CN105973611B - 一种可视化缸内直喷快速压缩燃烧实验装置 - Google Patents
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Abstract
一种可视化缸内直喷快速压缩燃烧实验装置，采用直线加速系统将惯性质量加速到10m/s，利用惯性撞击原理，使活塞组件快速前行，压缩气缸内气体，压缩终了活塞组件被锁止机构锁死，此时高压共轨系统将燃油喷入燃烧室燃烧；通过缸压传感器和高速摄影系统监测燃烧室内压力变化和燃料喷射、燃烧及湍流的耦合过程；本发明的平均压缩速度可达10.0m/s，压缩比可达25，可模拟中等转速发动机缸内燃烧状况；本发明可以针对不同性质的燃料，方便快捷地调整燃烧室初始温度和形状、压缩比、涡流强度、涡流方向、气体成分等控制参数，可实现气、液体燃料的均质混合气压缩燃烧、均质混合气火花点火燃烧、缸内直喷压缩着火、均质混合气进气‑缸内直喷引燃等多种方式燃烧过程。
Description
技术领域
本发明涉及一种内燃机燃烧模拟装置，具体涉及一种可视化缸内直喷快速压缩燃烧实验装置。
背景技术
在实际发动机实验中，燃油的蒸发、扩散、燃烧和传热等过程都十分复杂，而且气缸内存在剧烈的空气运动，这使得在发动机上直接研究发动机燃烧过程十分的困难。目前国内外用于研究内燃机缸内燃烧过程的装置大致分为光学发动机、定容燃烧弹和快速压缩机等三大类。其中光学发动机为单缸机，其缸内燃烧过程与实际多缸发动机的燃烧过程相同，然而由于存在发动机循环变动及循环喷射压力变化等因素的影响，不能准确的控制燃烧室的热力参数；定容燃烧弹一般用于均质混合气火花点火燃烧的火焰传播过程研究，其燃烧过程接近汽油机的燃烧过程，但是燃烧过程中忽略了空气运动的影响，与实际发动机工作状况不符，多用于燃料燃烧化学反应动力学研究。
快速压缩装置的原理是利用外力在很短的时间内产生巨大的驱动力，推动活塞在气缸中完成压缩冲程。在接近前止点时点火或喷油，使缸内的可燃混合气燃烧，模拟发动机的一次压缩燃烧过程。该装置可以方便的控制压缩过程中缸内的热力学参数，为研究内燃机着火及燃烧等微观过程提供一个理想的实验手段。在内燃机的多种燃烧方式燃烧中诸如着火滞燃期、缸内气流运动对火焰传播的影响、污染物的生成机理和验证燃烧模型等多个方面都具有重要的价值。
快速压缩机种类繁多，主要区别还是在于驱动方式的不同。根据其驱动方式大致可以分为：压缩气体驱动、液压驱动、重物下落驱动、爆炸驱动等几类。其中气动快速压缩装置应用最为广泛，但存在压缩比不高，压缩后期无力等状况，多用于易燃气体燃料的化学反应动力学研究，无法实现类似柴油机的燃料缸内直接喷射压缩着火燃烧。液压驱动可以实现超高压缩比，然而压缩速度较低，压缩过程散热严重，不能达到燃料油束自燃所需的高温。重力驱动时压缩速度低，如要获得较高的压缩速度则重物需要很高的运动空间。爆炸驱动时较危险，而且爆炸物不易取得。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用高速直线运动惯性体撞击驱动的可视化缸内直喷快速压缩燃烧实验装置。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：包括壳体以及壳体内的气缸，在气缸内安装有活塞及推杆，推杆后端与推进机构相连，在推进机构外还安装有与中央处理器相连的用于监测推进机构的位置传感器，在气缸出口端安装有与气缸相连通的可视化的透明燃烧室体，透明燃烧室体外侧安装有与中央处理器相连的高速摄影仪，该燃烧室体通过管路与配气室相连通，在燃烧室体上分别安装有与中央处理器相连的热线风速仪、喷油器、火花塞/缸压传感器及热电偶，所述的火花塞/缸压传感器及热电偶分别经电荷放大器温度显示仪与中央处理器相连。
所述的配气室的入口分别通过管路及设置在管路上的气压阀与氧气、氮气、氦气、燃料气体瓶相连通，配气室上还设置有用于对配气室抽真空的真空泵，且在燃烧室体与配气室相连通的管路上还设置有三通阀。
所述的火花塞/缸压传感器经高压线圈与蓄电池相连。
