CN110726559A - 基于快速压缩/压缩膨胀机的内燃机燃烧性能测试台架 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于快速压缩/压缩膨胀机的内燃机燃烧性能测试台架，属于内燃机测试领域。本发明包括快压机和供气系统。本发明以直线电机为动力源，推动活塞运动，大大简化了快压机结构；通过改变直线电机控制策略，快压机可工作于快速压缩机(定容燃烧)和快速压缩膨胀机(自由膨胀)两种模式下，装置适应性强；其具有可调压缩比特性，多燃料适应性及速度可变性。本发明的基于快速压缩/压缩膨胀机的内燃机燃烧性能测试台架，简化了台架结构，减小了整体体积，减小了控制系统的复杂程度，提高了内燃机测试台架的适应性和可靠性。

Description

基于快速压缩/压缩膨胀机的内燃机燃烧性能测试台架

技术领域

本发明涉及一种内燃机燃烧性能测试台架，具体涉及一种基于快速压缩/压缩膨胀机的内燃机燃烧性能测试台架，属于内燃机测试领域。

背景技术

内燃机作为一种动力机械，极大程度地推动了当今社会发展的发展，但能耗大、污染严重等特点制约着其发展。为响应国家节能政策，提高内燃机效率、减小内燃机能耗与排放成为节能内燃动力的发展趋势。内燃机效率、能耗及排放受到燃烧过程中燃料种类、当量空燃比、喷油时刻、点火时刻和燃烧温度等多种因素的影响。因此，对内燃机燃烧性能的研究成为提高内燃机综合性能的一大研究方向。

由于实际发动机结构复杂，燃烧时温度、压力等条件难以控制，又加之有循环、变动等影响，故而在实际发动机中难以单一改变其燃烧条件，难以观测和获取清晰准确的燃烧实况照片，实验意义不大。因此，内燃机燃烧性能研究一般通过燃烧模拟装置完成。常用的内燃机燃烧模拟装置有定容燃烧弹、激波管、流动反应器、单缸实验机和快压机等。其中快压机由于实验条件与内燃机实际工况较为接近，且其边界条件易于控制，是目前研究内燃机燃烧过程中宏观现象与微观实质较理想的工具。

现有的快压机多采用气压驱动、液压缓冲制动的形式，实验台架整体结构复杂、占地面积大，同时采用液压、气压的方式带来了泄露与维修难度大等问题。如何设计一种用于内燃机燃烧性能测试的结构简单、适应性强、可靠性高的新型快压机是本发明所要解决的技术问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是简化快压机结构，提高快压机适应性、可靠性，以便搭建高效内燃机燃烧性能测试台架，实现对内燃机燃烧性能的深入研究，本发明公开了一种基于快速压缩/压缩膨胀机的内燃机燃烧性能测试台架。

本发明的基于快速压缩/压缩膨胀机的内燃机燃烧性能测试台架可工作于两种模式下，分别为快速压缩机(定容燃烧)模式和快速压缩膨胀机(自由膨胀)模式。可根据试验实际需求设置模式，以模拟内燃机的压缩、燃烧及膨胀过程，并通过实验台架观测燃烧现象、采集实验数据。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

本发明的基于新型快速压缩(膨胀)机的内燃机燃烧性能测试台架，主要由快压机和供气系统组成。该台架提出了使用直线电机进行驱动和制动的新型快压机。快压机包括高速摄像机、燃烧缸和直线电机。燃烧缸包括：前缸盖、石英玻璃、点火针、压力传感器、温度传感器、进排气口、活塞、连杆、缸体、后缸盖、位移传感器、限位块和加热保温套；直线电机主要包括电机动子和电机定子。供气系统包括：阀门、真空泵、燃料预混室、燃料瓶和清洗瓶。

