CN106525443A - 一种模拟发动机条件的多功能燃烧测试装置及试验方法 - Google Patents
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Abstract
一种模拟发动机条件的多功能燃烧测试装置及试验方法，属于内燃机领域。本装置包括装置主体，主体石英玻璃，主体石英玻璃压盖，端盖，活塞，活塞石英玻璃，活塞石英玻璃压盖；装置主体为中空圆柱体，端盖在装置主体轴向断面处机械联接，其凸台位于装置主体内部，主体石英玻璃位于主体光学通孔内，主体石英玻璃压盖位于装置主体前段的平面上，与其机械联接；活塞位于石英玻璃主体内部可以进行轴向移动，活塞石英玻璃位于活塞阶梯型光学通孔内，活塞石英玻璃压盖位于活塞上端面，与其机械联接；采用本发明可以有效的对缸内气流、喷射、初始温度压力、初始气体分布、燃料种类变化等因素进行试验研究，同时兼具了定容弹成本低廉，操作简单，试验效率高的特点。
Description
技术领域
本发明提供一种多功能燃烧测试装置，具体涉及一种模拟发动机条件的多功能燃烧测试装置及试验方法，属于内燃机领域。
背景技术
随着汽车数量的急剧增加，汽车排放加剧了大气的污染和环境的恶化，汽车排放物成为城市空气污染的主要源头，降低发动机污染气体排放已经成为内燃机继续发展亟待解决的重要问题之一，而传统化石能源消耗日益增加所造成的各类问题也不容忽视。因此，目前节能减排已经成为了内燃机发展和研究主要课题和方向，对内燃机缸内燃烧的优化，使得燃料可以更加完全的燃烧，内燃机热效率有所提高，是内燃机节能减排的重要方法。
以往在研究内燃机燃烧喷雾情况时，主要在实际内燃机中或在定容燃烧弹中进行。在实际内燃机中研究时，缸内的气流、喷射、点火和内燃机运行工况等因素均会对缸内燃烧造成影响，且各个因素之间往往互相干涉，控制策略非常复杂，因此难以对单一因素变化对燃烧的影响进行研究，且内燃机在运行时存在明显的循环变动，不利于分析研究。而定容燃烧弹则模拟了内燃机在上止点时的燃烧情况，并对其进行研究，相比实际内燃机，其结构简单，成本低廉，便于控制，每次只进行一次燃烧。然而，在定容弹中研究时对燃烧的因素进行了过多的简化，与实际内燃机缸内的实际燃烧情况相差较大，火焰一般从定容弹中心开始发展，且只能研究燃烧初始温度、压力、燃料种类等变化对燃烧造成的影响。因此为了详细的研究内燃机缸内燃烧的情况，有必要制作一种模拟发动机条件的燃烧测试装置。
发明内容
针对现有研究设备和方法存在的问题和不足，本发明提出了一种模拟发动机条件的多功能燃烧测试装置及控制方法，兼具定容燃烧弹的成本低廉、操作简单的优点，易于控制初始温度压力与实际内燃机中的影响因素，通过设置活塞，将火焰初始位置设置在近壁面处，可以利用该设备模拟内燃机中实际燃烧情况，研究气流、点火、喷射、初始温度压力和燃料种类变化等对缸内燃烧造成的影响。可以使用直接拍摄法，纹影法，测光测量法等对燃烧情况进行测量。通过改变组成部件还可以对喷雾、气体分层、排放情况等进行研究，提高了测试设备的适用范围。
本发明采用如下技术方案：
本装置主要包括；装置主体，主体石英玻璃，主体石英玻璃压盖，端盖，活塞，活塞石英玻璃，活塞石英玻璃压盖
所述的装置主体为具有一定长度的中空圆柱结构，装置主体1外表面结构上分为前后两段。前段外表面断面为矩形，后端外表面断面为圆形，最顶端有顶板用于和端盖进行机械联接；前段矩形断面上设置有凸台和阶梯型光学通孔，用于安放主体石英玻璃并与主体石英玻璃压盖进行机械联接；同时设置了若干个微型取样孔，用于对装置内的气体进行取样，通孔前段设置螺纹孔，在不取样时用螺钉进行密封。所述的装置主体后部为具有一定厚度的中空圆柱，活塞可以在其中轴向方向进行的移动；所述的光学通孔通路满足纹影法的布置要求；
