CN109238725B - 一种可模拟湍流运动的定容燃烧弹装置及其控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可模拟湍流运动的定容燃烧弹装置及其控制系统，该装置包括圆柱形的空心弹体，弹体两端通过前法兰盘和后法兰盘以及火花塞安装座密封，弹体侧壁分布有观察窗，弹体内部装配有气体驱动装置和孔板，火花塞安装座固定于前法兰盘上，气体驱动装置固定于后法兰盘上，孔板设置于气体驱动装置上，并沿着弹体内壁平动。本发明通过装载在定容燃烧弹内部的气动驱动装置作为动力源带动孔板移动，当气流通过孔板后因节流效应产生湍流。该装置从根本上避免了密封困难问题，可以实现在定容燃烧弹内形成较好的各向同性湍流，且该装置响应速度快，易于实现。

Description

一种可模拟湍流运动的定容燃烧弹装置及其控制系统

技术领域

本发明涉及内燃机实验技术领域，尤其涉及一种可模拟湍流运动的定容燃烧弹及其控制系统。

背景技术

内燃机缸内喷雾燃烧从根本上决定了内燃机的动力性能和排放性能，因此研究内燃机缸内喷雾燃烧具有非常重大的意义。目前国内外学者对内燃机喷雾燃烧特性的基础研究多在喷雾燃烧模拟装置中进行，尤其以定容燃烧弹居多。

定容燃烧弹模拟的是发动机活塞运动至上止点附近时的缸内定容燃烧过程。在保证气密性的前提下可以十分方便的改变进气参数和点火参数以及缸内气体的流动状态等来探究其对缸内喷雾燃烧过程的影响。凭借其结构简单、操作方便备受相关领域专家的青睐。

目前可模拟湍流运动的定容燃烧弹装置主要分为四类：喷射式、孔板平动式、风扇式及复合式。喷射式湍流定容燃烧弹如图1所示，气体通过压差以自由射流的形式射入定容燃烧弹内产生湍流环境，此种方式湍流强度会随着时间推移逐渐衰减，且湍流时间较短。孔板式湍流定容燃烧弹如图2所示，依靠孔板移动当气流通过孔板后因节流效应产生气体湍流现象，并在定容燃烧弹内形成各向同性湍流。但是孔板的驱动装置置于定容燃烧弹外部，孔板连接杆与定容弹之间存在相对位移导致密封困难，如果压力较大，会有漏气的可能。而风扇式湍流定容燃烧弹，如专利号为CN107271188A公开的一种可模拟涡流及滚流运动的定容燃烧弹，风扇在定容燃烧弹内部，电机在定容燃烧弹外部，风扇的转动轴与定容燃烧弹之间存在相对转动也会导致密封困难；另外一个专利公开号为CN105352736B中公开一种湍流强度和位置可控的测试定容弹及控制方法，通过在湍流发生装置上均布的九个小型轴流风扇，控制轴流风扇的起动方案以及转速，从而达到要求强度和位置的湍流。该设计需要风扇组的协调配合运转，而各个风扇又必须由各自独立的电机来驱动，因而使得整个定容燃烧弹装置系统的结构变得相当复杂。并且电动机、风扇之间连接轴与定容燃烧弹之间存在旋转运动，同样存在密封问题。复合式湍流定容燃烧弹结构更为复杂。

发明内容

针对上述可模拟湍流运动定容燃烧弹装置的不足之处，本发明提供一种可模拟湍流运动的定容燃烧弹装置及其控制系统。该装置装载在定容燃烧弹的弹体内部，气动驱动装置作为动力源带动孔板移动当气流通过孔板后因节流效应产生气体湍流现象。该装置与弹体之间没有相对运动，因此从根本上避免了密封困难问题。孔板上的孔型结构为双锥形圆孔，气流经过双锥形圆孔会形成较大的空间射流，由于形成的空间射流碰撞并在定容燃烧弹内形成较好的各向同性湍流。该装置响应速度快，结构简单，易于实现。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种可模拟湍流运动的定容燃烧弹装置，其特征在于包括圆柱形的空心弹体，弹体两端通过前法兰盘和后法兰盘以及火花塞安装座密封，弹体侧壁分布有观察窗，弹体内部设置有气体驱动装置和孔板，其中火花塞安装座固定于前法兰盘上，气体驱动装置固定于后法兰盘上，孔板设置于气体驱动装置上，并沿着弹体内壁做平移运动。

