一种用于快压机的湍流形式可控方法与流程

本发明涉及一种用于快压机的湍流形式可控方法，具体涉及用以研究燃料特性和新型燃烧方式特性的实验方法。

背景技术：

汽车保有量的增加，为我国社会发展做出巨大贡献的同时，也消耗着大量的石油资源，排放出大量有害气体，从而对人们的生存环境产生较大危害。广大科研工作者针对上述问题提出了发展新型内燃机代用燃料和新型燃烧方式等解决途径，并发明研究了定容燃烧弹、快压机等基础实验装置。然而，现代内燃机燃烧过程及其优化研究面临着很多基础科学问题和技术瓶颈，如发动机爆震等异常燃烧现象。因此，作为能够为内燃机新型代用燃料及新型燃烧方式提供理论研究和实验载体的快压机实验装置，有其研究的必要性。

内燃机缸内流场结构和湍流特性是影响内燃机燃烧过程的最重要因素之一，在内燃机整个循环中，其缸内流体始终进行着极其复杂而又强烈瞬变的湍流运动。内燃机缸内湍流主要包括绕气缸轴线方向的涡流、绕垂直于气缸轴线方向的滚流和挤流等。内燃机缸内的湍流运动对缸内物理化学过程、可燃混合气的浓度、火焰传播速度和燃烧品质、缸内的传热及污染物的形成都具有直接的本质的影响。因此，基于快压机在不同湍流形式下燃烧特性的研究，对内燃机燃烧系统的开发与研究有非常重要的意义。

快压机主要功能是模拟活塞式内燃机内部的压缩及着火过程，是一种理想的介于理论分析和实际应用之间的研究载体。因此，快压机在研究缸内湍流燃烧如爆震等问题有着重要意义。经查阅文献资料发现，未见有关针对快压机实验台架并未对不同湍流形式下的燃烧特性进行研究的文献报道。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种湍流形式可控方法,用于基于快压机对缸内不同湍流形式下的燃烧特性进行开发与研究。技术方案如下：

一种用于快压机的湍流形式可控方法，所采用的装置包括依次固定于快压机进气道处的横向滚流形式控制单元和纵向涡流形式控制单元、电磁控制阀和控制模块，其中，横向滚流形式控制单元和纵向涡流形式控制单元结构相同，安装位置不同，前者横向固定于所述的进气道处，后者纵向固定所述的进气道处，各包括一个旋转角度控制编码器、一个组合式导流板和一个齿轮传动组；组合式导流板包括三个平行放置的导流板，所述传动齿轮组包括一个大齿轮、两个中齿轮和三个小齿轮，每个小齿轮与相应的导流板之间的传动是依靠一根带有键的传动轴实现的；控制模块通过控制导流板的角度实现目标形式的缸内湍流。控制方式为：通过旋转角度控制编码器控制大齿轮的转动，再通过两个中齿轮的变向作用使三个小齿轮旋转方向相同，使三个导流板的旋转方向和角度相同，实现湍流形式的调节方法为：

(1)通过对不同横向组合式导流板角度和纵向组合式导流板角度对应的滚流比和

涡流比进行的标定实验，确定实现各种目标形式的缸内湍流所需要的旋转角

度控制编码器角度；

(2)在一次实验后，排空燃烧室中的残余废气，并卸去驱动活塞后方的气压和制动

缸中的油压；控制模块根据所需要的目标形式的涡流比和滚流比，选择合适

的旋转角度控制编码器角度，再通过传动齿轮组及传动轴的传动作用带动导

流板旋转相应角度，调节湍流形式。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明可实现在工作容积基本不变情况下引入内燃机缸内的湍流运动，缸内湍流运动的形成可使快压机实验平台的实验环境更加趋于实际情况，实验数据的准确性得到提高。

(2)本发明可在快压机燃烧室内生成不同形式的湍流运动，如汽油机中滚流主导的湍流运动或柴油机中涡流主导的湍流运动，以基于快压机对不同湍流形式下的燃烧特性进行实验与研究。通过改变组合式导流板的角度，可实现缸内湍流形式的调节。

附图说明

图1是本发明中湍流形式控制装置示意图

图2(a)是图1中湍流形式控制装置的俯视图

图2(b)是图1中湍流形式控制装置的左视图

图2(c)是图1中湍流形式控制装置的前视图

图3是本发明中湍流形式控制装置与电磁控制阀的连接示意图

图4(a)是本发明中横向滚流形式控制单元示意图

图4(b)是本发明中纵向涡流形式控制单元示意图

图5是本发明中传动齿轮组示意图

图中：

1-进气道 2-传动轴 3-小齿轮

4-中齿轮 5-大齿轮 6-旋转角度控制编码器

7-矩形盒 8-导流板 9-固定螺母

10-电磁控制阀 11-连接板 12-密封垫片

13-横向滚流形式控制单元 14-纵向涡流形式控制单元 15-传动齿轮组

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明技术方案作进一步详细描述，但本发明并不局限于此具体实施方式，此描述并不用以限制本发明。

如图1-2所示，本发明采用的用于快压机的湍流形式可控装置，包括组合式导流板8、传动齿轮组14、电磁控制阀10、旋转角度控制编码器6和控制模块。图1为本发明中湍流形式控制装置示意图，图2(a)、图2(b)和图2(c)分别为本发明中湍流形式控制装置的俯视图、左视图和前视图。所述湍流形式控制装置分为横向滚流形式控制单元13和纵向涡流形式控制单元14，依次安装在进气道处。所述横向滚流形式控制单元13和纵向涡流形式控制单元14各包括一个旋转角度控制编码器6、一个组合式导流板8和一个齿轮传动组15。所述控制模块包括PLC控制单元、上位机和PIV测试系统。其中，上位机和PLC控制单元相连，PLC控制单元和PIV测试系统相连。所述进气道1设计为方形进气道1，以保证导流板8旋转的角度不受进气道1壁面的限制。所述传动齿轮组15放置在一矩形盒7中贴进气道1外壁安装固定，其中各齿轮的固定通过矩形盒7壁面与螺栓的配合完成。

