CN105716912B - 一种柴油机瞬时相位可调的燃烧气体采样装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柴油机瞬时相位可调的燃烧气体采样装置及方法，用于采集多缸柴油机燃烧过程中不同曲轴转角下的缸内气体。本发明装置包括多缸柴油机、采样机构、气体稀释及收集机构；采样机构一端与柴油机飞轮连接，另一端通过采样凸轮与采样缸排气门相接触；采样机构的支架固定在多缸柴油机上；气体稀释及收集机构与采样缸排气道连接。通过调节采样机构中相位调整盘的转角，可以使采样机构中的采样凸轮在不同曲轴转角时压开采样缸排气门，采集缸内燃烧气体；气体稀释及收集机构中的样气导气管与氮气管交汇，使用氮气对采集到的样气进行稀释，稀释后的气体最终被采样袋收集。本发明具有装置整体可靠、相位调整方便、相位控制精度高、采样方便、装置制造成本低等优点。

Description

一种柴油机瞬时相位可调的燃烧气体采样装置及方法

技术领域

本发明专利属于内燃机的测试技术领域，涉及一种对柴油机燃烧过程中燃烧气体组分的测量装置，具体涉及一种柴油机瞬时相位可调的燃烧气体采样装置及方法。

技术背景

柴油机是我国商用车的主要动力，广泛应用于交通运输、农业机械、国防等行业。柴油机的燃烧过程直接关系着柴油机的动力性能、经济性能及排放性能等多个方面。为了能够进一步降低燃油消耗和排放污染物，需要对柴油机缸内的燃烧过程进行研究。一种直接的研究方法是采集缸内燃烧气体，研究不同曲轴转角时缸内燃烧中间产物，分析燃烧过程与排放污染物的形成过程之间的变化规律，为降低燃油消耗及排放污染物提供依据。

采集不同曲轴转角下的缸内燃烧气体是燃烧过程研究的必要技术手段，实现高效、可靠的缸内燃烧气体采样是采样装置的基本要求。由于柴油机的燃烧过程极为短暂，因此缸内燃烧气体采样装置的设计难点在于如何使装置精确采集燃烧气体并保证装置在高速运转时稳定可靠。

目前现有的气缸采样装置原理多为通过机械或电子系统控制采样阀的开启和关闭，运用缸内压力使一部分燃烧中间产物随取样管排出。现有机械式采样装置存在取样阀运动过程不可靠等问题。电磁式采样机构存在电磁阀响应时间不固定、响应时间长等问题。这些问题使得所采集到的样本的可靠性和装置实用性受到影响，不利于研究工作的开展。因此，如何实现精确采样是目前所要面临的重点问题。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种柴油机瞬时相位可调的燃烧气体采样装置及方法，其结构简单、可靠性高，可以实现在不同曲轴转角下进行缸内气体采样。

本发明的技术方案为：

一种柴油机瞬时相位可调的燃烧气体采样装置，其特征在于，包括多缸柴油机、采样机构和气体稀释及收集机构；

所述多缸柴油机的底端一侧连接有柴油机飞轮，多缸柴油机顶端设有采样缸进气门和采样缸排气门，多缸柴油机顶端两侧设有采样缸进气道和采样缸排气道；

所述采样机构包括主动轮、齿形带、张紧轮、支架、采样凸轮驱动轴、从动轮、定位板、相位调整盘、定位销、相位调整轴和采样凸轮；

所述支架由水平方向的支架A及其两侧竖直方向的支架B、支架C组成；

所述支架A安装有张紧轮，张紧轮用于张紧安装在所述主动轮和从动轮上的齿形带，所述从动轮通过销连接在采样凸轮驱动轴上，所述采样凸轮驱动轴的一端通过轴承连接在所述支架B的上端；所述采样凸轮驱动轴与相位调整轴可活动连接；