所述的主体石英玻璃，活塞石英玻璃分别为具有不同直径和厚度的圆柱体，主体石英玻璃安装时轴向一部位于光学通孔内，一部分位于主体石英玻璃压盖内，活塞石英玻璃全部放置在活塞光学通孔内。石英玻璃两侧均用密封垫进行密封；
所述的端盖结构上分顶板和凸台两部分，顶板上边缘设置有螺纹孔用于与装置主体的顶板机械联接，凸台直径与主体内径保持一致，使联接后凸台位于装置主体的内部，凸台的下表面为打磨成球冠状来模拟内燃机燃烧室的实际情况，球冠顶点与光学通孔的上端相切，从而使点火时刻开始火焰发展就可以被观测到。所述的端盖中心具有通孔用于安放火花塞，火花塞安装后位于球冠顶点处，使火焰发展的开始阶段就受到壁面的限制作用。距离中心一定距离处有通孔喷用于安放燃料喷嘴，研究缸内喷雾和喷射点燃的燃烧情况。两侧分别有螺纹孔分别用于联接进气管路，将气体导入装置内；用于联接排气管路，用于将燃烧废气排出；所述端盖上同时设置螺纹通孔，安装压力传感器，用于监测装置内气体压力；温度传感器，用于监测装置内气体温度；端盖与装置主体利用密封片密封；同时可以在端盖表面布置若干热电偶，用于测量端盖表面温度和传热量；
所述的活塞，为具有一定直径的圆柱，在内装置主体内部可以进行轴向一定距离的移动。结构上分为头部，裙部，尾部。头部开有一定直径的阶梯型光学通孔用于安放和固定活塞石英玻璃，通孔周边设置螺纹孔与活塞石英玻璃压盖接卸联接。所述活塞的上顶面与活塞环槽中的第一道环槽的距离要避免活塞运行到上止点时活塞环在光学通孔出脱出，活塞环槽中安放与装置主体配合的活塞环。所述活塞的裙部径向开有贯穿裙部的矩形行程槽，宽度可以放置能将通过活塞光学通孔的光全部反射的45°反射平面镜。所述的活塞尾部轴向设置通孔，用于与活塞驱动装置进行机械联接；
一种模拟发动机条件的多功能燃烧测试装置，其特征在于：包括装置主体，所述的装置主体1分为前后两段，装置主体1前段内部为圆柱空间，外表面铣出四个相互垂直的平面，其中光学窗口平面101与其平行的另一平面上均设置阶梯型的主体光学通孔102用于安放固定石英玻璃2。与光学窗口平面101垂直的取样孔平面105上设置若干取样通孔103，通孔中可以插入微量取样器，用于采集燃烧前装置内气体，取样得到的气体可以通过色谱仪分析组分。通孔103靠近装置主体1外表面的部分设置螺纹，在不取样时用螺钉进行密封。与取样孔平面105平行的平面不进行开孔。平面101与其对置平面上均设置，以增加装置主体1在光学通孔102周围局部厚度。光学通孔凸台104周向设置螺纹孔后，螺纹孔底部到装置主体1内壁的厚度仍然能够承受燃烧压力。所述的装置主体1前段的轴向端面处设置有主体顶板106，主体顶板106上设置螺纹孔，用于与端盖4机械联接。所述装置主体1的后段为内部与前段内径相同的中空圆柱体，外表面缠绕布置加热带107，用于对弹体和内部的气体进行加热；
所述的主体石英玻璃2为直径与光学通孔102内径相同的圆柱体，活塞石英玻璃6为直径与活塞光学通孔704内径相同的圆柱体，主体石英玻璃2安装时厚度方向一部分置于光学通孔内，另一部分置于主体石英玻璃压盖内，活塞石英玻璃6全部置于活塞光学通704内。主体石英玻璃2和活塞石英玻璃6两侧均用密封垫进行密封；
所述的端盖4结构上分端盖顶板401和端盖凸台402两部分，端盖顶板401上布置若干螺纹孔用于与装置主体1的主体顶板106机械联接，联接后端盖凸台402位于装置主体1的内部，凸台402的下端面首先制打磨成球冠曲面以模拟内燃机燃烧室顶面。然后对该曲面的一部分进行挖除，挖除的部分是比球冠直径小的圆柱体的一部分，该圆柱母线通过球冠面的顶点，在球冠面上形成光路槽403所述的端盖4中心具有火花塞通孔404用于安放火花塞，喷嘴通孔405用于安放燃料喷嘴器，其两侧分别有进气管路螺纹孔406用于联接进气管路，用于将气体导入装置内，螺纹孔407用于联接排气管路，用于将燃烧废气排出；压力传感器408，用于监测装置内气体压力；温度传感器409，用于监测装置内气体温度。端盖4与装置主体1利用密封片密封；
