CN105352736A - 一种湍流强度和位置可控的测试定容弹及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种湍流强度和位置可控的测试定容弹及控制方法。所述定容弹装置主要包括温度传感器、压力传感器、燃料喷射器、进排气管、湍流发生模块、PLC控制模块等。其中湍流发生装置为均布的九个小型轴流风扇，采用螺栓连接于定容弹下端。根据人为设定，采用上位机测试系统及PLC控制轴流风扇的起动方案以及转速，从而达到要求强度和位置的湍流。本发明结构简便，只需要试验初期，螺栓固定湍流发生装置，并且只需要通过外部调节参数，便可以自动达到精确强度和位置的目标湍流，简化了拆装该类装置的操作过程，对研究燃料在不同湍流强度和不同发生位置下的燃烧过程及特性起到了重要作用。

Description

一种湍流强度和位置可控的测试定容弹及控制方法

技术领域

本发明专利属于工程热物理研究领域，涉及内燃机燃烧过程的精确测试环境等研究方面。一种湍流强度和位置可控的定容弹，具体涉及一种通过轴流风扇产生不同目标强度和位置的湍流测试定容弹。

背景技术

不同气体和液体燃料的雾化与空气的混合过程是影响内燃机燃烧和排放污染物性能的重要因素之一。对于内燃机而言，一般采取带有导气屏的进气门、切向气道以及螺旋气道的方法，产生进气涡流，提高湍流强度，提高雾化程度。

湍流强度的提高以及湍流位置的改善，带来的效果是改善预混程度，从而内燃机的燃烧与排放性能有很大影响。因此内燃机在不同湍流强度和不同湍流发生位置下的燃烧排放性能的测试，对内燃机燃烧系统开发与研究具有非常重要意义。

传统的燃烧器通常包括可燃气稳压箱箱体以及相关的输送管道。其涡流产生一般利用气态燃料通过湍流发生器后产生一定强度尾迹涡流实现。诸如此类提高湍流强度的装置多限于定性的研究，且结构繁琐，而多未对湍流强度和湍流发生位置进行较准确的定量控制，继而在不同强度和位置的湍流下研究内燃机的燃烧与排放特性。

所以，设计一种能较准确控制湍流强度和湍流发生位置，且整体系统结构较简化的装置，对于内燃机的开发与研究是迫切需要的。

发明内容

本发明根据内燃机燃烧系统开发与研究需要，设计一种能较准确控制湍流强度和位置，且整体系统结构较简化的的测试定容弹及控制方法。

本发明的技术方案为：一种湍流强度和位置可控的测试定容弹，包括定容弹主体部分，还包括湍流发生装置，所述定容弹主体部分下端和湍流发生装置相连接；所述湍流发生装置包括圆柱状壳体、导流罩、轴流风扇、控制轴流风扇的电机以及湍流控制装置；所述壳体底部端面设有若干通孔，正对着通孔的上端设有轴流风扇，正对着通孔的下端设有电机，所述电机的轴端穿过通孔同轴流风扇相连；所述轴流风扇的上部安装导流罩；所述湍流控制装置包括上位机、PLC控制模块、转速传感器，上位机和PLC控制模块相连，PLC控制模块和转速传感器相连；由上位机中自带的测试系统及PLC控制模块确定轴流风扇的起动方案、湍流强度和湍流发生位置。

进一步，所述定容弹主体部分包括定容弹弹体和分别从该定容弹弹体的两端侧面贯穿的点火针，所述定容弹弹体上端分别设有喷油器、温度传感器、压力传感器，所述定容弹弹体其中一侧面的上部和下部分别设有进气端、排气端，所述定容弹弹体的另一侧面设有圆形可视窗口，所述定容弹弹体内部为燃烧室。

进一步，所述若干通孔的布置满足：壳体中心处设有一个通孔，其它通孔环绕着中心通孔均匀分布。

进一步，所述壳体的通孔数量为九个。

进一步，所述导流罩为圆板状，导流罩在轴流风扇上方相对应的位置均设有通孔，孔径和轴流风扇叶片直径大小相同；导流罩所在壳体内部的边缘均布有若干半圆形通风口，虎口朝外。

进一步，所述导流罩和壳体接触处的安装面为波浪形曲面，曲面上沿环形均布有若干螺栓孔。

进一步，所述半圆形通风口为四个。

进一步，所述螺栓孔为八个。

本发明的方法的技术方案为：一种湍流强度和位置可控的测试定容弹的控制方法，包括以下步骤；

步骤1，起动上位机内定容弹测试系统，在正式测试前进行预调试；

步骤2，预调试完成，进入正式测试阶段；在定容弹测试系统中输入湍流强度和湍流发生位置等相关参数，由上位机测试系统及PLC控制模块确定轴流风扇的起动方案、湍流强度和湍流发生位置；