对上述方案作进一步限定，形成新的技术方案：所述气体驱动装置嵌套于圆柱套筒内，圆柱套筒一端垂直固定于后法兰盘内壁，圆柱套筒另一端通过挡板约束气体驱动装置，也起到隔离气体驱动装置的作用。

对上述方案作进一步限定，形成新的技术方案：所述气体驱动装置包括圆筒状的气缸体，气缸体两端通过前端盖和后端盖封闭，前端盖和后端盖均设置进、出气孔，其中进气孔经单向截止阀和电磁阀与外部气源串联，出气孔经单向截止阀和电磁阀与高压压缩气体机串联，气缸体内设置沿缸体内壁滑动的活塞，活塞的轴颈穿过前端盖中心轴，并与所述孔板连接。

对上述方案作进一步限定，形成新的技术方案：所述孔板为耐高温材质，上边分布有双锥形圆孔，分布方式是沿直径方向由中心向外侧呈扩散状分布。

一种可模拟湍流运动定容燃烧弹装置的控制系统，其特征在于：包括热线风速仪、A/D转换器、计算机和驱动器，所述的热线风速仪的测试端设置于所述空心弹体内，热线风速仪经A/D转换器与计算机连接，热线风速仪采集空心弹体内部湍流强度，经A/D转换器识别并转化该湍流强度信息然后传递至计算机，计算机经驱动器与所述气体驱动装置连接，计算机判定湍流强度信息是否达到设定值，并把判定信息传输给驱动器，驱动器驱动气体驱动装置带动孔板做平移运动，改变气体湍流强度。

对上述系统进一步补充，所述气体驱动装置上设置2个进气口和2个排气口，每个进气口或排气口均通过钢制导管与单向截止阀和电磁阀串联，所述驱动器驱动电磁阀开闭。

对上述系统进一步补充，还包括时序控制系统，时序控制系统与计算机连接，时序控制系统触发喷油系统、点火系统和纹影采集系统，其中喷油系统和点火系统设置于火花塞安装座上。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：

（1）本发明通过在定容燃烧弹内部固定湍流发生装置从根本上解决了传统产生湍流装置与弹体之间有相对运动导致密封不严的问题；

（2）本发明采用气动驱动装置为动力源，具有响应速度快的特点；

（3）本发明孔板上的孔型结构为双锥形圆孔，气流经过双锥形圆孔会形成较大的空间射流，空间射流碰撞可以在定容燃烧弹内形成较好的各向同性湍流，使得定容燃烧弹实验更加贴近发动机缸内的真实情况。

附图说明

图1为喷射式湍流定容燃烧弹示意图；

图2为孔板式湍流定容燃烧弹示意图；

图3为本发明中定容燃烧弹整体示意图；

图4为本发明中定容燃烧弹剖面结构示意图；

图5为本发明中气动驱动装置剖面结构示意图；

图6为本发明中孔板示意图；

图7为图6中沿A-A方向截面结构示意图；

图8为本发明中孔板在I处的局部放大图；

图9为本发明双锥形圆孔结构示意图；

图10为本发明中控制系统结构示意图；

图11为本发明中控制流程框图；

其中，1、气缸体；2、活塞；3、前端盖；4、螺栓；5、螺钉；6、后端盖；7、后进气孔；8；后出气孔；9、前进气孔；10、前出气孔；11、孔板；12、圆柱玻璃；13、挡板；14、圆柱套筒；15、前法兰盘；16、空心弹体；17、观察窗；18、后法兰盘；19、火花塞安装座；20、气动驱动装置。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