所述支架C从上至下安装有定位板、相位调整轴，所述相位调整轴的一端连接采样凸轮，所述采样凸轮与所述采样缸排气门紧密接触，通过旋转采样凸轮，定时打开采样缸排气门，实现采样；所述相位调整轴靠近定位板的一端上套有相位调整盘，所述相位调整盘与所述定位板之间存在较小间隙；

所述气体稀释及收集机构包括采样缸排气管、气阀A、样气导气管、气阀B、气阀C、氮气管、氮气瓶、采样袋、采样袋排气管、气阀D；

所述采样缸排气道通过法兰连接采样缸排气管，靠近所述采样缸排气管的末端设有气阀A，在气阀A和法兰连接处之间设有样气导气管，所述样气导气管末端连接有采样袋，所述采样袋底端一侧连接采样袋排气管，所述采样袋排气管安装有气阀D；所述样气导气管上设有气阀B，在所述气阀B和采样袋之间设有氮气管，所述氮气管与氮气瓶连接，所述氮气管上设有气阀C；

所述采样机构一端通过主动轮与所述柴油机飞轮连接，另一端通过所述采样凸轮与所述采样缸排气门相接触；所述采样机构的支架固定在所述多缸柴油机上；所述气体稀释及收集机构通过所述采样缸排气管与多缸柴油机的采样缸排气道连接。

进一步，所述采样凸轮驱动轴靠近从动轮的一端中空，所述相位调整轴靠近从动轮一端的膨胀轴心可以插入所述采样凸轮驱动轴的中空端，并采用涨紧连接；通过调节相位调整轴靠近采样凸轮一端的螺母，可实现所述相位调整轴与采样凸轮驱动轴任意角度的结合与分离。

进一步，所述采样机构中的主动轮和从动轮为传动比i＝0.5的齿轮轮系。

进一步，所述相位调整盘上有多圈定位通孔，并标有可调节其转角的刻度；所述定位板上加工有竖直均匀分布的多个定位孔，定位孔为盲孔；所述盲孔与相位调整盘上的定位通孔相对应；所述定位销为一种带有圆柱形手柄的金属圆杆。

更进一步，所述定位销穿过所述相位调整盘的定位通孔后，插入所述定位板上的盲孔，用于固定相位调整盘与定位板的相对位置。

本发明装置采样方法的技术方案为：一种柴油机瞬时相位可调的燃烧气体采样方法，包括步骤：

S1.采样相位初始化：

S1.1，转动多缸柴油机飞轮，使活塞到达上止点；

S1.2，拧松相位调整轴左端的螺母，使相位调整轴与采样凸轮驱动轴分离；

S1.3，旋转相位调整盘，用定位销穿过相位调整盘0°对应的定位通孔后插入定位板上与之对应的定位盲孔，此时采样凸轮小头朝下，压开采样缸排气门；

S1.4，拧紧相位调整轴左端的螺母，使相位调整轴与采样凸轮驱动轴连接后抽出定位销；

S1.5，打开采样缸排气管上的气阀A，关闭样气导气管上的气阀B，打开采样袋排气管上的气阀D，完成相位初始化；

S2.采样相位的设定：

S2.1，在采样相位初始化的基础上拧松相位调整轴左端的螺母，使相位调整轴与采样凸轮驱动轴分离；

S2.2，旋转相位调整盘，根据相位调整盘上的刻度选择需要的采样相位，相位确定后用定位销穿过相位调整盘上的通孔，插入定位板上的盲孔，暂时固定相位调整盘与定位板的相对位置；

