CN101832174A

CN101832174A - 可内置横隔板的气体燃料定容燃烧室

Info

Publication number: CN101832174A
Application number: CN201010132372A
Authority: CN
Inventors: 张红光; 白小磊; 韩雪娇; 孙晓娜
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2010-03-26
Filing date: 2010-03-26
Publication date: 2010-09-15
Anticipated expiration: 2030-03-26
Also published as: CN101832174B

Abstract

可内置横隔板的气体燃料定容燃烧室属于内燃机燃烧领域。主要由本体(1)、横隔板(27)、前端盖(44)、视窗(46)等组成，内部形状为正方体。本体(1)的内壁设置有N对横隔板插槽(63)，横隔板放置于其中的一对横隔板插槽内，横隔板上设置有孔或狭缝。在不加横隔板时，燃烧室为点火针中心点火燃烧室；加横隔板时，横隔板把本体(1)内部空间分为上、下两个燃烧室。在本体(1)的上部中心位置设置有火花塞(2)，在本体(1)的底部中心位置设置有火花塞式压力传感器(7)。本发明不采用内置横隔板时，可用于研究气体燃料的层流燃烧特性；采用内置横隔板时，上燃烧室(29)用于火花点燃燃烧研究，下燃烧室(32)用于压燃燃烧或引燃燃烧或火焰狭缝淬熄效应研究。

Description

可内置横隔板的气体燃料定容燃烧室

技术领域

本发明涉及一种燃烧气体燃料的内置横隔板定容燃烧室(CVCC)，主要用于对影响各种气体燃料定容燃烧的各种因素进行分析，进而对实际应用的内燃机的性能进行优化，属于内燃机燃烧研究领域。

背景技术

国内外现有的研究气体燃料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圆球形、圆桶形、或椭圆形的封闭统一空间，燃料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、只能对液体燃料进行燃烧的研究；2、由于燃烧室结构的特点，只能用火花塞置顶点火，不加隔板时不能在燃烧室中心点火，无法研究球型火焰的扩散和层流燃烧；3、隔板的形状和开孔单一，不能研究火焰的狭缝淬熄效应；4、不能上下同时点火模仿发动机的EGR效应。

发明内容

本发明的目的在于克服了现有定容燃烧室无法同时用于压燃燃烧和中心点燃燃烧研究的缺陷，提出了一种燃烧气体燃料的可内置横隔板的定容燃烧室。在不加横隔板时，就是一个常见的一体式的燃烧室，可以实现中心电极点火，从而对气体燃料的层流燃烧特性进行研究；在燃烧室内加可变异形横隔板时，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，为研究目前燃烧天然气等气体燃料的发动机燃烧室内均质混合气压燃和爆燃现象提供借鉴；此外，在加置带不同狭缝的横隔板时可以用来研究火焰的狭缝淬熄效应。

为了实现上述目的，本发明设计了一种可内置横隔板的气体燃料定容燃烧室，主要包括有本体、前端盖和嵌在前端盖中的视窗，本体和视窗围成燃烧室，并且本体左右内壁上设有1～5对的横隔板插槽，并设有横隔板，横隔板插入插槽将燃烧室分为上燃烧室和下燃烧室；在本体上还设置有与上燃烧室连通的火花塞安装孔、耐高温高压阀安装孔、上进排气阀安装孔，与下燃烧室连通的火花塞式压力传感器安装孔、下进排气阀安装孔，与上燃烧室或与下燃烧室连通的温度传感器安装孔；视窗为高强度透明介质，从前端盖内侧嵌入，前端盖外侧设挡住视窗的凸沿；横隔板上设置有1～9个直径相同的通孔或1～9条狭缝，通孔的直径为0.5mm～2.0mm，狭缝的宽度为0.5mm～3.0mm；并且，在燃烧室左右两侧的正中心部位设置有正极点火针安装孔和负极点火针安装孔。

