CN103245511A - 模拟汽油机末端气体自燃的定容燃烧弹系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模拟汽油机末端气体自燃的定容燃烧弹系统，由定容燃烧装置、燃油供给系统、点火系统、高速摄影系统、进排气系统、数据采集系统以及单片机控制系统组成；定容燃烧装置包括设置有圆柱形腔体的燃烧弹体，其上端面靠近喷油器一端安装有主火花塞，靠近其左端安装有副火花塞，燃烧弹体设置有左视窗、前视窗以及后视窗；并且设置有喷油器、高频响温度传感器、高频响缸压传感器、压力变送器安装孔、温度变送器安装孔、排气口和进气通道。本发明采用主火花塞模拟正常的火焰点火、副火花塞模拟末端气体的自燃，从而不需要达到高温高压，可以实现汽油机末端气体不同时刻自燃的模拟，用于研究不同末端气体自燃对缸内压力以及爆震的影响。

Description

模拟汽油机末端气体自燃的定容燃烧弹系统

技术领域

本发明涉及内燃机燃烧技术领域，具体的说，是涉及一种用于模拟汽油机燃烧室末端气体自燃的试验装置，主要用于研究汽油机点火之后，末端气体不同时刻的自燃对缸内压力以及爆震的影响。

背景技术

为了提高发动机的升功率以及热效率，增压技术、提高压缩比等措施得到了广泛的应用。限制以上技术措施的主要因素是发动机爆震，爆震会使发动机缸内压力急剧波动，输出功率、热效率降低，甚至损坏发动机。发生爆震的最合理解释就是末端气体发生自燃。

自燃是指火花塞正常点火，混合气开始燃烧，在火焰锋面传播到整个燃烧室之前，燃烧室末端的混合气体自发着火的现象。当发生自燃时，放热率较大，会产生压缩波，与正常火焰锋面相互作用，导致发动机爆震。国外的一些学者已经进行了相关的实验验证，如2009年日本岗山大学的Nobuyuki Kawahara,Eiji Tomita等人，在氢气点燃式光学发动机上通过60K帧/秒和250K帧/秒的高速摄影机分别拍摄到了爆震过程中末端气体的自燃和自燃所产生的压力波，并指出爆震的强度与末端气体的数量有关。1994年德国的B.Bauerle,F.Hoffmann,F.Behrendt and J.Warnatz等人使用甲醛的二维激光诱导荧光法观测到了内燃机末端气体发生自燃时的热点。以上实验均证明汽油机发生爆震时，伴随着末端气体发生自燃的现象。但是，他们并没有研究不同时刻的自燃对爆震的影响。

汽油机的实际循环过程比较复杂，直接在汽油机上进行末端气体自燃的研究比较困难，鉴于汽油混合及燃烧的时间很短，可以认为汽油机的燃烧过程为定容燃烧，因此，定容燃烧弹是模拟汽油机燃烧的最有效工具。国内外已经有很多学者在定容燃烧弹中进行了汽油机燃烧过程的试验模拟研究。但是对于主火焰传播到末端气体之前，末端气体发生自燃以及爆震的研究很少。在国内，2008年北京工业大学的张红光等人发明了采用汽油作燃料的内置横隔板定容燃烧室，克服了现有的定容燃烧室无法用于压燃燃烧和引燃燃烧的缺陷，其采用内置横隔板，将燃烧室分为上、下两个燃烧室，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。2011年北京理工大学发明了氢气定容压燃试验装置及其试验方法，也是在装置内加入横隔板，在横隔板上安装螺栓，通过采用螺栓不同的预紧力，达到改变间隙的目的，从而阻断火焰，达到下燃烧室混合气的自燃。但是，二者均不是用来模拟研究汽油机末端气体的自燃对缸内压力以及爆震的影响。

由于汽油机末端气体的自燃在一定条件下会引发爆震，具有较大的破坏作用，因此直接在单缸汽油机上做末端气体自燃现象的研究很少。末端气体自燃的发生需要高温、高压的条件，由于定容燃烧弹一般至少具有两个光学窗口，受到石英承受最大热应力的限制以及密封比较困难。另外，自燃发展成为爆震会产生瞬时的冲击压力，要求石英具有较高的耐冲击强度。鉴于以上原因，在定容燃烧弹中直接研究末端气体的自燃现象很困难。