步骤3，对于不同目标强度和位置的湍流测试，可重复如上步骤2；

步骤4，测试完成，拆解定容弹测试系统，妥善放置。

进一步，所述步骤2的具体过程为：不同位置轴流风扇事先在PLC中定义与编号，按湍流发生位置分为前后左右四个位置，分别对应的起动方案为：A9-A8-A7，A1-A2-A3，A4-A2-A7，A6-A3-A8；需要局部位置湍流时，在上位机输入相应编号，以控制对应轴流风扇的启停；

根据测试要求，可将湍流按强度分为中低强度、高强度两类，根据湍流强度的控制方程在其他参数一定的条件下，可以通过调节轴流风扇的转速，以达到理想的湍流强度；当中低湍流强度要求时，轴流风扇起动为：A2-A3-A7-A8；当高强度湍流要求时，轴流风扇起动为：A1-A2-A3-A4-A5-A6-A7-A8-A9。

本发明具有以下技术效果：

1)所述湍流发生装置加装导流罩，用于防止初始时湍流的相互干涉并且赋予气流正确的运动方向，可更加精确达到目标湍流。

2)所述导流罩的边界处均匀布置四个通风口，便于燃烧室内混合气的对流运动，设于腔体的边缘，可最大限度的降低对燃烧腔内湍流的干扰。

3)采取九个电机轴流风扇装置均匀布置于定容弹下部，可根据湍流强度和湍流发生位置的要求，合理和精确的安排轴流风扇的起动方案以及转速。

4)所述定容弹发生装置与弹体的安装接触表面采用螺旋式沟槽设计，保证测试定容弹的密封性和安装可靠性。

5)所述定容弹下部的湍流发生装置与弹体采取螺栓连接措施，可根据需要自行安装与拆卸。

附图说明

图1为湍流强度和位置可控的测试定容弹装置示意图。

图2为湍流发生装置俯视图。

图3为导流罩及其通孔中的轴流风扇编号示意图。

图4为该定容弹装置的测试流程图。

图中，1-定容弹弹体；2-温度传感器；3-喷油器；4-压力传感器；5-可视窗口；6-点火针；7-紧固螺栓；8-轴流风扇；9-电机；10-湍流发生装置机体；11-导流罩；12-进气管；13-排气管。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。

如图1-2所示，一种湍流强度和位置可控的测试定容弹，包括定容弹主体部分，还包括湍流发生装置，所述定容弹主体部分下端和湍流发生装置相连接；所述湍流发生装置包括圆柱状壳体、导流罩11、轴流风扇8、控制轴流风扇8的电机9以及湍流控制装置；所述壳体底部端面设有若干通孔，正对着通孔的上端设有轴流风扇，正对着通孔的下端设有电机9，所述电机9的轴端穿过通孔同轴流风扇8相连；所述轴流风扇8的上部安装导流罩11；所述湍流控制装置包括上位机、PLC控制模块、转速传感器，上位机和PLC控制模块相连，PLC控制模块和转速传感器相连；由上位机中自带的测试系统及PLC控制模块确定轴流风扇8的起动方案、湍流强度和湍流发生位置。

所述定容弹主体部分包括定容弹弹体1和分别从该定容弹弹体1的两端侧面贯穿的点火针6，所述定容弹弹体1上端分别设有喷油器3、温度传感器2、压力传感器4，所述定容弹弹体1其中一侧面的上部和下部分别设有进气端12、排气端13，所述定容弹弹体1的另一侧面设有圆形可视窗口5，所述定容弹弹体1内部为燃烧室。

所述若干通孔的布置满足：壳体中心处设有一个通孔，其它通孔环绕着中心通孔均匀分布。所述壳体的通孔数量为九个。

所述导流罩11为圆板状，导流罩在轴流风扇8上方相对应的位置均设有通孔，孔径和轴流风扇8叶片直径大小相同；导流罩11所在壳体内部的边缘均布有若干半圆形通风口，虎口朝外。所述半圆形通风口为四个。