所述横隔板上等间隔设置有可将上燃烧室分成更多燃烧室的纵隔板2～4片，并在本体的顶壁上设置有2～4条可插入纵隔板的纵隔板定位槽。纵隔板的优选数为：2或4片。

所述横隔板上通孔的数目优选为：横隔板位于中心的1个或一字均匀排列的3个或均匀“田”字排列的9个。对于设置有纵隔板的横隔板，由纵隔板隔出的各区域中孔的优选数目为位于各区域中心的1个或一字均匀排列的3个。所述横隔板上的通孔的直径优选为：0.5mm或1.0mm或1.5mm或2.0mm。

所述横隔板上狭缝的数目优选为：位于横隔板中心的1条或均匀排列的3条或5条或7条或9条。对于设置有纵隔板的横隔板，由纵隔板隔出的各区域中狭缝的优选数目为位于各区域中心的1条或均匀排列的3条。所述横隔板上的狭缝的宽度优选为：0.5mm或1.0mm或1.5mm或2.0mm或2.5mm或3mm。

本装置的燃烧室内腔优选为正方体，且燃烧室的边长不小于100mm。

在本体上还设置有与下燃烧室连通的火花塞安装孔。当插入横隔板时，利用上下火花塞点火的时序，可模拟发动机EGR效应(一个燃烧室先点火产生的废气通过隔板小孔进入另外一个燃烧室，然后另一个火花塞立刻点火)。

本装置的主要优点在于：1、采用内置异性横隔板，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和下燃烧室；2、增加了用途，不加隔板时可研究可燃气体的层流燃烧特性，加隔板时用于压燃燃烧或引燃燃烧或狭缝淬熄效应的研究；3、上、下两个燃烧室分别独立地充入可燃气体空气混合气，使得形成的混合气更加均匀；4、燃烧室整体结构为正方体，有利于统一燃烧试验时球型火焰的传播扩散；5、专门针对气体燃料所设计的燃烧装置；6、采用的横隔板上带有纵隔板，可将上燃烧室进一步的分割；7、可视化窗口的石英玻璃可依靠燃烧室内部高压气体实现自密封；8、对于气体燃料燃烧后会在石英玻璃上产生大量水汽问题，而石英玻璃经常拆卸容易损坏，本发明将石英玻璃安装在前端盖上，清洗时只拆卸前端盖即可；9、燃烧室顶部和底部同时装有火花塞，控制两者的点火时序，可用来模拟发动机的EGR效应。