根据附图3、附图4可知，可模拟湍流运动的定容燃烧弹装置具体包括：圆柱形的空心弹体16，弹体16两端通过前法兰盘15和后法兰盘18以及火花塞安装座19密封，弹体16侧壁分布有观察窗17，弹体16内部设置有气体驱动装置20、孔板11，其中火花塞安装座19固定于前法兰盘15上，气体驱动装置20固定于后法兰盘18上，孔板11设置于气体驱动装置20上，并沿着弹体16内壁做平移运动。气体驱动装置20嵌套于圆柱套筒14内，圆柱套筒14一端垂直固定于后法兰盘18内壁，圆柱套筒14另一端通过挡板13约束气体驱动装置20。气动驱动装置20利用挡板13和圆柱套筒14通过丝杆与定容燃烧弹后法兰盘18连接。

如附图5所示，气体驱动装置20包括圆筒状的气缸体1，气缸体1两端通过前端盖3和后端盖6封闭，前端盖3和后端盖6均设置进、出气孔，其中进气孔经单向截止阀和电磁阀与外部气源串联，出气孔经单向截止阀和电磁阀与高压压缩气体机串联，气缸体1内设置沿缸体内壁滑动的活塞2，活塞2的轴颈穿过前端盖3，并与孔板11连接。前端盖3和后端盖6以及气缸体1共同构成了气缸的驱动腔。后端盖6与活塞2和气缸体1三者构成了第一驱动腔；前端盖3与活塞2和缸体1三者构成了第二驱动腔。第一驱动腔的后端盖的后进气孔7进气和第二驱动腔的前端盖上前出气孔10排气，活塞向上运动，第一驱动腔的后端盖的后出气孔8出气和第二驱动腔的前端盖的前进气孔9进气，活塞向下运动，通过控制进排气次序来驱动活塞往返运动，如此反复，活塞带动孔板移动当气流通过孔板后因节流效应产生气体湍流。

根据附图6-9可知，孔板11为耐高温材质，孔板11表面满布有双锥形圆孔且锥角为120度，分布方式是沿直径方向由中心向外侧呈扩散状分布。不论气流在正向或反向经过孔板11，气流在经过双锥形圆孔均会形成较大的空间射流，射流空间占据空间弹体16的大部分空间，其余空隙中空气随射流流动，这样形成空间射流碰撞并在定容燃烧弹内形成较好的各向同性湍流，可有效提高湍流模拟效果。

根据附图10可知，本发明一种可模拟湍流运动的定容燃烧弹装置控制系统结构示意图包括：热线风速仪、A/D转换器、计算机、驱动器、电磁阀A、电磁阀B、电磁阀C、电磁阀D。其中第一驱动腔进气孔7经单向截止阀和电磁阀A与外部气源串联，第一驱动腔出气孔8经单向截止阀和电磁阀C与高压压缩气体机串联，第二驱动腔进气孔9经单向截止阀和电磁阀D与外部气源串联, 第二驱动腔出气孔10经单向截止阀和电磁阀B与高压压缩气体机串联。热线风速仪测的燃烧室内的湍流强度，A/D转换器识别并转化该湍流强度信息然后传递给计算机，计算机判定是否达到设定湍流强度值，并把判定信息传输给驱动器，驱动器驱动4只电磁阀的通断次序和频率，从而实现快速响应，孔板在定容燃烧弹燃烧室内产生湍流。湍流的强度与驱动器驱动频率成正比，驱动器的驱动频率是由计算机控制。

控制系统的驱动方式：驱动器同时向第一驱腔的后进气孔7处电磁阀A和第二驱动腔的出气孔10处电磁阀B发出指令，随即第一驱动腔内气体增加，第二驱动腔内的气体减少，活塞随即向上运动；驱动器再同时向第一驱动腔的出气孔8处电磁阀C和第二驱动腔的进气孔9处电磁阀D发出指令，随即第一驱动腔内气体减少，第二驱动腔内的气体增加，活塞随即向下运动，如此循环，驱动器的驱动频率由计算机控制。

