CN106769073B - 一种模拟发动机缸内单次燃烧的实验装置及其实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模拟发动机缸内单次燃烧的实验装置及其实验方法，属于一种模拟发动机缸内燃烧的实验装置，包括内部贯穿有凸轮轴的底座，凸轮轴的中部设有凸轮，凸轮的右侧设有同凸轮基圆直径相同的凸轮基圆圆柱，左侧设有凸轮回位弹簧，凸轮与燃烧装置的滚轮接触；底座的右侧连接有液压油盖，液压油盖具有一个与凸轮轴相配合的大圆柱空腔，大圆柱空腔的右侧还有一个液压油腔，液压油腔经液压油道与外部的电磁阀相连。本装置能确保缸内燃料单次着火燃烧后的燃烧产物组分不受活塞运动的影响，能更好地研究燃料在缸内的燃烧过程；既能用于研究不同类型的发动机缸内燃烧产物组分，也能用于研究不同燃料的缸内燃烧产物组分。

Description

一种模拟发动机缸内单次燃烧的实验装置及其实验方法

技术领域

本发明涉及一种模拟发动机缸内燃烧的实验装置，具体涉及到一种模拟发动机缸内单次燃烧的实验装置及其实验方法。

背景技术

发动机缸内的燃烧过程十分复杂，而国内外目前研究发动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，缸内燃烧过程与实际发动机缸内燃烧过程相同，但由于受发动机循环变动等因素的影响，不能准确控制燃烧室的热力参数。定容燃烧弹多用于研究均质混合气火花点火燃烧的火焰传播过程，燃烧分析过程中忽略了空气流动对缸内燃烧过程的影响，这与发动机实际的工作过程不符。快速压缩机是利用外力在很短时间内推动活塞完成缸内的压缩过程，在接近上止点时喷油或点火，模拟发动机缸内的单次燃烧。快速压缩机现有的驱动方式主要分：压缩空气驱动、液体驱动、爆炸驱动等几类。其中压缩空气驱动的压缩机构不能模拟类似于柴油机等高压缩比缸内的燃烧过程。液体驱动的压缩机构虽能实现高压缩比，但因压缩速度低、散热严重等因素，不能达到燃料油束所需的自燃温度。爆炸驱动危险且爆炸物难以取得，研究中较少使用。现有的快速压缩机驱动装置不能在缸内燃料燃烧膨胀后立即停止活塞的运动以维持缸内的容积恒定，难以排除因燃烧室容积变化对燃料燃烧组分的影响。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种模拟发动机缸内单次燃烧的实验装置，解决现有的快速压缩机驱动装置不能在缸内燃料燃烧膨胀后立即停止活塞的运动以维持缸内的容积恒定的问题，该装置可在燃料燃烧膨胀后停止活塞运动，减少因燃烧室容积变化对燃烧产物组分的影响。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：

一种模拟发动机缸内单次燃烧的实验装置，包括内部贯穿有凸轮轴的底座，凸轮轴的中部设有一个凸轮，凸轮的右侧设有同凸轮基圆直径相同的凸轮基圆圆柱，凸轮左侧的凸轮轴上套有凸轮回位弹簧，凸轮与燃烧装置的滚轮接触；底座的右侧连接有液压油盖，液压油盖具有一个与凸轮轴相配合的大圆柱空腔，大圆柱空腔的右侧还有一个液压油腔，液压油腔经液压油道与外部的电磁阀相连。

根据上述方案，所述燃烧装置包括设置在底座的上方并且内部贯穿有圆柱形挺柱的挺柱座，挺柱的顶端中心设有半球型凹槽，挺柱的底部沿其直径方向设有凹槽，凹槽内嵌有与凸轮接触的滚轮，挺柱垂直凹槽的方向贯穿有滚轮销，滚轮销穿过滚轮的中心；挺柱座的上端连接到发动机缸体，发动机缸体内部设有活塞，连杆顶端经活塞销与活塞相连，连杆底部为半球形并与挺柱顶端的半球形凹槽相嵌合；活塞顶部还设有活塞环；发动机缸盖及相关组件连接到发动机缸体的顶部。

作为上述方案的进一步改进，所述发动机缸体内部具有阶梯形空腔，下部为直径较大的第一空腔，上部为直径较小的第二空腔；所述活塞为阶梯形，下部为直径较大的活塞大头端，上部为直径较小的活塞小头端；活塞大头端与发动机缸体的第一空腔之间设有活塞回位弹簧。

