CN104730199B - 定容燃烧弹燃烧产物采集系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种定容燃烧弹燃烧产物采集系统与方法。目的是为了克服单缸机全气缸取样系统的缺点同时解决传统气体采集装置与方法的不足。定容燃烧弹燃烧产物采集系统，包括：定容燃烧弹；淬息装置；第一电磁阀；第一流量计量阀；第二电磁阀；第二流量计量阀；第三电磁阀；第三流量计量阀；气袋或气瓶；氮气钢瓶；同步数据采集系统；单片机控制系统；本发明具有以下优点和有益效果：定容燃烧弹可以精确控制多种热力学参数，可以准确重现各种条件下的燃烧，从而消除实际发动机的循环变动对取样的影响。

Description

定容燃烧弹燃烧产物采集系统与方法

技术领域：

本发明涉及一种定容燃烧弹装置，具体涉及一种定容燃烧弹燃烧产物采集系统与方法。

背景技术：

随着排放法规日趋严格，人们越来越关注如何有效降低发动机有害气体的排放，研究有害排放物如PM在缸内燃烧过程中是如何形成对降低其排放有重要意义。目前研究中已有采用单缸机全气缸取样系统，但该系统结构复杂、开发周期长、成本高、工作时循环变动大。由于定容燃烧弹可以精确控制多种热力学参数而被广泛应用于模拟发动机的研究，但研究工作大都集中在燃烧领域，收集定容燃烧弹燃烧产物，分析有害气体形成的研究工作还较少。

目前用于气体的采集装置多是采样瓶或采样袋，使用抽吸式方法，即在取样前将采样瓶或采样袋抽真空，利用压差将气体取出。该装置与方法用于定容燃烧弹燃烧产物的采集存在以下缺陷：无法完全取样，定容燃烧弹最终与采样瓶的压力达到平衡，剩余气体无法取出；采样时燃烧产物经过取样管道的过程中，由于温度很高燃烧产物中的成分和各成分的量会发生改变，最终取出的气体与想采集的气体差别很大；无法精确控制采集的时刻，定容燃烧弹中燃烧进行到不同时刻燃烧产物成分和各成分的量都不一样，传统气体采集装置很难采集到不同时刻的气体。

发明内容：

为克服单缸机全气缸取样系统的缺点同时解决传统气体采集装置与方法的不足，本发明提供一种定容燃烧弹燃烧产物采集装置和方法。具体技术方案如下：

定容燃烧弹燃烧产物采集系统，包括：

定容燃烧弹35，用于模拟燃料燃烧，包括进排气系统、加热系统、燃料供给系统；定容燃烧弹的燃烧产物在高压氮气的驱使下，依次经过第二电磁阀、第二流量计量阀，进入淬熄装置的燃烧产物入口；

淬熄装置36；所述淬熄装置包括：氮气射流管1和稀释混合腔3；所述的氮气射流管沿氮气流动方向依次包括：压缩氮气入口4、锥形渐缩区5和射流区6；所述射流区外层包覆着预混区13，预混区左端与氮气射流管密封连接，预混区管壁上有燃烧产物入口19；

第一电磁阀31，第一流量计量阀39，二者安装在氮气钢瓶与淬熄装置之间；

第二电磁阀32，为高温电磁阀；第二流量计量阀40；二者安装在定容燃烧弹与淬熄装置间；

第三电磁阀33，为高压电磁阀；第三流量计量阀41；二者安装在氮气钢瓶与定容燃烧弹间；

气袋或气瓶37，收集淬熄装置最终排除的产物；

氮气钢瓶38，存储液氮；氮气钢瓶输出的氮气分为二路；一路依次经过第三电磁阀、第三流量计量阀，进入定容燃烧弹；另一路依次经过第一电磁阀、第一流量计量阀，进入淬熄装置的压缩氮气入口；

同步数据采集系统42；

单片机控制系统34；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缸压传感器和A/D模数转换装置；所述缸压传感器用于测定所述定容燃烧弹的压力信号并传输给所述A/D模数转换装置；所述A/D模数转换装置用于将压力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电磁阀。

