CN110905764A - 一种基于电磁控制的小型快速压缩机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电磁控制的小型快速压缩机，主要由主燃烧室系统、动力系统和电磁控制电路组成。主燃烧室系统由压盖和两层套筒组成，导热油流经两套筒间隙，从而将燃烧室加热。动力系统包括缸体、动力缸压盖、制动圆环、动力活塞、驱动圆环和激光测距传感器。激光测距传感器通过动力缸压盖的中心孔测距，并以此实现对压缩过程的控制。电磁控制电路包括一个直流电源、一个滑动变阻器和五个开关，直流电源提供电流；滑动变阻器用来调节电路电流，从而改变线圈间电磁力的大小；三个开关作为电路的通断开关，另外两个共同作为转换开关，负责改变线圈内的电流流向，从而改变电磁力方向。本发明的快速压缩机结构更加简单紧凑，工作过程更加高效。

Description

一种基于电磁控制的小型快速压缩机

技术领域

本发明为一种基于电磁控制的小型快速压缩机，其涉及热能与动力工程测试技术领域，具体涉及用于汽油、柴油、航空煤油等碳氢燃料的自燃特性和内燃机燃烧过程研究的快速压缩实验装置。

背景技术

快速压缩机是一种用来模拟内燃机工作过程和汽油、柴油、航空煤油等碳氢燃料自燃特性的基础实验平台。快速压缩机借助外力推动压缩活塞，将燃烧室内的预混合气瞬间压缩到高温高压的热力学状态，然后运用制动系统将压缩活塞制止，使缸内预混合气维持高温高压的热力学平衡状态。一方面，可以基于此高温高压热力环境测试不同碳氢燃料的自燃滞燃期，用于模型燃料的化学动力学机理开发；另一方面，可以模拟内燃机单次压缩行程，即通过研究快速压缩机活塞上止点处缸内混合气燃烧状态，间接获得内燃机不同热力学状态下缸内的燃烧过程。与实际内燃机相比，快速压缩机结构简单，可以暂时抛弃复杂影响因素，只研究内燃机的单次压缩和燃烧过程。另外，快速压缩机还可以更加方便地改变燃烧室结构，从而模拟内燃机新型燃烧和非正常燃烧现象，大大减少了内燃机的研发成本。

传统快速压缩机要依靠气压驱动，利用液压制动或者机械制动的方式。但是这两种方式均使得快速压缩机结构复杂，体积庞大；较大燃烧室空间还导致燃烧室温度梯度较大，温度的均匀性较差，影响碳氢燃料的自燃滞燃期测试结果一致性；同时，采用液压制动时，润滑油还可能窜入燃烧室，影响测试结果精度。随着发动机小型化，传统快速压缩机构型的适应性变差。特别地，液压制动方式对工况依赖性较强，往往会引起活塞回弹现象，致使缸内热力学状态发生改变，影响着火滞燃期和燃烧相位，对实验结果会产生一定的影响。

发明内容

针对上述现有技术，本发明提出了一种基于电磁控制的小型快速压缩机，其结构更加简单紧凑，工作过程更加高效。本发明利用电磁增强原理和磁铁“同性相斥、异性相吸”特点来设计工作过程，从而将快速压缩机小型化。本发明的另一目的是用导热油进行预热，用以改善传统快速压缩机预热慢、加热不均匀的问题。