图3是本发明中湍流形式控制装置与电磁控制阀10的连接示意图。所述电磁控制阀10与进气道1的连接依靠连接板11上的若干通孔完成，所述通孔的布置满足：通孔绕着管路中心均匀分布。所述通孔数量为四个。所述电磁控制阀10与进气道1的连接加装有密封垫片12。所述电磁控制阀10为二位二通常闭型气体高压电磁阀，其材质选用不锈钢材料。所述组合式导流板8、传动齿轮组15、传动轴2及其他安装定位零件均选用不锈钢材料。

图4(a)和图4(b)分别是本发明中横向滚流控制单元13和纵向涡流形式控制单元14示意图。所述一个组合式导流板8包括三个相同方向的导流板8。所述组合式导流板8设计为3个角度可变且角度变化相同的导流板8用以控制缸内的湍流形式，可燃混合气经过导流板8改变流动方向并在气缸壁圆周的导流作用下在气缸内形成涡流，且在活塞顶面的影响下在气缸内形成滚流。其中横向组合式导流板8用以控制滚流的形式，纵向组合式导流板8用以控制涡流的形式。

图5是本发明中传动齿轮组15示意图。所述一个传动齿轮组15包括一个大齿轮5、两个中齿轮4和三个小齿轮3组成。所述组合式导流板8的角度可由控制模块精确控制，不同角度的导流板8角度可生成不同湍流形式。所述传动齿轮组15中各齿轮的齿相同以达到啮合要求，齿轮与齿轮之间涂有润滑油以保证顺畅的传动。所述导流板8旋转方向的精度由小齿轮3的齿数z控制，其能达到旋转角度精度为360°/z。所述导流板8的宽度略小于两侧导流板8到进气道1距离，以保证导流板8角度可在0-180°之间任意旋转。

所述旋转角度控制编码器6直接控制大齿轮5的转动，再通过两个中齿轮4的变向作用使三个小齿轮3旋转方向相同，使三个导流板8旋转方向和角度相同。所述小齿轮3与导流板8之间的传动是依靠一根带有键的传动轴2实现的。

本发明的工作原理是：主要采用湍流形式控制装置和控制模块，控制导流板8角度以控制湍流形式；控制模块控制着旋转角度控制编码器6的旋转角度，通过传动齿轮组15的变向及传动作用带动导流板8旋转，并保证导流板8旋转角度相同，以达到预定的目标湍流形式。其应用过程是：当混合气在预混罐混合均匀后，电磁控制阀10打开，在压差作用下混合气快速射入，通过控制导流板8的角度来实现目标形式的缸内湍流，进气完成后由PLC控制立即关闭电磁控制阀8并进行压缩燃烧过程。

使用本发明所应用的快压机实验平台，在一次实验结束后，如需调节缸内湍流形式，采用下述方法可取得最佳效果：

使用本发明用于实验室的快压机实验平台实现湍流形式的调节过程是，在一次实验后，排空燃烧室中的残余废气，并卸去驱动活塞后方的气压和制动缸中的油压。在PLC控制系统中输入目标涡流比和滚流比，PLC通过已标定完成的实验数据分别在纵向涡流形式控制单元14和横向滚流形式控制单元13中选择合适的旋转角度控制编码器6角度，再通过传动齿轮组15及传动轴2的传动作用带动导流板8旋转相应角度，达到调节湍流形式的目的。

本发明的初期测试标定方法包括以下步骤：

步骤1，启动上位机内快压机实验系统与PIV测试系统，在正式测试前进行预调试；

步骤2，预调试完成，进入正式测试阶段；在快压机实验系统中分别输入横向组合式导流板8角度和纵向组合式导流板8角度，由上位机测试系统及PLC控制单元确定旋转角度控制编码器6的旋转角度。由PIV测试系统测得快压机缸内的涡流比及滚流比；

步骤3，对于不同旋转角度的湍流形式进行标定，具体过程为：在横向组合式导流板角度不变情况下，使纵向组合式导流板从0°至180°依次增加测得其滚流比和涡流比；从0°至180°改变横向组合式导流板角度，重复以上步骤；

步骤4，测试完成，记录测试数据及图表。

测试完成后则可对不同横向组合式导流板角度和纵向组合式导流板角度对应的滚流比和涡流比进行标定。因此，实验时只需输入目标湍流形式的滚流比和涡流比，便可实现相应的导流板旋转角度，得到目标形式的湍流运动。

综上，本发明的用于快压机的湍流形式可控装置，包括组合式导流板8、传动齿轮组14、电磁控制阀10、旋转角度控制编码器6和控制模块。所述湍流形式控制装置分为横向滚流形式控制单元13和纵向涡流形式控制单元14，依次安装在进气道处。所述控制模块包括PLC控制单元、上位机和PIV测试系统。其中，上位机和PLC控制单元相连，PLC控制单元和PIV测试系统相连。根据人为设定，采用上位机测试系统以及PLC控制导流板8旋转角度，以达到目标形式的湍流。本发明结构简单，只需要初期测试标定实验，通过外部调节参数，便可达到目标形式的湍流，对研究在不同湍流形式下的燃烧过程及特性起到了重要作用。