S2.3，拧紧相位调整轴左端的螺母，使相位调整轴与采样凸轮驱动轴连接后抽出定位销，完成采样相位设定；

S3.样气的收集：

S3.1，在完成相位设定的基础上启动多缸柴油机，并打开气阀C，使氮气瓶中的氮气通过氮气管流经采样袋后通过采样袋排气管排入大气，除去采样袋中的空气；

S3.2，待多缸柴油机运转稳定后，先打开气阀B，后依次关闭气阀A、气阀D，使样气通过样气导气管流入采样袋，实现对样气的收集；

S3.3，待收集到足量的样气后，先打开气阀A，再依次关闭气阀B、气阀C，最后关停多缸柴油机。

本发明的有益效果是，一种柴油机瞬时相位可调的燃烧气体采样装置及方法，用于采集多缸柴油机燃烧过程中不同曲轴转角下的缸内气体，此装置只依靠多缸柴油机提供动力，使整套装置结构得以精简；此装置可使多缸柴油机采样缸排气门在特定的曲轴转角下打开，以获取所需样气；本发明通过机械方式传动，使得装置运转可靠，采样精度波动小；通过简单调节，可以实现1°(CA)精度下的取样工作，使装置采样范围广；通过控制多缸柴油机的采样缸排气门开启实现采样，使得采样前采样缸密封性得到有效保证，保障了多缸柴油机采样缸燃烧过程的正常进行；通过将通过将氮气加入所采得的样气中，可以有效保护样气成分。本发明具有采样装置结构简单、制造成本低、采样角度分辨率高、采样效率高、采样稳定性好等优点。

附图说明

图1为一种柴油机瞬时相位可调的燃烧气体采样装置示意图；

图2为一种柴油机瞬时相位可调的燃烧气体采样装置局部侧视图；

图3为一种柴油机瞬时相位可调的燃烧气体采样装置局部放大图；

图4为相位调整盘局部放大图；

图5为一种柴油机瞬时相位可调的燃烧气体采样装置采样方法流程图。

其中，1-多缸柴油机；2-飞轮；3-主动轮；4-齿形带；5-张紧轮；6-支架；7-采样凸轮驱动轴；8-从动轮；9-定位板；10-相位调整盘；11-定位销；12-采样缸进气道；13-采样缸进气门；14-相位调整轴；15-采样凸轮；16-采样缸排气门；17-采样缸排气道；18-采样缸排气管；19-气阀A；20-样气导气管；21-气阀B；22-气阀C；23-氮气管；24-氮气瓶；25-采样袋；26-采样袋排气管；27-气阀D。

具体实施方式

下面结合示意图具体说明本发明的一种柴油机瞬时相位可调的燃烧气体采样装置及方法。

本发明的工作原理是：通过待采样的多缸柴油机本身提供动力，驱动采样机构定时打开采样缸排气门，并采集缸内燃烧气体，其中采样机构使用采样凸轮压开采样缸排气门，并通过相位调整盘、相位调整轴等部件调节采样相位，实现对不同曲轴转角下的缸内燃烧气体进行采样工作。采集到的样气被导出后与氮气进行混合，氮气起到保护样气的作用，样气最终被采样袋收集。

如图1所示，一种柴油机瞬时相位可调的燃烧气体采样装置，包括多缸柴油机1、采样机构和气体稀释及收集机构。

所述多缸柴油机1的底端一侧连接有柴油机飞轮2，多缸柴油机1顶端设有采样缸进气门13和采样缸排气门16，多缸柴油机1顶端两侧设有采样缸进气道12和采样缸排气道17；采样时，采样装置只依靠多缸柴油机1提供动力。

所述采样机构包括主动轮3、齿形带4、张紧轮5、支架6、采样凸轮驱动轴7、从动轮8、定位板9、相位调整盘10、定位销11、相位调整轴14和采样凸轮15；其中主动轮3和从动轮8为传动比i＝0.5的齿轮轮系。

