CN105115733B - 一种模拟缸内直喷天然气发动机的定容燃烧系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模拟缸内直喷天然气发动机的定容燃烧系统及控制方法，装置为：压缩天然气瓶、减压装置、天然气开关阀门、GDI喷射器依次连接，压缩空气瓶、空气开关阀门、定容燃烧弹依次连接，GDI喷射器出口连接圆管，圆管伸入到定容燃烧弹内；在定容燃烧弹内固定有活塞，活塞邻近圆管出气口，定容燃烧弹上还设置有数字电子压力表、缸压传感器以及高速照相机，定容燃烧弹内部固定有火花塞；还包括喷射控制板，用于控制GDI喷射器的喷射流量，多功能控制仪，用于控制喷射控制板、高速照相机、火花塞和缸压传感器。本发明能真实地观测燃烧室形状和发动机活塞运动接近上止点时对缸内混合气动态特性和燃烧特性的影响，并且解决了天然气直喷的问题。

Description

一种模拟缸内直喷天然气发动机的定容燃烧系统及控制方法

技术领域

本发明涉及定容燃烧可视化实验系统应用领域，具体涉及一种模拟缸内直喷天然气发动机的定容燃烧系统及控制方法，用于模拟天然气发动机缸内直喷混合气形成及燃烧过程研究。

背景技术

面对当前能源危机以及环境污染越演越烈，寻找清洁理想的发动机代用燃料已迫在眉睫。天然气因其清洁、储量十分丰富、热值高、辛烷值高、排污低、经济性好而被世界公认为较理想的发动机代用燃烧之一。同时，缸内直喷天然气发动机拥有柴油机热效率高和汽油机升功率大等特点，且相较于传统的进气道喷射式天然气发动机具有很多优点。

为了获得缸内直喷天然气发动机最佳排放性、动力性、经济性，最根本的是解决天然气发动机燃烧问题。但对于研究者来说，最大的问题是发动机燃烧室是封闭不可见的，这为研究带来非常大的困难，为了解决这个难题，定容燃烧可视化实验系统就应运而生了。定容燃烧弹是模拟发动机气缸的密闭容器，以模拟发动机活塞运行在上止点附近时的喷雾混合动态特性和燃烧特性，其特点是结构简单，加以改动后能够很方便的改变燃烧室形状和喷射、点火控制等参数，是对内燃机基础研究的一个重要工具。为了较真实反应天然气发动机缸内工作过程，且进一步研究天然气燃料的特性，及需一种模拟缸内直喷天然气发动机缸内喷雾发展过程及燃烧的定容燃烧系统。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种模拟缸内直喷天然气发动机的定容燃烧系统及控制方法，能较真实地观测燃烧室形状和发动机活塞运动接近上止点时对缸内混合气动态特性和燃烧特性的影响。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种模拟缸内直喷天然气发动机的定容燃烧系统，压缩天然气瓶、减压装置、天然气开关阀门、GDI（Gasoline Direct Injection，缸内直喷）喷射器依次连接，压缩空气瓶、空气开关阀门、定容燃烧弹依次连接，所述GDI喷射器出口连接圆管，所述圆管伸入到定容燃烧弹内；在所述定容燃烧弹内固定有活塞，所述活塞邻近圆管出气口，所述定容燃烧弹上还设置有数字电子压力表、缸压传感器以及高速照相机，定容燃烧弹内部固定有火花塞；还包括喷射控制板，用于控制GDI喷射器的喷射流量，多功能控制仪，用于控制喷射控制板、高速照相机、火花塞和缸压传感器。

所述GDI喷射器固定在喷射器安装座上。

所述GDI喷射器为6个且均匀分布在喷射器安装座上，具体的，所述喷射器安装座为正六边体，在六个侧面分别设置有用于安装GDI喷射器的阶梯孔，在喷射器安装座中心设置有用于汇集6个GDI喷射器出口气体的容腔，所述容腔连接到圆管。