所述的喷油器经管路与高压油轨相连，高压油轨经高压油泵分别与油箱及变频电机相连，所述的变频电机还与中央处理器相连。
所述的壳体内的推杆上安装有定位块。
所述的壳体外的推杆末端依次安装有锁止机构体和承力碗，在壳体的后端安装有与锁止机构体相配合的锁止机构座。
所述的推进机构包括直线导轨以及安装在直线导轨前端的惯性质量块，所述的直线导轨经离合器与驱动电机相连。
所述的透明燃烧室体外侧还安装有配合高速摄影仪拍摄的光源。
本发明采用惯性撞击原理，推进机构可使活塞以超过10m/s的速度前行，压缩气缸内气体，压缩终了时高压共轨系统将燃油喷入燃烧室燃烧，通过缸压传感器和高速摄影系统监测燃烧室内压力变化和燃料喷射、燃烧及湍流的耦合过程。本发明的平均压缩速度可达10.0m/s，压缩比可达25，可模拟中等转速发动机缸内燃烧状况。本发明可以针对不同性质的燃料，方便快捷地调整燃烧室温度和形状、压缩比、涡流强度、涡流方向、气体成分等控制参数，实现气、液体燃料的均质混合气压缩燃烧、均质混合气火花点火燃烧、缸内直喷压缩着火、均质混合气进气-缸内直喷引燃等多种方式燃烧过程。在内燃机燃烧研究的诸多领域中，可以广泛应用于各种燃料燃烧化学反应动力学研究、燃烧室设计、喷油器设计及喷油过程优化、气体运动与燃烧耦合作用研究、清洁燃料燃烧过程研究、污染物生成机理研究、评价单纯化实验条件、验证燃烧模型等都具有重要的应用价值。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图。
图2为甲醇缸内直喷压缩燃烧压力曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
参见图1，本发明包括壳体13以及壳体13内的气缸9，在气缸9内安装有活塞10及推杆11，推杆11上安装有定位块12，壳体13外的推杆11末端依次安装有锁止机构体15和承力碗16，在壳体13的后端安装有与锁止机构体相配合的锁止机构座14，推杆后端与推进机构相连，所述的推进机构包括直线导轨18以及安装在直线导轨18前端的惯性质量块17，所述的直线导轨18经离合器20与驱动电机21相连，在推进机构外还安装有与中央处理器28相连的用于监测推进机构的惯性质量块17运行状态的位置传感器19，在气缸9出口端安装有与气缸9相连通的可视化的透明燃烧室体8，透明燃烧室体8外侧安装有与中央处理器28相连的高速摄影仪32及配合高速摄影仪32拍摄的光源33，该燃烧室体8通过管路与配气室3相连通，配气室3的入口分别通过管路及设置在管路上的气压阀2与氧气、氮气、氦气、燃料气体瓶1相连通，配气室3上还设置有用于对配气室抽真空的真空泵34，且在燃烧室体8与配气室3相连通的上还设置有三通阀，在燃烧室体8上分别安装有与中央处理器28相连的热线风速仪4、喷油器5、火花塞/缸压传感器6及热电偶7，所述的火花塞/缸压传感器6及热电偶7分别经电荷放大器31温度显示仪29与中央处理器28相连，火花塞/缸压传感器6还经高压线圈25与蓄电池26相连，喷油器5经管路与高压油轨24相连，高压油轨24经高压油泵23分别与油箱27及变频电机22相连，所述的变频电机还与中央处理器28相连。
本发明的活塞10采用石墨润滑，推杆11上具有刻度，用来调整压缩比大小。所述活塞及推杆的运动采用刚性碰撞冲量交换的原理驱动，碰撞后运动件组依靠所获得惯量惯性压缩气缸内气体。
本发明的试验过程如下：
1)配制混合气。用真空泵34将配气室3内压力抽至50Pa以下，然后按照实验要求计算出氧气、氮气、氦气、燃料气体等各目标气体的比例，按照分压定律，依次充入配气室3内，完成目标混合气的制备。
2)将混合气充入气缸。将活塞组手动推至前止点，打开三通阀，混合气自动充入燃烧室，推动活塞运动约2倍行程的距离(～40cm)。然后将旋转三通阀旋钮将燃烧室和大气联通，推动活塞将气缸内混合气排出，如此重复三次，可将气缸和燃烧室内残余气体的浓度将至0.01％以下。最后推动活塞前行至目标刻度，关闭三通阀，完成压缩前的气体准备。