连接关系为：电机动子与连杆一端固连，连杆的另一端与活塞连接，形成活塞组件；电机动子从电机定子中穿过，通过电机动子驱动或制动活塞；通过控制电机力的大小、方向及作用时间等实现快速压缩机工作模式可变、活塞运行行程可调和压缩比可变；所述活塞套于燃烧缸的缸体中，缸体前端与前缸盖连接，石英玻璃嵌于前缸盖中，在测试中，可通过石英玻璃窗口观察缸内燃烧情况；高速摄像机置于石英玻璃窗口前方，用于记录缸内燃烧情况；缸体外部包裹着加热保温套，用于给燃烧缸内气体加热；缸体后端与后缸盖连接，后缸盖中间设有通孔，连杆从中穿过，保证活塞位于燃烧缸内，以形成燃烧腔。进排气口、点火针、压力传感器和温度传感器周向安装于缸体前端，分别用于燃烧缸的进排气、点火、缸内压力检测和温度检测；限位块安装于连杆上，用于活塞部件限位；位移传感器安装于连杆上，用于间接检测活塞位置。

所述进排气口与供气系统连接；供气系统分为两大支路，其中一支路为进气支路，另一支路为排气支路；进气支路末端为清洗瓶和多个燃料瓶，清洗瓶和多个燃料瓶通过并联方式接入燃料预混室，燃料预混室用于实验中多种燃料预混、加热及实验后燃烧缸内气体清洗；排气支路主要部件为真空泵，用于将实验后期燃烧废气排出燃烧缸；所述供气系统各部件间设有阀门，用于控制管路通断。

本发明的基于快速压缩/压缩膨胀机的内燃机燃烧性能测试台架，工作过程如下：通过控制供气系统中各阀门的开闭，将燃料瓶内定量的燃料通入燃料预混室，进行均匀混合和加热；随后充分预混后的燃料通过燃烧缸上的进排气口进入到燃烧缸内，缸外加热保温套对混合气体进行保温和加热；活塞部件在电机力的驱动下将混合气体压缩，一次压缩达到预设缸内压力，点火针点燃混合气体，高速摄像机、压力传感器、温度传感器持续记录燃烧缸内变化。完成实验后，打开进排气口处和真空泵处阀门，将废气抽离实验装置；打开清洗瓶处阀门，将惰性气体充入燃烧缸，对燃烧缸进行清洗，最后，运用真空泵将惰性气体及残余气体抽离。

本发明的基于快速压缩/压缩膨胀机的内燃机燃烧性能测试台架，所述新型压机是通过对直线电机的控制实现其工作于快速压缩机和快速压缩膨胀机两种模式下的。其工作过程如下：在电机力的作用下，活塞组件向前运动；活塞达到预定行程中段时，电机力减小，在缸内气体压力和电机力的共同作用下，活塞部件加速度得以减小；到达行程尽头时，在限位块和电机力的共同作用下活塞止于上止点。当新型快压机工作在快速压缩机模式下，电机力在燃料被点燃后，依旧保持足够大以保证活塞位置不变，进而形成定容腔，燃料定容燃烧；当新型快压机工作在快速压缩膨胀机模式下，在燃料被点燃后，撤去电机力，活塞在气体压力作用下以一定速度退回，实现自由膨胀。

本发明的基于快速压缩/压缩膨胀机的内燃机燃烧性能测试台架，其适应性不仅体现在新型快压机可工作于快速压缩机、快速压缩膨胀机模式下，还体现在活塞行程可调，即燃烧缸压缩比可调。通过改变电机力的大小、方向和作用时间以改变活塞运动行程，同时匹配相应厚度的限位块实现上述功能。

有益效果：

1、本发明的基于快速压缩/压缩膨胀机的内燃机燃烧性能测试台架，采用直线电机作为快压机动力源，大大简化了快压机的结构，极大程度上降低了台架的复杂程度，减小了台架整体体积，便于更换连杆、活塞等主要部件，适应更多应用场合；

2、本发明的基于快速压缩/压缩膨胀机的内燃机燃烧性能测试台架，采用直线电机作为快压机动力源，省去了驱动杠、缓冲缸、气压/液压储存罐、气压/液压泵、阀体单元等，使得系统所需控制的单体数量锐减，控制逻辑得以简化，控制系统更加简单可靠。

