CN104833512B - 一种模拟发动机缸内颗粒运动的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模拟发动机缸内颗粒运动的装置，包括轴向涡流叶片、可调速电机、滤网、模拟活塞、高度调整杆、高度调整螺母和图像采集系统。所述可调速电机通过固定螺栓固定在上盖板上，通过联接轴将动力传给轴向涡流叶片，在透明材料制作的模拟气缸中产生轴向涡流，所述模拟气缸上部通过螺栓与上盖板相连，下部通过螺栓与支架相连，所述模拟活塞通过调节高度调整螺母的来改变活塞的位置。本发明可以近似模拟缸内颗粒在气流中的运动规律，模拟发动机不同工作行程单个颗粒与颗粒之间的运动状态，揭示颗粒生长的规律，为抑制颗粒生成提供参考，达到降低颗粒排放的目的。

Description

一种模拟发动机缸内颗粒运动的装置

技术领域

本发明涉及一种模拟发动机缸内颗粒运动的装置，属于发动机试验技术领域。

背景技术

柴油机排放的颗粒物是雾霾造成的主要原因之一，排放颗粒物是在发动机气缸内部产生的，汽车排放标准得到了越来越严格的实施，标准除了对排放的质量进行限制外，还要对颗粒排放物的颗粒数进行计算，为了满足更为严格的标准，有必要对发动机缸内颗粒的生长及运动路径进行研究，从颗粒物的形成机理上进行研究。

颗粒的粒径在纳米数量级上，对于静止的颗粒可以采用电子显微镜、扫描式显微镜等有效手段进行分析研究。在现阶段的研究中，很难对处于运动状态的颗粒进行观察研究，对运动颗粒的研究一直是业界的一个难题。

根据相似理论，可以通过模拟试验装置，通过宏观模拟试验来反应微观颗粒的运动状态，为使模拟试验模型表现出微观颗粒的主要现象和特性，必须使模型和原型保持力学相似关系，就是模型与原型在对应点上的对应物理量都具有一定的比例关系，其中力学相似关系包括几何相似、运动相似和动力相似。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种研究发动机缸内颗粒生长和运动路径的装置。本装置可以根据发动机不同转速，调整模拟气缸内的气流运动强度；本装置可以分段研究不同工作行程(进气行程、压缩行程、做功行程、排气行程)的缸内颗粒运动状态的过程中；本方法应用相似性理论，选取制作合适的粒径、表面粘度、脆度和质量的宏观颗粒，通过轻质颗粒的运动轨迹反应颗粒在发动机气缸内的运动状态，同时通过具有一定粘度的颗粒的碰撞、凝结、破碎、反弹反应发动机不同工作行程的微观颗粒间的运动状态。

本发明是采用下述技术方案实现的：

一种模拟发动机缸内颗粒运动的装置，包括模拟气缸、上盖板、可调速电机、轴向涡流叶片、滤网、颗粒投放管道、模拟活塞、模拟活塞调整杆、高度调整螺母；

模拟汽缸上端通过螺栓与上盖板固定，可调速电机通过螺栓固定在上盖板的几何中心，可调速电机通过联接轴带动模拟汽缸内部的轴向涡流叶片旋转，轴向涡流叶片的下部安装有一张滤网，滤网下面位于模拟气缸的一侧设有颗粒投放管道，颗粒投放管道沿模拟气缸径向深入一定距离；模拟活塞位于模拟汽缸内部，同其下面的模拟活塞调整杆相连，模拟活塞调整杆依次穿过支架上端面、压板和高度调整螺母，所述高度调整螺母和压板相配合，调节模拟活塞调整杆上下位置，进而调节模拟活塞的位置；该装置还设有图像采集系统，实时采集到缸内颗粒不同角度的画面。

进一步，所述图像采集系统包括顶部CCD高速摄影相机、侧面CCD高速摄影相机、图像采集器、调节支架，顶部CCD高速摄影相机布置在滤网中心，侧面CCD高速摄影相机安装在调节支架上端，调节支架下端固定在支架的上端面一侧，顶部CCD高速摄影相机、侧面CCD高速摄影相机均与图像采集器相连。

进一步，所述模拟汽缸下端通过螺栓固定在支架的上端面，支架放置在实验台上。

进一步，所述模拟气缸为透明材料的缸体结构。

进一步，所述模拟气缸为聚甲基丙烯酸甲酯缸体。

本发明的有益效果为：

1)本发明用于实现模拟发动机不同行程缸内颗粒的气流运动状态以及汽缸内颗粒之间的运动关系。可调速电机通过联接轴带动轴向涡流叶片旋转，在透明的模拟气缸内产生一定强度的涡流，在轴向涡流叶片的下部，所设置的滤网，便于阻止气缸内的颗粒向上运动，阻止颗粒卷入高速旋转的轴向涡流叶片中，通过手动调整高度调整螺母，使模拟活塞处于不同的高度，模拟活塞在不同位置缸内颗粒的运动状况。根据发动机不同工作行程颗粒的物理特性，选取制作不同粒径、表面粘度、脆度和质量的颗粒，模拟发动机不同工作行程的单个颗粒与颗粒之间的运动状态。