作为上述方案的进一步改进，还包括数据采集系统；所述数据采集系统包括凸轮位置传感器、瞬时压力传感器、进排气压力传感器、进排气温度传感器、尾气分析仪、数据采集卡和PC机；凸轮位置传感器安装在凸轮轴上，瞬时压力传感器的探头与发动机缸体内部的燃烧室接触，进排气压力传感器和进排气温度传感器安装在发动机缸盖及相关组件的进排气管上。

作为上述方案的进一步改进，还包括控制系统；所述控制系统包括信号处理模块、电子控制单元及电磁阀。

一种如上述方案所述的模拟发动机缸内单次燃烧的实验装置的实验方法，其过程如下：

实验装置运行后，以活塞到达压缩上止点时刻的信号作为电子控制单元和数据采集系统的触发信号；在活塞到达压缩上止点时刻喷入燃油或点燃可燃混合气，当发动机缸体内混合气未着火燃烧时，则重复前面动作直至发动机缸体内可燃混合气着火燃烧；

当发动机缸体内混合气着火燃烧后，通过瞬时压力传感器测取发动机缸体内的瞬时压力，根据所测压力信号判断发动机缸体内混合气燃烧是否正常；

当电子控制单元收到发动机缸体内混合气燃烧信号后给电磁阀发送指令，电磁阀开启，液压油进入液压油腔并推动凸轮轴移动，当滚轮完全脱离凸轮时，电磁阀关闭，否则一直充油，直至滚轮完全脱离凸轮；

当滚轮完全脱离凸轮并按凸轮的基圆型线运行时，电磁阀关闭，充油过程结束；此时尾气分析仪、进排气压力传感器和进排气温度传感器测取发动机缸体内燃烧产物的组分、压力和温度等信号，并通过数据采集卡集成处理后在PC机上显示；

当发动机缸体内信号采集完毕后，电子控制单元给电磁阀发送开启指令，电磁阀开启并泄出液压油，凸轮轴复位，滚轮与凸轮完全接触后电磁阀关闭，否则电磁阀将一直开启直至滚轮与凸轮完全接触；

当滚轮与凸轮完全接触并按凸轮的基圆型线运行后，活塞在凸轮的作用下将发动机缸体内废气排出；当发动机缸体内废气排出后，活塞在活塞回位弹簧的作用下向下运行而进入进气行程，测取进气温度、压力信号，此时完成一个循环的工作内容，并进入下一循环的工作状态。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：能确保缸内燃料单次着火燃烧后的燃烧产物组分不受活塞运动的影响，能更好的研究燃料在缸内的燃烧过程；同时也能模拟发动机各个转速下缸内燃料的燃烧产物，其工作模式更为接近发动机的实际工作情况；既能用于研究不同类型的发动机缸内燃烧产物组分，也能用于研究不同燃料的缸内燃烧产物组分。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明，其中：

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的实验方法的流程图。

图中各标号的释义为：1-底座，2-凸轮轴，3-凸轮位置传感器，4-凸轮回位弹簧，5-滚轮，6-滚轮销，7-挺柱，8-挺柱座，9-连杆，10-发动机缸体，11-活塞，12-活塞回位弹簧，13-活塞销，14-活塞密封环，15-发动机缸盖及相关组件，16-挺柱座连接螺栓，17-弹簧销，18-凸轮，19-凸轮基圆圆柱，20-电磁阀，21-液压油道，22-O型密封圈，23-液压油腔，24-液压油盖，25-液压油盖连接螺栓。

具体实施方式

一种模拟发动机缸内单次燃烧的实验装置，包括底座1、带有凸轮基圆圆柱19的凸轮轴2、凸轮回位弹簧4、液压系统组件、挺柱组件、活塞连杆组件、发动机缸体10、发动机缸盖及相关组件15、数据采集系统和控制系统。