3、本发明中的新型快压机，通过对直线电机的控制可实现快速压缩机(定容燃烧)、快速压缩膨胀机(自由膨胀)模式，可依据实验需求更改模式，台架适应性强；

4、本发明的基于快速压缩/压缩膨胀机的内燃机燃烧性能测试台架，活塞行程和运行速度可控、可变，可实现压缩机可调、速度可变。

5、本发明的基于快速压缩/压缩膨胀机的内燃机燃烧性能测试台架，由于其压缩比、温度、速度可调，可满足多种燃料的燃烧条件，具有较高的多燃料适应性。

附图说明

图1是本发明基于快速压缩/压缩膨胀机的内燃机燃烧性能测试台架的整体结构示意图；

其中：1-阀门、2-燃料预混室、3-真空泵、4-燃料瓶、5-清洗瓶、6-限位块、7-连杆、8-位移传感器、9-电机定子、10-电机动子、11-高速摄像机、12-点火针、13-压力传感器、14-温度传感器、15-石英玻璃、16-前缸盖、17-进排气口、18-活塞、19-缸体、20-加热保温套、21-后缸盖。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方案来进一步说明本发明的技术方案。所描述的实施例是本发明的一种实施例，而非全部实施例，不应以此限制本发明的保护范围。

本发明的基于快速压缩/压缩膨胀机的内燃机燃烧性能测试台架，主要包括供气系统和快压机。供气系统包括阀门1、燃料预混室2、真空泵3、燃料瓶4、清洗瓶5；快速压缩/压缩膨胀机包括限位块6、连杆7、位移传感器8、电机定子9、电机动子10、高速摄像机11、点火针12、压力传感器13、温度传感器14、石英玻璃15、前缸盖16、进排气口17、活塞18、缸体19、加热保温套20、后缸盖21。

本发明的基于快速压缩/压缩膨胀机的内燃机燃烧性能测试台架，电机动子10与连杆7一端固连，连杆7另一端与活塞18连接，在连杆7上安装有限位块6和位移传感器8，用于活塞18限位和活塞18位置间接检测；以上构件共同构成了台架的主要运动部件。点火针12、压力传感器13、温度传感器14和进排气口17周向布于缸体19前端，用于点火、压力检测、温度检测和进排气；缸体19的前端和后端分别安装有前缸盖16和后缸盖21；石英玻璃15嵌入前缸盖16中，构成观察视窗；高速摄像机11位于石英玻璃15外，用于记录燃烧过程。加热保温套20包裹着缸体19，为缸内气体保温和加热，后缸盖21中间设有通孔，以便连杆7从中穿过，确保活塞18位于燃烧缸内。

所述供气系统与现有供气系统类似，供气系统与快压机通过进排气口17实现连通。供气系统主路上设有一阀门1，用于控制供气系统与快压机间气路的通断。供气系统主路分成进气支路和排气支路。各支路前端分别设有一阀门1，用于控制支路与主路间的通断。进气支路上设有燃料预混室2，末端为多条燃料支路和一条清洗支路，各燃料支路上设有阀门1，末端为燃料瓶4，可为系统提供燃料。清洗支路上设有阀门1，末端为清洗瓶5，用于实验结束的燃烧缸及管路清洗。

本发明的基于快速压缩/压缩膨胀机的内燃机燃烧性能测试台架，工作时，通过控制供气系统中各个阀门1的开闭，将燃料瓶4内一定量的燃料通入燃料预混室2，加热燃料并使其均匀混合，随后，将充分混合并加热的燃料通过进排气口17送入燃烧缸内，缸体19外侧包裹的加热保温套20对燃料进行保温加热。