所述的活塞7在内装置主体1内部能够进行轴向方向上的移动。结构上分为尾部701，裙部702，头部703。头部701开有阶梯型光学通孔704于安放和固定活塞石英玻璃6，光学通孔704周边设置螺纹孔与活塞石英玻璃压盖6机械联接。所述活塞7的上顶面与活塞环槽705的第一道环槽的距离满足在上止点时活塞环不会从光学通孔102处脱出，活塞环槽内安放与装置主体1内部配合的活塞环。所述活塞7的裙部径向开有贯穿裙部的行程槽706。所述的活塞尾部703轴向设置通孔707，用于与活塞驱动装置进行机械联接。
利用如上所述模拟发动机条件的多功能燃烧测试装置进行试验时，是按照以下步骤进行控制的：
1模拟内燃机缸内预混燃烧排放情况实验的具体实现过程为：
1)从进气管路螺纹孔联接的进气系统将燃料气体和氧化气体导入装置内部；
2)利用外部的机械限位装置调整活塞压缩终了位置，通过热力学计算得到压缩终了时容器内部的初始压力，利用压力传感器安装在通孔内对其进行测量；
3)设置加热带加热温度来对装置内部的气体进行加热，加热带利用PID控制，阶梯型升温，从而保证装置内气体的初始温度；
4)通过调整外部执行器的的推动速度，设置活塞的压缩速度VP；
5)设置火花塞点火时刻τS和点火能量ES，利用同步控制器，控制活塞相运动到指定位置时火花塞进行点火，火花塞安装在通孔内；
6)通过主体光学通孔，利用纹影法观测火焰在缸内的传播过程和火焰形态并利用高速摄像机进行记录；
7)通过取样孔利用取样器对缸内已燃气体进行取样，并通过色谱仪对气体组分进行测量；
8)通过排气管路连接孔联接的排气管路和真空泵将装置内的燃烧废气全部排出。
2模拟内燃机缸内喷雾情况实验具体实现过程为：
1)将燃料喷嘴安装在通孔内；
2)从进气管路将背景气体导入装置内部；
3)设置加热带加热温度来对装置内部的气体进行加热，加热带利用PID控制，阶梯型升温，从而保证装置内气体的初始温度；
4)通过调整外部执行器的的推动速度，设置活塞的压缩速度VP；
5)利用同步出发控制器，设置喷雾时刻τi与活塞位置信号的关联，使之进行喷雾，同时触发高速摄像机进行拍摄；
6)通过装置主体光学通孔，利用直接拍摄，纹影法观测，激光测量法观测喷雾形态及液滴大小，并通过高速摄像机记录。
7)通过排气管路和真空泵将装置内的燃烧废气全部排出。
3模拟内燃机缸内喷雾燃烧排放情况实验的具体实现过程为：
1)将燃料喷嘴安装在通孔内；
2)从进气管路螺纹孔联接的进气系统将燃料气体和氧化气体导入装置内部；
3)利用外部的机械限位装置调整活塞压缩终了位置，通过热力学计算得到压缩终了时容器内部的初始压力，利用压力传感器安装在通孔内对其进行测量；
3)设置加热带加热温度来对装置内部的气体进行加热，加热带利用PID控制，阶梯型升温，从而保证装置内气体的初始温度；
4)通过调整外部执行器的的推动速度，设置活塞的压缩速度VP；
5)设置火花塞点火时刻τS和点火能量ES，利用同步控制器，控制活塞相运动到指定位置时燃料喷嘴进行喷射同时火花塞进行点火，火花塞安装在通孔404内；
6)通过主体光学通孔，利用纹影法观测火焰在缸内的传播过程和火焰形态并利用高速摄像机进行记录；
7)通过取样孔利用取样器对缸内已燃气体进行取样，并通过色谱仪对气体组分进行测量；
8)通过排气管路连接孔联接的排气管路和真空泵将装置内的燃烧废气全部排出。
4定容预混燃烧实验具体实现步骤为：
1)将活塞利用外部机械装置静止在装置主体内部固定位置，使装置主体内部位置恒定容积；
2)从进气管路将燃料气体和氧化导入装置内部；
3)将外部高压气源解压到所需初始压力，利用道尔顿分压定律将燃料气体与氧化气体通过进气管路通孔导入装置内部；
4)设置加热带加热温度来对装置内部的气体进行加热，加热带利用PID控制，阶梯型升温，从而保证装置内气体的初始温度；