2)模拟活塞与模拟活塞调整杆相连，通过旋转高度调整螺母，配合压板的使用，控制模拟活塞调整杆上下位置，进而调节模拟活塞的位置，模拟活塞在某一位置时，发动机缸内颗粒运动状况，根据发动机每个行程气缸在气缸内位置的变化，调整模拟活塞的位置的渐变，可模拟某个行程缸内颗粒的运动状况。

3)顶部CCD高速摄影相机安装在滤网中心，从轴向拍摄模拟气缸的颗粒运动情况，侧面CCD高速摄影相机安装在调节支架上，可根据活塞位置选择最佳高度，透过透明的模拟气缸，从侧面拍摄气缸内颗粒的运动情况，拍摄的图片传入图像采集器进行处理，图像采集系统可以高速拍摄缸内颗粒运动情况，记录颗粒运动路径。

总之，本发明可以近似模拟发动机不同工作行程的微观颗粒间的运动状态与运动关系，提供了一种在研究发动机不同工作行程的缸内颗粒运动状态的试验装置与试验方法，能够有效地揭示颗粒的成核、生长的过程，为颗粒减排的研究提供新途径。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明的模拟活塞位置调整机构示意图。

图中各标号为：1、联接轴，2、颗粒投放管道，3、模拟气缸，4、模拟活塞，5、模拟活塞调整杆，6、高度调整螺母，7、压板，8、可调速电机，9、上盖板，10、轴向涡流叶片，11、滤网，12-1、顶部CCD高速摄影相机，12-2、侧面CCD高速摄影相机，12-3、图像采集器，12-4、调节支架，13、支架，14、实验台。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。

如图1和图2所示，一种模拟发动机缸内颗粒运动的装置及方法，它包括轴向涡流叶片10、可调速电机8、滤网11、模拟活塞4、模拟活塞调整杆5、高度调整螺母6和图像采集系统，其中图像采集系统包括顶部CCD高速摄影相机12-1、侧面CCD高速摄影相机12-2、图像采集器12-3和调节支架12-4。模拟气缸3下端通过螺栓固定在支架13上，上端通过螺栓与上盖板9联接，可调速电机8固定在圆形上盖板9中间，可调速电机8通过联接轴1带动轴向涡流叶片10旋转，在透明的模拟气缸3内产生一定强度的涡流，在轴向涡流叶片10的下部，安装有一张滤网11(比所选试验的颗粒略小)，阻止气缸内的颗粒向上运动，阻止颗粒卷入高速旋转的轴向涡流叶片10中，颗粒投放管道2设在滤网下部并沿模拟气缸3径向深入一定距离，侧面CCD高速摄影相机12-2安装在调节支架12-4上，侧面CCD高速摄影相机12-2的高度可根据实际自行调整，顶部CCD高速摄影相机12-1布置在滤网11中心，图像采集系统实时采集到模拟气缸3内颗粒不同角度的画面。通过手动调整高度调整螺母6，使模拟活塞4处于不同的高度，模拟活塞4在不同位置模拟气缸3内颗粒的运动状况。根据发动机不同工作行程颗粒的物理特性，选取制作不同粒径、表面粘度、脆度和质量的颗粒，模拟发动机不同工作行程的单个颗粒与颗粒之间的运动状态。

如图1所示，所述模拟汽缸3上端通过螺栓与上盖板9固定，模拟汽缸3下端通过螺栓固定在支架13上，支架13放置在实验台14上，可调速电机8通过螺栓固定在上盖板9几何中心，可调速电机8通过联接轴1带动轴向涡流叶片10，轴向涡流叶片10带动模拟气缸3内气流旋转运动，产生沿轴向的涡流，发动机转速与缸内涡流转速存在一定的数值关系，可以通过调整可调速电机8的转速调整模拟气缸3内涡流强度，用来模拟发动机不同转速下气缸内颗粒的运动状况和颗粒间的不同运动关系。

