CN108535017A - 一种发动机燃烧模拟装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种发动机燃烧模拟装置，一种发动机燃烧模拟装置，包括：模拟腔室；湍流产生装置；气体预混室；以及数据采集模块。本发明的一种发动机燃烧模拟装置，通过设置多个中心对称的孔道，使得湍流产生装置在模拟腔室内产生多个各向同性的气流，形成湍流环境，相较于现有的喷射式、孔板式和风扇式等模拟装置，产生湍流的多个气流强度、方向一致，湍流均匀性提高，并且，由于不需要调整孔道，使得整个装置的密封性提高，同时，湍流强度可由外界的湍流产生装置控制，降低了对模拟腔室的体积要求，提高了模拟腔室对各种模拟实验的适应性。

Description

一种发动机燃烧模拟装置

技术领域

本发明涉及发动机燃烧过程实验装置技术领域，具体涉及一种发动机燃烧模拟装置。

背景技术

随着能源短缺和环境污染日趋严重，气体燃料替代传统能源是现在汽车行业不断发展的趋势，合理的组织发动机气体燃料的燃烧状况，对实现燃烧控制，提高发动机动力性、经济性具有十分重要的意义。

点燃式发动机工作循环的核心是气缸内湍流燃烧过程，它是影响发动机动力性、经济性和排放特性的直接因素。由于实际发动机中的燃烧、传热、燃料蒸发与扩散过程十分复杂，加之伴随发动机循环变动的影响，要精确控制每个循环的燃烧条件不变较为困难，因此对于点燃式发动机缸内湍流燃烧研究常常放在模拟设备上进行，发动机燃烧模拟装置可用于深入研究发动机缸内湍流燃烧过程，为点燃式发动机关键技术的研制和开发提供了实验依据。

目前，以定容燃烧弹为例，在发动机燃烧模拟装置中根据产生湍流的方式，主要分为喷射式、孔板式和风扇式等。喷射式发动机燃烧模拟装置中的湍流产生方式需要在模拟腔室上布置切向进气道，可燃气在预混箱中混合后通过切向进气道喷入模拟腔室中产生湍流，此种方式加工完成后进气道的大小及喷射方向很难改变，同时湍流均匀性较差；孔板式发动机燃烧模拟装置中的湍流产生方式是通过模拟腔室内部平动的孔板形成湍流，通过调整孔板的孔径、孔数量及孔板的平动速度在模拟腔室中形成不同强度的湍流，此种方式对模拟腔室的形状有一定的要求，同时保证装置的密封性难度较大；风扇式发动机燃烧模拟装置中的湍流产生装置是通过电动机驱动风扇在模拟腔室内旋转形成湍流，湍流强度的大小由风扇的转速控制，此种方式需要较大的空间，存在运动件与模拟腔室连接密封难度大的问题。

因此需要提供一种发动机燃烧模拟装置。

发明内容

有鉴于此，为了解决现有技术中的发动机燃烧模拟装置的湍流均匀性差、装置的密封难度大等问题，本发明提供一种发动机燃烧模拟装置，一种发动机燃烧模拟装置，包括：

模拟腔室，用于模拟发动机缸内的气体燃烧，其中，所述模拟腔室包括多个呈中心对称分布的多个孔道，并且模拟腔室上设置点火模块，所述点火模块引发所述模拟腔室内气体的燃烧；

