CN109539993A - 一种自由活塞压缩燃烧装置的活塞运动位移测量系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自由活塞压缩燃烧装置的活塞运动位移测量系统，涉及发动机领域，包括光学装置、光电传感器装置、气缸、重物等；重物滑动设置在支撑架的导轨上，并通过绳索与驱动装置相连，气缸安装在支撑架下部，气缸的活塞杆上端固定一横向金属短杆，通过安全绳与光学装置相连接，光学装置的主体为一根轴，轴的左端固定连接一个转轮，安全绳的一端固定在转轮的外圈上，轴的右端固定一面光学反射镜，轴的中间为扭矩驱动机构；所述光电传感器装置给光学反射镜发射信号光，再接收光学反射镜的反射信号。通过机械结构设计和光电测试技术的应用大大降低了传统发动机测试装置中传感器的成本，且通过光学放大作用使测量精度得到提高。
Description
技术领域
本发明属于内燃机技术领域，尤其涉及一种自由活塞压缩燃烧装置的活塞运动位移测量系统。
背景技术
为了提高可燃混合气的燃烧效率，燃料的燃烧方式更倾向于均质充量压燃(HCCI)方式，这种新型的发动机燃烧方式要是利用活塞压缩作用使混合气体达到自燃温度并燃烧，研究发现这种燃烧方式不仅能降低污染物的排放，还有多点同时着火，燃烧迅速等优良的燃烧特性。但是现今均质压燃的实现方式不足，对于压燃所能达到的最大爆发压力等数据的研究不足，而目前适用于发动机压燃过程的实验装置的设计也缺乏突破性的创新，尤其存在压燃过程位移数据采集装置中数据采集不精确、传感器设计复杂、活塞运动传感器十分昂贵等问题。
发明内容
针对上述不足，本发明提出了一种自由活塞压缩燃烧装置的活塞运动位移测量系统，解决了自由活塞压燃过程中位移、速度、加速度数据采集精度问题，同时大大降低了传感器的成本。
为实现上述目的，本发明所述采用的技术方案如下：一种自由活塞压缩燃烧装置的活塞运动位移测量系统，包括光学装置、光电传感器装置、气缸、支撑架、重物、驱动装置；所述重物滑动设置在支撑架的导轨上，并通过绳索与驱动装置相连，所述气缸安装在支撑架下部，气缸的活塞杆上端焊接一横向金属短杆，通过安全绳与光学装置相连接，所述光学装置的主体为一根轴，轴的左端固定连接一个转轮，安全绳的一端固定在转轮的外圈上，并缠绕在转轮的外圈上，轴的右端固定一面光学反射镜，轴中间为扭矩驱动机构，可使安全绳持续拉紧；所述光电传感器装置给光学反射镜发射信号光，再接收光学反射镜的反射信号。
进一步的，所述光电传感器装置包括光源发生器、圆弧状光电传感器阵列、信号放大器、数据采集卡和计算机。光源发生器与光学反光镜的转动轴在同一个水平线上且光源发生器发出水平方向的光。圆弧状光电传感器阵列的圆心与光学反光镜的转动轴心为同一个点，光电传感器阵列接信号放大器，信号放大器接数据采集卡，数据采集卡与计算机相连。
进一步的，所述圆弧状光电传感器阵列主体为圆弧状支架，固定于支撑架上方。圆弧状支架下侧等间距的布满光电池，每个光电池与一个信号放大器相连。
进一步的，所述扭矩驱动机构为一橡皮筋，橡皮筋一端固定在转动轴上，另一端固定在支撑架底端，通过旋转转动轴提供扭矩。
进一步的，所述安全绳的内芯由钢丝加多股尼龙绳合成，外皮采用涤纶加强丝。
进一步的，所述转轮外圈为粗糙面，转轮的转动中心与光学反射镜的转动中心在同一根转动轴心上，扭矩驱动机构在转动轴中间。
本发明适用于发动机过程燃烧的实验分析，尤其用于发动机压燃的过程。重物通过自由落体的惯性和质量来使活塞压燃混合气，压缩过程迅速，压力升高速度快，传统压燃发动机测试装置存在运动状态测量不准确问题。本发明突破性的运动状态测试装置可以经济、精确地实现燃烧过程各项数值的采集；重物质量和拉升高度可调，可以实现不同工作环境下的模拟研究，寻找最优工况点；燃料种类不限，可以研究不同燃料的燃烧过程特性；缸体改进空间很大，发明的应用领域广泛。