本发明的基于快速压缩/压缩膨胀机的内燃机燃烧性能测试台架，通过改变对电机力的控制策略，使快压机工作于快速压缩机(定容燃烧)模式和快速压缩膨胀机(自由膨胀)模式。

快速压缩机(定容燃烧)模式：

当供气系统内的混合气体进入燃烧缸内后，活塞18在电机动子10的推动下向前运动，压缩混合气体；在活塞18预设行程中段，减小电机力，使活塞18加速度降低，当限位块6接触后缸盖21时，即活塞18达到上止点位置处，电机力增至能够承受混合气体燃烧带来的压力，使活塞18止于上止点，形成定容燃烧腔；随后混合气体被点火针12点燃，高速摄像机11、压力传感器13、温度传感器14共同记录燃烧过程现象及各项参数。该模式下，测试台架可模拟内燃烧的压缩、燃烧过程。

快速压缩膨胀机(自由膨胀)模式：

当供气系统内的混合气体进入燃烧缸内后，活塞18在电机动子10的推动下向前运动，压缩混合气体；活塞18至预设行程中段，减小电机力，使活塞18加速度降低，进行缓冲，当活塞18止于上止点后，混合气体被点火针12点燃，电机力迅速撤去，使活塞18自然回退，高速摄像机11、压力传感器13、温度传感器14共同记录燃烧过程现象及各项参数。该模式下，测试台架可模拟内燃机的压缩、燃烧、膨胀过程。

完成试验后，打开进排气口17处和真空泵3处的阀门1，将废气抽离燃烧缸，关闭以上两处的阀门1，打开清洗瓶5处阀门1，将惰性气体充入燃烧缸，对燃烧缸进行清洗，关闭清洗瓶5处阀门1，打开真空泵3处阀门，通过真空泵3将惰性气体及参与气体抽离实验装置。

本发明的基于快速压缩/压缩膨胀机的内燃机燃烧性能测试台架，所述新型快压机的活塞18在电机力的作用下，实现直线运动。通过对电机力大小、方向、作用时间的调整，同时更换与之配套的限位块6，实现活塞18行程的改变，即实现燃烧缸压缩比可调。

所述快压机，较传统气压/液压驱动的快压机，省去了驱动缸、缓冲缸、气压/液压储存罐、气压/液压泵、阀体控制站等模块，其轴向长度得以大大缩短，理论上至少可缩减为原有长度的二分之一。

所述的快压机，较传统气压/液压驱动的快压机，省去了主体驱动机构中的20余个阀门，包括球阀、蝶阀、减压阀等，使快压机所需控制单体数量锐减，整体控制得以简化，控制程序变得更加简单可靠。

所述的快压机，较传统气压/液压驱动的快速压缩/压缩膨胀机，它由直线电机驱动连杆7和活塞18，省去了气压/液压储存罐、缓冲缸的增压及释压时间，实验准备时间得以大大缩短。

所述的快压机，其压缩比、温度、速度可调。活塞运行速度(气体压缩速度)可依据实际需求及电机峰值推力进行选取，一般可实现1m/s～35m/s，甚至更高；活塞行程可依据实际需求及快压机基本结构尺寸进行调节和选取。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.基于快速压缩/压缩膨胀机的内燃机燃烧性能测试台架，其特征在于：主要由快压机和供气系统组成；该台架提出了使用直线电机进行驱动和制动的快压机；快压机包括高速摄像机(11)、燃烧缸和直线电机；燃烧缸包括：前缸盖(16)、石英玻璃(15)、点火针(12)、压力传感器(13)、温度传感器(14)、进排气口(17)、活塞(18)、连杆(7)、缸体(19)、后缸盖(21)、位移传感器(8)、限位块(6)和加热保温套(20)；直线电机主要包括电机动子(10)和电机定子(9)；所述进排气口(17)与供气系统连接；所述供气系统用于给燃烧缸提供气体燃料，以及将实验后期燃烧废气排出燃烧缸；