5)将火花塞更换为中心点火电极，使初始火核的形成位置在光学通孔中心；
6)通过同步触发器进行控制点火电极点火，利用安置在通孔和的温度和和压力传感器测定燃烧器内的温度和压力变化。
7)通过装置主体光学通孔，利用纹影法观测火焰在缸内的传播过程和火焰形态并利用高速摄像机进行记录。
8)通过排气管路和真空泵将装置内的气体全部排出。
5定容喷雾实验具体实现步骤为：
1)将活塞利用外部机械装置静止在装置主体内部固定位置，使装置主体内部位置恒定容积；
2)将燃料喷嘴安装在通孔内；
3)从进气管路将背景气体导入装置内部；
4)将外部高压气源解压到所需初始压力，利用道尔顿分压定律将背景气体通过进气管路通孔导入装置内部；
5)设置加热带加热温度来对装置内部的气体进行加热，加热带利用PID控制，阶梯型升温，从而保证装置内气体的初始温度；
6)利用同步控制器，控制燃料喷嘴进行喷雾，同时触发高速摄像机拍摄；
7)通过装置主体光学通孔，利用直接拍摄，纹影法观测，激光测量法观测喷雾形态及液滴大小并进行记录；
8)通过排气管路和真空泵将装置内的气体全部排出。
6定容装置内气体分层情况的具体实现步骤为：
1)将活塞7利用外部机械装置静止在装置主体内部固定位置，使装置主体1内部位置恒定容积。
2)将外部高压气源解压到所需初始压力，利用道尔顿分压定律将燃料气体与氧化气体通过进气管路通孔导入装置内部；
3)设置加热带加热温度来对装置内部的气体进行加热，加热带利用PID控制，阶梯型升温，从而保证装置内气体的初始温度；
4)在不同位置的取样孔中插入不同长度的取样器针头，对装置内部的不同位置的气体进行取样；
7)利用色谱仪对取样气体的组分进行分析，通过对比集散，得到装置内部气体的分层情况。
本发明的优点在于：
通过活塞装置和火花塞位置的变化模拟了内燃机在实际燃烧过程中的近壁面受限传播过程，可以有效的对缸内气流、喷射、初始温度压力、初始气体分布、燃料种类变化等因素进行试验研究，同时兼具了定容弹成本低廉，操作简单，试验效率高的特点。组件模块化搭建，通过更换部分组件，可以改变其功能用于定容燃烧、喷射研究和缸壁传热等研究。同时满足直接拍摄、纹影法、激光测量法的光学路线要求，能获得较好的拍摄图像。
附图说明
图1：本发明沿中心平面剖视的装配图；
图2：本发明整体装配的三维示意图；
图3：本发明装置主体的主视图；
图4：本发明端盖主视图；
图5：本发明端盖俯视图
图6：本发明端盖三维示意图
图7：本发明活塞中心平面剖视图
图8：本发明活塞装配的三维示意图
图中：1、装置主体，2、主体石英玻璃，3、主体石英玻璃压盖4、端盖，5、活塞石英玻璃，6、活塞石英玻璃压盖，7、活塞
101、光学窗口平面，102、主体光学通孔，103、取样通孔，104、光学通孔凸台，105、取样孔平面，106、主体顶板107、加热带
401、端盖顶板402、端盖凸台，403、光路槽，404、火花塞通孔，405、喷嘴通孔，406、进气管路螺纹孔，407、排气管路螺纹孔，408、压力传感器通孔，409温度传感器通孔
701、塞尾部，702、活塞裙部，703、活塞头部，704、活塞光学通孔，705、活塞环槽，706、活塞行程槽，707、尾部通孔
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对于本发明做进一步的说明：
本装置主要包括：装置主体1主体石英玻璃2主体石英玻璃压盖3端盖4活塞石英玻璃压盖5活塞石英玻璃6活塞7
光学窗口平面101主体光学通孔102取样通孔103通孔凸台104取样孔平面105主体顶板106加热带107
端盖顶板401端盖凸台402光路槽403火花塞通孔404喷嘴通孔405进气管路螺纹孔406排气管路螺纹孔407压力传感器通孔408温度传感器通孔409
