CN107576507B - 模拟活性控制压燃的光学发动机可视化系统及其模拟方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种模拟活性控制压燃的光学发动机可视化系统及其模拟方法，用于模拟活性控制压燃发动机缸内混合气形成、燃烧特性及排放特性研究，包括可视化光学发动机、低活性燃油供油油路、高活性燃料供油油路、气门控制油路、进气控制支路和控制系统。本发明可灵活构建活性控制压燃燃烧模式下的缸内混合气的初始条件以及混合气的分层，并可同时记录下相应工况的混合气形成过程、燃烧过程以及燃烧特性与排放特性；可研究不同技术手段与控制策略对活性控制压燃的影响机理，有利于更高效的寻找适合将活性控制压燃拓展到全工况的技术手段与控制策略；通过改变电动增压器的转速与转向，可灵活实现进气压力幅度的增加与减小。
Description
技术领域
本发明涉及一种光学发动机可视化实验系统，具体涉及到一种模拟活性控制压燃的光学发动机可视化系统及其控制方法。
背景技术
随着环境的不断恶化，世界各国排放法规日益严苛。另一方面，数量庞大的柴油机消耗了大量不可再生的化石能源，导致能源危机。如何构建清洁、高效、可控的柴油机燃烧方式，以改善环境污染与能源危机问题，成为目前内燃机和燃烧学界的研究热点。通过对比均质压燃、预混压燃、双燃料预混压燃等不同的低温燃烧方式后，科研工作者提出一种新型的柴油机燃烧方式——活性控制压燃，它已被证实可同时实现NOX与PM的超低排放与几近60％的超高热效率，是一种极具潜力的清洁、高效、可控的柴油机燃烧方式。
随着研究的不断深入，学者们发现，活性控制压燃的着火滞燃期以及燃烧放热率主要由混合气中存在的活性分层与当量比分层共同决定。分层不足或分层过度都会导致过高的燃烧放热速率，使NOX与PM排放增加。
由于发动机燃烧室是封闭不可见的，为研究实际发动机中混合气的形成与燃烧过程，可视化系统应运而生。学者们在光学发动机上开展了喷油策略对混合气形成与燃烧过程影响的研究。然而，学者们发现，仅通过调整喷油策略优化混合气分层，虽可实现小负荷下清洁、高效、可控的活性控制压燃，但向中、高、满负荷拓展时会出现压力升高率过高，PM与NOX排放超标的问题。活性控制压燃在负荷拓展方面面临严峻考验。
发明内容
本发明提供了一种模拟活性控制压燃的光学发动机可视化系统及其控制方法，结合不同技术手段与控制策略，调整缸内混合气的总温、总压、总当量比、燃油总活性以及混合气的分层，并同时记录下相应工况下混合气的形成过程以及燃烧特性与排放特性，用于模拟活性控制压燃发动机缸内混合气形成、燃烧特性及排放特性研究。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：
一种模拟活性控制压燃的光学发动机可视化系统，包括可视化光学发动机、低活性燃油供油油路、高活性燃料供油油路、气门控制油路、进气控制支路和控制系统；
所述可视化光学发动机气缸的四周为石英玻璃激光照射窗，底部为石英玻璃视窗，石英玻璃视窗的下方设有反射镜，高速照相机可通过反射镜观察和记录气缸内的燃烧过程；气缸内还设有缸压传感器；可视化光学发动机的进气总管上设有进气压力传感器和进气温度传感器；可视化光学发动机的排气门连接到排气总管，排气总管上设有废气涡轮，废气涡轮与排气门之间的排气总管上设有排气压力传感器和排气温度传感器，废气涡轮与排气口之间的排气总管上设有颗粒物分析仪和气体排放分析仪；
所述气门控制油路包括依次连接的机油箱、机油滤清器、机油泵、调压阀和两位三通电磁阀，两位三通电磁阀同时也与可视化光学发动机上的液压连续可变气门连接，液压连续可变气门连接到可视化光学发动机的气门座；
所述进气控制支路包括依次连接的空气质量流量计、电动增压器、废气涡轮增压器和进气中冷器，进气中冷器同时也连接到可视化光学发动机的进气总管；
所述控制系统同时与高速照相机、两位三通电磁阀、电动增压器、低活性燃油供油油路的喷油器以及高活性燃料供油油路的喷油器连接。
根据上述方案，所述低活性燃油供油油路包括依次连接的低活性燃油油箱、低活性燃油供油油泵、低活性燃油滤清器和低活性燃油共轨，低活性燃油共轨与低活性燃油油箱之间还连接有压力调节阀；低活性燃油共轨同时也与低活性燃油PFI喷油器连接，低活性燃油PFI喷油器的出油口连接到可视化光学发动机的进气总管，低活性燃油PFI喷油器同时也与控制系统连接。