底座1位于整个实验装置的底部并起支撑作用，内部呈“凹”形状，凸轮轴2穿过底座1的两端并能自由转动。带有凸轮基圆圆柱19的凸轮轴2安装在底座1上，凸轮18位于凸轮轴2的中间，凸轮18左边安装凸轮回位弹簧4，凸轮回位弹簧4位于底座1和凸轮18之间并穿过凸轮轴2；凸轮18右边为外径依次减小的三阶圆柱体，第一阶圆柱体为凸轮基圆圆柱19，靠近凸轮18端，其外径与凸轮18的基圆外径一致；第二阶圆柱体的外径大于底座1上的轴安装直径，对凸轮18的运动起限位作用；第三阶圆柱体的直径略小于底座1上的轴安装直径，确保凸轮轴2能自由转动。

液压系统组件包括具有液压油道21的液压油盖24、液压油腔23和电磁阀20。液压油盖24外形为圆柱体，其内部具有“凸”字形的圆柱体空腔，液压油盖24经液压油盖连接螺栓25与底座1相连，内部大圆柱体空腔的圆周面与凸轮轴2第三阶圆柱体外圆面相配合，凸轮轴2的端面与大圆柱体空腔的端面贴合，与小圆柱体空腔一道形成密闭的液压油腔23。液压油盖24上开有与小圆柱体空腔相通的液压油道21，液压油道21与外部电磁阀20相连，由电磁阀20控制液压油的充泄。为保证液压油腔23的密闭性，在液压油盖24与凸轮轴2的第三阶圆柱体之间还设有O型密封圈。

挺柱座8外形与试验装置的发动机缸体10相似，经挺柱座连接螺栓16固定在发动机缸体10上，内部中间位置为圆柱形通孔。所述挺柱组件包括挺柱7、滚轮销6、滚轮5和弹簧销17，其中挺柱7为圆形柱体，与挺柱座8内部的圆形通孔配合并能上下自由滑动；挺柱7顶端内部为一个圆柱体空腔，紧接着是一个半径小于圆柱体空腔半径的半球形空腔；挺柱7下端沿竖直轴线方向对两侧进行部分切削，在切削面的中心位置上加工一个圆形通孔，挺柱7下端面的中间部分加工一个沿其直径对称的凹槽。安装时将滚轮5置于挺柱7底部凹槽中，滚轮销6穿过挺柱7底部将滚轮5、挺柱7连为一体，再经弹簧销17将滚轮销6与挺柱7固定，防止滚轮销6转动，滚轮5能自由旋转，同时滚轮5与凸轮18相接触。

活塞连杆组件包括活塞11、连杆9、活塞销13以及活塞回位弹簧12，其中活塞11设计为阶梯形的圆柱体，下端为直径较大的活塞大头端，上端为直径较小的活塞小头端。连杆9顶部经活塞销13与活塞11相连，连杆9底部为半圆形球面，与挺柱7内部的半球型空腔相接触。发动机缸体10内部具有阶梯形空腔，下部为直径较大的第一空腔，上部为直径较小的第二空腔。活塞回位弹簧12穿过活塞小头端，底端与活塞大头端端面结合，顶部与发动机缸体10的第二空腔相接触，确保在进气过程中活塞11能及时回位。

发动机缸盖及相关组件15连接到发动机缸体10的顶部。

所述数据采集系统包括凸轮位置传感器3、瞬时压力传感器、进排气压力传感器、进排气温度传感器、尾气分析仪、数据采集卡和PC机。

凸轮位置传感器3安装在凸轮轴2上，为配气机构、数据采集系统、控制系统和电磁阀20提供触发信号。

瞬时压力传感器的探头与发动机缸体10内部的燃烧室接触，测取发动机缸体10内混合气燃烧膨胀后的瞬时压力，为分析发动机缸体10内燃烧状况提供依据。

进排气压力传感器和进排气温度传感器分别安装在进排气管上，通过测取进排气的压力和温度信号为分析尾气成分提供依据，同时通过排气信号来监测机构的运行状态，避免在运行过程中抛锚。

尾气分析仪主要分析发动机缸体10内燃料燃烧后的产物组分，数据采集卡将各个传感器测取的信号集中处理并在PC机上显示。

所述控制系统包括信号处理模块、电子控制单元(ECU)及电磁阀20。信号处理模块能对各个传感器的信号进行实时处理并将处理后的相应信号传送给ECU，电磁阀20根据ECU的指令信号做出相应的开闭动作以控制液压油的通断。

本实验装置的实验方法为：实验装置运行后，以活塞11到达压缩上止点时刻的信号作为ECU和数据采集系统的触发信号。在活塞11到达压缩上止点时刻喷入燃油或点燃可燃混合气，当发动机缸体10内混合气未着火燃烧时，则重复前面动作直至发动机缸体10内可燃混合气着火燃烧。