附图说明

图1为本发明一优选实施例——气体燃料CVCC试验测试系统

图2为图1所示实施例CVCC装配简图

图3为图1所示实施例CVCC本体主视图

图4为图1所示实施例CVCC本体俯视图

图5为图1所示实施例CVCC本体右视图

图6为图1所示实施例CVCC本体A视图

图7为图1所示实施例CVCC本体B视图

图8为图1所示实施例CVCC本体C视图

图9为图1所示实施例CVCC本体D视图

图10为图1所示实施例CVCC端盖图

图11为图1所示实施例CVCC窗盖图

图12为图1所示实施例CVCC视窗图

图13为图1所示实施例CVCC内置单孔横隔板示意图

图14为图1所示实施例CVCC内置三孔横隔板示意图

图15为图1所示实施例CVCC内置九孔横隔板示意图

图16为图1所示实施例CVCC内置带纵隔板的单孔横隔板示意图

图17为图1所示实施例CVCC内置带纵隔板的三孔横隔板示意图

图18为图1所示实施例CVCC内置单缝横隔板示意图

图19为图1所示实施例CVCC内置三缝横隔板示意图

图20为图1所示实施例CVCC试验过程流程图

图21为图1所示实施例CVCC本体基本构造立体图

图中：1-CVCC本体；2-火花塞；3-点火控制系统；4-高温高压阀；5-压力变送器；6-负极点火针；7-压力传感器；8-压力信号采集系统；9-正极点火针；10-温度传感器；11-电加热器；12-温度控制仪；13-高速摄影机；14-下进排气阀；15-上进排气阀；16-开关阀；17-精密压力表；18-空气减压阀；19-空气瓶；20-可燃气瓶；21-可燃气减压阀；22-精密压力表；23-单向开关阀；24-开关阀；25-真空表；26-真空泵；27-可变异形横隔板；28-图像信号采集系统；29-上燃烧室；30-内置横隔板位置A；31-内置横隔板位置B；32-下燃烧室；33-火花塞式压力传感器安装孔；34-下进排气阀安装孔；35-温度传感器安装孔；36-正极点火针安装孔；37-上进排气阀安装孔；38-高温高压阀安装孔；39-火花塞安装孔；40-玻璃密封垫；41-前端盖密封垫；42-窗盖安装螺栓；43-窗盖；44-前端盖；45-前端盖安装螺栓；46-视窗；47-前端面安装螺栓孔；48-纵隔板定位槽；49-支架安装孔；50-负极点火针安装孔；51-前端盖安装孔；52-安装窗盖螺栓孔；53-窗盖安装沉孔；54-单孔横隔板；55-隔板通孔；56-三孔横隔板；57-九孔横隔板；58-带纵隔板的单孔横隔板；59-带纵隔板的三孔横隔板；60-单缝横隔板；61-隔板狭缝；62-三缝横隔板；63-横隔板插槽。

具体实施方式

基于本专利的特点，主要是三种实施方式。第一、不加隔板时中心点火针点火，用于研究气体燃料层流燃烧特性的试验；第二、加带小孔隔板时燃烧室顶部火花塞点火或顶部底部按一定的时序点火，用于研究气体燃料的压燃(自然)或引燃现象及EGR效应；第三、加带狭缝隔板时燃烧室火花塞顶部点火，用于研究气体燃料的狭缝淬熄效应。

下面结合图1～图21详细说明燃烧室内加带小孔隔板和狭缝隔板时的实施例。

本实施例主要由本体1、内置横隔板、前端盖44、视窗46、各路管接件和传感器等组成。本体1的左右内壁设置有两对横隔板插槽63，分别为内置横隔板位置A 30和内置横隔板位置B31，横隔板放置于其中的一对横隔板插槽63内，横隔板的上设置有一个隔板通孔55或隔板狭缝61。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29和下燃烧室32。本体1的上内壁还设有纵隔板定位槽48，可插入带纵隔板的横隔板，可将上燃烧室的有效体积变得更小。在本体1的后壁设置有用于安装可耐高温高压的进排气阀的上进排气阀安装孔37和下排气阀安装孔34；在本体1的左侧壁设置有负极点火针6安装孔50；在右侧壁设置有正极点火针9安装孔36和温度传感器安装孔10；在本体1的上部设置有火花塞2的安装孔39和用于连接压力变送器5的耐高温高压阀4的安装孔38；在本体1的底部中心设置火花塞式气体压力传感器7的安装孔33。其中，上进排气阀安装孔37、火花塞安装孔39和顶部测压开关阀安装孔38与上燃烧室29连通，下进排气阀安装孔34和压力传感器安装孔33与下燃烧室32连通。本体1和前端盖44采用螺钉固定，由于气体燃料燃烧后在视窗46上会产生大量的水汽，所以视窗46需要经常拆卸清洗，视窗46一般采用石英玻璃(如图12)，而石英玻璃是一种很易碎的材料且很昂贵，为了避免经常拆卸石英玻璃，在前端盖44前面的窗口处设凸台，视窗46前面压在凸台上，后面用窗盖43压紧在前端盖44上(如图2)，如此一来，清洗玻璃面时，只需要把前端盖密卸下来即可，封面处用耐高温高压的氟橡胶密封垫来密封。

燃烧室为边长100mm的正方体。

电加热器11采用可方便缠绕的加热带，温度传感器10选K型热电偶。

本实施例中对于带孔的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，可分为0.5mm、1.0mm、1.5mm、2.0mm四个系列，根据形状又可分为不带横隔板(图13、图14)和带有纵隔板的横隔板(图16、图17)两个系列。

本实施例中还有带狭缝的横隔板，对于带狭缝的横隔板三根据狭缝的数目分为1条、3条两个系列(图18、图19)，根据横隔板上缝距的不同，可分为0.5mm、1.0mm、1.5mm、2.0mm、2.5mm、3mm六个系列。