根据附图11可知，本发明控制系统的流程图包括：计算机、四只电磁阀、热线风速仪、绿灯指示灯、红灯指示灯。在喷油嘴喷雾前，需要在定容燃烧弹的燃烧室内制造出实验所需要的湍流强度，以便于可以更真实的模拟出发动机活塞即将运行至上止点时，气缸内气体流动的真实情况。定容燃烧弹内的热线风速仪检测燃烧室内的气体湍流强度Wo，设定实验时的目标气体湍流强度Ws,如果Ws-Wo>0，红色指示灯亮，把该信息反馈给计算机，计算机通过改变驱动器的驱动频率调节四只电磁阀直到Ws-Wo≤0，绿色指示灯亮起,时序控制系统触发喷油系统喷油、点火系统点火、纹影系统拍摄相关图像。

本发明解决了产生湍流装置与定容燃烧弹的弹体之间存在相对运动导致密封不严的问题，本发明可以实现在定容燃烧弹内形成较好的各向同性湍流，本发明还有具有响应速度快等特点。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动和修改，因此本发明的保护范围应当以权力要求所限定的范围为准。

Claims (6)

1.一种可模拟湍流运动的定容燃烧弹装置，其特征在于包括圆柱形的空心弹体(16)，弹体(16)两端通过前法兰盘(15)和后法兰盘(18)密封，弹体(16)侧壁分布有观察窗(17)，弹体(16)内部设置有气体驱动装置(20)、孔板(11)，前法兰盘(15)内表面固定有火花塞安装座(19)，气体驱动装置(20)固定于后法兰盘(18)中部，孔板(11)设置于气体驱动装置(20)上，并沿着弹体(16)内壁平动；

所述气体驱动装置(20)包括圆筒状的气缸体(1)，气缸体(1)两端通过前端盖(3)和后端盖(6)封闭，前端盖(3)和后端盖(6)均设置进、出气孔，其中进气孔经单向截止阀和电磁阀与外部气源串联，出气孔经单向截止阀和电磁阀与高压压缩气体机串联，气缸体(1)内设置沿缸体内壁滑动的活塞(2)，活塞(2)的轴颈穿过前端盖(3)，并与所述孔板(11)连接；

所述孔板(11)为圆形，所述孔板表面分布有双锥形圆孔，分布方式是沿直径方向由中心向外侧呈扩散状分布；

所述观察窗(17)为四个，四个所述观察窗(17)沿弹体(16)周壁均匀分布。

2.根据权利要求1所述的一种可模拟湍流运动的定容燃烧弹装置，其特征在于所述气体驱动装置(20)嵌套于圆柱套筒(14)内，圆柱套筒(14)一端垂直固定于后法兰盘(18)内壁，圆柱套筒(14)另一端通过挡板(13)约束气体驱动装置(20)。

3.根据权利要求1所述的一种可模拟湍流运动的定容燃烧弹装置，其特征在于所述孔板(11)为耐高温材质。

4.一种根据权利要求1-3中任一项所述的可模拟湍流运动的定容燃烧弹装置的控制系统，其特征在于：包括热线风速仪、A/D转换器、计算机、驱动器、电磁阀和单向截止阀，所述的热线风速仪的测试端设置于所述空心弹体(16)内，热线风速仪经A/D转换器与计算机连接，热线风速仪采集空心弹体(16)内部湍流强度，经A/D转换器识别并转化该湍流强度信息然后传递至计算机，计算机经驱动器与所述气体驱动装置(20)连接，计算机判定湍流强度信息是否达到设定值，并把判定信息传输给驱动器，驱动器驱动气体驱动装置(20)带动孔板(11)，改变气体湍流强度。

5.根据权利4所述的控制系统，其特征在于：所述气体驱动装置(20)上设置2个进气口和2个排气口，每个进气口或排气口均通过钢制导管与单向截止阀和电磁阀串联，所述驱动器驱动电磁阀开闭。

6.根据权利5所述的控制系统，其特征在于：还包括时序控制系统，时序控制系统与计算机连接，时序控制系统触发喷油系统、点火系统和纹影采集系统，其中喷油系统和点火系统设置于火花塞安装座(19)上。