所述支架6由水平方向的支架A及其两侧竖直方向的支架B、支架C组成；

所述支架A安装有张紧轮5，张紧轮5用于张紧安装在所述主动轮3和从动轮8上的齿形带4，如图2所示；所述从动轮8通过销连接在采样凸轮驱动轴7上，所述采样凸轮驱动轴7的一端通过轴承连接在所述支架B的上端；所述采样凸轮驱动轴7与相位调整轴14可活动连接；所述采样凸轮驱动轴7靠近从动轮8的一端中空，所述相位调整轴14靠近从动轮8一端的膨胀轴心可以插入所述采样凸轮驱动轴7的中空端，并采用涨紧连接；通过调节相位调整轴14靠近采样凸轮15一端的螺母，可实现所述相位调整轴14与采样凸轮驱动轴7任意角度的结合与分离。

所述支架C从上至下安装有定位板9、相位调整轴14，所述相位调整轴14的一端销连接采样凸轮15，所述采样凸轮15与所述采样缸排气门16紧密接触，通过旋转采样凸轮15，定时打开采样缸排气门16，实现采样。

所述相位调整轴14靠近定位板9的一端上套有相位调整盘10，并通过销固定，所述相位调整盘10与所述定位板9之间存在较小间隙；所述相位调整盘10上有9圈孔距为0.5°的定位通孔，并标有可调节其转角的刻度，如图4所示；每调节一孔可使采样相位改变1°(CA)，由此实现不同曲轴转角下的缸内取样工作；

图3中，所述定位板9上加工有竖直均匀分布的9个定位孔，定位孔为盲孔；所述盲孔与相位调整盘10上的定位通孔相对应；所述定位销11为一种带有圆柱形手柄的金属圆杆；所述定位销11穿过所述相位调整盘10的定位通孔后，插入所述定位板9上的盲孔，用于固定相位调整盘10与定位板9的相对位置；

所述气体稀释及收集机构包括采样缸排气管18、气阀A 19、样气导气管20、气阀B21、气阀C 22、氮气管23、氮气瓶24、采样袋25、采样袋排气管26、气阀D 27；

所述采样缸排气道17通过法兰连接采样缸排气管18，靠近所述采样缸排气管18的末端设有气阀A19，在气阀A 19和法兰连接处之间设有样气导气管20，所述样气导气管20末端连接有采样袋25，所述采样袋25底端一侧连接采样袋排气管26，所述采样袋排气管26安装有气阀D 27；所述样气导气管20上设有气阀B 21，在所述气阀B 21和采样袋25之间设有氮气管23，所述氮气管23与氮气瓶24连接，所述氮气管23上设有气阀C 22。

所述采样机构一端通过主动轮3与所述柴油机飞轮2连接，另一端通过所述采样凸轮15与所述采样缸排气门16相接触；所述采样机构的支架6固定在所述多缸柴油机1上；所述气体稀释及收集机构通过所述采样缸排气管18与多缸柴油机1的采样缸排气道17连接。

此装置可使多缸柴油机采样缸排气门在特定的曲轴转角下打开，以获取所需样气。

如图5所示，本装置的工作过程及方法，先安装采样装置，并检查装置可靠固定，然后包括步骤：

S1.采样相位初始化：

S1.1，转动柴油机飞轮2，使活塞到达上止点；

S1.2，拧松相位调整轴14左端的螺母，使相位调整轴14与采样凸轮驱动轴7分离；

S1.3，旋转相位调整盘10，用定位销11穿过相位调整盘10 0°对应的定位通孔后插入定位板9上与之对应的定位盲孔，此时采样凸轮15小头朝下，压开采样缸排气门16；

S1.4，拧紧相位调整轴14左端的螺母，使相位调整轴14与采样凸轮驱动轴7连接后抽出定位销11；

S1.5，打开采样缸排气管18上的气阀A 19，关闭样气导气管20上的气阀B 21，打开采样袋排气管26上的气阀D 27，完成相位初始化；

S2.采样相位的设定：

S2.1，在采样相位初始化的基础上拧松相位调整轴14左端的螺母，使相位调整轴14与采样凸轮驱动轴7分离；

S2.2，旋转相位调整盘10，根据相位调整盘10上的刻度选择需要的采样相位，相位确定后用定位销11穿过相位调整盘10上的通孔，插入定位板9上的盲孔，暂时固定相位调整盘10与定位板9的相对位置；