所述导流罩11和壳体接触处的安装面为波浪形曲面，曲面上沿环形均布有若干螺栓孔，所述螺栓孔为八个。

本发明的工作原理是：主要采用PLC控制和湍流发生装置，控制湍流强度和湍流发生位置，其中湍流发生装置为均布的九个轴流风扇(产生平行于转轴方向的湍流)，且分别由电机驱动。通过设定湍流强度以及发生位置等参数，由PLC控制轴流风扇最适宜的起动方案以及转速，达到预定的目标湍流强度及位置要求。测试之初对装置进行组装搭建，其中包括计算机、软件的安装，定容弹弹体1和湍流发生装置10的紧固螺栓7可靠固定等。接着进行预调试，确保测试系统的稳定、准确。预调试结束后，进入正式测试阶段，向计算机中输入目标湍流强度和湍流发生位置等相关参数，起动测试。测试系统中，温度传感器2、压力传感器4、喷油器3、点火针6处于工作状态，PLC控制模块根据湍流强度和发生位置要求，较准确控制湍流发生装置中轴流风扇的起动方案和转速。

如图1所示，一种湍流强度和位置可控的测试定容弹，主要采用PLC控制和湍流发生装置，控制湍流强度和湍流发生位置，其中湍流发生装置为均布的九个轴流风扇(产生平行于转轴方向的湍流)，且分别由电机驱动。通过设定参数，由PLC控制轴流风扇最适宜的起动方案以及转速，达到预定目标强度和位置的湍流。

1)轴流风扇8的布置

由图2-3所示，为湍流发生装置俯视图和导流罩11，其中可知轴流风扇布置方案，采用均匀布置，并且将轴流风扇从A1-A9进行编号。即每个轴流风扇8置于对应的导气孔内，目的在于在气流进入弹体之前，尽量消除起始气流的相互干涉影响，并赋予气流正确的流动方向。

2)湍流强度的评定

湍流强度等于湍流脉动速度与平均速度的比值，也等于0.16与按水力直径计算得到的雷诺数的负八分之一次方的乘积。即公式如下：

I＝0.16×(Re)^-1/8

其中：I-表示湍流强度；Re-表示雷诺数；此外，雷诺数方程如下：其中：ρ-表示流体密度(Kg/m³)；V-表示平均流速(国际单位为m/s)；D-表示管的直径(一般为特征长度)(m)；μ-表示流体动力粘度(Pa/S或N.s/m²)；v-表示运动粘度(v＝μ/ρ)(m²/s)；Q-表示体积流量(m³/s)；A-表示横截面积(m²)。

3)控制方案

如图4所示，本发明首先采用螺栓7可靠连接固定容弹弹体1与湍流发生装置。然后安装其他部件，如连接进排气管12、13，温度传感器2，压力传感器4，点火针6等装置。本发明的控制方法包括以下步骤：

步骤1，起动上位机内定容弹测试系统，在正式测试前进行预调试；

步骤2，预调试完成，进入正式测试阶段；在定容弹测试系统中输入湍流强度和湍流发生位置等相关参数，由上位机测试系统及PLC控制模块确定轴流风扇8的起动方案、湍流强度和湍流发生位置。

具体过程为：从A1-A9编号的孔内分别安装轴流风扇，可按湍流强度、湍流发生位置分类确定轴流风扇起动方案。

不同位置轴流风扇8事先在PLC中定义与编号，按湍流发生位置分为前、后、左、右四类，或者单独控制某一个编号轴流风扇8，已达到位置的可控。

根据测试要求，可将湍流按强度分为中低强度、高强度两类，根据湍流强度的控制方程在其他参数一定的条件下，可以通过调节轴流风扇8的转速，以达到理想的湍流强度，通过上位机输入目标转速，PLC反馈转速传感器的转速信号，与目标值比较，调节电机已达到理想转速。

当中低湍流强度要求时，轴流风扇8起动为：A2-A3-A7-A8；高强度湍流要求时，轴流风扇起动为：A1-A2-A3-A4-A5-A6-A7-A8-A9；按湍流发生位置分为前后左右四个位置，分别对应的起动方案为：A9-A8-A7，A1-A2-A3，A4-A2-A7，A6-A3-A8(前-A9，A8，A7，后-A1，A2，A3，左-A4，A2，A7，右-A6，A3，A8)。需要局部位置湍流时，在上位机输入相应编号，以控制对应轴流风扇8的启停；通过PLC程序控制，精确控制轴流风扇的转速，以达到目标湍流强度。

