CN103092112B - 定容燃烧弹多功能电控进气系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及发动机技术领域，尤其涉及一种定容燃烧弹多功能电控进气系统。该系统由预混箱、湍流/层流切换装置、湍流射流装置以及电控单元组成；预混箱的出口与湍流/层流切换装置的进气口连接，湍流/层流切换装置的湍流进气管道通过湍流射流装置与定容燃烧弹连接，湍流/层流切换装置的层流进气管道通过针阀与定容燃烧弹连接；在湍流/层流切换装置的湍流进气管道和层流进气管道各设置一个电控电磁阀，两个电控电磁阀分别与电控单元连接。本发明采用简单的结构和精确的控制，通过电控单元实现定容燃烧弹内气体形成层流或者湍流。

Description

定容燃烧弹多功能电控进气系统

技术领域

本发明涉及发动机技术领域，尤其涉及一种定容燃烧弹多功能电控进气系统，利用该系统可以通过电控单元控制定容燃烧弹内气体形成层流或者不同湍流强度的湍流。

背景技术

随着能源稀缺和环境恶化状况日趋严重，合理的组织发动机气体燃料的燃烧状况，对实现燃烧控制，提高发动动力性、经济性有着十分重要的意义。

定容燃烧弹是一种用于发动机燃烧模拟的试验装置，主要功能是模拟发动机活塞在上止点附近时气缸内的燃烧过程。其特点是结构比较简单，可以方便的改变热力学参数(包括空燃比、温度和压力)、点火参数(点火位置、点火能量等)，从而研究不同参数对燃烧过程的影响。因此，采用定容燃烧弹来开展气体燃料层流和湍流燃烧特性的研究是一种很有效的试验手段。

目前在定容燃烧弹中产生湍流的方式主要有喷射式湍流燃烧装置、风扇式湍流燃烧装置、孔板式湍流燃烧装置、复杂方式湍流燃烧装置等，如图1所示。图1a为喷射式湍流燃烧装置，其先通过预混箱配置可燃气体，混合气在布置好的切向进气道中实现进气，从而产生湍流，缺点是需要在定容燃烧弹壁上凿出切向进气道，工艺难度大，且加工完成后进气道孔径很难改变；图1b为风扇式湍流燃烧装置，该装置是通过风扇在定容燃烧装置内旋转来形成湍流，风扇的转速决定着湍流的强弱，但是具有风扇会使其结构比较复杂，需要较大的燃烧室空间，并且往往需要多个风扇同时运行，只有很好的协调配合各个风扇运转才能达到理想的各向同性流动，操作难度较大，对湍流扩散影响也比较大；图1c为孔板式湍流燃烧装置，其是通过燃烧室内部运动的孔板来形成湍流，通过设计孔板结构以及控制孔板的运动速度来达到不同强度的湍流。试验进行时，一般是在孔板停止运动后的对应时刻来进行点火，以实现不同强度下的湍流燃烧。但此类装置对燃烧室的几何形状有特殊的要求，同时对装置的密封性会造成一定的影响；还有更复杂的湍流燃烧装置，采用以上三种方式的湍流燃烧装置中的两种或几种相结合形成的湍流燃烧装置，这种方式的湍流燃烧装置能够克服单一方式湍流燃烧装置的不足，但由于产生湍流的装置均在燃烧所在的空间内，过于复杂的结构势必会影响湍流燃烧的过程。

总的来说现有的定容燃烧弹内的湍流发生系统需要对弹体改动较大，并且需要较大的弹体内空间，对于湍流强度的控制也非常困难，这些都大大的增强了系统的复杂程度，降低了系统的稳定性和可靠性，还增加了系统的开发成本。

发明内容

本发明提供了一种对于定容燃烧弹弹体内部空间要求不高，能够通过电控方式来实现定容燃烧弹内层流和湍流的切换，并可以控制湍流强度的定容燃烧弹多功能电控进气系统。

本发明所采用的技术方案是：

该系统由预混箱、湍流/层流切换装置、湍流射流装置以及电控单元组成；预混箱的出口与湍流/层流切换装置的进气口连接，湍流/层流切换装置的湍流进气管道通过湍流射流装置与定容燃烧弹连接，湍流/层流切换装置的层流进气管道通过针阀与定容燃烧弹连接；在湍流/层流切换装置的湍流进气管道和层流进气管道各设置一个电控电磁阀，两个电控电磁阀分别与电控单元连接；

