CN109406222B - 一种瞬时相位可调的柴油机缸内气体采样装置及采样方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种瞬时相位可调的柴油机缸内气体采样装置，代替柴油机气门插设于柴油机气缸内，采样装置包括采样机构和驱动机构，采样机构包括中空气门、采样套筒、采样套筒驱动弹簧、耐热导气软管、导气硬管和采集袋，采样套筒内设有柱形空腔，采样套筒的下部设有采样进气口、上部设有采样出气口，采样出气口的外端依次通过耐热导气软管和导气硬管与采集袋相连；驱动机构包括气门凸轮、采样凸轮和调整螺栓，采样套筒通过采样凸轮的驱动作用于圆柱形空腔内上下往复运动，采样套筒下行至下止点时，采样进气口暴露于柴油机气缸内氛围气内。本发明结构简单、可靠性高、可以实现在不影响柴油机运行前提下，采集不同曲轴转角时缸内气体的装置。

Description

一种瞬时相位可调的柴油机缸内气体采样装置及采样方法

技术领域

本发明涉及一种气体采样装置及采样方法，具体涉及一种瞬时相位可调的柴油机缸内气体采样装置及采样方法，用于采集柴油机燃烧过程中不同曲轴转角下的缸内气体。

背景技术

柴油机是我国工、农业机械的重要动力来源，随着我国柴油机污染物排放法规日趋严格，如何能够降低柴油机污染物排放，成为柴油机研发领域重要的研究课题。污染物排放与柴油机缸内燃烧情况密不可分，因此有必要对柴油机缸内燃烧情况及燃烧的中间产物进行研究。

对柴油机缸内燃烧过程中的气体进行采集和分析，是一种重要的研究手段。由于柴油机的燃烧过程极为短暂，因此缸内气体采集装置的设计难点在于：如何在保证柴油机连续、稳定运转的前提下，使装置精确采集燃烧气体。理想的缸内采样机构应具有以下特点：(1)采样角度分辨率高；(2)采样相位的调整方便；(3)不影响柴油机的正常运行；(4)采样装置适用范围广、制造成本低。

发明内容

本发明的发明目的是基于分析研究柴油机燃烧中间产物的需要，提供一种瞬时相位可调的柴油机缸内气体采样装置及采样方法，结构简单、可靠性高，可以实现在不影响柴油机运行前提下，采集不同曲轴转角时缸内气体的采样装置。

为解决上述技术问题，本发明的实施例提供一种瞬时相位可调的柴油机缸内气体采样装置，代替柴油机气门插设于柴油机气缸内，所述采样装置包括采样机构和驱动机构，所述采样机构包括中空气门、采样套筒、采样套筒驱动弹簧、耐热导气软管、导气硬管和采集袋，所述中空气门的上端位于柴油机气缸的上方、下端插入柴油机气缸内，所述中空气门的中心设置有圆柱形空腔，所述圆柱形空腔的中部一段为内径扩大段；

所述采样套筒从上往下插入圆柱形空腔内，所述采样套筒上对应于内径扩大段的位置设有环形凸台，所述环形凸台与内径扩大段的下端之间设于套装于采样套筒外侧的采样套筒驱动弹簧；

所述采样套筒内设有上、下端封闭的柱形空腔，所述采样套筒的下部设有与柱形空腔连通的采样进气口、上部设有与柱形空腔连通的采样出气口，所述采样出气口的外端依次通过耐热导气软管和导气硬管与采集袋相连；

所述驱动机构包括气门凸轮、采样凸轮和调整螺栓，所述气门凸轮和采样凸轮通过调整螺栓固定连接，所述采样凸轮的外缘与采样套筒的上端触接，所述采样套筒通过采样凸轮的驱动作用于圆柱形空腔内上下往复运动，所述采样套筒下行至下止点时，所述采样进气口暴露于柴油机气缸内氛围气内。