步骤3，对于不同目标强度和位置的湍流测试，可重复如上步骤2；

步骤4，测试完成，拆解定容弹测试系统，妥善放置。

综上，本发明的一种湍流强度和位置可控的测试定容弹及控制方法。所述定容弹装置主要包括温度传感器、压力传感器、燃料喷射器、进排气管、湍流发生模块、PLC控制模块等。其中湍流发生装置为均布的九个小型轴流风扇，采用螺栓连接于定容弹下端。根据人为设定，采用上位机测试系统及PLC控制轴流风扇的起动方案以及转速，从而达到要求强度和位置的湍流。本发明结构简便，只需要试验初期，螺栓固定湍流发生装置，并且只需要通过外部调节参数，便可以自动达到精确强度和位置的目标湍流，简化了拆装该类装置的操作过程，对研究燃料在不同湍流强度和不同发生位置下的燃烧过程及特性起到了重要作用。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种湍流强度和位置可控的测试定容弹，包括定容弹主体部分，其特征在于：还包括湍流发生装置，所述定容弹主体部分下端和湍流发生装置相连接；

所述湍流发生装置包括圆柱状壳体、导流罩(11)、轴流风扇(8)、控制轴流风扇(8)的电机(9)以及湍流控制装置；所述壳体底部端面设有若干通孔，正对着通孔的上端设有轴流风扇，正对着通孔的下端设有电机(9)，所述电机(9)的轴端穿过通孔同轴流风扇(8)相连；所述轴流风扇(8)的上部安装导流罩(11)；

所述湍流控制装置包括上位机、PLC控制模块、转速传感器，上位机和PLC控制模块相连，PLC控制模块和转速传感器相连；由上位机中自带的测试系统及PLC控制模块确定轴流风扇(8)的起动方案、湍流强度和湍流发生位置。

2.根据权利要求1所述的一种湍流强度和位置可控的测试定容弹，其特征在于：所述定容弹主体部分包括定容弹弹体(1)和分别从该定容弹弹体(1)的两端侧面贯穿的点火针(6)，所述定容弹弹体(1)上端分别设有喷油器(3)、温度传感器(2)、压力传感器(4)，所述定容弹弹体(1)其中一侧面的上部和下部分别设有进气端(12)、排气端(13)，所述定容弹弹体(1)的另一侧面设有圆形可视窗口(5)，所述定容弹弹体(1)内部为燃烧室。

3.根据权利要求1所述的一种湍流强度和位置可控的测试定容弹，其特征在于：所述若干通孔的布置满足：壳体中心处设有一个通孔，其它通孔环绕着中心通孔均匀分布。

4.根据权利要求3所述的一种湍流强度和位置可控的测试定容弹，其特征在于，所述壳体的通孔数量为九个。

5.根据权利要求1所述的一种湍流强度和位置可控的测试定容弹，其特征在于，所述导流罩(11)为圆板状，导流罩在轴流风扇(8)上方相对应的位置均设有通孔，孔径和轴流风扇(8)叶片直径大小相同；导流罩(11)所在壳体内部的边缘均布有若干半圆形通风口，虎口朝外。

6.根据权利要求5所述的一种湍流强度和位置可控的测试定容弹，其特征在于，所述导流罩(11)和壳体接触处的安装面为波浪形曲面，曲面上沿环形均布有若干螺栓孔。

7.根据权利要求5所述的一种湍流强度和位置可控的测试定容弹，其特征在于，所述半圆形通风口为四个。

8.根据权利要求6所述的一种湍流强度和位置可控的测试定容弹，其特征在于，所述螺栓孔为八个。

9.一种如权利要求1至8任意一条所述的一种湍流强度和位置可控的测试定容弹的控制方法，其特征在于，包括以下步骤；

步骤1，起动上位机内定容弹测试系统，在正式测试前进行预调试；

步骤2，预调试完成，进入正式测试阶段；在定容弹测试系统中输入湍流强度和湍流发生位置等相关参数，由上位机测试系统及PLC控制模块确定轴流风扇(8)的起动方案、湍流强度和湍流发生位置；

步骤3，对于不同目标强度和位置的湍流测试，可重复如上步骤2；

步骤4，测试完成，拆解定容弹测试系统，妥善放置。

10.根据权利要求9所述的一种湍流强度和位置可控的测试定容弹的控制方法，其特征在于，所述步骤2的具体过程为：

不同位置轴流风扇(8)事先在PLC中定义与编号，按湍流发生位置分为前后左右四个位置，分别对应的起动方案为：A9-A8-A7，A1-A2-A3，A4-A2-A7，A6-A3-A8；需要局部位置湍流时，在上位机输入相应编号，以控制对应轴流风扇(8)的启停；

根据测试要求，可将湍流按强度分为中低强度、高强度两类，根据湍流强度的控制方程在其他参数一定的条件下，可以通过调节轴流风扇(8)的转速，以达到理想的湍流强度；当中低湍流强度要求时，轴流风扇(8)起动为：A2-A3-A7-A8；当高强度湍流要求时，轴流风扇(8)起动为：A1-A2-A3-A4-A5-A6-A7-A8-A9。