所述GDI喷射器通过螺栓和喷射器压紧块固定在喷射器安装座上，所述喷射器压紧块两端开有压紧块螺栓通孔，所述螺栓通过压紧块螺栓通孔固定在喷射器安装座上，喷射器压紧块中部开有压紧块中心圆孔和压紧块裙部圆孔，所述压紧块中心圆孔和压紧块裙部圆孔相通，并用于连接GDI喷射器出气口。

所述活塞通过活塞连接螺杆固定在活塞安装座上。

所述活塞为方块形活塞，一端开有活塞内螺纹孔。

所述活塞的另一端为ω型、楔型或者锁口型。

一种模拟缸内直喷天然气发动机的定容燃烧系统的控制方法，ECU（ElectronicControl Unit，电子控制单元）多功能控制仪通过接收工控机一个触发信号，ECU多功能控制仪处理该信号，通过第一驱动电路控制高速照相机开始工作；所述ECU多功能控制仪通过第二驱动电路和三个喷射控制板同时触发六个GDI喷射器开始工作；天然气经过压缩天然气瓶来到减压装置处，通过所述减压装置将高压气体转换为实验需要的气压，然后天然气通过进气主管道到达所述天然气开关阀门，随后天然气经过安全阀门、多向通道接口和天然气进气管进入到六个GDI喷射器处；天然气经过六个GDI喷射器喷射进入容腔中，再经过圆管进入定容燃烧弹中心；ECU多功能控制仪通过第三驱动电路控制触发火花塞工作；ECU多功能控制仪通过第四驱动电路控制触发缸压传感器开始工作，缸压经过A/D转换器、采集卡，最终由显示器显示出来。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、解决了缸内直喷天然气匹配喷射问题，较真实地观测燃烧室形状和发动机活塞运动接近上止点时对缸内混合气动态特性和燃烧特性的影响。

2、基于定容燃烧弹可视化系统上解决了天然气直喷问题。

3、采用方块型活塞，从根本上解决了圆柱形活塞会遮挡光学系统中部分光线的问题，从而排除了高速照相机无法拍摄燃烧室内气流动态情况。

4、本发明系统燃烧室装置可以很方便的更换不同燃烧室形状，有利于提高研究者的工作效率。

5、本发明中喷射装置机构原理较为简单，容易在其它实验研究系统中推广使用。

6、本发明系统可以通过更换相关供给系统等设备，即可以研究其它气体燃料。

附图说明

图1是本发明模拟缸内直喷天然气发动机的定容燃烧系统整体结构示意图。

图2是本发明模拟缸内直喷天然气发动机的定容燃烧系统的天然气喷射装置主视图。

图3是本发明模拟缸内直喷天然气发动机的定容燃烧系统的天然气喷射装置侧视图。

图4是本发明模拟缸内直喷天然气发动机的定容燃烧系统的喷射器压紧块主视图。

图5是本发明模拟缸内直喷天然气发动机的定容燃烧系统的喷射器压紧块侧视图。

图6是本发明模拟缸内直喷天然气发动机的定容燃烧系统的方块形活塞ω型燃烧室之主视图。

图7是本发明模拟缸内直喷天然气发动机的定容燃烧系统的方块形活塞ω型燃烧室之侧视图。

图8是本发明模拟缸内直喷天然气发动机的定容燃烧系统的方块形活塞楔型燃烧室之侧视图。

图9是本发明模拟缸内直喷天然气发动机的定容燃烧系统的方块形活塞楔型燃烧室之主视图。

图10是本发明模拟缸内直喷天然气发动机的定容燃烧系统的方块形活塞锁口型燃烧室之侧视图。

图11是本发明模拟缸内直喷天然气发动机的定容燃烧系统的方块形活塞锁口型燃烧室之主视图。

图12是本发明模拟缸内直喷天然气发动机的定容燃烧系统的控制过程示意图。

图中：1-喷射器安装座；2-GDI喷射器；3-O型密封圈；4-天然气进气管；5-螺栓；6-喷射器压紧块；7-容腔；8-圆管；9-安全阀门；10-天然气开关阀门；11-减压装置；12-压缩天然气瓶；13-压缩空气瓶；14-空气开关阀门；15-定容燃烧弹；16-数字电子压力表；17-活塞；18-燃烧室；19-活塞内螺纹孔；20-活塞连接螺杆；21-活塞安装座；22-缸压传感器；23-高速照相机；24-火花塞；25-多功能控制仪；26-喷射控制板；27-压紧块螺栓通孔；28-压紧块中心圆孔；29-压紧块裙部圆孔；30-楔型燃烧室；31-第一方块形活塞；33-第一内螺纹；34-锁口型燃烧室；35-第二方块形活塞；36-第二内螺纹。