塞尾部701活塞裙部702活塞头部703活塞光学通孔704活塞环槽705活塞行程槽706尾部通孔707
所述的装置主体1分为前后两段，装置主体1前段内部为圆柱空间，外表面铣出四个相互垂直的平面，其中光学窗口平面101与其平行的另一平面上均设置阶梯型的主体光学通孔102用于安放固定石英玻璃2。与光学窗口平面101垂直的取样孔平面105上设置若干取样通孔103，通孔中可以插入微量取样器，用于采集燃烧前装置内气体，取样得到的气体可以通过色谱仪分析组分。通孔103靠近装置主体1外表面的部分设置螺纹，在不取样时用螺钉进行密封。与取样孔平面105平行的平面不进行开孔。平面101与其对置平面上均设置，以增加装置主体1在光学通孔102周围局部厚度。光学通孔凸台104周向设置螺纹孔后，螺纹孔底部到装置主体1内壁的厚度仍然能够承受燃烧压力。所述的装置主体1前段的轴向端面处设置有主体顶板106，主体顶板106上设置螺纹孔，用于与端盖4机械联接。所述装置主体1的后段为内部与前段内径相同的中空圆柱体，外表面缠绕布置加热带107，用于对弹体和内部的气体进行加热；
所述的主体石英玻璃2为直径与光学通孔102内径相同的圆柱体，活塞石英玻璃6为直径与活塞光学通孔704内径相同的圆柱体，主体石英玻璃2安装时厚度方向一部分置于光学通孔内，另一部分置于主体石英玻璃压盖内，活塞石英玻璃6全部置于活塞光学通704内。主体石英玻璃2和活塞石英玻璃6两侧均用密封垫进行密封；
所述的端盖4结构上分端盖顶板401和端盖凸台402两部分，端盖顶板401上布置若干螺纹孔用于与装置主体1的主体顶板106机械联接，联接后端盖凸台402位于装置主体1的内部，凸台402的下端面首先制打磨成球冠曲面以模拟内燃机燃烧室顶面。然后对该曲面的一部分进行挖除，挖除的部分是比球冠直径小的圆柱体的一部分，该圆柱母线通过球冠面的顶点，在球冠面上形成光路槽403，从而可以在火花塞点火时刻起就可以观测到火焰。所述的端盖4中心具有火花塞通孔404用于安放火花塞，喷嘴通孔405用于安放燃料喷嘴器，其两侧分别有进气管路螺纹孔406用于联接进气管路，用于将气体导入装置内，螺纹孔407用于联接排气管路，用于将燃烧废气排出；压力传感器408，用于监测装置内气体压力；温度传感器409，用于监测装置内气体温度。端盖4与装置主体1利用密封片密封；
所述的活塞7，为具有一定直径的圆柱体，在内装置主体1内部可以进行轴向方向上的移动。结构上分为尾部701，裙部702，头部703。头部701开有阶梯型光学通孔704于安放和固定活塞石英玻璃6，光学通孔704周边设置螺纹孔与活塞石英玻璃压盖6机械联接。所述活塞7的上顶面与活塞环槽705的第一道环槽的距离满足在上止点时活塞环不会从光学通孔102处脱出，活塞环槽内安放与装置主体1内部配合的活塞环。所述活塞7的裙部径向开有贯穿裙部的行程槽706。所述的活塞尾部703轴向设置通孔707，用于与活塞驱动装置进行机械联接；
利用如上所述模拟发动机条件的多功能燃烧测试装置进行测试，是按照以下步骤进行控制的：
1模拟内燃机缸内预混燃烧排放情况实验的具体实现过程为：
1)从进气管路螺纹孔406联接的进气系统将燃料气体和氧化气体导入装置内部；
2)利用外部的机械限位装置调整活塞压缩终了位置，通过热力学计算得到压缩终了时容器内部的初始压力，利用压力传感器安装在通孔307内对其进行测量；
3)设置加热带107加热温度对装置体内部的气体进行加热，加热带107利用PID控制，阶梯型升温，从而保证装置内气体的初始温度；
4)通过调整外部执行器的的推动速度，设置活塞7的压缩速度VP；
5)设置火花塞点火时刻τS和点火能量ES，利用同步控制器，控制活塞相运动到指定位置时火花塞进行点火，火花塞安装在通孔405内；
6)通过主体光学通孔102，利用纹影法观测火焰在缸内的传播过程和火焰形态并利用高速摄像机进行记录；