发明内容

本发明要解决的是在实际发动机中研究自燃以及爆震现象难以实现和控制的技术问题，提供了一种模拟汽油机末端气体自燃的定容燃烧弹系统，采用主火花塞模拟正常的火焰点火、副火花塞模拟末端气体的自燃，从而不需要达到高温高压，可以实现汽油机末端气体不同时刻自燃的模拟，用于研究不同末端气体自燃对缸内压力以及爆震的影响。

为了解决上述技术问题，本发明通过以下的技术方案予以实现：

一种模拟汽油机末端气体自燃的定容燃烧弹系统，该系统由定容燃烧装置、燃油供给系统、点火系统、高速摄影系统、进排气系统、数据采集系统以及单片机控制系统组成；

定容燃烧装置包括中间横向设置有圆柱形腔体的燃烧弹体，所述圆柱形腔体与燃烧弹体左端面贯通，右端不贯通，燃烧弹体右端面安装有喷油器，所述喷油器位于所述圆柱形腔体的轴线上；所述燃烧弹体上端面靠近所述喷油器一端安装有主火花塞、靠近其左端安装有副火花塞，所述主火花塞和所述副火花塞位于所述圆柱形腔体轴线正上方；所述燃烧弹体上端面安装有高频响温度传感器、高频响缸压传感器、压力变送器安装孔、温度变送器安装孔和排气口；所述燃烧弹体左端面对应于所述副火花塞的位置设置有左视窗，其中心在圆柱形腔体的轴线上，前端面对应于所述主火花塞和所述副火花塞的位置设置有前视窗，后端面对应于所述副火花塞的位置设置有后视窗，后视窗需与前视窗形成相通光路；所述燃烧弹体还设置有进气通道；

所述燃油供给系统由燃油箱、外置汽油输油泵、汽油滤清器、高压油泵、高压油轨依次连接构成，所述高压油轨连接于所述喷油器；

所述加热系统为压缩空气加热器或安装在所述燃烧弹体底部的加热板；

所述点火系统由电源、脉冲发生控制电路、点火线圈依次连接构成，点火线圈连接于所述主火花塞和所述副火花塞；

所述高速摄影系统包括高速摄像机和光学测量仪器；

所述进排气系统包括与所述进气通道连接的充气泵和与所述排气口连接的冷却装置和真空泵；

所述数据采集系统由工控机、采集卡、电荷放大器、信号输出线依次连接组成，信号输出线连接于所述高频响温度传感器和所述高频响缸压传感器；

所述单片机控制系统由单片机、驱动器和信号反馈系统构成，其中信号反馈系统包括压力变送器、温度变送器、热电偶和A/D模数转换器；所述压力变送器用于测定所述定容燃烧装置的压力信号并传输给所述A/D模数转换器；所述温度变送器和所述加热板中的热电偶用于测定所述定容燃烧装置的温度信号并传输给所述A/D模数转换器；所述A/D模数转换器用于将压力信号和温度信号转化为数字信号并传输给所述单片机；所述单片机用于分析数字信号，并通过所述驱动器控制所述燃油供给系统喷油、控制所述点火系统点火、触发所述高速摄影系统实现图像采集、控制所述排气口和所述进气通道的开关、控制所述加热板的通断。