S2.3，拧紧相位调整轴14左端的螺母，使相位调整轴14与采样凸轮驱动轴7连接后抽出定位销11，完成采样相位设定；

S3.样气的收集：

S3.1，在完成相位设定的基础上启动多缸柴油机1，并打开气阀C 22，使氮气瓶24中的氮气通过氮气管23流经采样袋25后通过采样袋排气管26排入大气，除去采样袋25中的空气；

S3.2，待多缸柴油机1运转稳定后，先打开气阀B 21，后依次关闭气阀A 19、气阀D27，使样气通过样气导气管20流入采样袋25，实现对样气的收集；

S3.3，待收集到足量的样气后，先打开气阀A 19，再依次关闭气阀B 21、气阀C 22，最后关停多缸柴油机1。

以上对本发明所提供的一种柴油机瞬时相位可调的燃烧气体采样装置及方法进行了详细介绍，本文应用了具体个例对本发明的原理和实施方式进行了阐述，所要说明的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种柴油机瞬时相位可调的燃烧气体采样装置，其特征在于，包括多缸柴油机(1)、采样机构和气体稀释及收集机构；

所述多缸柴油机(1)的底端一侧连接有柴油机飞轮(2)，多缸柴油机(1)顶端设有采样缸进气门(13)和采样缸排气门(16)，多缸柴油机(1)顶端两侧设有采样缸进气道(12)和采样缸排气道(17)；

所述采样机构包括主动轮(3)、齿形带(4)、张紧轮(5)、支架(6)、采样凸轮驱动轴(7)、从动轮(8)、定位板(9)、相位调整盘(10)、定位销(11)、相位调整轴(14)和采样凸轮(15)；

所述支架(6)由水平方向的支架A及其两侧竖直方向的支架B、支架C组成；

所述支架A安装有张紧轮(5)，张紧轮(5)用于张紧安装在所述主动轮(3)和从动轮(8)上的齿形带(4)，所述从动轮(8)通过销连接在采样凸轮驱动轴(7)上，所述采样凸轮驱动轴(7)的一端通过轴承连接在所述支架B的上端；所述采样凸轮驱动轴(7)与相位调整轴(14)可活动连接；

所述支架C从上至下安装有定位板(9)、相位调整轴(14)，所述相位调整轴(14)的一端连接采样凸轮(15)，所述采样凸轮(15)与所述采样缸排气门(16)紧密接触，通过旋转采样凸轮(15)，定时打开采样缸排气门(16)，实现采样；所述相位调整轴(14)靠近定位板(9)的一端上套有相位调整盘(10)，所述相位调整盘(10)与所述定位板(9)之间存在较小间隙；

所述气体稀释及收集机构包括采样缸排气管(18)、气阀A(19)、样气导气管(20)、气阀B(21)、气阀C(22)、氮气管(23)、氮气瓶(24)、采样袋(25)、采样袋排气管(26)、气阀D(27)；

所述采样缸排气道(17)通过法兰连接采样缸排气管(18)，靠近所述采样缸排气管(18)的末端设有气阀A(19)，在气阀A(19)和法兰连接处之间设有样气导气管(20)，所述样气导气管(20)末端连接有采样袋(25)，所述采样袋(25)底端一侧连接采样袋排气管(26)，所述采样袋排气管(26)安装有气阀D(27)；所述样气导气管(20)上设有气阀B(21)，在所述气阀B(21)和采样袋(25)之间设有氮气管(23)，所述氮气管(23)与氮气瓶(24)连接，所述氮气管(23)上设有气阀C(22)；

所述采样机构一端通过主动轮(3)与所述柴油机飞轮(2)连接，另一端通过所述采样凸轮(15)与所述采样缸排气门(16)相接触；所述采样机构的支架(6)固定在所述多缸柴油机(1)上；所述气体稀释及收集机构通过所述采样缸排气管(18)与多缸柴油机(1)的采样缸排气道(17)连接。