为了解决上述技术问题，本发明提出的一种基于电磁控制的小型快速压缩机，包括主燃烧室系统、动力系统和电磁控制电路；所述主燃烧室系统包括燃烧室压盖、气缸和压缩活塞，所述气缸的缸体由相互嵌套的外套筒和内套筒组成，所述外套筒与所述内套筒之间、在径向上存在有间隙，从而形成了一环形空间；所述外套筒的一端设有进油孔，所述外套筒的另一端设有出油孔，通过油泵将导热油自所述进油孔进入环形空间，流经环形空间过程中向燃烧室内部传热，然后从出油孔流出；所述动力系统包括由缸体、动力缸压盖、制动圆环、动力活塞、驱动圆环和固定在所述动力缸压盖出口处的激光测距传感器及其与所述激光测距传感器相连的ECU电子控制单元；所述缸体和所述动力缸压盖由隔磁材料制成，防止内部强力磁场对外界电力系统干扰；所述动力缸压盖设有中心孔，所述激光测距传感器与所述动力活塞距离固定，并通过该中心孔测量所述激光测距传感器到所述动力活塞的距离，所述ECU电子控制单元接收所述激光测距传感器的信号并处理，然后传送到电磁控制电路，通过所述激光测距传感器的数据对所述动力活塞压缩过程进行控制；所述制动圆环、动力活塞和驱动圆环由铁磁材料制成，沿所述制动圆环、动力活塞和驱动圆环的外回转面的周向均设有凹坑，所述凹坑内缠有导线组成了电磁线圈，所述制动圆环和驱动圆环的凹坑内缠有的导线的方向相同；所述动力活塞的两个端面上均设有突起，所述制动圆环和所述驱动圆环上在位于与所述动力活塞相对的端面上均设有与突起相互配合的沉孔；所述电磁控制电路包括一个直流电源、一个滑动变阻器和五个开关；所述直流电源提供控制电路的电流；所述滑动变阻器通过改变电阻的大小来调节电路电流，从而调节动力活塞与驱动圆环和制动圆环之间电磁力的大小；五个开关中，三个开关作为电路的通断开关，另外两个共同作为转换开关，负责改变电磁线圈内的电流流向，从而改变不同电磁线圈之间的受力。

进一步讲，本发明所述的基于电磁控制的小型快速压缩机，其特征在于，所述外套筒与所述内套筒之间的间隙为5±0.5mm。

所述外套筒与所述内套筒的连接处设有密封结构，以防止导热油泄露至燃烧室。

所述动力活塞上的突起与所述制动圆环和所述驱动圆环上的沉孔均为在同一圆周的周向上均布。

所述电磁控制电路控制所述动力活塞上的电磁线圈中的电流方向、所述制动圆环上的电磁线圈中的电流方向和所述驱动圆环上的电磁线圈中的电流方向，从而由所述动力活塞带动压缩活塞，并控制压缩活塞的位置。

所述电磁控制电路控制所述动力活塞上的电磁线圈中的电流方向、所述制动圆环上的电磁线圈中的电流方向和所述驱动圆环上的电磁线圈中的电流方向，有以下情形：一是，所述动力活塞上的电磁线圈中的电流方向与所述制动圆环上的电磁线圈中的电流方向相同，同时与所述驱动圆环上的电磁线圈中的电流方向相反；二是，所述动力活塞上的电磁线圈中的电流方向与所述制动圆环上的电磁线圈中的电流方向相反，同时与所述驱动圆环上的电磁线圈中的电流方向相同。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明结合电磁原理和快速压缩机工作特点，运用先进的电磁控制系统，与传统快速压缩机相比，其可以有效地减少建立气压和油压所需要的时间成本，这使得快速压缩机操作更加简单高效。

由于本发明结构简单，可以进一步将快速压缩机小型化，使其燃烧室结构更加紧凑，温度梯度更加均匀，从而增强快速压缩机理论研究的说服力。

与液压制动的快速压缩机相比，通过电磁系统的控制，在压缩上止点位置，动力活塞会紧紧地贴附在制动活塞上，可以显著减少活塞回弹现象的发生。

本发明对燃烧室缸体进行了改造，用导热油代替加热带对燃烧室预热，这大大节约了预热时间，降低了时间成本，并且导热油在腔体内流动也可以保证加热的均匀性，从而达到更加理想的加热效果。

附图说明

图1是本发明小型快速压缩机的结构示意图；

图2是图1中所示主燃烧室系统的结构示意图；

图3是图1中所示动力系统的结构示意图；

图4-1是本发明的动力系统中制动圆环的轴向结构示意图；

图4-2是图4-1所示制动圆环的端向结构示意图；

图4-3是本发明的动力系统中驱动圆环的轴向结构示意图；

图5-1是本发明的动力系统中动力活塞的端向结构示意图；

图5-2是图5-1所示动力活塞的轴向结构示意图；

图6是图1中所示电磁控制电路的原理示意图。

图中：

1-主燃烧室系统 2-动力系统 3-电磁控制电路 4-燃烧室压盖

5-外套筒 6-内套筒 7-导热油 8-压缩活塞

9-密封垫 10-制动圆环 11-缸体 12-动力活塞

13-驱动圆环 14-动力缸压盖 15-激光测距传感器 16-ECU电子控制单元

17-凹坑 18-固定电磁线圈 19-沉孔 20-突起

21-动力电磁线圈 22-凹坑。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的说明，但下述实施例绝非对本发明有任何限制。