优选地，所述高频响温度传感器和所述高频响缸压传感器安装于所述副火花塞附近1cm～3cm处。

优选地，所述排气口安装于所述副火花塞与所述燃烧弹体的左端面之间。

优选地，所述压力变送器安装孔和所述温度变送器安装孔位于所述主火花塞和所述副火花塞之间，并位于所述圆柱形腔体轴线的正上方。

优选地，所述进气通道由所述燃烧弹体后端面延伸至所述圆柱形腔体，并相切于所述圆柱形腔体底部的右端面处。

优选地，所述加热板为与所述圆柱形腔体相配合的圆弧形。

本发明的定容燃烧装置内部为圆柱形密封腔体，体积保持不变，模拟汽油机在压缩上止点时的定容燃烧。定容燃烧装置上端面布置有两个火花塞，一个为主火花塞，模拟正常的汽油机点火；另一个为副火花塞，模拟汽油机燃烧室末端气体的自燃；通过点火系统控制主、副火花塞的点火时刻来模拟汽油机末端气体不同的自燃现象，主火花塞点火在前，副火花塞点火在后，时间间隔越小，主火焰锋面传播的距离越短，副火焰锋面就会燃烧更多的混合气，表明模拟末端气体自燃的数量越多；反之，时间间隔越大，则模拟末端气体自燃的数量越少，从而实现了不同末端气体自燃的数量对缸内压力以及爆震的影的研究。另外，本发明所采用的燃油供给系统方便的实现喷油压力、喷油量和喷油时刻的调节；加热系统准确调节定容燃烧装置内部环境气体的温度；高速摄影系统结合光学测量方法可以清晰的测量定容燃烧装置内部末端气体自燃以及爆震时的火焰传播情况；数据采集系统结合软件方便的记录燃烧装置内部发生自燃以及爆震时的温度和压力值；单片机控制系统通过信号反馈系统采集信号，经处理再由驱动器发出指令，可以实现对进气、加热、喷油、点火、高速摄像机触发以及排气的精确控制。

本发明的有益效果是：

（一）本发明的定容燃烧弹系统模拟汽油机上止点的定容燃烧，相比于单缸机或者快速压缩机构造简单，成本更低，且没有压缩、膨胀等循环过程，避免了各循环间燃烧过程的相互影响，不会产生循环变动，并且燃料混合时间相对较长，能够形成更为均匀的混合气。

（二）本发明的定容燃烧弹系统采用加热板加热圆柱形腔体内部混合气，结合加热板中的热电偶以及温度变送器反馈信号给单片机控制系统，能够准确的控制燃烧弹体内部环境温度。

（三）本发明的定容燃烧弹装置其进气通道相切于圆柱形腔体底部的右端面，结合外部气体加热的方法，能够形成进气滚流；排气口设置在副火花塞附近，靠近左端面，排气时会产生扫气效应，便于燃烧弹体内部废气排出。

（四）实际汽油机燃烧室内的末端气体发生自燃时，需要较高的温度和压力，难以实现，并且发生的时间和位置难以控制，而本发明的定容燃烧弹系统采用副火花塞点燃腔体内部的末端气体，模拟自燃，解决了在实际发动机中自燃难以实现和控制的问题。

（五）本发明采用单片机控制系统控制进气阀和排气阀的开启、关闭，避面了直接用手操作进排气阀，由于高温、高压造成的危险。

附图说明

图1是本发明所提供的定容燃烧弹系统的结构示意图；

图2是本发明所提供的定容燃烧装置的结构示意图；

图3是图2的俯视图；

图4是图3的A-A剖视图；

图5是图3的B-B剖视图；

图6是双火花塞火焰传播示意图；

图7是单片机控制系统的结构示意图。

图中：1：燃烧弹体；2：圆柱形腔体；3：喷油器；4：主火花塞；5：副火花塞；6：高频响温度传感器；7：高频响缸压传感器；8：排气口；9：压力变送器安装孔；10：温度变送器安装孔；11：左视窗；12：前视窗；13：后视窗；14：进气通道；15：加热板；16：主火焰锋面；17：副火焰锋面。

具体实施方式

下面通过具体的实施例对本发明作进一步的详细描述，以下实施例可以使本专业技术人员更全面的理解本发明，但不以任何方式限制本发明。

如图1所示，本实施例披露了一种双火花塞模拟汽油机末端气体自燃的定容燃烧弹系统，主要由定容燃烧装置、燃油供给系统、加热系统、点火系统、高速摄影系统、进排气系统、数据采集系统以及单片机控制系统组成。

如图2至图6所示，定容燃烧装置包括具有长方体形状的燃烧弹体1，燃烧弹体1的中间横向设置有圆柱形腔体2，该圆柱形腔体2与燃烧弹体1的左端面贯通，右端不贯通并距其右端面5cm。燃烧弹体1右端面安装有喷油器3，喷油器3位于圆柱形腔体2的轴线上。燃烧弹体1由45号圆钢经锻造而成，圆柱形腔体2其从左端面切削加工而成。