同步数据采集系统和单片机控制系统控制电磁阀动作时刻。

燃烧产物从定容燃烧弹出来经第二流量计量阀和第二电磁阀控制的管路入淬熄装置；氮气从氮气钢瓶出来经第一流量计量阀和第一电磁阀控制的管路进入淬熄装置，燃烧产物和氮气充分混合和淬熄后一起从淬熄装置出口经管道流进气袋或气瓶；从氮气钢瓶出来的氮气还有一路是经第二流量计量阀和第二电磁阀控制的管路流向定容燃烧弹。

所述淬熄装置是本发明重要构成部件之一，从氮气钢瓶中出来的温度较低的氮气与采集到的高温燃烧产物在淬熄装置中充分混合，氮气在降低燃烧产物的温度的同时大幅度稀释燃烧产物的浓度，再加上氮气本身化学活性很低，可迅速终止燃烧产物中正在进行的各种反应，保证燃烧产物的成分和各成分的量不变。

作为优选方案，所述淬熄装置，包括：氮气射流管1、液氮存储室2和稀释混合腔3三部分；

所述的氮气射流管沿氮气流动方向包括：压缩氮气入口4、锥形渐缩区5和射流区6；所述射流区包括：缓冲段7和一段收缩段8和氮气出口稳压段9；缓冲段上有连通射流区与液氮存储室的4个液氮吸入孔10，小孔直径是此处缓冲段管径的五分之一，此参数能够更好的抽吸液氮蒸汽；稳压段上有12个燃烧产物吸入孔，燃烧产物吸入孔直径与液氮吸入孔直径相同。

所述稀释混合腔包括：预混区13、收缩室14、一级混合室15、扩散室16和二级混合室17；预混区13包覆在射流区6外层，其左端与氮气射流管密封连接，预混区管壁上有燃烧产物入口19；一级混合室15与收缩室14连接，混合室的长度是直径的2倍。

所述收缩室结束段与射流管的伸出端在同一横截面，且收缩室的右端直径大小是此处氮气射流管端口直径的2倍；装置的管道内均涂覆聚四氟乙烯涂层，减少对燃烧产物的吸附作用。

氮气射流管与稀释混合腔通过螺纹21、22密封连接；所述液氮储存室通过螺纹23安装在氮气射流管上，并通过四氟垫与稀释混合腔密封。

在上述采集系统上实现的定容燃烧弹燃烧产物采集方法，包括如下步骤：

(一)准备工作：

通过定容燃烧弹加热系统、进气系统等设定好要研究的试验工况条件Ⅰ，即：一定的温度、背压和不同的喷油器等，先不采样，此时电磁阀31，高温电磁阀32，高压电磁阀33均未开启，让定容燃烧弹燃烧一次，同步数据采集系统正常工作，得到容弹内压力P随时间t的变化曲线，根据容弹内压力的变化规律来确定燃烧始点A和终点C，它们对应的时间分别是t₁和t₂，取A点和C点间任意一点B，B点对应时间为t_i；

在采样前，保证第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀和氮气钢瓶均未开启，用真空泵将整个系统装置抽真空，消除管道内残留气体对采样气体的影响；

(二)采样过程：

再次设定同样的试验工况条件Ⅰ，打开氮气钢瓶；

利用单片机控制系统控制第一电磁阀在t₁时刻开启，在采集燃烧产物之前氮气已经向淬熄装置中充入，保证在燃烧产物进入淬熄装置时是低温和低压的环境，使采样气体迅速淬熄；

在t_i时刻单片机控制系统控制第二电磁阀开启，开始对燃烧产物进行采样，t_i时刻根据试验要求满足：t₁＜t_i≤t₂；

t₂时刻燃烧已经结束，随着取样持续进行，定容燃烧弹内压力迅速下降，在t₂+Δt时刻单片机控制系统控制第三电磁阀开启，利用氮气对残留在容弹内的燃烧产物进行扫气，使之全部进入气袋或气瓶，从而实现完全取样；Δt的选择依据具体试验要求和条件(容弹容积、燃烧后容弹内的压力、气袋或气瓶的容积等)；