湍流产生装置，通过所述多个孔道与所述模拟腔室连通，用于形成多个各向同性的气流，以使所述模拟腔室内形成湍流环境；

气体预混室，所述气体预混室将可燃气与非可燃气混合形成可燃混合气，并将可燃混合气输送至模拟腔室；以及

数据采集模块，用于采集模拟腔室内可燃混合气燃烧时的湍流燃烧特性参数。

优选地，所述湍流燃烧特性参数包括湍流燃烧压力、湍流燃烧温度以及湍流燃烧特性。

优选地，所述气体管路上设置分流腔，所述分流腔用于将该气体管路均分为多个气体支路，并且，每个所述气体管路的长度相同，每个所述气体支路的长度相同。

优选地，所述模拟腔室为定容燃烧弹，所述定容燃烧弹呈中心对称结构。

优选地，所述孔道的数量为8个，并且所述模拟腔室为球体，所述孔道以所述模拟腔室的球心为中心呈中心对称结构。

优选地，所述湍流产生装置包括多个气体管路、与所述气体管路对应并通过该对应气体管路与所述模拟腔室连通的多个活塞装置以及同步驱动每个所述活塞装置的电动机；

其中，所述每个气体管路包括多个气体支路，所述每个气体支路与对应的孔道连通。

优选地，所述活塞装置为保留缸体内的活塞结构的单缸发动机。

优选地，所述数据采集模块包括设置在模拟腔室内的压力传感器，所述压力传感器用于采集模拟腔室内的湍流燃烧压力。

优选地，所述数据采集模块包括设置在模拟腔室内的温度传感器，所述温度传感器用于采集模拟腔室内的湍流燃烧温度。

优选地，所述模拟腔室的至少一个侧壁为透明结构，所述数据采集模块包括图像采集装置，所述图像采集装置可通过该透明的侧壁采集所述模拟腔室内的气体湍流燃烧的火焰图像。

本发明的有益效果如下：

本发明的一种发动机燃烧模拟装置，通过设置多个中心对称的孔道，使得湍流产生装置在模拟腔室内产生多个各向同性的气流，形成湍流环境，相较于现有的喷射式、孔板式和风扇式等模拟装置，产生湍流的多个气流强度、方向一致，湍流均匀性提高，并且，由于不需要调整孔道，使得整个装置的密封性提高，同时，湍流强度可由外界的湍流产生装置控制，降低了对模拟腔室的体积要求，提高了模拟腔室对各种模拟实验的适应性。

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详细的说明。

图1示出本发明一个实施方式中的一种用于定容燃烧弹的湍流产生装置的结构示意图。

图2示出本发明一个实施方式中定容燃烧弹沿垂直方向的中心剖视图。

图3示出本发明一个实施方式中定容燃烧弹装置的主视图。

图4示出本发明一个实施方式中定容燃烧弹石英玻璃端盖结构示意图和A-A截面视图。

图5示出图4示出的石英玻璃端盖A-A方向的截面视图。

图中各标记如下：1定容燃烧弹，3分流腔，41单气体管路，42气体支路，5单缸发动机，6电动机，7固定螺栓，8右端盖，9孔道，10上端盖，11左端盖，12下端盖，13石英玻璃，14大端盖，15小端盖，16齿轮组

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图1-5进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

本发明的一个实施方式提供一种发动机燃烧模拟装置，一种发动机燃烧模拟装置，包括：模拟腔室，湍流产生装置，气体预混室以及数据采集模块。

具体的，模拟腔室，用于模拟发动机缸内的气体燃烧，其中，模拟腔室包括多个呈中心对称分布的多个孔道，并且模拟腔室上设置点火模块，点火模块引发模拟腔室内气体的燃烧。

优选地，模拟腔室为定容燃烧弹，定容燃烧弹结构简单，广泛用于模拟腔室的使用，其中，在本实施方式中，为了保证气流平衡，定容燃烧弹呈中心对称结构，与此同时，气流的个数不应过多，从而增加了模拟实验的复杂程度，并且当气流达到一定个数后，继续增加气流也不会对实验产生影响，为避免额外的实验负担，孔道的数量优选为8个，并且模拟腔室为球体，孔道以模拟腔室的球心为中心呈中心对称结构，即每个孔道位于该球体的1/8球面的中心位置。

