，上燃烧室49用于火花点燃燃烧研究，下燃烧室50用于压燃燃烧或引燃燃烧研究；(3)上、下两个燃烧室分别独立地充入空气、喷入汽油、排出燃烧后的废气，与传统的统一式的燃烧室相比，现有的混合气的扩散行程明显小于传统燃烧室的扩散行程，因此油气的混合速度快，且形成的混合气更加均匀。除此之外，采用现设计的燃烧室结构，可以分别改变上、下燃烧室内的混合气的当量燃空比EQ值，便于设计不同的试验方案进行研究。
本装置是一种用于研究定容燃烧特点的燃烧室结构，与实际应用的内燃机燃烧室的最大区别在于结构简单，因而便于对汽油定容燃烧的各种影响因素(如进气压力、进气温度、喷油压力、空燃比、自燃条件)进行分析，进而对实际应用的汽油机的性能进行优化。
本装置可以方便的获得进气压力、喷油压力、燃烧室壁温度、空燃比、淬熄效应、射流效应对于汽油/空气混合气压燃燃烧(自燃)或引燃燃烧所产生的影响，通过分析内置横隔板CVCC内部燃烧情况，为研究目前汽油机燃烧室内均质混合气压燃现象提供借鉴。
附图说明
图1采用汽油作燃料的内置横隔板的CVCC试验测试系统
图2CVCC装配简图
图3CVCC本体主视图
图4CVCC本体侧视图
图5CVCC本体C视图
图6CVCC本体D视图
图7CVCC本体B视图
图8CVCC内置横隔板(单孔)主视图
图9CVCC内置横隔板(单孔)俯视图
图10CVCC内置横隔板(三孔)主视图
图11CVCC内置横隔板(三孔)俯视图
图12CVCC内置横隔板(九孔)主视图
图13CVCC内置横隔板(九孔)俯视图
图14CVCC前端盖主视图
图15CVCC前端盖侧视图
图16CVCC后端盖
图17CVCC后端盖F-F视图
图18CVCC后端盖G-G视图
图19CVCC可视化视窗主视图
图20CVCC可视化视窗侧视图
图21CVCC本体立体图
图22CVCC试验过程流程图
图23燃烧室内火焰传播图(当量燃空比0.80，进气压力(表压值)2bar)
图中：1-CVCC本体；2-上进气阀；3-电磁阀；4-调压器；5-储气罐；6-压力表；7-下进气阀；8-高速摄影机；9-图像信号采集系统；10-气体压力传感器；11-电加热器；12-温度控制器；13-CVCC本体温度传感器；14-火花塞；15-点火控制器；16-上喷油器；17-下喷油器；18-喷油泵；19-油箱；20-上排气阀；21-真空泵；22-下排气阀；23-喷油控制器；24-CVCC前端盖；25-CVCC可视化视窗；26-密封圈；27-CVCC后端盖；28-内置横隔板位置A；29-内置横隔板位置B；30-内置横隔板位置C；31-内置横隔板位置D；32-内置横隔板位置E；33-前端盖安装螺孔；34-电加热器安装螺孔；35-喷油器阀块安装螺孔；36-上喷油器安装孔；37-下喷油器安装孔；38-上进气阀安装孔；39-下进气阀安装孔；40-CVCC横隔板(单孔)；41-CVCC横隔板(三孔)；42-CVCC横隔板孔；43-CVCC横隔板(九孔)；44-光孔；45-电热塞安装孔；46-气体温度传感器安装孔；47-上排气阀安装孔；48-下排气阀安装孔；49-上燃烧室；50-下燃烧室；51-火花塞安装孔；52-气体压力传感器安装孔；53-CVCC本体温度传感器安装孔；54-压力信号采集系统。
具体实施方式
下面结合图1～图23详细说明本实施例。
本实施例主要由本体1、内置横隔板、前端盖24、后端盖27、可视化视窗25组成。本体1的内壁设置有5对横槽，5对横槽之间的间距为20mm。横隔板放置于其中的一对横槽29内，并在横隔板的中心设置有一个通孔42，横隔板把本体1内部空间分为上、下两部分，分别称为上燃烧室49和下燃烧室50。在本体1的右侧壁设置有上喷油器安装孔36和下喷油器安装孔37，在本体1的左侧壁设置有用于安装可耐高温高压的进气阀的上进气阀安装孔38和下进气阀安装孔39。在后端盖27设置有用于安装可耐高温高压的排气阀的上排气阀安装孔47和下排气阀安装孔48。其中，上喷油器安装孔36、上进气阀安装孔38和上排气阀安装孔47与上燃烧室49连通，下喷油器安装孔37、下进气阀安装孔39、下排气阀安装孔48与下燃烧室50连通。在本体1的上部中心位置处设置有火花塞安装孔51。本体1和前端盖24、后端盖27均采用螺钉固定，并用耐高温高压的O型密封圈26密封。在本体1的底部中心设置气体压力传感器安装孔52。在火花塞安装孔51旁还设置有本体温度传感器安装孔53(盲孔)，本体温度传感器安装孔53未与上燃烧室49连通。