燃烧弹体1上端面分别安装有主火花塞4和副火花塞5，主火花塞4靠近喷油器3一端（即燃烧弹体1的右端）并位于圆柱形腔体2轴线的正上方，用于模拟正常的汽油机点火；副火花塞5靠近燃烧弹体1左端并位于圆柱形腔体2轴线的正上方，用于模拟汽油机末端气体的自燃。副火花塞5附近2cm处安装有高频响温度传感器6和Kistler非水冷型6052C型高频响缸压传感器7，用于测量自燃形成、发展过程中温度和压力的变化。

燃烧弹体1上端面安装有排气口8，排气口8设置在副火花塞5附近，其位置以副火花塞5与燃烧弹体1的左端面之间为佳，用于排出燃烧废气。排气口8设置有与第一电磁继电器连接的排气阀，单片机控制系统控制第一电磁继电器实现排气阀的开关。

燃烧弹体1上端面还设置有压力变送器安装孔9和温度变送器安装孔10，分别安装压力变送器和温度变送器。压力变送器和温度变送器位于主火花塞4和副火花塞5之间、圆柱形腔体2轴线的正上方，分别用于测量圆柱形腔体内环境的压力和温度。

燃烧弹体1左端面对应于副火花塞5的位置设置有左视窗11，其中心在圆柱形腔体2的轴线上，用于观测末端气体的自燃现象。

燃烧弹体1前端面对应于主火花塞4和副火花塞5的位置设置有前视窗12，前视窗12的位置和大小设置应便于观察到主火花塞4和副火花塞5的点火情况，用于观测主、副火焰锋面的传播和相互作用。

燃烧弹体1后端面对应于副火花塞5的位置设置有后视窗13，后视窗13需与前视窗12形成相通光路，用于结合光学测量仪器观测末端气体自燃锋面以及压力波的传播。

燃烧弹体1后端面还设置有延伸至圆柱形腔体2的进气通道14，该进气通道14相切于圆柱形腔体2底部的右端面处，以使压缩空气形成进气滚流。进气通道14设置有与第二电磁继电器连接的进气阀，单片机控制系统控制第二电磁继电器实现进气阀的开关。

燃烧弹体1的底部安装有带有热电偶的加热板15，加热板15位于圆柱形腔体2正下方的安装腔室内，其形状为与圆柱形腔体2相配合的圆弧形，以达到均匀加热的目的。加热板15优选用1000W陶瓷加热板。

燃油供给系统为大众汽车1.8T迈腾车型的燃油系统，其系统由燃油箱、外置汽油输油泵、汽油滤清器、高压油泵（转速为1100转/分的电机驱动）、高压油轨依次连接构成，高压油轨连接于定容燃烧装置的喷油器3。其中燃油箱、外置汽油输油泵、汽油滤清器和高压油泵之间采用耐压为0.8bar的橡胶软管连接；高压油泵、高压油轨与喷油器之间采用金属高压油管连接。燃油系统所提供的喷油量和喷油压力由单片机控制系统控制。

加热系统分为外部加热和内部加热两种。外部加热是采用压缩空气加热器通过燃烧弹体的进气口输入加热气体，温度可加热到400℃。内部加热则是通过在定容燃烧装置底部的加热板15加热圆柱形腔体2内部气体，加热板15中的热电偶以及温度变送器反馈温度数值给单片机控制系统，单片机控制系统控制与加热板15相连的第三电磁继电器实现电源的开断，从而使定容燃烧装置的圆柱形腔体2内温度保持恒定。

点火系统为大众汽车1.8T迈腾车型的点火系统，其系统由12V电源、脉冲发生控制电路、点火线圈依次连接构成，两个点火线圈分别连接于定容燃烧装置的主火花塞4和副火花塞5。单片机控制系统分别通过两个点火线圈控制主火花塞4和副火花塞5在不同时刻点火，实现不同时刻末端气体自燃。