湍流产生装置通过多个孔道与模拟腔室连通，用于形成多个各向同性的气流，以使模拟腔室内形成湍流环境。

其中，可选的，湍流产生装置可以被配置为包括多个气体管路、与气体管路对应并通过该对应气体管路与模拟腔室连通的多个活塞装置以及同步驱动每个活塞装置的电动机；其中，每个气体管路包括多个气体支路，每个气体支路与对应的孔道连通。

特别的，为了实现气流的性质保持各向同性(流速相同，流动方向中心对称)，气体管路上设置分流腔，分流腔用于将该气体管路均分为多个气体支路，并且，每个气体管路的长度相同，每个气体支路的长度相同。

可选的，活塞装置为保留缸体内的活塞结构的单缸发动机。即该单缸发动机其他部分被拆出，仅保留缸体内的活塞，因此该单缸发动机并没有将可燃气的燃烧热转化为机械能的能力，从而避免单缸发动机其余部分对气流产生影响，从而导致气流不均。

气体预混室将可燃气与非可燃气混合形成可燃混合气，并将可燃混合气输送至模拟腔室。

数据采集模块用于采集模拟腔室内可燃混合气燃烧时的湍流燃烧特性参数。

优选地，湍流燃烧特性参数包括湍流燃烧压力、湍流燃烧温度以及湍流燃烧特性。

具体的，数据采集模块包括设置在模拟腔室内的压力传感器，压力传感器用于采集模拟腔室内的湍流燃烧压力。数据采集模块包括设置在模拟腔室内的温度传感器，温度传感器用于采集模拟腔室内的湍流燃烧温度。模拟腔室的至少一个侧壁为透明结构，数据采集模块包括图像采集装置，图像采集装置可通过该透明的侧壁采集模拟腔室内的气体湍流燃烧的火焰图像，其中，湍流燃烧的火焰图像被数据化为湍流燃烧特性。

本发明的一种发动机燃烧模拟装置，通过设置多个中心对称的孔道，使得湍流产生装置在模拟腔室内产生多个各向同性的气流，形成湍流环境，相较于现有的喷射式、孔板式和风扇式等模拟装置，产生湍流的多个气流强度、方向一致，湍流均匀性提高，并且，由于不需要调整孔道，使得整个装置的密封性提高，同时，湍流强度可由外界的湍流产生装置控制，降低了对模拟腔室的体积要求，提高了模拟腔室对各种模拟实验的适应性。

下面以定容燃烧弹为例，并结合图1-4详细说明本模拟装置。

如图1所示，该模拟装置包括：定容燃烧弹1、分流腔3、单缸发动机5、气体支路42、单气体管路41，定容燃烧弹1与预混箱连通，定容燃烧弹1通过气体支路42与分流腔3连接，分流腔3通过单气体管路41与单缸发动机5连接，单缸发动机5与电动机6连接。如图1所示，预混箱混合气出口与定容燃烧弹1进气口连通，完成可燃混合气的进气过程；单缸发动机5通过单气体管路41与分流腔3连通，分流腔3通过气体支路42与定容燃烧弹1连通，电动机6通过同步带驱动两个相同的单缸发动机5往复运动，带动气体在单缸发动机、气体支路42、单气体管路41、分流腔3及定容燃烧弹1内流动，从而在定容燃烧弹1内形成湍流环境，具体为，根据分压定律确定可燃气中各组分气体所需的量值，将设定量值的气体在预混箱中与空气混合均匀后将可燃混合气通入定容燃烧弹1内达到实验设定的初始压力，此时启动电动机6，电动机6驱动单缸发动机5活塞往复运动通过气体管路形成的抽吸作用，带动单缸机发动机5燃烧室、气体管路、分流腔3及定容燃烧弹1内的气体流动，在定容燃烧弹1中心形成湍流环境，定容燃烧弹1中的湍流强度由电动机6的转速控制，通过改变电动机6的转速在定容燃烧弹1中形成不同强度的湍流；不同电动机6转速与定容燃烧弹1中湍流强度的对应关系需通过热线风速仪对定容燃烧弹的湍流强度预先进行标定，在进行实验指定可燃混合气湍流燃烧研究时，根据指定湍流强度控制电动机转速，从而在定容燃烧弹中心形成预期的湍流环境；然后点火模块控制设置在定容燃烧弹中心处的点火电极完成点火，同时通过安装在容弹上的压力传感器进行预混湍流燃烧压力的采集，通过高速摄影仪进行燃烧火焰图像的采集，以获得实验所需可燃混合气的压力、温度及湍流强度下的湍流燃烧特性。