当发动机缸体10内混合气着火燃烧后，通过瞬时压力传感器测取发动机缸体10内的瞬时压力，根据所测压力信号判断发动机缸体10内混合气燃烧是否正常。

当ECU收到发动机缸体10内混合气燃烧信号后给电磁阀20发送指令，电磁阀20开启，液压油进入液压油腔23并推动凸轮轴2移动，当滚轮5完全脱离凸轮18时，电磁阀20关闭，否则一直充油，直至滚轮5完全脱离凸轮18。

当滚轮5完全脱离凸轮18并按凸轮18的基圆型线运行时，电磁阀20关闭，充油过程结束。此时尾气分析仪、进排气压力传感器和进排气温度传感器测取发动机缸体10内燃烧产物的组分、压力和温度等信号，并通过数据采集卡集成处理后在PC机上显示。

当发动机缸体10内信号采集完毕后，ECU给电磁阀20发送开启指令，电磁阀20开启并泄出液压油，凸轮轴2复位，滚轮5与凸轮18完全接触后电磁阀20关闭，否则电磁阀20将一直开启直至滚轮5与凸轮18完全接触。

当滚轮5与凸轮18完全接触并按凸轮18的基圆型线运行后，活塞11在凸轮18的作用下将发动机缸体10内废气排出。当发动机缸体10内废气排出后，活塞11在活塞回位弹簧12的作用下向下运行而进入进气行程，测取进气温度、压力信号，此时完成一个循环的工作内容，并进入下一循环的工作状态。

具体的，本实验装置的工作方式为：本实验装置由电机驱动，电机轴的输出端与凸轮轴2相连，配气机构的驱动轴经链条或皮带轮等传动装置与凸轮轴2相连，并按四冲程发动机的工作原理运行，通过调节电机转速来控制凸轮轴2的转速。

对于点燃式发动机：在进气行程中，可燃混合气经进气管进入发动机缸体10内，进气行程结束后进、排气门关闭，活塞11随凸轮18上行，混合气被压缩。ECU根据凸轮位置传感3器提供的凸轮18的位置信号给火花塞控制器发送指令，当活塞11接近压缩上止点时刻时火花塞点燃混合气，当活塞11越过压缩上止点后，混合气快速燃烧并膨胀做功推动活塞11下行。

对于压燃式发动机：在进气行程中，空气经进气管进入发动机缸体10内，进气行程结束后进、排气门关闭，活塞11随凸轮18上行，空气被压缩。ECU根据凸轮位置传感器3提供的凸轮轴2的信号给喷油器发送指令，在活塞11接近压缩上止点时刻喷油器将燃油喷入发动机缸体10内并与空气混合形成可燃混合气，部分可燃混合气被压燃，当活塞11越过压缩上止点后，混合气快速燃烧并膨胀做功，推动活塞11下行。

对于点燃式或压燃式发动机：控制系统均以活塞11到达压缩上止点时刻为触发信号。当活塞11越过压缩上止点随凸轮18下行时，ECU给电磁阀20发送指令，电磁阀20开启，液压油充满液压油腔23并推动凸轮轴2克服凸轮回位弹簧4做轴向运动，滚轮5和凸轮18完全脱离并按凸轮基圆型线运行后关闭电磁阀20，确保凸轮轴2在旋转过程中活塞11的位置保持不变。尾气分析仪、进排气压力传感器和进排气温度传感器分别测取发动机缸体10内燃烧产物的组分、压力和温度，并通过数据采集卡和PC机进行显示和存储。当对发动机缸体10内燃烧产物信号采集完毕后，电磁阀20打开，液压油泄出，凸轮轴2复位，活塞11按凸轮基圆型线运行并在凸轮18作用下进入排气阶段将发动机缸体10内废气排出。当废气排出后，在活塞回位弹簧12的作用下向下运行进入进气状态，进排气压力传感器和进排气温度传感器测取进气的压力和温度，整个工作过程进入下一循环的实验。

Claims (1)