所述湍流射流装置由喷射阀、阀座和射流器组成；喷射阀为两位两通式电磁阀，采用过盈配合与阀座连接；

所述射流器由一端封闭的铜管制成，分为射流圆环和连接段；连接段与射流圆环在同一平面，并且连接段的轴线向射流圆环方向的延长线经过射流圆环的圆心；射流器所在平面垂直于燃烧弹弹体的轴线并且射流圆环的圆心在该轴线上；射流器的连接段与喷射阀出口连接；射流圆环为圆形，其表面均匀设置4个相同孔径的射流孔，4个射流孔的圆心与射流圆环圆心的连线和连接段穿过射流圆环圆心的延长线的夹角均为45度，射流孔的射流方向与射流器所在平面成45度角，并指向点火处，从而保证射流后四个射流孔喷出的燃气在点火处形成湍流。

所述预混箱为立方体形状，并在两端分别设置观察窗，两对圆形吸盘式电磁铁分别置于预混箱的内外两侧，内侧电磁铁和风扇同轴布置，外侧的电磁铁由电机驱动，带动预混箱内侧电磁铁和风扇一同转动；预混箱体顶端安装有一个精密压力表，箱体左右表面布置进气孔和出气孔；预混箱的设计压力为7-8bar。

所述喷射阀为两位两通式的SP010A燃气喷射阀，作为高压预混的可燃气在注入燃烧弹时的进气截止阀。

所述射流圆环的外径不大于定容燃烧弹的弹体内径，不小于弹体内径的1/2。

所述射流器的喷射压力在0.3~1MPa之间，射流孔径在1.5~3mm之间。

所述电控单元选用MC9S12DP512单片机作为主控芯片，电控芯片一方面控制湍流/层流切换装置中湍流进气管道电控电磁阀和层流进气管道电控电磁阀的开闭，实现进气方式的选择，另一方面在选择湍流进气管道后要控制喷射阀的喷射时刻、喷射脉宽和喷射次数，进而实现湍流进气的形成以及对湍流强度的控制。

所述电控电磁阀采用ZQDF内螺纹不锈钢活塞式电磁阀，其工作方式为通电打开、断电关闭，介质温度在-20~220℃，压力允许范围是0~1.6Mpa。

本发明的有益效果是：

该系统采用简单的结构和精确的控制，通过电控单元实现定容燃烧弹内气体形成层流或者湍流，以及层流或湍流的时间、强度等参数。

附图说明

图1（a）、图1（b）和图1（c）分别是现有技术中的喷射式湍流燃烧装置、风扇式湍流燃烧装置、孔板式湍流燃烧装置的结构简图；

图2是本发明的系统结构示意图；

图3（a）和图3（b）分别是喷射阀及阀座的结构示意图；

图4（a）和图4（b）分别是射流器的俯视图和剖视图；

图5（a）和图5（b）分别是射流器在燃烧弹内的安装位置示意图及A-A面剖视图。

具体实施方式

本发明提供了一种定容燃烧弹多功能电控进气系统，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

该系统由预混箱、湍流/层流切换装置、湍流射流装置以及电控单元组成，接哦股如图2所示；预混箱的出口与湍流/层流切换装置的进气口连接，湍流/层流切换装置的湍流进气管道通过湍流射流装置与定容燃烧弹连接，湍流/层流切换装置的层流进气管道通过针阀与定容燃烧弹连接；在湍流/层流切换装置的湍流进气管道和层流进气管道各设置一个电控电磁阀，两个电控电磁阀分别与电控单元连接。

预混箱为立方体形状，外形尺寸为220mm×220mm×300mm，壁厚30mm，其由前端盖、后端盖、箱体、前观察窗、后观察窗、风扇和两对圆形吸盘式电磁铁构成，顶端布置精密压力表并连接排气装置的孔，箱体左右表面布置进气孔和出气孔，容量为7.68L，设计压力为7-8bar。前后两面的观察窗采用了高强度有机玻璃，尺寸为180mm×180mm×25mm。紧固件采用了32个螺栓均匀分布在前后端盖。可燃气体与空气是通过预混箱进行混合，它的输入管路与燃料、空气预混合器及混合气配给系统的扫气管路相连，由进气截止阀控制混合气配给系统中的混合气充入，它的输出管路通过湍流/层流切换装置与燃烧弹相连。在预混箱上设置有压力表，用以显示混合气配制系统中的混合气状态。在预混箱内部还装有风扇和一对圆形吸盘式电磁铁，风扇和预混箱内部的圆形吸盘式电磁铁为同轴布置，预混箱外部的圆形吸盘式电磁铁通过电机带动后，带动了预混箱内侧电磁铁和风扇一同转动。