7)通过取样孔103利用取样器对缸内已燃气体进行取样，并通过色谱仪对气体组分进行测量；
8)通过排气管路连接孔407联接的排气管路和真空泵将装置内的燃烧废气全部排出。
2模拟内燃机缸内喷雾情况实验具体实现过程为：
1)将燃料喷嘴安装在通孔404内；
2)从进气管路将背景气体导入装置内部；
3)设置加热带107加热温度来对装置内部的气体进行加热，加热带107利用PID控制，阶梯型升温，从而保证装置内气体的初始温度；
4)通过调整外部执行器的的推动速度，设置活塞7的压缩速度VP；
5)利用同步出发控制器，设置喷雾时刻τi与活塞7位置信号的关联，使之进行喷雾，同时触发高速摄像机进行拍摄；
6)通过装置主体光学通孔102，利用直接拍摄，纹影法观测，激光测量法观测喷雾形态及液滴大小，并通过高速摄像机记录。
7)通过排气管路407和真空泵将装置内的燃烧废气全部排出。
3模拟内燃机缸内喷雾燃烧排放情况实验的具体实现过程为：
1)将燃料喷嘴安装在通孔405内；
2)从进气管路螺纹孔406联接的进气系统将燃料气体和氧化气体导入装置内部；
3)利用外部的机械限位装置调整活塞压缩终了位置，通过热力学计算得到压缩终了时容器内部的初始压力，利用压力传感器安装在通孔408内对其进行测量；
3)设置加热带107加热温度来对装置内部的气体进行加热，加热带107利用PID控制，阶梯型升温，从而保证装置内气体的初始温度；
4)通过调整外部执行器的的推动速度，设置活塞7的压缩速度VP；
5)设置火花塞点火时刻τS和点火能量ES，利用同步控制器，控制活塞相运动到指定位置时燃料喷嘴进行喷射同时火花塞进行点火，火花塞安装在通孔404内；
6)通过主体光学通孔102，利用纹影法观测火焰在缸内的传播过程和火焰形态并利用高速摄像机进行记录；
7)通过取样孔103利用取样器对缸内已燃气体进行取样，并通过色谱仪对气体组分进行测量；
8)通过排气管路连接孔407联接的排气管路和真空泵将装置内的燃烧废气全部排出。
4定容预混燃烧实验具体实现步骤为：
1)将活塞7利用外部机械装置静止在装置主体1内部固定位置，使装置主体1内部位置恒定容积；
2)从进气管路将燃料气体和氧化导入装置内部；
3)将外部高压气源解压到所需初始压力，利用道尔顿分压定律将燃料气体与氧化气体通过进气管路通孔406导入装置内部；
4)设置加热带107加热温度来对装置内部的气体进行加热，加热带107利用PID控制，阶梯型升温，从而保证装置内气体的初始温度；
5)将火花塞更换为中心点火电极，使初始火核的形成位置在光学通孔中心；
6)通过同步触发器进行控制点火电极点火，利用安置在通孔408和409的温度和和压力传感器测定燃烧器内的温度和压力变化。
7)通过装置主体光学通孔102，利用纹影法观测火焰在缸内的传播过程和火焰形态并利用高速摄像机进行记录。
8)通过排气管路407和真空泵将装置内的气体全部排出。
5定容喷雾实验具体实现步骤为：
1)将活塞7利用外部机械装置静止在装置主体1内部固定位置，使装置主体1内部位置恒定容积；
2)将燃料喷嘴安装在通孔405内；
3)从进气管路将背景气体导入装置内部；
4)将外部高压气源解压到所需初始压力，利用道尔顿分压定律将背景气体通过进气管路通孔406导入装置内部；
5)设置加热带107加热温度来对装置内部的气体进行加热，加热带107利用PID控制，阶梯型升温，从而保证装置内气体的初始温度；
6)利用同步控制器，控制燃料喷嘴进行喷雾，同时触发高速摄像机拍摄；
7)通过装置主体光学通孔102，利用直接拍摄，纹影法观测，激光测量法观测喷雾形态及液滴大小并进行记录；
8)通过排气管路和真空泵将装置内的气体全部排出。
6定容装置内气体分层情况的具体实现步骤为：
1)将活塞7利用外部机械装置静止在装置主体1内部固定位置，使装置主体1内部位置恒定容积。