根据上述方案，所述高活性燃料供油油路包括依次连接的高活性燃料油箱、高活性燃料油耗仪、高活性燃料滤清器、高压油泵和高压共轨，高压共轨与高活性燃料油箱之间还连接有稳压阀；高压共轨同时也与可视化光学发动机上的高活性燃料缸内直喷喷油器连接，高活性燃料缸内直喷喷油器的出油口伸入可视化光学发动机的气缸内，高活性燃料缸内直喷喷油器同时也与控制系统连接。
一种模拟活性控制压燃的方法，包括以下步骤：
控制系统获得触发信号；
控制系统通过其内的第一驱动电路控制进气控制支路中电动增压器的转速和转向，由此改变进气总管内空气的压力和流量；
控制系统通过其内的第二驱动电路控制低活性燃油供油油路的低活性燃油PFI喷油器的喷射持续期，由此在进气总管内形成低活性燃料的均质混合气；
控制系统通过其内的第三驱动电路控制高活性燃料供油油路的高活性燃料缸内直喷喷油器的喷射定时、喷射次数与喷射持续期，从而控制气缸内高活性燃料的替代比，改变气缸内混合气的燃油总活性，实现活性分层、当量比分层与温度分层；
控制系统通过其内的第四驱动电路控制气门控制油路的两位三通电磁阀的供油脉宽和供油相位，从而改变液压连续可变气门的供油定时与供油脉宽，改变液压连续可变气门的晚关角度，控制气缸内分层混合气的总温、总压、总当量比，最终在可视化光学发动机的气缸内形成总温、总压、总当量比、燃油总活性可变的分层混合气；
控制系统通过其内的第五驱动电路控制高速照相机拍摄气缸内分层混合气燃烧时的图像并传输到外接的电脑上；
缸压传感器通过采集卡将缸压显示在外接的电脑上；进气压力传感器、进气温度传感器、排气压力传感器和排气温度传感器通过采集卡将采集到的压力和温度显示到外接电脑上；颗粒物分析仪将颗粒物排放数据传输到外接电脑并记录；气体排放分析仪将气体排放数据传输到外接电脑并记录。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：可灵活构建活性控制压燃燃烧模式下的缸内混合气的初始条件以及混合气的分层，并可同时记录下相应工况的混合气形成过程、燃烧过程以及燃烧特性与排放特性；可研究不同技术手段与控制策略对活性控制压燃的影响机理，有利于更高效的寻找适合将活性控制压燃拓展到全工况的技术手段与控制策略；通过改变电动增压器的转速与转向，可灵活实现进气压力幅度的增加与减小。
附图说明
图1为本发明所述的模拟活性控制压燃的光学发动机可视化系统的整体结构示意图；
图2为本发明所述的模拟活性控制压燃的光学发动机可视化系统的控制和数据采集流程示意图。
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，图中各标号的释义为：1-反射镜，2-石英玻璃视窗，3-缸压传感器，4-排气门，5-石英玻璃激光照射窗，6-高速照相机，7-气体排放分析仪，8-颗粒物分析仪，9-废气涡轮，10-高压油泵，11-高活性燃料滤清器，12-高活性燃料油耗仪，13-高活性燃料油箱，14-排气温度传感器，15-排气压力传感器，16-稳压阀，17-高压共轨，18-上位机，19-ECU多功能控制仪，20-高活性燃料缸内直喷喷油器，21-液压连续可变气门，22-低活性燃油PFI喷油器，23-低活性燃油共轨，24-压力调节阀，25-低活性燃油滤清器，26-低活性燃油供油泵，27-低活性燃油油箱，28-进气压力传感器，29-进气温度传感器，30-进气中冷器，31-废气涡轮增压器，32-电动增压器，33-空气质量流量计，34-两位三通电磁阀，35-调压阀，36-机油泵，37-机油滤清器，38-机油箱，39-进气总管，40-排气总管。
模拟活性控制压燃的光学发动机可视化系统主要包括可视化光学发动机、低活性燃油供油油路、高活性燃料供油油路、气门控制油路、进气控制支路和控制系统。
所述可视化光学发动机气缸的四周为石英玻璃激光照射窗5，底部为石英玻璃视窗2，石英玻璃视窗2的下方设有反射镜1，高速照相机6可通过反射镜1观察和记录气缸内的燃烧过程。气缸内还设有缸压传感器3，用于对气缸内混合器的压力测定。可视化光学发动机的进气总管39上设有进气压力传感器28和进气温度传感器29。可视化光学发动机的排气门4连接到排气总管40，排气总管40上设有废气涡轮9，废气涡轮9与排气门4之间的排气总管40上设有排气压力传感器15和排气温度传感器14，废气涡轮9与排气口之间的排气总管40上设有Cambustion颗粒物分析仪8和Horiba气体排放分析仪7。