本实施例中，内置横隔板位置A 30距上燃烧室29顶部的距离是a为34mm，内置横隔板位置B 31距下燃烧室32底部的距离是c为34mm，两内置横隔板位置A、B之间距离是b为32mm。单孔横隔板54(图13)、三孔横隔板56(图14)、九孔横隔板57(图15)、带纵隔板的单孔横隔板58(图16)、带纵隔板的三孔横隔板59(图17)、单缝横隔板60(图18)、三缝横隔板62(图19)皆可插于内置横隔板位置A 30；单孔横隔板54(图13)、三孔横隔板56(图14)、九孔横隔板57(图15)、单缝横隔板60(图18)、三缝横隔板62(图19)还可插于内置横隔板位置B 31。

气体燃料CVCC试验测试系统的硬件连接图如图1所示。在进排气部分分别设置有上进排气阀15和下进排气阀14，上、下进气阀同时与供气管路相连接，实现上下燃烧室同时进气，使得混合气快速均匀混合。空气从气瓶19出来，通过减压阀18调节压力，此时压力的初步大小由精密压力表17读出，然后先打开阀门14和15，再打开阀门16给燃烧内充入空气，燃烧室内空气充入的压力值通过不断调节减压阀18，由压力变送器5读出；同样，可燃气体从气瓶20出来，通过减压阀21调节压力，此时压力的初步大小由精密压力表22读出，然后先打开阀门14和15，再打开阀门23给燃烧室内充可燃气体，混合气最后的压力值通过调节减压阀21，由压力变送器5读出；在排气时，打开阀门14、15和24，通过真空泵26将燃烧室内的残余废气排出去，真空表25用来显示燃烧室的真空度。在本体1的顶部中心设置有火花塞2，并与点火控制器3相连接；在本体1的顶部还装有耐高温高压阀4，并与压力变送器5相连接；在本体1的底部中心的火花塞式压力传感器安装孔33中设置火花塞式压力传感器7，并与压力信号采集系统8相连接，用于瞬时采集燃烧室内的燃烧压力数值；在本体1的左右侧壁上分别装有正负点火针6和9，它们同时与点火控制器3相连接；在本体1的右侧壁上还装有温度传感器10，并与温度控制器12相连接，温度控制器12根据温度传感器10的反馈信号来控制缠绕在CVCC本体外表面上的加热带11，从而控制燃烧内的温度大小。在本体1的前部通过视窗46设置有高速摄影机13，并与图像信号采集系统28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。

该装置的工作过程如图20所示：

1、在燃烧室内不加横隔板时，燃烧室为中心点火的统一燃烧室。可以用来研究气体燃料的层流燃烧特性。

1)通过空气减压阀18调节空气压力，打开阀14、16从底部向燃烧室充入空气，当燃烧室内的空气压力值达到试验要求后，关闭进气阀14。燃烧室内的空气压力值通过压力变送器3测量得到。

2)同空气的充气方法一样，减压阀21调节可燃气体压力，压力变送器3监测燃烧室内混合气的压力，当压力值到达目标压力时，立刻关闭进气阀。

3)通过温控箱12设定目标温度，热电偶10实时监测燃烧室内混合气的温度反馈给温控箱，如果温度小于目标温度，温控箱自动给加热带11供电加热，直到达到了目标温度后停止。

4)混合气充好约十分钟后，即可通过点火系统3触发点火针点火，同时启动高速摄影机13和压力信号采集系统8。高速摄影机13透过室前部的石英玻璃视窗46将燃烧室内火焰传播过程拍摄下来，气体压力传感器7测量记录燃烧室内的压力值。

5)燃烧室内的混合气完全燃烧后，打开排气阀14并启动真空泵26排出废气。

2、在燃烧室内加横隔板时，燃烧室为顶部火花塞点火的分隔式燃烧室。横隔板安装位置可调，横隔板上孔的直径及数目可选，可通过实施多种试验方案来研究横隔板上孔的各种状况和横隔板的各种形状对于下燃烧室32内可燃气体的均质混合气压燃燃烧(自燃)或引燃燃烧的影响；通过控制火花塞2和火花塞7的跳火时序，模拟发动机EGR效应；纵隔板可将上燃烧室的有效体积变的更小，一方面控制可点燃混合气气体的量，从而寻找最佳的压燃效果，另一方面可在模拟EGR效应时改变产生的尾气的量。