其中，所述气门凸轮包括前后两片结构相同的后气门凸轮和前气门凸轮，所述采样凸轮通过调整螺栓以任意旋转角度夹设于前气门凸轮和后气门凸轮之间并紧密连接。

其中，所述采样套筒和中空气门之间为间隙配合，所述采样套筒和圆柱形空腔之间设有润滑油。

优选的，所述采样套筒为中空的圆形金属管。

其中，所述耐热导气软管通过气封法兰与导气硬管固定连接。

本发明还提供一种采用上述的瞬时相位可调的柴油机缸内气体采样装置的采样方法，包括如下步骤：

(1)设置采样角度

在相位调整前，需要对采样装置的相关参数进行定义：

气门凸轮小头水平向右时，气门凸轮的转角α为0°，顺时针旋转为正方向；

采样凸轮小头水平向右时，采样凸轮的转角β为0°，顺时针旋转为正方向；

定义：期望的上止点气门凸轮角度为k，期望的下止点采样角度为δ，气门凸轮与采样凸轮的相对安装角度为Δ；

(2)采样相位设定

(a)在上止点气门凸轮角度k确定后，从α＝0°开始，顺时针旋转气门凸轮，旋转角度为k度；

(b)在确定期望的采样角度δ后，从β＝0°开始，顺时针旋转采样凸轮，旋转角度为δ度；

(c)气门凸轮与采样凸轮的相对安装角度Δ＝δ-k；

(d)在相位设定时，以气门凸轮和采样凸轮以各自的0°为基准，确保两者相对角度偏差为Δ＝δ-k后，旋转调整螺栓，即完成采样装置的相位设定；

(3)气体采集

采样角度设置完成后，将采样装置安装于柴油机气缸内，启动柴油机和气门凸轮，采样凸轮推动采样套筒下行，采样套筒下端的采样进气口暴露于柴油机气缸内氛围气内，缸内气体在缸压作用下进入采样进气口，缸内气体依次流经柱形空腔、耐热导气软管和导气硬管后进入采集袋，完成气体采集与收集工作。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：本发明的采样装置与收集装置安装完成后，起动柴油机，即可开展固定瞬时相位的缸内气体收集工作。在采样时间上，可以根据收集到的缸内气体体积自由决定，关停柴油机后，即可中断采样工作。由于采样套筒末端采样进气口的孔径较小，因此采样时不会造成缸压突降，影响柴油机的稳定运行。本发明结构简单、可靠性高、可以实现在不影响柴油机运行前提下，采集不同曲轴转角时缸内气体的装置。

附图说明

图1为本发明使用时的结构示意图；

图2为本发明的结构放大图；

图3为本发明中中空气门的结构放大图；

图4为本发明中采样套筒的结构放大图；

图5为本发明中驱动机构的主视放大图；

图6为本发明中驱动机构的侧视放大图。

附图标记说明：

1、柴油机气缸；2、中空气门；200、圆柱形空腔；3、采样套筒驱动弹簧；4、采样套筒；400、环形凸台；401、柱形空腔；402、采样进气口；403、采样出气口；5、气门凸轮；5a、后气门凸轮；5b、前气门凸轮；6、采样凸轮；7、调整螺栓；8、耐热导气软管；9、导气硬管；10、采集袋。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

如图1、图2所示，一种瞬时相位可调的柴油机缸内气体采样装置，外形与柴油机气门相似，代替柴油机气门插设于柴油机气缸1内，所述采样装置包括采样机构和驱动机构，所述采样机构包括中空气门2、采样套筒4、采样套筒驱动弹簧3、耐热导气软管8、导气硬管9和采集袋10，所述中空气门2的上端位于柴油机气缸1的上方、下端插入柴油机气缸1内，所述中空气门2的中心设置有圆柱形空腔200，所述圆柱形空腔200的中部一段为内径扩大段。优选的，在圆柱形空腔200自下而上、长度约20％至40％区段为内径扩大段，内径扩大段的直径相比圆柱形空腔200的直径增大约50％，如图3所示。

如图4所示，所述采样套筒4选用中空的圆形金属管，即：所述采样套筒4内设有上、下端封闭的柱形空腔401，所述采样套筒4的下部设有与柱形空腔401连通的采样进气口402、上部设有与柱形空腔401连通的采样出气口403，所述采样出气口403的外端依次通过耐热导气软管8和导气硬管9与采集袋10相连。其中，所述耐热导气软管8通过气封法兰与导气硬管9固定连接，采用软管结构可以减少采样套筒4高速往复运动对装置稳定性带来的影响。