如图1和图2所示，调节高度调整螺母6，通过模拟活塞调整杆5调整模拟活塞4在模拟气缸3内的指定位置。图2中，模拟活塞调整杆5依次穿过支架13上端面、压板7和高度调整螺母6，所述高度调整螺母6和压板7相配合，调节模拟活塞调整杆5上下位置，进而调节模拟活塞4的位置。通过模拟活塞4位置的渐变，模拟发动机活塞不同位置的颗粒运动状况，调整模拟活塞4位置从模拟气缸一端运动至另一端，即可得到活塞在一个行程中颗粒在不同活塞位置的运动状况，得到在一个行程中颗粒的运动状况。

上述顶部CCD高速摄影相机12-1安装在滤网11中心，便于从轴向拍摄模拟气缸3的颗粒运动情况，侧面CCD高速摄影相机12-2安装在调节支架12-4上，可根据活塞位置选择最佳高度，透过透明的模拟气缸3，从侧面拍摄气缸内颗粒的运动情况，拍摄的图片传入图像采集器12-3进行处理，图像采集系统可以高速拍摄缸内颗粒运动情况，记录颗粒运动路径。

通过选取制作合适的粒径、表面粘度、脆度和质量的宏观颗粒，配合模拟活塞4位置的变化，可得到不同活塞行程下，发动机气缸颗粒的运动状态，在模拟活塞4位置从上向下调整过程中，选取合适的气流运动强度，运用相似理论，选用制作与发动机进气行程中气体所含颗粒理化特性类似的模拟颗粒，模拟进气行程中颗粒的运动状态，同时通过选取制作颗粒的不同，模拟应用EGR技术的发动机，在发动机进气状态通入气缸的废气中所含颗粒的运动状态。在发动机压缩、膨胀和排气行程中，通过控制模拟气缸内的气流强度、活塞位置的调整和图像采集系统对颗粒运动状况的采集处理即可全方位的模拟研究发动机四个行程中颗粒在气缸内的运动状态。

本发明应用相似性理论，选取制作合适的粒径、表面粘度、脆度和质量的宏观颗粒，通过轻质颗粒的运动轨迹反应颗粒在发动机气缸内的运动状态，同时通过具有一定粘度的颗粒的碰撞、凝结、破碎、反弹反应发动机不同工作行程的微观颗粒间的运动状态。发动机在工作过程中，颗粒会随着行程(进气行程、压缩行程、做功行程、排气行程)的变化产生变化，根据所要模拟发动机的行程，选取制作合适的粒径、表面粘度、脆度和质量的宏观颗粒，配合模拟活塞4位置的变化，可得到不同活塞行程下，发动机气缸颗粒的运动状态。

应理解上述施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

Claims (2)

1.一种模拟发动机缸内颗粒运动的装置，其特征在于，包括模拟气缸(3)、上盖板(9)、可调速电机(8)、轴向涡流叶片(10)、滤网(11)、颗粒投放管道(2)、模拟活塞(4)、模拟活塞调整杆(5)、高度调整螺母(6)；

模拟汽缸(3)上端通过螺栓与上盖板(9)固定，可调速电机(8)通过螺栓固定在上盖板(9)的几何中心，可调速电机(8)通过联接轴(1)带动模拟汽缸(3)内部的轴向涡流叶片(10)旋转，轴向涡流叶片(10)的下部安装有一张滤网(11)，滤网(11)下面位于模拟气缸(3)的一侧设有颗粒投放管道(2)，颗粒投放管道(2)沿模拟气缸(3)径向深入一定距离；模拟活塞(4)位于模拟汽缸(3)内部，同其下面的模拟活塞调整杆(5)相连，模拟活塞调整杆(5)依次穿过支架(13)上端面、压板(7)和高度调整螺母(6)，所述高度调整螺母(6)和压板(7)相配合，调节模拟活塞调整杆(5)上下位置，进而调节模拟活塞(4)的位置；

该装置还设有图像采集系统，实时采集到缸内颗粒不同角度的画面；

所述图像采集系统包括顶部CCD高速摄影相机(12-1)、侧面CCD高速摄影相机(12-2)、图像采集器(12-3)、调节支架(12-4)，顶部CCD高速摄影相机(12-1)布置在滤网(11)中心，侧面CCD高速摄影相机(12-2)安装在调节支架(12-4)上端，调节支架(12-4)下端固定在支架(13)的上端面一侧，顶部CCD高速摄影相机(12-1)、侧面CCD高速摄影相机(12-2)均与图像采集器(12-3)相连；

所述模拟汽缸(3)下端通过螺栓固定在支架(13)的上端面，支架(13)放置在实验台(14)上；

所述模拟气缸(3)为透明材料的缸体结构。

2.根据权利要求1所述的模拟发动机缸内颗粒运动的装置，其特征在于，所述模拟气缸(3)为聚甲基丙烯酸甲酯缸体。