湍流/层流切换装置，包括电控电磁阀、电控单元、层流出气管道和湍流出气管道。其中电控电磁阀采用ZQDF内螺纹不锈钢活塞式电磁阀，其工作方式为通电打开、断电关闭，介质温度在-20-220℃，压力允许范围是0-1.6Mpa，介质可为天然气。湍流/层流切换装置通过电控单元对切换装置中电控电磁阀进行控制可实现不同流动方式的切换，通过电控单元控制湍流进气管道电控电磁阀常开、层流进气管道电控电磁阀常闭，预混箱中的气体将通过射流装置进入定容燃烧弹中，实现定容燃烧弹内气体流动形式为湍流；通过电控单元控制层流进气管道电控电磁阀常开、湍流进气管道电控电磁阀常闭，从而预混箱中的气体跳过喷射装置，直接通过弹体入口处的层流进气管道的针阀直接进入到定容燃烧弹中，进气速度大大减缓，实现定容燃烧弹内的气体流动方式为层流。

图3（a）和图3（b）所示分别为喷射阀和喷射阀座。实验所用的电磁阀经过改装，原喷射阀阀体上有三个进出口并与阀座一一对应，分别是进气口A、B和出气口C，其中A口和B口分别是进燃气和空气的口，C口是混合气出口。经过改进之后，原本用于天然气和空气进口的A、B，本文将其作为高压预混可燃气体的出气口；原本出气口C本文将其作为混合气进气口。这样在阀体开启时，进气口A被堵死，阀体一个口进气、一个口出气。阀体上两个密封的橡胶环起到了密封作用，可以保证在进气和燃气燃烧时不会发生泄漏，这样改动之后的喷射阀可与阀座很好的进行配合完成喷射工作。阀座表面共布置5个孔，分别为安装阀体孔、两个固定阀体孔、进气孔和出气孔。阀座上表面用于固定阀体的孔，设计采用M4X0.7螺纹。左右各布置两个盲孔，左边进气盲孔末端与放置阀体孔的上半段边缘曲面相切，这部分作为进气口，采用G1/4管螺纹设计来保证该密封性能。同时在右边设计出气盲孔，相应的盲孔末端与放置阀体孔的下半段边缘曲面相切。右边盲孔作为可燃混合气的出口同样采用了G1/4管螺纹设计。阀座的工作压力为0.5MPa左右。

射流器如图4（a）和图4（b）所示，其安装位置如图5（a）和图5（b）所示。射流器是采用管径6mm并且一端封闭的铜管制做而成，分为射流圆环和连接段，射流圆环为圆形，直径为6cm，延伸段长3cm。连接段与射流圆环在同一平面，并且连接段的轴线向射流圆环方向的延长线经过射流圆环的圆心，延伸段用于整个射流器与弹体的连接，其与弹体之间采用过盈连接，要保证连接后射流器所在平面垂直于燃烧弹弹体的轴线并且射流圆环的圆心在该轴线上；射流圆环的表面共有4个相同孔径的射流孔，它们将射流圆环四等分，延伸段的中心延长线的两侧的圆环上各布有两个射流孔，四个射流孔的圆心与射流圆环圆心的连线和延伸段穿过射流圆环圆心的延长线的夹角都为45度，射流孔的射流方向与射流器所在平面成45度角，并指向点火处，从而保证射流后四个射流孔喷出的燃气在点火处形成湍流。射流器的喷射压力在0.3-1MPa之间，射流孔径在1.5-3mm之间，可根据试验需求进行调节。本发明是通过控制喷射脉宽和次数，以及改变喷射圆环上的喷射孔的孔径来生成不同湍流强度的湍流，在预混箱内配置好一定压力、一定当量比的混合气体，通过电脑控制喷射阀的脉宽和喷射次数，使得预混箱内混合气体通过湍流进气管道进入射流器中，从射流器四个射流孔喷射出的气体汇聚到两点火电极间隙中心处。进气后涡流逐渐从大涡流破散成细小涡流，而流体又与壁面进行撞击，使有序运动向紊流运动转化，最后会形成湍流。改变喷射脉宽、喷射次数或者射流器的孔径，就可以方便的改变弹体内的湍流强度。