2)将外部高压气源解压到所需初始压力，利用道尔顿分压定律将燃料气体与氧化气体通过进气管路通孔406导入装置内部；
3)设置加热带107加热温度来对装置内部的气体进行加热，加热带107利用PID控制，阶梯型升温，从而保证装置内气体的初始温度；
4)在不同位置的取样孔106中插入不同长度的取样器针头，对装置内部的不同位置的气体进行取样；
7)利用色谱仪对取样气体的组分进行分析，通过对比集散，得到装置内部气体的分层情况。
Claims (2)
1.一种模拟发动机条件的多功能燃烧测试装置，其特征在于：包括装置主体，所述的装置主体分为前后两段，装置主体前段内部为圆柱空间，外表面铣出四个相互垂直的平面，其中光学窗口平面与其平行的另一平面上均设置阶梯型的主体光学通孔用于安放固定石英玻璃；与光学窗口平面垂直的取样孔平面上设置若干取样通孔，能够通孔靠近装置主体外表面的部分设置螺纹，在不取样时用螺钉进行密封；与取样孔平面平行的平面不进行开孔；平面与其对置平面上均设置，以增加装置主体在光学通孔周围局部厚度；光学通孔凸台周向设置螺纹孔后，螺纹孔底部到装置主体内壁的厚度仍然能够承受燃烧压力；所述的装置主体前段的轴向端面处设置有主体顶板，主体顶板上设置螺纹孔，用于与端盖机械联接；所述装置主体的后段为内部与前段内径相同的中空圆柱体，外表面缠绕布置加热带，用于对弹体和内部的气体进行加热；
所述的主体石英玻璃为直径与光学通孔内径相同的圆柱体，活塞石英玻璃为直径与活塞光学通孔内径相同的圆柱体，主体石英玻璃安装时厚度方向一部分置于光学通孔内，另一部分置于主体石英玻璃压盖内，活塞石英玻璃全部置于活塞光学通内；主体石英玻璃和活塞石英玻璃两侧均用密封垫进行密封；
所述的端盖结构上分端盖顶板和端盖凸台两部分，端盖顶板上布置若干螺纹孔用于与装置主体的主体顶板机械联接，联接后端盖凸台位于装置主体的内部，凸台的下端面首先制打磨成球冠曲面以模拟内燃机燃烧室顶面；然后对该曲面的一部分进行挖除，挖除的部分是比球冠直径小的圆柱体的一部分，该圆柱母线通过球冠面的顶点，在球冠面上形成光路槽能够能够所述的端盖中心具有火花塞通孔用于安放火花塞，喷嘴通孔用于安放燃料喷嘴器，其两侧分别有进气管路螺纹孔用于联接进气管路，用于将气体导入装置内，螺纹孔用于联接排气管路，用于将燃烧废气排出；压力传感器，用于监测装置内气体压力；温度传感器，用于监测装置内气体温度；端盖与装置主体利用密封片密封；
所述的活塞在内装置主体内部能够进行轴向方向上的移动；结构上分为尾部，裙部，头部；头部开有阶梯型光学通孔于安放和固定活塞石英玻璃，光学通孔周边设置螺纹孔与活塞石英玻璃压盖机械联接；所述活塞的裙部径向开有贯穿裙部的行程槽；所述的活塞尾部轴向设置通孔，用于与活塞驱动装置进行机械联接。
2.应用如权利要求1所述装置的方法，其特征在于，是按照以下几种方案之一实现的：
模拟内燃机缸内预混燃烧排放情况实验的具体实现过程为：
1)从进气管路螺纹孔联接的进气系统将燃料气体和氧化气体导入装置内部；
2)利用外部的机械限位装置调整活塞压缩终了位置，通过热力学计算得到压缩终了时容器内部的初始压力，利用压力传感器安装在通孔内对其进行测量；
3)设置加热带加热温度对装置体内部的气体进行加热，加热带利用PID控制，阶梯型升温，从而保证装置内气体的初始温度；
4)通过调整外部执行器的的推动速度，设置活塞的压缩速度VP；
5)设置火花塞点火时刻τS和点火能量ES，利用同步控制器，控制活塞相运动到指定位置时火花塞进行点火；
6)通过主体光学通孔，利用纹影法观测火焰在缸内的传播过程和火焰形态并利用摄像机进行记录；
7)通过取样孔利用取样器对缸内已燃气体进行取样，并通过色谱仪对气体组分进行测量；
8)通过排气管路连接孔联接的排气管路和真空泵将装置内的燃烧废气全部排出；
模拟内燃机缸内喷雾情况实验具体实现过程为：
1)将燃料喷嘴安装在通孔内；