3)压缩过程。打开高压油轨驱动电机和直线导轨驱动电机，将惯性质量块手动移至直线导轨末端，待高压油轨内压力稳定至设定值后，接通离合器，电机驱动直线导轨带动惯性质量块加速运动至10m/s。当位置传感器检测到质量块移动至目标位置后，断开离合器，切断电机与导轨之间的动力传递。质量块依靠惯性与承力碗碰撞，根据动量守恒，将冲量传递给活塞推杆运动组件。运动组件依靠所获得速度和动能，惯性将气缸内气体压缩至燃烧室内。当活塞移至气缸末端时，快速制动锁止机构将活塞推杆运动组锁住，活塞组位置传感器将所获锁止信号传送给中央处理器，中央处理器控制喷油器开始喷油，同时触发缸压传感器、热线风速仪、热电偶等传感器和高速摄影仪开始记录缸内燃烧压力、速度、温度和影像等数据。
4)恢复系统，准备下次实验。数据采集完毕后，打开气阀，待燃烧室内燃烧废气自动排出后，在推拉活塞数次，将燃烧室排空，最后将活塞推至气缸前止点。将惯性质量块移至导轨远端。重复以上过程，开始下次实验。
本发明装置可灵活控制氛围气体成分、气体温度、燃烧室温度、燃烧室内涡流场、涡流比、压缩比(25以内)等关键参数；可灵活燃用各种气体燃料、液体燃料和液化气体燃料，进行均质混合气压缩燃烧、均质混合气火花点火燃烧、缸内直喷压缩燃烧、均质燃料空气混合气-进气缸内直喷引燃等各类发动机缸内的燃烧过程。
本装置可以直接观测燃烧室内的燃烧过程。
在气缸壁加热至150℃时，用缸内直喷压缩燃烧的方式可实现甲醇的着火燃烧。图2是甲醇直喷压燃实验所采集的一个缸内压力曲线。该工况点的压缩比为19.8，行程为25cm，压缩时间为24.3ms，活塞平均运动速度为10.3m/s。
Claims (7)
1.一种可视化缸内直喷快速压缩燃烧实验装置，其特征在于：包括壳体(13)以及壳体(13)内的气缸(9)，在气缸(9)内安装有活塞(10)及推杆(11)，推杆后端与推进机构相连，所述的推进机构包括直线导轨(18)以及安装在直线导轨(18)前端的惯性质量块(17)，所述的直线导轨(18)经离合器(20)与驱动电机(21)相连，在推进机构外还安装有与中央处理器(28)相连的用于监测推进机构的位置传感器(19)，在气缸(9)出口端安装有与气缸(9)相连通的可视化的透明燃烧室体(8)，透明燃烧室体(8)外侧安装有与中央处理器(28)相连的高速摄影仪(32)，该燃烧室体(8)通过管路与配气室(3)相连通，在燃烧室体(8)上分别安装有与中央处理器(28)相连的热线风速仪(4)、喷油器(5)、火花塞/缸压传感器(6)及热电偶(7)，所述的火花塞/缸压传感器(6)经电荷放大器(31)与中央处理器(28)相连，热电偶(7)经温度显示仪(29)与中央处理器(28)相连。
2.根据权利要求1所述的可视化缸内直喷快速压缩燃烧实验装置，其特征在于：所述的配气室(3)的入口分别通过管路及设置在管路上的气压阀(2)与氧气、氮气、氦气、燃料气体瓶(1)相连通，配气室(3)上还设置有用于对配气室抽真空的真空泵(34)，且在燃烧室体(8)与配气室(3)相连通的管路上还设置有三通阀。
3.根据权利要求1所述的可视化缸内直喷快速压缩燃烧实验装置，其特征在于：所述的火花塞/缸压传感器(6)经高压线圈(25)与蓄电池(26)相连。
4.根据权利要求1所述的可视化缸内直喷快速压缩燃烧实验装置，其特征在于：所述的喷油器(5)经管路与高压油轨(24)相连，高压油轨(24)经高压油泵(23)分别与油箱(27)及变频电机(22)相连，所述的变频电机还与中央处理器(28)相连。
5.根据权利要求1所述的可视化缸内直喷快速压缩燃烧实验装置，其特征在于：所述的壳体(13)内的推杆(11)上安装有定位块(12)。
6.根据权利要求1所述的可视化缸内直喷快速压缩燃烧实验装置，其特征在于：所述的壳体(13)外的推杆(11)末端依次安装有锁止机构体(15)和承力碗(16)，在壳体(13)的后端安装有与锁止机构体相配合的锁止机构座(14)。
7.根据权利要求1所述的可视化缸内直喷快速压缩燃烧实验装置，其特征在于：所述的透明燃烧室体(8)外侧还安装有配合高速摄影仪(32)拍摄的光源(33)。
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