请参考图2至图5相关各图，定容燃烧弹1为球形，定容燃烧弹上、下、左、右四个端面分别设有上端盖10、下端盖12、左端盖11和右端盖8，上端盖10、下端盖12、左端盖11和右端盖8通过固定螺栓7固定于定容燃烧弹1上，定容燃烧弹1的中心处完全对称设置孔道9,气体支路42通过孔道9连接定容燃烧弹1与分流腔3，左端盖11和右端盖8上设置点火电极，点火电极延伸到定容燃烧弹1内中心处。上端盖10设置可燃混合气进气管道口和燃烧废气排气管道口，可燃混合气进气管道口与预混箱连通，燃烧废气排气管道口与燃烧废气排气管道连接，定容燃烧弹1前后两个端面分别设置石英玻璃端盖16。定容燃烧弹弹体1为球形，采用完全对称的设计，这种完全对称的结构可以在容弹中心得到更好的各向同性的湍流。定容燃烧弹上、下、左、右四个端面安装普通端盖，通过固定螺栓7固定在定容燃烧弹的弹体1上，左端盖11、右端盖8上安装点火电极、上端盖10设置可燃混合气进气管道、燃烧废气排气管道、精密压力表、压力传感器等装置，其中燃烧废气排气管道用于排清燃烧后的废气，以免影响之后实验可燃混合气通入定容燃烧弹后可燃混合气的组分，精密压力表用于向定容燃烧弹中通入可燃混合气时控制实验所需的初始压力，压力传感器用于测量预混湍流燃烧时的瞬态燃烧压力。端盖的设计可以方便的增加定容燃烧弹上所需的功能。孔道的个数大于等于，孔道为直径为1mm圆柱形。定容燃烧弹上开通完全对称且相同的多个直径为1mm连通孔，孔道9最佳个数是8，左右对称分布各4个，使得可燃混合气可以在单缸发动机燃烧室、分流腔、气体管路及定容燃烧弹中流动。石英玻璃端盖16由大端盖14、小端盖15及石英玻璃13组成，石英玻璃13镶嵌于大端盖14上，小端盖15通过M1的螺栓固定于大端盖上，大端盖14通过M14的螺栓固定在定容燃烧弹1上。如图4所示，小端盖通过M1的螺栓将石英玻璃13压紧固定在大端盖14上，大端盖14通过M14的螺栓固定在定容燃烧弹上；石英玻璃端盖为纹影系统留出光学通路，在定容燃烧弹中进行预混湍流燃烧实验时，通过纹影系统和高速摄影仪实现对湍流燃烧火焰图像的拍摄。上端盖、下端盖、左盖端、右盖端、前盖端和后盖端与定容燃烧弹之间设有石墨密封垫片。各方向的端盖与定容燃烧弹之间安装石墨密封垫片，其作用是保证在进行预混湍流燃烧实验时无气体泄漏，同时减少燃烧过程中的震动对石英玻璃的冲击，防止石英玻璃破碎。分流腔为一个半圆形的腔体，个分流腔3设置在定容燃烧弹左右两端，分流腔3通过气体支路42与孔道连接。分流腔3为一个半圆形的腔体，定容燃烧弹左右两侧各有一个分流腔，其作用是将单根气体管路分成等长多根气体支路42，同时具有稳压的作用。气体支路42根数大于等于。气体管路最佳根数为4根，左右各根。