所述采样套筒4的整体长度略大于中空气门2的圆柱形空腔200的长度。所述采样套筒4从上往下插入圆柱形空腔200内，所述采样套筒4和中空气门2之间为间隙配合，所述采样套筒4和圆柱形空腔200之间设有润滑油，所述采样套筒4和圆柱形空腔200之间可以进行相对滑动，滑动面通过润滑油润滑，两者间的配合间隙可以在缸内气压环境下，满足一定的气密性。

所述采样套筒4上对应于内径扩大段的位置(距采样套筒4下端约40％的位置)设有环形凸台400，所述环形凸台400与内径扩大段的下端之间设于套装于采样套筒4外侧的采样套筒驱动弹簧3。

如图5、图6所示，所述驱动机构包括气门凸轮5、采样凸轮6和调整螺栓7，所述气门凸轮5和采样凸轮6通过调整螺栓7固定连接，所述采样凸轮6的外缘与采样套筒4的上端触接，所述采样套筒4通过采样凸轮6的驱动作用于圆柱形空腔200内上下往复运动，所述采样套筒4下行至下止点时，所述采样进气口402暴露于柴油机气缸1内氛围气内。

本实施例中，所述气门凸轮5包括前后两片结构相同的后气门凸轮5a和前气门凸轮5b，所述采样凸轮6夹设于前气门凸轮5b和后气门凸轮5a之间，通过调整螺栓7提供的预紧力，增大后气门凸轮5a、采样凸轮6、前气门凸轮5b三者间的摩擦力，实现三者的紧密连接，采样凸轮6能够以任意旋转角度安装于前气门凸轮5b和后气门凸轮5a之间。

本发明实施例还提供一种采用瞬时相位可调的柴油机缸内气体采样装置的采样方法，包括如下步骤：

(1)设置采样角度

在相位调整前，需要对采样装置的相关参数进行定义：

气门凸轮5小头水平向右时，气门凸轮5的转角α为0°，顺时针旋转为正方向；

采样凸轮6小头水平向右时，采样凸轮6的转角β为0°，顺时针旋转为正方向；

定义：期望的上止点气门凸轮5角度为k，期望的下止点采样角度为δ，气门凸轮5与采样凸轮6的相对安装角度为Δ；

(2)采样相位设定

(a)在上止点气门凸轮角度k确定后，从α＝0°开始，顺时针旋转气门凸轮6，旋转角度为k度；

(b)在确定期望的采样角度δ后，从β＝0°开始，顺时针旋转采样凸轮6，旋转角度为δ度；

(c)气门凸轮5与采样凸轮6的相对安装角度Δ＝δ-k；

(d)在相位设定时，以气门凸轮5和采样凸轮6以各自的0°为基准，确保两者相对角度偏差为Δ＝δ-k后，旋转调整螺栓7，即完成采样装置的相位设定；

(3)气体采集

采样角度设置完成后，将采样装置安装于柴油机气缸1内，启动柴油机和气门凸轮5，采样凸轮6推动采样套筒4下行，采样套筒4下端的采样进气口402暴露于柴油机气缸1内氛围气内，缸内气体在缸压作用下进入采样进气口，缸内气体依次流经柱形空腔401、耐热导气软管8和导气硬管9后进入采集袋10，完成气体采集与收集工作。

本发明的采样装置与收集装置安装完成后，起动柴油机，即可开展固定瞬时相位的缸内气体收集工作。在采样时间上，可以根据收集到的缸内气体体积自由决定，关停柴油机后，即可中断采样工作。由于采样套筒末端采样进气口的孔径较小，因此采样时不会造成缸压突降，影响柴油机的稳定运行。本发明结构简单、可靠性高、可以实现在不影响柴油机运行前提下，采集不同曲轴转角时缸内气体的装置。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种瞬时相位可调的柴油机缸内气体采样装置，其特征在于，代替柴油机气门插设于柴油机气缸(1)内，所述采样装置包括采样机构和驱动机构，所述采样机构包括中空气门(2)、采样套筒(4)、采样套筒驱动弹簧(3)、耐热导气软管(8)、导气硬管(9)和采集袋(10)，所述中空气门(2)的上端位于柴油机气缸(1)的上方、下端插入柴油机气缸(1)内，所述中空气门(2)的中心设置有圆柱形空腔(200)，所述圆柱形空腔(200)的中部一段为内径扩大段；