所述的电控单元选用了MC9S12DP512单片机作为主控芯片，软件基于Code Warrior系列集成开发环境开发，电控芯片一方面控制湍流/层流切换装置中湍流进气管道电控电磁阀和层流进气管道电控电磁阀的开闭，实现进气方式的选择，另一方面在选择湍流进气管道后要控制喷射阀的喷射时刻、喷射脉宽和喷射次数，进而实现湍流进气的形成以及对湍流强度的控制。

Claims (7)

1.定容燃烧弹多功能电控进气系统，其特征在于，由预混箱、湍流/层流切换装置、湍流射流装置以及电控单元组成；预混箱的出口与湍流/层流切换装置的进气口连接，湍流/层流切换装置的湍流进气管道通过湍流射流装置与定容燃烧弹连接，湍流/层流切换装置的层流进气管道通过针阀与定容燃烧弹连接；在湍流/层流切换装置的湍流进气管道和层流进气管道各设置一个电控电磁阀，两个电控电磁阀分别与电控单元连接；

所述湍流射流装置由喷射阀、阀座和射流器组成；喷射阀为两位两通式电磁阀，采用过盈配合与阀座连接；

所述射流器由一端封闭的铜管制成，分为射流圆环和连接段；连接段与射流圆环在同一平面，并且连接段的轴线向射流圆环方向的延长线经过射流圆环的圆心；射流器所在平面垂直于燃烧弹弹体的轴线并且射流圆环的圆心在该轴线上；射流器的连接段与喷射阀出口连接；射流圆环为圆形，其表面均匀设置4个相同孔径的射流孔，4个射流孔的圆心与射流圆环圆心的连线和连接段穿过射流圆环圆心的延长线的夹角均为45度，射流孔的射流方向与射流器所在平面成45度角，并指向点火处，从而保证射流后四个射流孔喷出的燃气在点火处形成湍流。

2.根据权利要求1所述的定容燃烧弹多功能电控进气系统，其特征在于，所述预混箱为立方体形状，并在两端分别设置观察窗，两对圆形吸盘式电磁铁分别置于预混箱的内外两侧，内侧电磁铁和风扇同轴布置，外侧的电磁铁由电机驱动，带动预混箱内侧电磁铁和风扇一同转动；预混箱体顶端安装有一个精密压力表，箱体左右表面布置进气孔和出气孔；预混箱的设计压力为7-8bar。

3.根据权利要求1所述的定容燃烧弹多功能电控进气系统，其特征在于，所述喷射阀为两位两通式的SP010A燃气喷射阀，作为高压预混的可燃气在注入燃烧弹时的进气截止阀。

4.根据权利要求1所述的定容燃烧弹多功能电控进气系统，其特征在于，所述射流圆环的外径不大于定容燃烧弹的弹体内径，不小于弹体内径的1/2。

5.根据权利要求1所述的定容燃烧弹多功能电控进气系统，其特征在于，所述射流器的喷射压力在0.3～1MPa之间，射流孔径在1.5～3mm之间。

6.根据权利要求1所述的定容燃烧弹多功能电控进气系统，其特征在于，所述电控单元选用MC9S12DP512单片机作为主控芯片，主控芯片一方面控制湍流/层流切换装置中湍流进气管道电控电磁阀和层流进气管道电控电磁阀的开闭，实现进气方式的选择，另一方面在选择湍流进气管道后要控制喷射阀的喷射时刻、喷射脉宽和喷射次数，进而实现湍流进气的形成以及对湍流强度的控制。

7.根据权利要求1所述的定容燃烧弹多功能电控进气系统，其特征在于，所述电控电磁阀采用ZQDF内螺纹不锈钢活塞式电磁阀，其工作方式为通电打开、断电关闭，介质温度在-20～220℃，压力允许范围是0～1.6Mpa。