1)同不带横隔板时的充气方法一样，只是将上进排气阀15和下进排气阀14同时打开，分别向上、下两个燃烧室充入气体。

2)加热方式跟不带横隔板时也一样。

3)混合气充好十分钟后，即可通过火花塞2点燃上燃烧室29内的混合气。经很短时间后，火焰前锋到达横隔板，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32，对下燃烧室32内的未燃均质混合气进行压缩，下燃烧室32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32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13透过燃烧室前部的石英玻璃视窗46拍摄下来，同时可使用气体压力传感器7测量燃烧室内的压力值；

4)上、下燃烧室内的混合气完全燃烧后，打开上、下两个进排气阀并启动真空泵26排出废气。

根据CVCC自身的特点，选择混合气的初始温度、初始压力、当量燃空比和隔板位置作为本试验例的参数变化量，从而设计出本试验例的试验方案如下表：

Claims

1.可内置横隔板的气体燃料定容燃烧室，主要包括有本体(1)、前端盖(44)和嵌在前端盖(44)中的视窗(46)，本体(1)和视窗(46)围成燃烧室，并且本体(1)左右内壁上设有1～5对的横隔板插槽，并设有横隔板，横隔板插入插槽将燃烧室分为上燃烧室(29)和下燃烧室(32)；在本体(1)上还设置有与上燃烧室(29)连通的火花塞安装孔(39)、耐高温高压阀安装孔(38)、上进排气阀安装孔(37)，与下燃烧室(32)连通的火花塞式压力传感器安装孔(33)、下进排气阀安装孔(34)，与上燃烧室(29)或与下燃烧室(32)连通的温度传感器安装孔(35)；其特征在于：视窗(46)为高强度透明介质，从前端盖(44)内侧嵌入，前端盖(44)外侧设挡住视窗(46)的凸沿；横隔板上设置有1～9个直径相同的通孔(55)或1～9条狭缝(61)，通孔(55)的直径为0.5mm～2.0mm，狭缝(61)的宽度为0.5mm～3.0mm；并且，在燃烧室左右两侧的正中心部位设置有正极点火针安装孔(36)和负极点火针安装孔(46)。

2.如权利要求1所述的可内置横隔板的气体燃料定容燃烧室，其特征在于：所述横隔板上等间隔设置有可将上燃烧室(29)分成更多燃烧室的纵隔板2片或4片，并在本体(1)的顶壁上设置有2条或4条可插入纵隔板的纵隔板定位槽48。

3.如权利要求1所述的可内置横隔板的气体燃料定容燃烧室，其特征在于：所述横隔板上通孔的数目为横隔板位于中心的1个或一字均匀排列的3个或均匀“田”字排列的9个。

4.如权利要求2所述的可内置横隔板的气体燃料定容燃烧室，其特征在于：横隔板上由纵隔板隔出的各区域中通孔的数目为位于各区域中心的1个或一字均匀排列的3个。

5.如权利要求1-4中任一项所述的可内置横隔板的气体燃料定容燃烧室，其特征在于：所述横隔板上的通孔的直径为0.5mm或1.0mm或1.5mm或2.0mm。

6.如权利要求1所述的可内置横隔板的气体燃料定容燃烧室，其特征在于：所述横隔板上狭缝的数目为位于横隔板中心的1条或均匀排列的3条或5条或7条或9条。

7.如权利要求2所述的可内置横隔板的气体燃料定容燃烧室，其特征在于：横隔板上由纵隔板隔出的各区域中狭缝的数目为位于各区域中心的1条或均匀排列的3条。

8.如权利要求1或2或6或7所述的可内置横隔板的气体燃料定容燃烧室，其特征在于：所述横隔板上的狭缝的宽度为0.5mm或1.0mm或1.5mm或2.0mm或2.5mm或3mm。

9.如权利要求1或2所述的可内置横隔板的气体燃料定容燃烧室，其特征在于：燃烧室内腔为正方体。

10.如权利要求1所述的可内置横隔板的气体燃料定容燃烧室，其特征在于：在本体(1)上还设置有与下燃烧室(29)连通的火花塞安装孔。