所述低活性燃油供油油路包括依次连接的低活性燃油油箱27、低活性燃油供油油泵26、低活性燃油滤清器25和低活性燃油共轨23，低活性燃油共轨23与低活性燃油油箱27之间还连接有压力调节阀24。低活性燃油共轨23同时也与低活性燃油PFI(Port FuelInjection进气口喷射)喷油器22连接，低活性燃油PFI喷油器22的出油口连接到可视化光学发动机的进气总管39。
所述高活性燃料供油油路包括依次连接的高活性燃料油箱13、高活性燃料油耗仪12、高活性燃料滤清器11、高压油泵10和高压共轨17，高压共轨17与高活性燃料油箱13之间还连接有稳压阀16。高压共轨17同时也与可视化光学发动机上的高活性燃料缸内直喷喷油器20连接，高活性燃料缸内直喷喷油器20的出油口伸入可视化光学发动机的气缸内。
所述气门控制油路包括依次连接的机油箱38、机油滤清器37、机油泵36、调压阀35和两位三通电磁阀34，两位三通电磁阀34同时也与可视化光学发动机上的液压连续可变气门21连接，液压连续可变气门21连接到可视化光学发动机的气门座。
所述进气控制支路包括依次连接的空气质量流量计33、电动增压器32、废气涡轮增压器31和进气中冷器30，进气中冷器30同时也连接到可视化光学发动机的进气总管39。
所述控制系统包括上位机18和ECU(Electronic Control Unit，电子控制单元)多功能控制仪19，ECU多功能控制仪19同时与高速照相机6、两位三通电磁阀34、电动增压器32、低活性燃油PFI喷油器22以及高活性燃料缸内直喷喷油器20连接。上位机18用于对整个系统提供操作指令的输入，ECU多功能控制仪19接收到上位机18的指令后控制低活性燃油PFI喷油器22和高活性燃料缸内直喷喷油器20的喷射脉宽和喷射相位、两位三通电磁阀34的供油脉宽和供油相位、电动增压器32的转速和转向、以及高速照相机6的拍照。
模拟活性控制压燃的光学发动机可视化系统的模拟方法为：
从上位机18输入触发信号，ECU多功能控制仪19接收到该信号后处理该信号，通过其内的第一驱动电路控制变频器从而改变电动增压器32的转速和转向，由此改变进气总管39内空气的压力和流量；
ECU多功能控制仪19通过其内的第二驱动电路控制低活性燃油PFI喷油器22的喷射持续期，改变低活性燃料的替代比，在进气总管39内形成低活性燃料的均质混合气；
ECU多功能控制仪19通过其内的第三驱动电路控制高活性燃料缸内直喷喷油器20的喷射定时、喷射次数与喷射持续期，从而控制气缸内高活性燃料的替代比，改变气缸内混合气的燃油总活性，实现活性分层、当量比分层与温度分层；
ECU多功能控制仪19通过其内的第四驱动电路控制两位三通电磁阀34的供油脉宽和供油相位，从而改变液压连续可变气门21的供油定时与供油脉宽，改变液压连续可变气门21的晚关角度，控制气缸内分层混合气的总温、总压、总当量比，最终在所述可视化光学发动机的气缸内形成总温、总压、总当量比、燃油总活性可变的分层混合气；
ECU多功能控制仪19通过其内的第五驱动电路控制高速照相机6开始拍照工作，拍摄气缸内分层混合气燃烧时的图像并传输到外接的电脑上；同时缸压传感器3通过电荷放大器与采集卡连接，通过采集卡将缸压显示在外接的电脑上；进气压力传感器28、进气温度传感器29、排气压力传感器15和排气温度传感器14通过采集卡将采集到的压力和温度显示到外接电脑上；Cambustion颗粒物分析仪8将颗粒物排放数据传输到外接电脑并记录；Horiba气体排放分析仪7将气体排放数据传输到外接电脑并记录。
本发明不仅可以研究喷油策略对混合气分层的影响，还可以利用不同技术手段与控制策略，实现缸内混合气的总温、总压、总当量比、燃油总活性以及混合气分层(活性、当量比以及温度分层)的灵活可调，用以研究不同技术手段与控制策略对混合气形成过程、混合气分层对活性控制压燃燃烧过程与排放的影响，进一步寻找适合将活性控制压燃拓展到全工况的技术手段与控制策略。
Claims (1)