所述采样套筒(4)从上往下插入圆柱形空腔(200)内，所述采样套筒(4)上对应于内径扩大段的位置设有环形凸台(400)，所述环形凸台(400)与内径扩大段的下端之间设于套装于采样套筒(4)外侧的采样套筒驱动弹簧(3)；

所述采样套筒(4)内设有上、下端封闭的柱形空腔(401)，所述采样套筒(4)的下部设有与柱形空腔(401)连通的采样进气口(402)、上部设有与柱形空腔(401)连通的采样出气口(403)，所述采样出气口(403)的外端依次通过耐热导气软管(8)和导气硬管(9)与采集袋(10)相连；

所述驱动机构包括气门凸轮(5)、采样凸轮(6)和调整螺栓(7)，所述气门凸轮(5)和采样凸轮(6)通过调整螺栓(7)固定连接，所述采样凸轮(6)的外缘与采样套筒(4)的上端触接，所述采样套筒(4)通过采样凸轮(6)的驱动作用于圆柱形空腔(200)内上下往复运动，所述采样套筒(4)下行至下止点时，所述采样进气口(402)暴露于柴油机气缸(1)内氛围气内。

2.根据权利要求1所述的瞬时相位可调的柴油机缸内气体采样装置，其特征在于，所述气门凸轮(5)包括前后两片结构相同的后气门凸轮(5a)和前气门凸轮(5b)，所述采样凸轮(6)通过调整螺栓(7)以任意旋转角度夹设于前气门凸轮(5b)和后气门凸轮(5a)之间并紧密连接。

3.根据权利要求1所述的瞬时相位可调的柴油机缸内气体采样装置，其特征在于，所述采样套筒(4)和中空气门(2)之间为间隙配合，所述采样套筒(4)和圆柱形空腔(200)之间设有润滑油。

4.根据权利要求1或3所述的瞬时相位可调的柴油机缸内气体采样装置，其特征在于，所述采样套筒(4)为中空的圆形金属管。

5.根据权利要求1所述的瞬时相位可调的柴油机缸内气体采样装置，其特征在于，所述耐热导气软管(8)通过气封法兰与导气硬管(9)固定连接。

6.一种采用权利要求1～5中任一项所述的瞬时相位可调的柴油机缸内气体采样装置的采样方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)设置采样角度

在相位调整前，需要对采样装置的相关参数进行定义：

气门凸轮(5)小头水平向右时，气门凸轮(5)的转角α为0°，顺时针旋转为正方向；

采样凸轮(6)小头水平向右时，采样凸轮(6)的转角β为0°，顺时针旋转为正方向；

定义：期望的上止点气门凸轮(5)角度为k，期望的下止点采样角度为δ，气门凸轮(5)与采样凸轮(6)的相对安装角度为Δ；

(2)采样相位设定

(a)在上止点气门凸轮角度k确定后，从α＝0°开始，顺时针旋转气门凸轮(5)，旋转角度为k度；

(b)在确定期望的采样角度δ后，从β＝0°开始，顺时针旋转采样凸轮(6)，旋转角度为δ度；

(c)气门凸轮(5)与采样凸轮(6)的相对安装角度Δ＝δ-k；

(d)在相位设定时，以气门凸轮(5)和采样凸轮(6)以各自的0°为基准，确保两者相对角度偏差为Δ＝δ-k后，旋转调整螺栓(7)，即完成采样装置的相位设定；

(3)气体采集

采样角度设置完成后，将采样装置安装于柴油机气缸(1)内，启动柴油机和气门凸轮(5)，采样凸轮(6)推动采样套筒(4)下行，采样套筒(4)下端的采样进气口(402)暴露于柴油机气缸(1)内氛围气内，缸内气体在缸压作用下进入采样进气口，缸内气体依次流经柱形空腔(401)、耐热导气软管(8)和导气硬管(9)后进入采集袋(10)，完成气体采集与收集工作。

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