2.根据权利要求1所述的一种柴油机瞬时相位可调的燃烧气体采样装置，其特征在于，所述采样凸轮驱动轴(7)靠近从动轮(8)的一端中空，所述相位调整轴(14)靠近从动轮(8)一端的膨胀轴心可以插入所述采样凸轮驱动轴(7)的中空端，并采用涨紧连接；通过调节相位调整轴(14)靠近采样凸轮(15)一端的螺母，可实现所述相位调整轴(14)与采样凸轮驱动轴(7)任意角度的结合与分离。

3.根据权利要求1所述的一种柴油机瞬时相位可调的燃烧气体采样装置，其特征在于，所述采样机构中的主动轮(3)和从动轮(8)为传动比i＝0.5的齿轮轮系。

4.根据权利要求1所述的一种柴油机瞬时相位可调的燃烧气体采样装置，其特征在于，所述相位调整盘(10)上有多圈定位通孔，并标有可调节其转角的刻度；所述定位板(9)上加工有竖直均匀分布的多个定位孔，定位孔为盲孔；所述盲孔与相位调整盘(10)上的定位通孔相对应；所述定位销(11)为一种带有圆柱形手柄的金属圆杆。

5.根据权利要求4所述的一种柴油机瞬时相位可调的燃烧气体采样装置，其特征在于，所述定位销(11)穿过所述相位调整盘(10)的定位通孔后，插入所述定位板(9)上的盲孔，用于固定相位调整盘(10)与定位板(9)的相对位置。

6.一种根据权利要求1所述的采样装置进行采样的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1.采样相位初始化：

S1.1，转动柴油机飞轮(2)，使活塞到达上止点；

S1.2，拧松相位调整轴(14)左端的螺母，使相位调整轴(14)与采样凸轮驱动轴(7)分离；

S1.3，旋转相位调整盘(10)，用定位销(11)穿过相位调整盘(10)0°对应的定位通孔后插入定位板(9)上与之对应的定位盲孔，此时采样凸轮(15)小头朝下，压开采样缸排气门(16)；

S1.4，拧紧相位调整轴(14)左端的螺母，使相位调整轴(14)与采样凸轮驱动轴(7)连接后抽出定位销(11)；

S1.5，打开采样缸排气管(18)上的气阀A(19)，关闭样气导气管(20)上的气阀B(21)，打开采样袋排气管(26)上的气阀D(27)，完成相位初始化；

S2.采样相位的设定：

S2.1，在采样相位初始化的基础上拧松相位调整轴(14)左端的螺母，使相位调整轴(14)与采样凸轮驱动轴(7)分离；

S2.2，旋转相位调整盘(10)，根据相位调整盘(10)上的刻度选择需要的采样相位，相位确定后用定位销(11)穿过相位调整盘(10)上的通孔，插入定位板(9)上的盲孔，暂时固定相位调整盘(10)与定位板(9)的相对位置；

S2.3，拧紧相位调整轴(14)左端的螺母，使相位调整轴(14)与采样凸轮驱动轴(7)连接后抽出定位销(11)，完成采样相位设定；

S3.样气的收集：

S3.1，在完成相位设定的基础上启动多缸柴油机(1)，并打开气阀C(22)，使氮气瓶(24)中的氮气通过氮气管(23)流经采样袋(25)后通过采样袋排气管(26)排入大气，除去采样袋(25)中的空气；

S3.2，待多缸柴油机(1)运转稳定后，先打开气阀B(21)，后依次关闭气阀A(19)、气阀D(27)，使样气通过样气导气管(20)流入采样袋(25)，实现对样气的收集；

S3.3，待收集到足量的样气后，先打开气阀A(19)，再依次关闭气阀B(21)、气阀C(22)，最后关停多缸柴油机(1)。