2)从进气管路将背景气体导入装置内部；
3)设置加热带加热温度来对装置内部的气体进行加热，加热带利用PID控制，阶梯型升温，从而保证装置内气体的初始温度；
4)通过调整外部执行器的的推动速度，设置活塞的压缩速度VP；
5)利用同步出发控制器，设置喷雾时刻τi与活塞位置信号的关联，使之进行喷雾，同时触发摄像机进行拍摄；
6)通过装置主体光学通孔，利用直接拍摄，纹影法观测，激光测量法观测喷雾形态及液滴大小，并通过摄像机记录；
7)通过排气管路和真空泵将装置内的燃烧废气全部排出；
模拟内燃机缸内喷雾燃烧排放情况实验的具体实现过程为：
1)将燃料喷嘴安装在通孔内；
2)从进气管路螺纹孔联接的进气系统将燃料气体和氧化气体导入装置内部；
3)利用外部的机械限位装置调整活塞压缩终了位置，通过热力学计算得到压缩终了时容器内部的初始压力，利用压力传感器对其进行测量；
3)设置加热带加热温度来对装置内部的气体进行加热，加热带利用PID控制，阶梯型升温，从而保证装置内气体的初始温度；
4)通过调整外部执行器的的推动速度，设置活塞的压缩速度VP；
5)设置火花塞点火时刻τS和点火能量ES，利用同步控制器，控制活塞相运动到指定位置时燃料喷嘴进行喷射同时火花塞进行点火，火花塞安装在通孔内；
6)通过主体光学通孔，利用纹影法观测火焰在缸内的传播过程和火焰形态并利用摄像机进行记录；
7)通过取样孔利用取样器对缸内已燃气体进行取样，并通过色谱仪对气体组分进行测量；
8)通过排气管路连接孔联接的排气管路和真空泵将装置内的燃烧废气全部排出；
定容预混燃烧实验具体实现步骤为：
1)将活塞利用外部机械装置静止在装置主体内部固定位置，使装置主体内部位置恒定容积；
2)从进气管路将燃料气体和氧化导入装置内部；
3)将外部气源解压到所需初始压力，利用道尔顿分压定律将燃料气体与氧化气体通过进气管路通孔导入装置内部；
4)设置加热带加热温度来对装置内部的气体进行加热，加热带利用PID控制，阶梯型升温，从而保证装置内气体的初始温度；
5)将火花塞更换为中心点火电极，使初始火核的形成位置在光学通孔中心；
6)通过同步触发器进行控制点火电极点火，利用温度和和压力传感器测定燃烧器内的温度和压力变化；
7)通过装置主体光学通孔，利用纹影法观测火焰在缸内的传播过程和火焰形态并利用摄像机进行记录；
8)通过排气管路和真空泵将装置内的气体全部排出；
定容喷雾实验具体实现步骤为：
1)将活塞利用外部机械装置静止在装置主体内部固定位置，使装置主体内部位置恒定容积；
2)将燃料喷嘴安装在通孔；
3)从进气管路将背景气体导入装置内部；
4)将外部气源解压到所需初始压力，利用道尔顿分压定律将背景气体通过进气管路通孔导入装置内部；
5)设置加热带加热温度来对装置内部的气体进行加热，加热带利用PID控制，阶梯型升温，从而保证装置内气体的初始温度；
6)利用同步控制器，控制燃料喷嘴进行喷雾，同时触发摄像机拍摄；
7)通过装置主体光学通孔，利用直接拍摄，纹影法观测，激光测量法观测喷雾形态及液滴大小并进行记录；
8)通过排气管路和真空泵将装置内的气体全部排出；
定容装置内气体分层情况的具体实现步骤为：
1)将活塞利用外部机械装置静止在装置主体内部固定位置，使装置主体内部位置恒定容积；
2)将外部气源解压到所需初始压力，利用道尔顿分压定律将燃料气体与氧化气体通过进气管路通孔导入装置内部；
3)设置加热带加热温度来对装置内部的气体进行加热，加热带利用PID控制，阶梯型升温，从而保证装置内气体的初始温度；
4)在不同位置的取样孔中插入不同长度的取样器针头，对装置内部的不同位置的气体进行取样；
7)利用色谱仪对取样气体的组分进行分析，通过对比集散，得到装置内部气体的分层情况。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20190122 |