扫气持续t₀时间后，保证采样气体完全取出，单片机控制系统控制第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀关闭，关掉氮气钢瓶，取样过程结束；

通过第一、第二、第三流量计量阀可以测得氮气稀释燃烧产物的比例。

作为优选方案，所述淬熄过程如下：

向装置里充入氮气，排净装置里的氧气，使装置一直处于氮气的环境中；锥形渐缩区提高氮气流出速度，实现一级加速；氮气经过缓冲段之后的一段缓慢收缩段和稳压段，在不影响射流出口形成真空的情况下，实现氮气二级加速；

待充入氮气一段时间后，向液氮存储室注入液氮；液氮储存室里的液氮会通过液氮吸入孔进入氮气射流管内与压缩氮气混合，液氮汽化会带走大量热量；

燃烧产物通过燃烧产物入口进入预混区；氮气射流管内的负压区把高温燃气引入氮气射流管内；

位于氮气射流管内的气体为充满高速、低压的惰性氮气，从高温燃气管道流入预混区的燃烧产物根据压差一部分通过燃烧产物吸入孔进入射流管内与高速氮气混合。

本发明具有以下优点和有益效果：

(一)定容燃烧弹可以精确控制多种热力学参数，可以准确重现各种条件下的燃烧，从而消除实际发动机的循环变动对取样的影响。

(二)可实现高温燃烧产物的完全采样。

(三)在优选方案中，采样的同时淬熄高温燃烧产物，保证采样的气体成分和各成分的量保持不变。

(四)采用同步数据采集系统和单片机控制系统可精确控制气体采集时刻，高温燃烧产物的成分及各成分的量随时间发生很大变化，通过采集不同时刻的燃烧产物分析其成分可反推其反应历程。

附图说明：

图1是本发明的系统组成示意图，图中，31代表第一电磁阀，32代表第二电磁阀，33代表第三电磁阀，34代表单片机控制系统，35代表定容燃烧弹，36代表淬熄装置，37代表气袋或气瓶，38代表氮气钢瓶，39代表第一流量计量阀，40代表第二流量计量阀，41代表第三流量计量阀，42代表同步数据采集系统。

图2是单片机控制系统的示意图。

图3是实施例中同步数据采集系统得到的定容燃烧弹在某一工况条件下压力P随时间t的变化曲线。

图4是本发明实施例中淬熄装置结构的1/4剖面示意图；图中，1代表氮气射流管，2代表液氮存储室，3代表稀释混合腔。

图5是本发明实施例中压缩氮气射流管放大的全剖示意图；图中，4代表氮气入口，5代表锥形渐缩区，6代表射流区，7代表射流区的缓冲段，8代表射流区的缓慢收缩段，9代表射流区的稳压段，10代表液氮吸入孔，11代表燃烧尾气吸入孔，21代表位于氮气射流管与稀释混合腔连接处的外螺纹，23代表位于氮气射流管与液氮存储室连接处的外螺纹。

图6为本发明实施例中稀释混合腔的混合腔剖示意图；图中，13代表预混区，14代表收缩室，15代表一级混合室，16代表扩散室，17代表二级混合室，18代表燃烧尾气接入口，19代表燃烧尾气入口，22位于稀释混合腔预混区与外螺纹21配合的内螺纹。

具体实施方式：

定容燃烧弹燃烧产物采集系统，包括：

定容燃烧弹35，用于模拟燃料燃烧，包括进排气系统、加热系统、燃料供给系统；定容燃烧弹的燃烧产物在高压氮气的驱使下，依次经过第二电磁阀、第二流量计量阀，进入淬熄装置的燃烧产物入口；

淬熄装置36；

第一电磁阀31，第一流量计量阀39，二者安装在氮气钢瓶与淬熄装置之间；第二电磁阀32，为高温电磁阀；第二流量计量阀40；二者安装在定容燃烧弹与淬熄装置间；第三电磁阀33，为高压电磁阀；第三流量计量阀41；二者安装在氮气钢瓶与定容燃烧弹间；