1.一种模拟发动机缸内单次燃烧的实验装置的实验方法，其实验装置包括内部贯穿有凸轮轴(2)的底座(1)，凸轮轴(2)的中部设有一个凸轮(18)，凸轮(18)的右侧设有同凸轮(18)基圆直径相同的凸轮基圆圆柱(19)，凸轮(18)左侧的凸轮轴(2)上套有凸轮回位弹簧(4)，凸轮(18)与燃烧装置的滚轮(5)接触；底座(1)的右侧连接有液压油盖(24)，液压油盖(24)具有一个与凸轮轴(2)相配合的大圆柱空腔，大圆柱空腔的右侧还有一个液压油腔(23)，液压油腔(23)经液压油道(21)与外部的电磁阀(20)相连；所述燃烧装置包括设置在底座(1)的上方并且内部贯穿有圆柱形挺柱(7)的挺柱座(8)，挺柱(7)的顶端中心设有半球型凹槽，挺柱(7)的底部沿其直径方向设有凹槽，凹槽内嵌有与凸轮(18)接触的滚轮(5)，挺柱(7)垂直凹槽的方向贯穿有滚轮销(6)，滚轮销(6)穿过滚轮(5)的中心；挺柱座(8)的上端连接到发动机缸体(10)，发动机缸体(10)内部设有活塞(11)，连杆(9)顶端经活塞销(13)与活塞(11)相连，连杆(9)底部为半球形并与挺柱(7)顶端的半球形凹槽相嵌合；活塞(11)顶部还设有活塞环(14)；发动机缸盖及相关组件(15)连接到发动机缸体(10)的顶部；所述发动机缸体(10)内部具有阶梯形空腔，下部为直径较大的第一空腔，上部为直径较小的第二空腔；所述活塞(11)为阶梯形，下部为直径较大的活塞大头端，上部为直径较小的活塞小头端；活塞大头端与发动机缸体(10)的第一空腔之间设有活塞回位弹簧(12)；还包括数据采集系统；所述数据采集系统包括凸轮位置传感器(3)、瞬时压力传感器、进排气压力传感器、进排气温度传感器、尾气分析仪、数据采集卡和PC机；凸轮位置传感器(3)安装在凸轮轴(2)上，瞬时压力传感器的探头与发动机缸体(10)内部的燃烧室接触，进排气压力传感器和进排气温度传感器安装在发动机缸盖及相关组件(15)的进排气管上；其特征在于，具体实验过程为：

实验装置运行后，以活塞(11)到达压缩上止点时刻的信号作为电子控制单元和数据采集系统的触发信号；在活塞(11)到达压缩上止点时刻喷入燃油或点燃可燃混合气，当发动机缸体(10)内混合气未着火燃烧时，则重复前面动作直至发动机缸体(10)内可燃混合气着火燃烧；

当发动机缸体(10)内混合气着火燃烧后，通过瞬时压力传感器测取发动机缸体(10)内的瞬时压力，根据所测压力信号判断发动机缸体(10)内混合气燃烧是否正常；

当电子控制单元收到发动机缸体(10)内混合气燃烧信号后给电磁阀(20)发送指令，电磁阀(20)开启，液压油进入液压油腔(23)并推动凸轮轴(2)移动，当滚轮(5)完全脱离凸轮(18)时，电磁阀(20)关闭，否则一直充油，直至滚轮(5)完全脱离凸轮(18)；

当滚轮(5)完全脱离凸轮(18)并按凸轮(18)的基圆型线运行时，电磁阀(20)关闭，充油过程结束；此时尾气分析仪、进排气压力传感器和进排气温度传感器测取发动机缸体(10)内燃烧产物的组分、压力和温度信号，并通过数据采集卡集成处理后在PC机上显示；

当发动机缸体(10)内信号采集完毕后，电子控制单元给电磁阀(20)发送开启指令，电磁阀(20)开启并泄出液压油，凸轮轴(2)复位，滚轮(5)与凸轮(18)完全接触后电磁阀(20)关闭，否则电磁阀(20)将一直开启直至滚轮(5)与凸轮(18)完全接触；

当滚轮(5)与凸轮(18)完全接触并按凸轮(18)的基圆型线运行后，活塞(11)在凸轮(18)的作用下将发动机缸体(10)内废气排出；当发动机缸体(10)内废气排出后，活塞(11)在活塞回位弹簧(12)的作用下向下运行而进入进气行程，测取进气温度、压力信号，此时完成一个循环的工作内容，并进入下一循环的工作状态。

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