燃烧室为中间形状为长方体、两端为半圆体的空间。
在火花塞安装孔51旁还设有本体温度传感器安装孔53(盲孔)，且本体温度传感器13与本体1紧密接触。
横隔板根据孔的数目分为1孔、3孔和9孔三个系列，根据横隔板上孔径的不同，横隔板又可分为0.5mm、1.0mm、1.5mm、2.0mm四个系列。本体1上还有由石英玻璃制成的可视化视窗25，安装在横隔板的前面。
在本体1的上侧面、左侧面、右侧面和后端盖27的外侧面分别设置有电加热器11。
在上、下燃烧室分别设有电热塞，电热塞可加热喷入燃烧室的汽油，促使其尽快雾化。
本实施例中，内置横隔板安装于图3及图4中内置横隔板位置B处29，横隔板距上燃烧室49顶部的距离是b为75mm，距下燃烧室50底部的距离是c为115mm，上、下燃烧室宽度均是a为65mm，上燃烧室49顶部半径是h为45mm，下燃烧室50底部半径是i为45mm。横隔板上设置有一个孔42，孔42在横隔板的中心位置，孔径为0.5mm，CVCC本体温度控制在80℃，喷油器喷油压力(表压值)设定为50bar。
利用上述装置进行了如下试验，其试验过程采取的CVCC试验测试系统的硬件连接图如图1所示。在进气部分分别设置有上进气阀2和下进气阀7，上、下进气阀分别独立地与电磁阀3、调压阀4和储气罐5相连接，且在电磁阀两端均设有压力表6，通过调压器4和压力表6来控制和监测燃烧室内的空气进气量。在排气部分分别设置有上排气阀20和下排气阀22，上、下排气阀分别独立地与电磁阀3和真空泵21相连接，且在排气阀与电磁阀间设有压力表6，用于即时读取排气压力的数值，其中真空泵21的作用是尽快将燃烧室内的废气排净。在燃料喷射部分分别设置有上喷油器16和下喷油器17，且上、下喷油器均由喷油控制器23控制，上、下喷油器均与调压阀4、喷油泵18和油箱19相连接，在喷油器与调压阀4间设置有压力表6，用于即时读取喷油压力的数值。在本体1的顶部设置有火花塞14，并与点火控制器15相连接。在本体1的顶部还设有本体温度传感器13，并与温度控制器12和电加热器11相连接，温度控制器12根据温度传感器13的反馈信号来控制四个电加热器11对CVCC本体和后端盖27的加热情况，从而控制CVCC本体1的温度。在本体1的底部中心设置有气体压力传感器10，并与压力信号采集系统54相连接，用于即时采集燃烧室内的燃烧压力数值。在本体1的前部通过可视化视窗25设置有高速摄影机8，并与图像信号采集系统9相连接，其主要作用是即时拍摄燃烧室内的燃烧情况和火焰的传播情况。
其试验过程如下所述：
试验一0：设定空气的进气压力值(表压值)为0bar，当燃烧室内的空气压力值达到要求后关闭进气阀；通过上、下喷油器向燃烧室内喷入汽油，使燃烧室内的混合气的当量燃空比EQ值(过量空气系数的倒数)达到0.88，然后通过本体1及后端盖27上的电加热器11和电热塞加热燃烧室内的汽油和空气，使之尽快形成均质的混合气；约十分钟后，通过火花塞14点燃上燃烧室49内的混合气，经过很短的时间，火焰前沿到达横隔板，此时火焰通过横隔板上的小孔42产生射流效应，下燃烧室50产生引燃燃烧现象，快速引燃下燃烧室50内的均质混合气；待上、下燃烧室内混合气完全燃烧后，打开上、下排气阀并启动真空泵21，排出废气。
试验二：试验过程如试验一所述，只改变燃烧室内的混合气的当量燃空比EQ值(过量空气系数的倒数)为1.0，此时火焰通过横隔板上的小孔42产生射流效应，下燃烧室50产生引燃燃烧现象。
试验三：试验过程如试验一所述，改变空气的进气压力值(表压值)为1bar，改变燃烧室内的混合气的当量燃空比EQ值(过量空气系数的倒数)为0.75，此时火焰通过横隔板上的小孔42产生射流效应，下燃烧室50产生引燃燃烧现象。