1.一种模拟活性控制压燃的方法，使用的模拟活性控制压燃的光学发动机可视化系统包括可视化光学发动机、低活性燃油供油油路、高活性燃料供油油路、气门控制油路、进气控制支路和控制系统；所述可视化光学发动机气缸的四周为石英玻璃激光照射窗(5)，底部为石英玻璃视窗(2)，石英玻璃视窗(2)的下方设有反射镜(1)，高速照相机(6)可通过反射镜(1)观察和记录气缸内的燃烧过程；气缸内还设有缸压传感器(3)；可视化光学发动机的进气总管(39)上设有进气压力传感器(28)和进气温度传感器(29)；可视化光学发动机的排气门(4)连接到排气总管(40)，排气总管(40)上设有废气涡轮(9)，废气涡轮(9)与排气门(4)之间的排气总管(40)上设有排气压力传感器(15)和排气温度传感器(14)，废气涡轮(9)与排气口之间的排气总管(40)上设有颗粒物分析仪(8)和气体排放分析仪(7)；所述气门控制油路包括依次连接的机油箱(38)、机油滤清器(37)、机油泵(36)、调压阀(35)和两位三通电磁阀(34)，两位三通电磁阀(34)同时也与可视化光学发动机上的液压连续可变气门(21)连接，液压连续可变气门(21)连接到可视化光学发动机的气门座；所述进气控制支路包括依次连接的空气质量流量计(33)、电动增压器(32)、废气涡轮增压器(31)和进气中冷器(30)，进气中冷器(30)同时也连接到可视化光学发动机的进气总管(39)；所述控制系统同时与高速照相机(6)、两位三通电磁阀(34)、电动增压器(32)、低活性燃油供油油路的喷油器以及高活性燃料供油油路的喷油器连接；所述低活性燃油供油油路包括依次连接的低活性燃油油箱(27)、低活性燃油供油油泵(26)、低活性燃油滤清器(25)和低活性燃油共轨(23)，低活性燃油共轨(23)与低活性燃油油箱(27)之间还连接有压力调节阀(24)；低活性燃油共轨(23)同时也与低活性燃油PFI喷油器(22)连接，低活性燃油PFI喷油器(22)的出油口连接到可视化光学发动机的进气总管(39)，低活性燃油PFI喷油器(22)同时也与控制系统连接；所述高活性燃料供油油路包括依次连接的高活性燃料油箱(13)、高活性燃料油耗仪(12)、高活性燃料滤清器(11)、高压油泵(10)和高压共轨(17)，高压共轨(17)与高活性燃料油箱(13)之间还连接有稳压阀(16)；高压共轨(17)同时也与可视化光学发动机上的高活性燃料缸内直喷喷油器(20)连接，高活性燃料缸内直喷喷油器(20)的出油口伸入可视化光学发动机的气缸内，高活性燃料缸内直喷喷油器(20)同时也与控制系统连接，其特征在于：包括以下步骤：
(1)控制系统获得触发信号；
(2)控制系统通过其内的第一驱动电路控制进气控制支路中电动增压器(32)的转速和转向，由此改变进气总管(39)内空气的压力和流量；
(3)控制系统通过其内的第二驱动电路控制低活性燃油供油油路的低活性燃油PFI喷油器(22)的喷射持续期，由此在进气总管(39)内形成低活性燃料的均质混合气；
(4)控制系统通过其内的第三驱动电路控制高活性燃料供油油路的高活性燃料缸内直喷喷油器(20)的喷射定时、喷射次数与喷射持续期，从而控制气缸内高活性燃料的替代比，改变气缸内混合气的燃油总活性，实现活性分层、当量比分层与温度分层；
(5)控制系统通过其内的第四驱动电路控制气门控制油路的两位三通电磁阀(34)的供油脉宽和供油相位，从而改变液压连续可变气门(21)的供油定时与供油脉宽，改变液压连续可变气门(21)的晚关角度，控制气缸内分层混合气的总温、总压、总当量比，最终在可视化光学发动机的气缸内形成总温、总压、总当量比、燃油总活性可变的分层混合气；
(6)控制系统通过其内的第五驱动电路控制高速照相机(6)拍摄气缸内分层混合气燃烧时的图像并传输到外接的电脑上；
(7)缸压传感器(3)通过采集卡将缸压显示在外接的电脑上；进气压力传感器(28)、进气温度传感器(29)、排气压力传感器(15)和排气温度传感器(14)通过采集卡将采集到的压力和温度显示到外接电脑上；颗粒物分析仪(8)将颗粒物排放数据传输到外接电脑并记录；气体排放分析仪(7)将气体排放数据传输到外接电脑并记录。
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