具体实施方式

国内迄今还没有一款专门的缸内直喷天然气喷射器，本发明致力于解决缸内直喷天然气匹配喷射问题，较真实地观测燃烧室形状和发动机活塞运动接近上止点时对缸内混合气动态特性和燃烧特性的影响。下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

一种模拟缸内直喷天然气发动机的定容燃烧系统，其结构为：压缩天然气瓶12、减压装置11、天然气开关阀门10、GDI喷射器2依次连接，压缩空气瓶13、空气开关阀门14、定容燃烧弹15依次连接，所述GDI喷射器2出口连接圆管8，所述圆管8伸入到定容燃烧弹15内；在所述定容燃烧弹15内固定有活塞17，所述活塞17邻近圆管8出气口，所述定容燃烧弹15上还设置有数字电子压力表16、缸压传感器22以及高速照相机23，定容燃烧弹15内部固定有火花塞24；还包括喷射控制板26，用于控制GDI喷射器的喷射流量，多功能控制仪25，用于控制喷射控制板26、高速照相机23、火花塞24和缸压传感器22。

所述GDI喷射器2固定在喷射器安装座1上。所述GDI喷射器2为6个且均匀分布在喷射器安装座1上，具体的，所述喷射器安装座1为正六边体，在六个侧面分别设置有用于安装GDI喷射器2的阶梯孔，在喷射器安装座1中心设置有用于汇集6个GDI喷射器2出口气体的容腔7，所述容腔7连接到圆管8。

所述GDI喷射器2通过螺栓5和喷射器压紧块6固定在喷射器安装座1上，所述喷射器压紧块6两端开有压紧块螺栓通孔27，所述螺栓5通过压紧块螺栓通孔27固定在喷射器安装座1上，喷射器压紧块6中部开有压紧块中心圆孔28和压紧块裙部圆孔29，所述压紧块中心圆孔28和压紧块裙部圆孔29相通，并用于连接GDI喷射器2出气口。

所述活塞17通过活塞连接螺杆20固定在活塞安装座21上。

所述活塞17为方块形活塞，一端开有活塞内螺纹孔19，根据定容燃烧弹15可视化试验系统特点，对于圆柱形燃烧室而言，在实验中其会遮挡部分光线，造成光学系统无法拍摄到燃烧室内气流动态情况，为便于纹影摄影系统能够拍摄得到实验所需图片，故将活塞设计成方块形。所述活塞17的另一端为ω型、楔型或者锁口型，以便于试验研究不同燃烧室形状对气体燃料喷雾发展和燃烧过程具有何种影响。

一种模拟缸内直喷天然气发动机的定容燃烧系统的控制方法，ECU多功能控制仪通过接收工控机一个触发信号，ECU多功能控制仪处理该信号，通过第一驱动电路控制高速照相机23开始工作；所述ECU多功能控制仪通过第二驱动电路和三个喷射控制板26同时触发六个GDI喷射器2开始工作；天然气经过压缩天然气瓶12来到减压装置11处，通过所述减压装置11将高压气体转换为实验需要的气压，然后天然气通过进气主管道到达所述天然气开关阀门10，随后天然气经过安全阀门9、多向通道接口和天然气进气管4进入到六个GDI喷射器2处；天然气经过六个GDI喷射器2喷射进入容腔7中，再经过圆管8进入定容燃烧弹15中心；在触发GDI喷射器2开始工作时，根据控制策略这时相应的其它系统也需要相应的开始工作，最后就可以展开相应的试验研究工作，如可以利用高速照相机23拍摄纪录天然气喷雾发展过程、燃烧室18的形状对喷雾发展过程的影响、以及天然气燃烧等过程；ECU多功能控制仪通过第三驱动电路控制触发火花塞24工作；ECU多功能控制仪通过第四驱动电路控制触发缸压传感器22开始工作，缸压经过A/D转换器、采集卡，最终由显示器显示出来。