电机动子(10)与连杆(7)一端固连，连杆(7)的另一端与活塞(18)连接，形成活塞(18)组件；电机动子(10)从电机定子(9)中穿过，通过电机动子(10)驱动或制动活塞(18)；通过控制电机力的大小、方向及作用时间等实现快速压缩机工作模式可变、活塞(18)运行行程可调和压缩比可变；所述活塞(18)套于燃烧缸的缸体(19)中，缸体(19)前端与前缸盖(16)连接，石英玻璃(15)嵌于前缸盖(16)中，在测试中，可通过石英玻璃(15)窗口观察缸内燃烧情况；高速摄像机(11)置于石英玻璃(15)窗口前方，用于记录缸内燃烧情况；缸体(19)外部包裹着加热保温套(20)，用于给燃烧缸内气体加热；缸体(19)后端与后缸盖(21)连接，后缸盖(21)中间设有通孔，连杆(7)从中穿过，保证活塞(18)位于燃烧缸内，以形成燃烧腔；进排气口(17)、点火针(12)、压力传感器(13)和温度传感器(14)周向安装于缸体(19)前端，分别用于燃烧缸的进排气、点火、缸内压力检测和温度检测；限位块(6)安装于连杆(7)上，用于活塞(18)部件限位；位移传感器(8)安装于连杆(7)上，用于间接检测活塞(18)位置。

2.如权利要求1所述的基于快速压缩/压缩膨胀机的内燃机燃烧性能测试台架，其特征在于：所述供气系统包括：阀门(1)、真空泵(3)、燃料预混室(2)、燃料瓶(4)和清洗瓶(5)；

所述进排气口(17)与供气系统连接；供气系统分为两大支路，其中一支路为进气支路，另一支路为排气支路；进气支路末端为清洗瓶(5)和多个燃料瓶(4)，清洗瓶(5)和多个燃料瓶(4)通过并联方式接入燃料预混室(2)，燃料预混室(2)用于实验中多种燃料预混、加热及实验后燃烧缸内气体清洗；排气支路主要部件为真空泵(3)，用于将实验后期燃烧废气排出燃烧缸；所述供气系统各部件间设有阀门(1)，用于控制管路通断。

3.如权利要求1或2所述的基于快速压缩/压缩膨胀机的内燃机燃烧性能测试台架，其特征在于：所述测试台架工作于两种模式下，分别为快速压缩机模式和快速压缩膨胀机模式；根据试验实际需求设置模式，以模拟内燃机的压缩、燃烧及膨胀过程，并通过实验台架观测燃烧现象、采集实验数据。

4.采用如权利要求1或2所述的测试台架进行测试的方法，其特征在于：通过控制供气系统中各阀门(1)的开闭，将燃料瓶(4)内定量的燃料通入燃料预混室(2)，进行均匀混合和加热；随后充分预混后的燃料通过燃烧缸上的进排气口(17)进入到燃烧缸内，缸外加热保温套(20)对混合气体进行保温和加热；活塞(18)部件在电机力的驱动下将混合气体压缩，一次压缩达到预设缸内压力，点火针(12)点燃混合气体，高速摄像机(11)、压力传感器(13)、温度传感器(14)持续记录燃烧缸内变化；完成实验后，打开进排气口(17)处和真空泵(3)处阀门(1)，将废气抽离实验装置；打开清洗瓶(5)处阀门(1)，将惰性气体充入燃烧缸，对燃烧缸进行清洗，最后，运用真空泵(3)将惰性气体及残余气体抽离。

5.采用如权利要求3所述的测试台架进行测试的方法，其特征在于：在电机力的作用下，活塞(18)组件向前运动；活塞(18)达到预定行程中段时，电机力减小，在缸内气体压力和电机力的共同作用下，活塞(18)部件加速度得以减小；到达行程尽头时，在限位块(6)和电机力的共同作用下活塞(18)止于上止点；当快压机工作在快速压缩机模式下，电机力在燃料被点燃后，依旧保持足够大以保证活塞(18)位置不变，进而形成定容腔，燃料定容燃烧；当快压机工作在快速压缩膨胀机模式下，在燃料被点燃后，撤去电机力，活塞(18)在气体压力作用下以一定速度退回，实现自由膨胀。

6.如权利要求1或2或3所述的基于快速压缩/压缩膨胀机的内燃机燃烧性能测试台架，其特征在于：通过改变电机力的大小、方向和作用时间以改变活塞(18)运动行程，同时匹配相应厚度的限位块(6)实现所述活塞(18)行程可调，即燃烧缸压缩比可调。

Images