高速摄影系统采用250K帧/秒以上的高速摄像机，通过前视窗12直接拍摄末端气体的自燃和主、副火焰面的传播；通过左视窗11直接拍摄末端气体自燃火焰传播；还可以由前视窗12和后视窗13形成的相通光路，结合光学测量仪器拍摄定容燃烧装置的圆柱形腔体2内压力波的传播。

进排气系统包括充气泵、真空泵以及冷却装置，1-30Mpa水冷充气泵为定容燃烧装置的进气通道14提供压缩空气；而冷却装置将定容燃烧装置的排气口8排出的燃烧废气进行冷却，再由真空泵排出。

数据采集系统由工控机、采集卡、电荷放大器、信号输出线依次连接组成，信号输出线分别连接于高频响温度传感器6和高频响缸压传感器7，工控机结合Labview软件记录和处理数据。

如图7所示，单片机控制系统主要由单片机、驱动器和信号反馈系统构成，其中信号反馈系统包括压力变送器、温度变送器、热电偶和A/D模数转换器。

压力变送器用于测定定容燃烧装置的压力信号，并将该压力信号传输给A/D模数转换器；

温度变送器和热电偶用于测定定容燃烧装置的温度信号，并将该温度信号传输给A/D模数转换器；

A/D模数转换器用于将压力信号和温度信号转化为数字信号，并将该数字信号传输给单片机；

单片机用于分析处理数字信号，当温度值达到设定值，单片机通过驱动器控制燃油供给系统喷油。具体地，单片机触发脉冲信号控制喷油器3喷油，通过脉冲信号的长短控制喷油器3的喷油量，通过触发脉冲信号控制高压油泵实现喷油压力的调整。

单片机用于通过驱动器控制点火系统点火，点火同时通过第四电磁继电器触发高速摄像机工作，实现图像采集；

通过键盘输入单片机指令，单片机通过驱动器控制第一电磁继电器实现排气口5上排气阀的开关；

通过键盘输入单片机指令，单片机通过驱动器控制第二电磁继电器实现进气通道14上进气阀的开关；

通过键盘输入单片机设定值，单片机通过驱动器控制第三电磁继电器实现加热板15电路的通断。当定容燃烧装置内的温度未达到设定值，加热板15电路闭合，加热板15工作；当定容燃烧装置内的温度达到设定值，加热板15电路断开，加热板15停止工作，从而使定容燃烧装置内的温度始终保持在设定值附近。

利用本发明的定容燃烧弹系统进行试验的方法如下：

将定容燃烧弹系统的各装置连接好，检查定容燃烧装置内部，确保清洁，石英玻璃窗口擦拭干净，确保燃油供给系统、加热系统、点火系统、高速摄影系统、进排气系统、数据采集系统以及单片机控制系统准备就绪。

手动触发单片机，控制进气通道14上进气阀开启，充气泵向燃烧弹体1内充入空气。充入空气后压力变送器测得燃烧弹体1内的压力信号，经A/D模数转换器转换为数字信号，传给单片机，单片机分析计算，与设定值（3-5Mpa）比较，当压力值达到设定值时，单片机经驱动器发出信号，由第二电磁继电器关闭进气通道14上的电磁阀，完成进气过程。

接通加热板15，对燃烧弹体1内部压缩空气进行加热。热电偶、温度变送器测得燃烧弹体1内部温度信号，经A/D模数转换器转换为数字信号，传给单片机，单片机分析计算，与设定值（500-600K）比较，当温度值达到设定值时，单片机经驱动器发出信号，控制第三电磁继电器断开加热电路，停止对燃烧弹体1内部的压缩空气加热。

燃烧弹体1内部气体达到所设定的压力和温度后，手动触发单片机发出脉冲信号，经驱动器控制喷油器3喷油，并通过设定脉冲信号的长短控制喷油量。

等待片刻，使燃烧弹体1内部燃料混合均匀。手动触发单片机发出信号，经驱动器传给主、副点火线圈，准确控制主火花塞4和副火花塞5先后点火，并且通过设定不同的时间间隔，得到不同的自燃现象。与此同时，单片机触发信号，经驱动器传给第四电磁继电器，使高速摄影机工作，拍摄火焰传播图像，并且数据采集系统记录燃烧弹体1内压力、温度。