如图1所示，本发明提出的一种基于电磁控制的小型快速压缩机，包括主燃烧室系统1、动力系统2和电磁控制电路3。

如图1和图2所示，所述主燃烧室系统1包括燃烧室压盖4、气缸和压缩活塞8，所述气缸的缸体11由相互嵌套的外套筒5和内套筒6组成，所述外套筒5与所述内套筒6之间、在径向上存在有间隙，所述间隙为5±0.5mm，从而形成了一环形空间；所述外套筒5的一端设有进油孔51，所述外套筒的另一端设有出油孔52，通过油泵将导热油7自所述进油孔51进入环形空间56，流经环形空间过程中向燃烧室内部传热，然后从出油孔52流出，所述外套筒5与所述内套筒6的连接处设有密封结构，以防止导热油7泄露至燃烧室，密封结构可以是密封垫9的形式，如图2所示。

如图1和图3所示，所述动力系统2包括由缸体11、动力缸压盖14、制动圆环10、动力活塞12、驱动圆环13和固定在所述动力缸压盖14出口处的激光测距传感器15及其与所述激光测距传感器15相连的ECU电子控制单元16；所述缸体11和所述动力缸压盖14由隔磁材料制成，防止内部强力磁场对外界电力系统干扰；所述动力缸压盖14设有中心孔，所述激光测距传感器15与所述动力活塞12距离固定为S，并通过该中心孔测量所述激光测距传感器15到所述动力活塞12的距离，ECU电子控制单元16接收激光测距传感器15的信号并处理，然后传送到电磁控制电路3，通过所述激光测距传感器15的数据对所述动力活塞12压缩过程进行控制；所述制动圆环10、动力活塞12和驱动圆环13由铁磁材料制成，动力活塞的驱动和制动均采用电磁控制。如图4-1、图4-2、图4-3、图5-1和图5-2所示，沿所述制动圆环10的外回转面的周向设有凹坑171，沿所述驱动圆环13的外回转面的周向设有凹坑17，沿所述动力活塞12的外回转面的周向设有凹坑22，所述制动圆环10的凹坑171和驱动圆环13的凹坑17内缠有的导线的方向相同，分别组成了固定电磁线圈181和18；所述动力活塞12的22内缠有的导线组成了动力电磁线圈21。所述动力活塞12的两个端面上均设有突起20，所述制动圆环10上在位于与所述动力活塞12相对的端面上设有与突起20相互配合的沉孔191，所述驱动圆环13上在位于与所述动力活塞12相对的端面上设有与突起20相互配合的沉孔19，如图4-2和图5-1所示，所述动力活塞12上的突起20与所述制动圆环10和所述驱动圆环13上的沉孔均为在同一圆周的周向上均布。本发明中所述制动圆环10和所述驱动圆环13的结构相同，但是安装时，将带有沉孔的端面对着动力活塞12。

如图1和图6所示，所述电磁控制电路3包括一个直流电源、一个滑动变阻器和五个开关。所述直流电源提供控制电路的电流；所述滑动变阻器通过改变电阻的大小来调节电路电流，从而调节动力活塞12与驱动圆环13和制动圆环10之间电磁力的大小；五个开关分别记为开关L1、开关L2、开关L3、开关L21和开关L22，三个开关作为电路的通断开关，即开关L1控制制动圆环电磁线圈电路的开关，开关L2控制动力活塞电磁线圈电路的开关，开关L3控制驱动圆环电磁线圈电路的开关；另外两个开关共同作为转换开关，负责改变电磁线圈内的电流流向，即开关L21和开关L22控制动力活塞电磁线圈电路电流的流向，并由ECU电子控制单元16进行控制，从而改变不同电磁线圈之间的受力。

所述电磁控制电路3控制所述动力活塞12上的动力电磁线圈21中的电流方向、所述制动圆环10上的固定电磁线圈181中的电流方向和所述驱动圆环13上的固定电磁线圈18中的电流方向，从而由所述动力活塞12带动压缩活塞8，并控制压缩活塞的位置。