气袋或气瓶37，收集淬熄装置最终排除的产物；

氮气钢瓶38，存储液氮；氮气钢瓶输出的氮气分为二路；一路依次经过第三电磁阀、第三流量计量阀，进入定容燃烧弹；另一路依次经过第一电磁阀、第一流量计量阀，进入淬熄装置的压缩氮气入口；

同步数据采集系统42，NI DAQ-6251；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缸压传感器。

单片机控制系统34；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缸压传感器和A/D模数转换装置；所述缸压传感器用于测定所述定容燃烧弹的压力信号并传输给所述A/D模数转换装置；所述A/D模数转换装置用于将压力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电磁阀。

同步数据采集系统和单片机控制系统控制电磁阀动作时刻。

燃烧产物从定容燃烧弹出来经第二流量计量阀和第二电磁阀控制的管路入淬熄装置；氮气从氮气钢瓶出来经第一流量计量阀和第一电磁阀控制的管路进入淬熄装置，燃烧产物和氮气充分混合和淬熄后一起从淬熄装置出口经管道流进气袋或气瓶；从氮气钢瓶出来的氮气还有一路是经第二流量计量阀和第二电磁阀控制的管路流向定容燃烧弹。

所述淬熄装置，包括：氮气射流管1、液氮存储室2和稀释混合腔3三部分。

所述的氮气射流管沿氮气流动方向包括：压缩氮气入口4、锥形渐缩区5和射流区6；所述射流区包括：缓冲段7和一段收缩段8和氮气出口稳压段9；缓冲段上有连通射流区与液氮存储室的4个液氮吸入孔10，小孔直径是此处缓冲段管径的五分之一，此参数能够更好的抽吸液氮蒸汽；稳压段上有12个燃烧产物吸入孔，燃烧产物吸入孔直径与液氮吸入孔直径相同。

所述稀释混合腔包括：预混区13、收缩室14、一级混合室15、扩散室16和二级混合室17；预混区13包覆在射流区6外层，其左端与氮气射流管密封连接，预混区管壁上有燃烧产物入口19；一级混合室15与收缩室14连接，混合室的长度是直径的2倍。

所述收缩室结束段与射流管的伸出端在同一横截面，且收缩室的右端直径大小是此处氮气射流管端口直径的2倍；装置的管道内均涂覆聚四氟乙烯涂层，减少对燃烧产物的吸附作用。

氮气射流管与稀释混合腔通过螺纹21、22密封连接；所述液氮储存室通过螺纹23安装在氮气射流管上，并通过四氟垫与稀释混合腔密封。

在上述采集系统上实现的定容燃烧弹燃烧产物采集方法，包括如下步骤：

(一)准备工作：

通过定容燃烧弹加热系统、进气系统等设定好要研究的试验工况条件Ⅰ，即：一定的温度、背压和不同的喷油器，先不采样，电磁阀31，高温电磁阀32，高压电磁阀33均未开启，让定容燃烧弹燃烧一次，同步数据采集系统正常工作，得到容弹内压力P随时间t的变化曲线，根据容弹内压力的变化规律来确定燃烧始点A和终点C，它们对应的时间分别是t₁和t₂，取A点和C点间任意一点B，B点对应时间为t_i；

在采样前，保证第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀和氮气钢瓶均未开启，用真空泵将整个系统装置抽真空，消除管道内残留气体对采样气体的影响；