个单缸发动机5设置在定容燃烧弹的左右两侧，分别为左单缸发动机51和右单缸发动机5，左单缸发动机51通过左同步带与电动机6连接，右单缸发动机5通过右同步带与电动机6连接。如图5所示，电动机6布置在定容燃烧弹的下方，两台相同的单缸发动机布置在定容燃烧弹左右两侧，即左单缸发动机51和有单缸发动机5。电动机6输出轴上的两个同步带轮分别与单缸发动机相连的两个同步带轮位于同一平面，间距为1m，两个同步带相同且带轮相同；同步带传动比为1，使得电动机6通过同步带机构驱动两个发动机运转时，电动机转速与两个单缸发动机转速相同。左单缸发动机51设有左单缸发动机燃烧室，左单缸发动机燃烧室通过单气体管路41与分流腔3连接，左单缸发动机51设有左单缸发动机飞轮，左单缸发动机飞轮通过齿轮组16和左同步带电动机6连接。右单缸发动机5设有右单缸发动机燃烧室，右单缸发动机燃烧室通过单气体管路41与分流腔3连接，右单缸发动机设有右单缸发动机飞轮，右单缸发动机飞轮通过左同步带与电动机6连接。电动机6输出轴上安装两个同步带驱动轮，分别为前同步带轮和后同步带轮，右单缸发动机飞轮通过右同步带连接同步带轮，左单缸发动机飞轮与与齿轮组连接，齿轮组通过左同步带与同步带轮相连，此种方式可保证电动机驱动发动机正向同步运转。同步带安装张紧轮及限位装置轴承，保证电动机高速运转时，可以稳定带动单缸发动机运转，从而发动机活塞往复运动通过气体管路形成的抽吸作用带动定容燃烧弹中的气体流动，在定容燃烧弹中形成各向同性的湍流环境。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (10)

1.一种发动机燃烧模拟装置，其特征在于：包括：

模拟腔室，用于模拟发动机缸内的气体燃烧，其中，所述模拟腔室包括多个呈中心对称分布的多个孔道，并且模拟腔室上设置点火模块，所述点火模块引发所述模拟腔室内气体的燃烧；

湍流产生装置，通过所述多个孔道与所述模拟腔室连通，用于形成多个各向同性的气流，以使所述模拟腔室内形成湍流环境；

气体预混室，所述气体预混室将可燃气与非可燃气混合形成可燃混合气，并将可燃混合气输送至模拟腔室；以及

数据采集模块，用于采集模拟腔室内可燃混合气燃烧时的湍流燃烧特性参数。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述湍流燃烧特性参数包括湍流燃烧压力、湍流燃烧温度以及湍流燃烧特性。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述模拟腔室为定容燃烧弹，所述定容燃烧弹呈中心对称结构。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述孔道的数量为8个，并且所述模拟腔室为球体，所述孔道以所述模拟腔室的球心为中心呈中心对称结构。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述湍流产生装置包括多个气体管路、与所述气体管路对应并通过该对应气体管路与所述模拟腔室连通的多个活塞装置以及同步驱动每个所述活塞装置的电动机；

其中，所述每个气体管路包括多个气体支路，所述每个气体支路与对应的孔道连通。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于：所述气体管路上设置分流腔，所述分流腔用于将该气体管路均分为多个气体支路，并且，每个所述气体管路的长度相同，每个所述气体支路的长度相同。

7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于：所述活塞装置为保留缸体内的活塞结构的单缸发动机。

8.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：所述数据采集模块包括设置在模拟腔室内的压力传感器，所述压力传感器用于采集模拟腔室内的湍流燃烧压力。

9.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：所述数据采集模块包括设置在模拟腔室内的温度传感器，所述温度传感器用于采集模拟腔室内的湍流燃烧温度。

10.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：所述模拟腔室的至少一个侧壁为透明结构，所述数据采集模块包括图像采集装置，所述图像采集装置可通过该透明的侧壁采集所述模拟腔室内的气体湍流燃烧的火焰图像。