所述电磁控制电路3控制所述动力活塞12上的电磁线圈中的电流方向、所述制动圆环10上的电磁线圈中的电流方向和所述驱动圆环13上的电磁线圈中的电流方向，有以下情形：

一是，所述动力活塞12上的电磁线圈中的电流方向与所述制动圆环10上的电磁线圈中的电流方向相同，同时与所述驱动圆环13上的电磁线圈中的电流方向相反；

二是，所述动力活塞12上的电磁线圈中的电流方向与所述制动圆环10上的电磁线圈中的电流方向相反，同时与所述驱动圆环13上的电磁线圈中的电流方向相同。

下面结合图1和图6描述本发明的具体操作过程。

步骤1，将导热油7加热到实验所需温度，后通过油泵将导热油7从进油孔51进入、出油孔52排出，导热油7在外套筒5和内套筒6形成的套管(即环形空间)内循环流动，向燃烧室内部传热，使得燃烧室升温，并通过不断调试使得燃烧室内的温度最终稳定在实验所需的工况，本发明中用导热油7加热，改进了燃烧室加热方式。

步骤2，闭合电磁控制电路3中的开关L1、L2、L3，并将开关L21、L22连接至A端，此时制动圆环10、动力活塞12和驱动圆环13上的电磁线圈通电产生了电磁场。由于动力活塞12上所缠绕的动力电磁线圈21中的电流方向与制动圆环10上的固定电磁线圈181中的电流方向相反与驱动圆环13的固定电磁线圈18中的电流方向相同，故动力活塞12由于电磁力的作用与制动圆环10相互排斥，与驱动圆环13相互吸引。从而使得动力活塞12紧紧地吸附在驱动圆环13上，此时，压缩活塞8位于下止点位置。

步骤3，将开关L21、L22连接至B端，此时动力活塞12所缠绕的动力电磁线圈21中的电流方向改变，动力活塞12的磁极互换，动力活塞12由于电磁力的作用与制动圆环10相互吸引，与驱动圆环13相互排斥，从而动力活塞12带动压缩活塞8进行压缩行程，在实验过程中，通过改变滑动变阻器的电阻来改变电流的大小或者改变制动圆环10、动力活塞12和驱动圆环13的线圈匝数来改变电磁力的大小，并不断调试来获得压缩过程中较佳的压缩活塞8的上行速度。

步骤4，在压缩活塞8压缩过程中，当激光测距传感器15检测到该传感器到动力活塞12的距离为S1时，ECU电子控制单元16将控制开关L21、L22连接至A端，这使得动力活塞12所缠绕的电磁线圈21中的电流方向与制动圆环10相反与驱动圆环13相同，故动力活塞12由于电磁力的作用与制动圆环10相互排斥，与驱动圆环13相互吸引，即电磁力对动力活塞12的上行过程和压缩活塞8的压缩行程造成了阻碍，从而达到制动效果，防止造成动力活塞12对制动圆环10的撞击。本发明中，通过激光测距控制制动开始时的位置，这种测距方式避免了复杂的结构。

步骤5，动力活塞12在减速过程中继续向上止点移动，当激光测距传感器15检测到该传感器到动力活塞12的距离为S2时，ECU电子控制单元16将控制开关L21、L22连接至B端，动力活塞12由于电磁力的作用与制动圆环10相互吸引，与驱动圆环13相互排斥，直至压缩活塞8达到上止点位置，从而使得动力活塞12紧紧地贴附在制动圆环10上，防止了压缩活塞8回弹现象的发生。

步骤6，压缩行程结束后，改变滑动变阻器电阻，减小电路电流，再次将开关L21、L22连接A端，此时动力活塞12所缠绕的电磁线圈21中的电流方向再次改变，动力活塞12由于电磁力的作用与制动圆环10相互排斥，与驱动圆环13相互吸引，从而动力活塞12将压缩活塞8拉回下止点位置，完成快速压缩机的一次压缩过程。压缩活塞8拉回过程中，通过改变滑动变阻器的电阻来改变电流的大小，不断调试获得较佳的压缩活塞8的拉回速度，从而减少动力活塞12和驱动圆环13间由于机械碰撞所带来不必要的能量损失。

尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (6)