(二)采样过程：

再次设定同样的试验工况条件Ⅰ，打开氮气钢瓶；

利用单片机控制系统控制第一电磁阀在t₁时刻开启，在采集燃烧产物之前氮气已经向淬熄装置中充入，保证在燃烧产物进入淬熄装置时是低温和低压的环境，使采样气体迅速淬熄；

在t_i时刻单片机控制系统控制第二电磁阀开启，开始对燃烧产物进行采样，t_i时刻根据试验要求满足：t₁＜t_i≤t₂；

t₂时刻燃烧已经结束，随着取样持续进行，定容燃烧弹内压力迅速下降，在t₂+Δt时刻单片机控制系统控制第三电磁阀开启，利用氮气对残留在容弹内的燃烧产物进行扫气，使之全部进入气袋或气瓶，从而实现完全取样；Δt的选择依据具体试验要求和条件(容弹容积、燃烧后容弹内的压力、气袋或气瓶的容积等)；

扫气持续t₀时间后，保证采样气体完全取出，单片机控制系统控制第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀关闭，关掉氮气钢瓶，取样过程结束；

通过第一、第二、第三流量计量阀可以测得氮气稀释燃烧产物的比例。

所述淬熄过程如下：

向装置里充入氮气，排净装置里的氧气，使装置一直处于氮气的环境中；锥形渐缩区提高氮气流出速度，实现一级加速；氮气经过缓冲段之后的一段缓慢收缩段和稳压段，在不影响射流出口形成真空的情况下，实现氮气二级加速；

待充入氮气一段时间后，向液氮存储室注入液氮；液氮储存室里的液氮会通过液氮吸入孔进入氮气射流管内与压缩氮气混合，液氮汽化会带走大量热量；

燃烧产物通过燃烧产物入口进入预混区；氮气射流管内的负压区把高温燃气引入氮气射流管内；

位于氮气射流管内的气体为充满高速、低压的惰性氮气，从高温燃气管道流入预混区的燃烧产物根据压差一部分通过燃烧产物吸入孔进入射流管内与高速氮气混合。

本发明并不局限于上述实施实例，基于本发明进行的多种变换，如替换产生高温气体的装置—定容燃烧弹、改进控制方法等，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.定容燃烧弹燃烧产物采集系统，其特征在于，包括：

定容燃烧弹(35)，用于模拟燃料燃烧，包括进排气系统、加热系统、燃料供给系统；定容燃烧弹的燃烧产物在高压氮气的驱使下，依次经过第二电磁阀、第二流量计量阀，进入淬熄装置的燃烧产物入口；

淬熄装置(36)；所述淬熄装置包括：氮气射流管(1)和稀释混合腔(3)；所述的氮气射流管沿氮气流动方向依次包括：压缩氮气入口(4)、锥形渐缩区(5)和射流区(6)；所述射流区外层包覆着预混区(13)，预混区左端与氮气射流管密封连接，预混区管壁上有燃烧产物入口(19)；

第一电磁阀(31)，第一流量计量阀(39)，二者安装在氮气钢瓶与淬熄装置之间；

第二电磁阀(32)，为高温电磁阀；第二流量计量阀(40)；二者安装在定容燃烧弹与淬熄装置间；

第三电磁阀(33)，为高压电磁阀；第三流量计量阀(41)；二者安装在氮气钢瓶与定容燃烧弹间；

气袋或气瓶(37)，收集淬熄装置最终排除的产物；

氮气钢瓶(38)，存储液氮；氮气钢瓶输出的氮气分为二路；一路依次经过第三电磁阀、第三流量计量阀，进入定容燃烧弹；另一路依次经过第一电磁阀、第一流量计量阀，进入淬熄装置的压缩氮气入口；

同步数据采集系统(42)；

单片机控制系统(34)；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缸压传感器和A/D模数转换装置；所述缸压传感器用于测定所述定容燃烧弹的压力信号并传输给所述A/D模数转换装置；所述A/D模数转换装置用于将压力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电磁阀。

2.根据权利要求1所述定容燃烧弹燃烧产物采集系统，其特征在于，所述淬熄装置，包括：

氮气射流管(1)、液氮存储室(2)和稀释混合腔(3)三部分；

所述的氮气射流管沿氮气流动方向包括：压缩氮气入口(4)、锥形渐缩区(5)和射流区(6)；所述射流区包括：缓冲段(7)和一段收缩段(8)和氮气出口稳压段(9)；缓冲段上有连通射流区与液氮存储室的4个液氮吸入孔(10)，小孔直径是此处缓冲段管径的五分之一，此参数能够更好的抽吸液氮蒸汽；稳压段上有12个燃烧产物吸入孔，燃烧产物吸入孔直径与液氮吸入孔直径相同；