Claims (6)

1.一种模拟缸内直喷天然气发动机的定容燃烧系统，其特征在于，压缩天然气瓶(12)、减压装置(11)、天然气开关阀门(10)、GDI喷射器(2)依次连接，压缩空气瓶(13)、空气开关阀门(14)、定容燃烧弹(15)依次连接，所述GDI喷射器(2)出口连接圆管(8)，所述圆管(8)伸入到定容燃烧弹(15)内；在所述定容燃烧弹(15)内固定有活塞(17)，所述活塞(17)邻近圆管(8)出气口，所述定容燃烧弹(15)上还设置有数字电子压力表(16)、缸压传感器(22)以及高速照相机(23)，定容燃烧弹(15)内部固定有火花塞(24)；还包括喷射控制板(26)，用于控制GDI喷射器(2)的喷射流量，多功能控制仪(25)，用于控制喷射控制板(26)、高速照相机(23)、火花塞(24)和缸压传感器(22)；所述GDI喷射器(2)固定在喷射器安装座(1)上；所述GDI喷射器(2)为6个且均匀分布在喷射器安装座(1)上，具体结构为：所述喷射器安装座(1)为正六边体，在六个侧面分别设置有用于安装GDI喷射器(2)的阶梯孔，在喷射器安装座(1)中心设置有用于汇集6个GDI喷射器(2)出口气体的容腔(7)，所述容腔(7)连接到圆管(8)。

2.如权利要求1所述的一种模拟缸内直喷天然气发动机的定容燃烧系统，其特征在于，所述GDI喷射器(2)通过螺栓(5)和喷射器压紧块(6)固定在喷射器安装座(1)上，所述喷射器压紧块(6)两端开有压紧块螺栓通孔(27)，所述螺栓(5)通过压紧块螺栓通孔(27)固定在喷射器安装座(1)上，喷射器压紧块(6)中部开有压紧块中心圆孔(28)和压紧块裙部圆孔(29)，所述压紧块中心圆孔(28)和压紧块裙部圆孔(29)相通，并用于连接GDI喷射器(2)出气口。

3.如权利要求1所述的一种模拟缸内直喷天然气发动机的定容燃烧系统，其特征在于，所述活塞(17)通过活塞连接螺杆(20)固定在活塞安装座(21)上。

4.如权利要求1至3任一项所述的一种模拟缸内直喷天然气发动机的定容燃烧系统，其特征在于，所述活塞(17)为方块形活塞，一端开有活塞内螺纹孔(19)。

5.如权利要求4所述的一种模拟缸内直喷天然气发动机的定容燃烧系统，其特征在于，所述活塞(17)的另一端为ω型、楔型或者锁口型。

6.一种模拟缸内直喷天然气发动机的定容燃烧系统的控制方法，其特征在于，ECU多功能控制仪接收工控机一个触发信号，ECU多功能控制仪处理该信号，通过第一驱动电路控制高速照相机(23)开始工作；

所述ECU多功能控制仪通过第二驱动电路和三个喷射控制板(26)同时触发六个GDI喷射器(2)开始工作；

天然气经过压缩天然气瓶(12)进入减压装置(11)，通过所述减压装置(11)将高压气体转换为实验需要的气压，然后天然气通过进气主管道到达天然气开关阀门(10)，随后天然气经过安全阀门(9)、多向通道接口和天然气进气管(4)进入到六个GDI喷射器(2)处；

天然气经过六个GDI喷射器(2)喷射进入容腔(7)中，再经过圆管(8)进入定容燃烧弹(15)中心；

ECU多功能控制仪通过第三驱动电路控制触发火花塞(24)工作；

ECU多功能控制仪通过第四驱动电路控制触发缸压传感器(22)开始工作，缸压经过A/D转换器、采集卡，最终由显示器显示出来。