1.一种基于电磁控制的小型快速压缩机，包括主燃烧室系统(1)和动力系统(2)，其特征在于，该小型快速压缩机还包括电磁控制电路(3)；

所述主燃烧室系统(1)包括燃烧室压盖(4)、气缸和压缩活塞(8)，所述气缸的缸体(11)由相互嵌套的外套筒(5)和内套筒(6)组成，所述外套筒(5)与所述内套筒(6)之间、在径向上存在有间隙，从而形成了一环形空间；所述外套筒(5)的一端设有进油孔(51)，所述外套筒的另一端设有出油孔(52)，通过油泵将导热油(7)自所述进油孔(51)进入环形空间(56)，流经环形空间过程中向燃烧室内部传热，然后从出油孔(52)流出；

所述动力系统(2)包括由缸体(11)、动力缸压盖(14)、制动圆环(10)、动力活塞(12)、驱动圆环(13)和固定在所述动力缸压盖(14)出口处的激光测距传感器(15)及其与所述激光测距传感器(15)相连的ECU电子控制单元(16)；所述缸体(11)和所述动力缸压盖(14)由隔磁材料制成，防止内部强力磁场对外界电力系统干扰；所述动力缸压盖(14)设有中心孔，所述激光测距传感器(15)与所述动力活塞(12)距离固定，并通过该中心孔测量所述激光测距传感器(15)到所述动力活塞(12)的距离，所述ECU电子控制单元(16)接收所述激光测距传感器(15)的信号并处理，然后传送到电磁控制电路(3)，通过所述激光测距传感器(15)的数据对所述动力活塞(12)压缩过程进行控制；所述制动圆环(10)、动力活塞(12)和驱动圆环(13)由铁磁材料制成，沿所述制动圆环(10)、动力活塞(12)和驱动圆环(13)的外回转面的周向均设有凹坑，所述凹坑内缠有导线组成了电磁线圈，所述制动圆环(10)和驱动圆环(13)的凹坑内缠有的导线的方向相同；所述动力活塞(12)的两个端面上均设有突起(20)，所述制动圆环(10)和所述驱动圆环(13)上在位于与所述动力活塞(12)相对的端面上均设有与突起(20)相互配合的沉孔；

所述电磁控制电路(3)包括一个直流电源、一个滑动变阻器和五个开关；所述直流电源提供控制电路的电流；所述滑动变阻器通过改变电阻的大小来调节电路电流，从而调节动力活塞(12)与驱动圆环(13)和制动圆环(10)之间电磁力的大小；五个开关中，三个开关作为电路的通断开关，另外两个共同作为转换开关，负责改变电磁线圈内的电流流向，并由所述ECU电子控制单元(16)进行控制，从而改变不同电磁线圈之间的受力。

2.根据权利要求1所述的基于电磁控制的小型快速压缩机，其特征在于，所述外套筒(5)与所述内套筒(6)之间的间隙为5±0.5mm。

3.根据权利要求1所述的基于电磁控制的小型快速压缩机，其特征在于，所述外套筒(5)与所述内套筒(6)的连接处设有密封结构，以防止导热油(7)泄露至燃烧室。

4.根据权利要求1所述的基于电磁控制的小型快速压缩机，其特征在于，所述动力活塞(12)上的突起(20)与所述制动圆环(10)和所述驱动圆环(13)上的沉孔均为在同一圆周的周向上均布。

5.根据权利要求1所述的基于电磁控制的小型快速压缩机，其特征在于，所述电磁控制电路(3)控制所述动力活塞(12)上的电磁线圈中的电流方向、所述制动圆环(10)上的电磁线圈中的电流方向和所述驱动圆环(13)上的电磁线圈中的电流方向，从而由所述动力活塞(12)带动压缩活塞(8)，并控制压缩活塞的位置。

6.根据权利要求5所述的基于电磁控制的小型快速压缩机，其特征在于，所述电磁控制电路(3)控制所述动力活塞(12)上的电磁线圈中的电流方向、所述制动圆环(10)上的电磁线圈中的电流方向和所述驱动圆环(13)上的电磁线圈中的电流方向，有以下情形：

一是，所述动力活塞(12)上的电磁线圈中的电流方向与所述制动圆环(10)上的电磁线圈中的电流方向相同，同时与所述驱动圆环(13)上的电磁线圈中的电流方向相反；

二是，所述动力活塞(12)上的电磁线圈中的电流方向与所述制动圆环(10)上的电磁线圈中的电流方向相反，同时与所述驱动圆环(13)上的电磁线圈中的电流方向相同。

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