通过前视窗观察到燃烧完成后，单片机经驱动器发出信号，由第一电磁继电器打开排气口8上的排气阀，高温废气经过冷却装置以及真空泵排出，完成排气过程。

分析实验数据，得到不同末端气体自燃对压力波动以及爆震的影响，完成实验。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种模拟汽油机末端气体自燃的定容燃烧弹系统，其特征在于，该系统由定容燃烧装置、燃油供给系统、点火系统、高速摄影系统、进排气系统、数据采集系统以及单片机控制系统组成；

定容燃烧装置包括中间横向设置有圆柱形腔体的燃烧弹体，所述圆柱形腔体与燃烧弹体左端面贯通，右端不贯通，燃烧弹体右端面安装有喷油器，所述喷油器位于所述圆柱形腔体的轴线上；所述燃烧弹体上端面靠近所述喷油器一端安装有主火花塞、靠近其左端安装有副火花塞，所述主火花塞和所述副火花塞位于所述圆柱形腔体轴线正上方；所述燃烧弹体上端面安装有高频响温度传感器、高频响缸压传感器、压力变送器安装孔、温度变送器安装孔和排气口；所述燃烧弹体左端面对应于所述副火花塞的位置设置有左视窗，其中心在圆柱形腔体的轴线上，前端面对应于所述主火花塞和所述副火花塞的位置设置有前视窗，后端面对应于所述副火花塞的位置设置有后视窗，后视窗需与前视窗形成相通光路；所述燃烧弹体还设置有进气通道；

所述燃油供给系统由燃油箱、外置汽油输油泵、汽油滤清器、高压油泵、高压油轨依次连接构成，所述高压油轨连接于所述喷油器；

所述加热系统为压缩空气加热器或安装在所述燃烧弹体底部的加热板；

所述点火系统由电源、脉冲发生控制电路、点火线圈依次连接构成，点火线圈连接于所述主火花塞和所述副火花塞；

所述高速摄影系统包括高速摄像机和光学测量仪器；

所述进排气系统包括与所述进气通道连接的充气泵和与所述排气口连接的冷却装置和真空泵；

所述数据采集系统由工控机、采集卡、电荷放大器、信号输出线依次连接组成，信号输出线连接于所述高频响温度传感器和所述高频响缸压传感器；

所述单片机控制系统由单片机、驱动器和信号反馈系统构成，其中信号反馈系统包括压力变送器、温度变送器、热电偶和A/D模数转换器；所述压力变送器用于测定所述定容燃烧装置的压力信号并传输给所述A/D模数转换器；所述温度变送器和所述加热板中的热电偶用于测定所述定容燃烧装置的温度信号并传输给所述A/D模数转换器；所述A/D模数转换器用于将压力信号和温度信号转化为数字信号并传输给所述单片机；所述单片机用于分析数字信号，并通过所述驱动器控制所述燃油供给系统喷油、控制所述点火系统点火、触发所述高速摄影系统实现图像采集、控制所述排气口和所述进气通道的开关、控制所述加热板的通断。

2.根据权利要求1所述的一种模拟汽油机末端气体自燃的定容燃烧弹系统，其特征在于，所述高频响温度传感器和所述高频响缸压传感器安装于所述副火花塞附近1cm～3cm处。

3.根据权利要求1所述的一种模拟汽油机末端气体自燃的定容燃烧弹系统，其特征在于，所述排气口安装于所述副火花塞与所述燃烧弹体的左端面之间。

4.根据权利要求1所述的一种模拟汽油机末端气体自燃的定容燃烧弹系统，其特征在于，所述压力变送器安装孔和所述温度变送器安装孔位于所述主火花塞和所述副火花塞之间，并位于所述圆柱形腔体轴线的正上方。

5.根据权利要求1所述的一种模拟汽油机末端气体自燃的定容燃烧弹系统，其特征在于，所述进气通道由所述燃烧弹体后端面延伸至所述圆柱形腔体，并相切于所述圆柱形腔体底部的右端面处。

6.根据权利要求1所述的一种模拟汽油机末端气体自燃的定容燃烧弹系统，其特征在于，所述加热板为与所述圆柱形腔体相配合的圆弧形。

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