所述稀释混合腔包括：预混区(13)、收缩室(14)、一级混合室(15)、扩散室(16)和二级混合室(17)；预混区(13)包覆在射流区(6)外层，其左端与氮气射流管密封连接，预混区管壁上有燃烧产物入口(19)；一级混合室(15)与收缩室(14)连接，混合室的长度是直径的2倍；

所述收缩室结束段与射流管的伸出端在同一横截面，且收缩室的右端直径大小是此处氮气射流管端口直径的2倍；装置的管道内均涂覆聚四氟乙烯涂层，减少对燃烧产物的吸附作用；

氮气射流管与稀释混合腔通过螺纹(21、22)密封连接；所述液氮储存室通过螺纹(23)安装在氮气射流管上，并通过四氟垫与稀释混合腔密封。

3.在权利要求1所述采集系统上实现的定容燃烧弹燃烧产物采集方法，其特征在于，包括如下步骤：

(一)准备工作：

通过定容燃烧弹加热系统、进气系统设定好要研究的试验工况条件Ⅰ，即：一定的温度、背压和不同的喷油器，先不采样，此时，电磁阀(31)，高温电磁阀(32)，高压电磁阀(33)均未开启，让定容燃烧弹燃烧一次，同步数据采集系统正常工作，得到容弹内压力P随时间t的变化曲线，根据容弹内压力的变化规律来确定燃烧始点A和终点C，它们对应的时间分别是t₁和t₂，取A点和C点间任意一点B，B点对应时间为t_i；

在采样前，保证第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀和氮气钢瓶均未开启，用真空泵将整个系统装置抽真空，消除管道内残留气体对采样气体的影响；

(二)采样过程：

再次设定同样的试验工况条件Ⅰ，打开氮气钢瓶；

利用单片机控制系统控制第一电磁阀在t₁时刻开启，在采集燃烧产物之前氮气已经向淬熄装置中充入，保证在高温燃烧产物进入淬熄装置时是低温和低压的环境，使采样气体迅速淬熄；

在t_i时刻单片机控制系统控制第二电磁阀开启，开始对高温燃烧产物进行采样，t_i时刻根据试验要求满足：t₁＜t_i≤t₂；

t₂时刻燃烧已经结束，随着取样持续进行，定容燃烧弹内压力迅速下降，在t₂+Δt时刻单片机控制系统控制第三电磁阀开启，利用氮气对残留在容弹内的燃烧产物进行扫气，使之全部进入气袋或气瓶，从而实现完全取样；

扫气持续t₀时间后，保证采样气体完全取出，单片机控制系统控制第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀关闭，关掉氮气钢瓶，取样过程结束；

通过第一、第二、第三流量计量阀可以测得氮气稀释高温燃烧产物的比例。

4.根据权利要求3所述的定容燃烧弹燃烧产物采集方法，其特征在于，所述淬熄过程如下：

向装置里充入氮气，排净装置里的氧气，使装置一直处于氮气的环境中；锥形渐缩区提高氮气流出速度，实现一级加速；氮气经过缓冲段之后的一段缓慢收缩段和稳压段，在不影响射流出口形成真空的情况下，实现氮气二级加速；

待充入氮气一段时间后，向液氮存储室注入液氮；液氮储存室里的液氮会通过液氮吸入孔进入氮气射流管内与压缩氮气混合，液氮汽化会带走大量热量；

高温燃烧产物通过燃烧产物入口进入预混区；氮气射流管内的负压区把高温燃气引入氮气射流管内；

位于氮气射流管内的气体为充满高速、低压的惰性氮气，从高温燃气管道流入预混区的燃烧产物根据压差一部分通过燃烧产物吸入孔进入射流管内与高速氮气混合。