附图说明
图1是本发明实施例的整体结构示意图；
图2是本发明实施例的光电传感器装置结构示意图；
图3是本发明实施例的圆弧状光电传感器阵列结构示意图；
图4是本发明实施例的光电池、信号放大器、以及数据采集卡连接示意图；
图中：支撑架1、重物2、驱动装置3、气缸4、光学装置5、绳索6、金属短杆7、安全绳8、光电传感器阵列9、光源发生器10、信号放大器11、数据采集卡12、计算机13、活塞杆401、转轮501、扭转驱动机构502、光学反射镜503、圆弧状支架901、光电池902。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的说明。
如图1-4所示，一种自由活塞压缩燃烧装置的活塞运动位移测量系统，主要包括光学装置5、光电传感器阵列9、光源发生器10、信号放大器11、数据采集卡12、计算机13、气缸4、支撑架1、重物2、驱动装置3；所述重物2滑动设置在支撑架1导轨上，通过绳索6与驱动装置3相连，所述气缸4安装在支撑架1下部。所述气缸的活塞杆402上端焊接一横向金属短杆11，通过安全绳12与光学装置5相连接，所述光学装置5主体为一根轴，轴左端焊接一个转轮501，转轮501外圈可固定安全绳12的一端并缠绕安全绳，轴右端固定一面光学射光镜503，与水平线呈合适的角度，轴中间为扭矩驱动机构502，可使安全绳持续拉紧。所述光电传感器装置包括光源发生器10、圆弧状光电传感器阵列9、信号放大器11、数据采集卡12和计算机13。所述光电传感器装置给光学反射镜503发射信号光，再接收光学反射镜503的反射信号。
进一步的，活塞杆401位于气缸内，用以承受重物平台的冲击，冲击力由活塞杆401传递到其上的上活塞上。随着活塞杆的运动，其上端焊接的金属短杆11也一并运动，安全绳12放松使转轮501转动同时带动光学装置5工作。气缸底部设有螺纹孔，用于安装液压式压力传感器、温度传感器、火花塞等装置测量燃烧数据。
进一步的，安全绳8内芯由钢丝加多股尼龙绳合成，拉力较强符合实验安全要求，外皮采用涤纶加强丝，耐磨性好可与转轮良好接触。转轮501外圈粗糙可固定安全绳8的一端并缠绕安全绳。
进一步的，所述扭矩驱动机构502为一橡皮筋，通过弹性拉力提供扭矩，橡皮筋一端固定在转动轴上，另一端固定在支撑架1底端上，通过旋转转动轴提供扭矩。
进一步的，所述光电传感器装置包括光源发生器10、圆弧状光电传感器阵列9、信号放大器11、数据采集卡12和计算机13。光源发生器10与光学反射镜503的转动轴在同一个水平线上且光源发生器发出水平方向的光。圆弧状光电传感器阵列9的圆心与光学反射镜503的转动轴心为同一个点，
进一步的，所述圆弧状光电传感器阵列9主体为圆弧状支架901，固定于支撑架1上方。圆弧状支架901下侧等间距的布满光电池902，间距为2厘米，共100个光电池902。所述光电池902是一种在光的照射下产生电动势的半导体元件，每个光电池902与一个信号放大器11相连，信号放大器11均接数据采集卡12，数据采集卡12与计算机13相连，通过计算机数据处理可得自由活塞运动特性。
光电传感器阵列9采集的角速度信号可通过计算得到活塞杆401下落时的速度信号。在重物触及活塞杆之前，角速度信号的一阶微分为常数，将此时记为信号段1；重物砸向活塞杆后，光电传感器信号的一阶微分会有一个突增，然后经过减小、小于零、直至光电传感器信号为零的变化状态，此时转速信号为信号段2；通过积分可以求得重物拉升高度、活塞行程等数据。结合气缸底部安装的(温度或压力)传感器的数据，便可以对发动机压燃工况进行研究。
本发明的工作过程包括如下步骤：