试验四：试验过程如试验一所述，改变空气的进气压力值(表压值)为1bar，改变燃烧室内的混合气的当量燃空比EQ值(过量空气系数的倒数)为0.8，此时火焰通过横隔板上的小孔42产生射流效应，下燃烧室50产生引燃燃烧现象。
试验五：试验过程如试验一所述，改变空气的进气压力值(表压值)为1bar，改变燃烧室内的混合气的当量燃空比EQ值(过量空气系数的倒数)为0.88，此时火焰通过横隔板上的小孔42产生射流效应，下燃烧室50产生引燃燃烧现象。
试验六：试验过程如试验一所述，改变空气的进气压力值(表压值)为1bar，改变燃烧室内的混合气的当量燃空比EQ值(过量空气系数的倒数)为1.0，此时火焰通过横隔板上的小孔42产生射流效应，下燃烧室50产生引燃燃烧现象。
试验七：试验过程如试验一所述，改变空气的进气压力值(表压值)为2bar，改变燃烧室内的混合气的当量燃空比EQ值(过量空气系数的倒数)为0.75，此时火焰通过横隔板上的小孔42产生淬熄效应，高温高压已燃气体进入下燃烧室50，此时下燃烧室50产生压燃燃烧现象。
试验八：试验过程如试验一所述，改变空气的进气压力值(表压值)为2bar，改变燃烧室内的混合气的当量燃空比EQ值(过量空气系数的倒数)为0.8，此时火焰通过横隔板上的小孔42产生淬熄效应，高温高压已燃气体进入下燃烧室50，此时下燃烧室50产生压燃燃烧现象。
在试验过程中，燃烧室内压力值数据如表1所示(无数据的空格表示没有进行试验)。
根据上述的压力测试结果，很明显可以得到两个结论：
1)如果在一定范围内加浓混合气，则燃烧的最高压力值随之提高。
2)如果增加进气压力值，则燃烧的最高压力值也随之提高。
在上述试验时，当空气进气压力值为0bar和1bar时(均为表压值)，下燃烧室50内产生引燃燃烧过程。当进气压力为2bar时(表压值)，下燃烧室50内产生压燃燃烧过程，如图23所示。在图23中可以看出：在0ms时，上燃烧室内的火花塞点火；21.25ms时，火焰前沿已经到达了内置横隔板位置B处29；23.375ms时，由于压燃效应，在下燃烧室50的中心区域出现了火焰，随后迅速传播。
表1燃烧室内压力值

Claims (6)

1、采用汽油作燃料的内置横隔板定容燃烧室，主要包括有本体(1)、前端盖(24)、后端盖(27)和设置在前端盖(24)上的可视化视窗(25)，本体(1)和前端盖(24)、后端盖(27)围成燃烧室；其特征在于：在本体(1)的内壁设置有N对横槽，横隔板放置在其中的一对横槽内，横隔板将燃烧室分为上燃烧室(49)和下燃烧室(50)两部分，横隔板上设置有通孔(42)；在本体(1)上设置有上喷油器安装孔(36)、下喷油器安装孔(37)、上进气阀安装孔(38)、下进气阀安装孔(39)，在后端盖(27)上设置有上排气阀安装孔(47)、下排气阀安装孔(48)；其中，上喷油器安装孔(36)、上进气阀安装孔(38)和上排气阀安装孔(47)与上燃烧室(49)连通，下喷油器安装孔(37)、下进气阀安装孔(39)、下排气阀安装孔(48)与下燃烧室(50)连通；在本体(1)的顶部设置有火花塞安装孔(51)，火花塞安装孔(51)与上燃烧室(49)连通；在本体(1)上还设置有本体温度传感器安装孔(53)，本体温度传感器安装孔(53)未与燃烧室连通；在本体(1)的底部中心设置气体压力传感器安装孔(52)。
2、根据权利要求1所述的采用汽油作燃料的内置横隔板定容燃烧室，其特征在于：所述的N取值范围为1～10。
3、根据权利要求1所述的采用汽油作燃料的内置横隔板定容燃烧室，其特征在于：所述的横隔板上通孔的数目为1个或3个或9个。
4、根据权利要求1或权利要求3所述的采用汽油作燃料的内置横隔板定容燃烧室，其特征在于：所述的横隔板上通孔的直径相同。
5、根据权利要求4所述的采用汽油作燃料的内置横隔板定容燃烧室，其特征在于：所述的横隔板上的通孔的直径为0.5mm或1.0mm或1.5mm或2.0mm。
6、根据权利要求1所述的采用汽油作燃料的内置横隔板定容燃烧室，其特征在于：燃烧室为中间形状为长方体、两端为半圆体的空间。
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