1、重物2被驱动装置3拉升至固定位置，同时扭矩驱动机构502工作，使安全绳8处于紧绷状态，调节光学反射镜503使其与光源发生器10入射光呈合适角度；
2、将可燃气通过进气孔的阀门注入气缸燃烧室内；
3、驱动装置3断电，重物2自由落体，砸向活塞杆401；
4、活塞杆401承受冲击通过活塞杆传递给上活塞，燃烧室减小，上活塞向下运动扫过进气孔，形成可燃气的密闭燃烧室。随着活塞杆401的向下运动，其上端焊接的金属短杆7也一并运动，然后在安全绳8放松使转轮501转动同时带动光学装置5工作。自由活塞的下降速度与安全绳上的速度相同，安全绳的速度即为转轮外圈的线速度，由于转轮半径较大，自由活塞短时间内较大的速度变化转化为转轮的角速度变化，转轮的角速度变化再通过光学作用放大，使光电传感器阵列9记录运动信号，再经过信号放大器11、数据采集卡12最后在计算机13上计算处理后得到自由活塞的运动特性；
5、活塞杆401向下运动，燃烧室压力温度迅速增加至可燃区域，燃烧室内可燃混合气在下止点附近被压燃，压力传感器与温度传感器记录实时数据，在重物2向上推起至最高点时可燃气体燃烧膨胀做功结束，完成整个工作过程；
6、此过程的重物2拉升高度可调，可以模拟不同冲击力下的可燃气体燃烧情况，燃烧的最大爆发压力或温度等数据通过气缸底部安装的(温度或压力)传感器来测出，实时数据可以检测出整个工作过程的压力变化，实现压力采集。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所做的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (6)
1.一种自由活塞压缩燃烧装置的活塞运动位移测量系统，其特征在于，包括光学装置、光电传感器装置、气缸、支撑架、重物、驱动装置；所述重物滑动设置在支撑架的导轨上，并通过绳索与驱动装置相连，所述气缸安装在支撑架下部，气缸的活塞杆上端焊接一横向金属短杆，通过安全绳与光学装置相连接；所述光学装置的主体为一根轴，轴的左端固定连接一个转轮，安全绳的一端固定在转轮的外圈上，并缠绕在转轮的外圈上，轴的右端固定一面光学反射镜，轴中间为扭矩驱动机构，可使安全绳持续拉紧；所述光电传感器装置给光学反射镜发射信号光，再接收光学反射镜的反射信号。
2.根据权利要求1所述的一种自由活塞压缩燃烧装置的活塞运动位移测量系统，其特征在于，所述光电传感器装置包括光源发生器、圆弧状光电传感器阵列、信号放大器、数据采集卡和计算机；光源发生器与光学反射镜的转动轴在同一个水平线上且光源发生器发出水平方向的光；圆弧状光电传感器阵列的圆心与光学反射镜的转动轴心为同一个点，光电传感器阵列接信号放大器，信号放大器接数据采集卡，数据采集卡与计算机相连。
3.根据权利要求2所述的一种自由活塞压缩燃烧装置的活塞运动位移测量系统，其特征在于，所述圆弧状光电传感器阵列主体为圆弧状支架，固定于支撑架上方；圆弧状支架下侧等间距的布满光电池，每个光电池与一个信号放大器相连。
4.根据权利要求1所述的一种自由活塞压缩燃烧装置的活塞运动位移测量系统，其特征在于，所述扭矩驱动机构为一橡皮筋，橡皮筋一端固定在转动轴上，另一端固定在支撑架底端，通过旋转转动轴提供扭矩。
5.根据权利要求1所述的一种自由活塞压缩燃烧装置的活塞运动位移测量系统，其特征在于，所述安全绳的内芯由钢丝加多股尼龙绳合成，外皮采用涤纶加强丝。
6.根据权利要求1所述的一种自由活塞压缩燃烧装置的活塞运动位移测量系统，其特征在于，所述转轮外圈为粗糙面，转轮的转动中心与光学反射镜的转动中心在同一根转动轴心上，扭矩驱动机构在转动轴中间。
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