专利名称：一种内燃机缸内采样系统及采样方法
技术领域：
本发明涉及一种内燃机燃气采样系统及采样方法，特别是一种内燃机缸内局部定点燃气采样系统及采样方法。
背景技术：
内燃机缸内燃烧过程是影响其经济性和排放特性的根本，为了降低内燃机的燃油消耗和降低内燃机的排放，国内外的诸多学者一直致力于内燃机燃烧过程的研究。内燃机的燃烧过程非常迅速，也非常复杂的，为了研究内燃机燃烧过程，目前通常采用的方法有PIV法、光电检测法、激光诱导荧光法以及透明发动机可视法等等。上述研究内燃机燃烧过程的方法往往都需要在燃油中添加一定的物质和使用非常昂贵的辅助设备，或者是需要对发动机进行大量的改造。比如，PIV法需要在燃油中加入一定量的示踪粒子，并且需要高精度的影像记录设备；又如，透明发动机可视法需要对发动机进行透明化改造，将活塞用透明 材料制成，其改造难度较大并且不能长持续时间工作，同时也需要高精度的影像记录设备。对于内燃机的燃烧过程的研究，研究其燃烧中间产物是一种有效的研究手段。通过采集燃烧室内在某特定时刻和某特定位置的混合气样本，然后利用物理化学的分析方法对其进行分析，就可以得出该时刻在该位置的混合气浓度、生成物浓度、混合气当中的各种物质等表征燃烧过程的参数，由此实现对燃烧过程的研究。
发明内容
本发明的目的是提供一种有利于进行气缸内局部定点米样的一种系统。本发明的目的是这样实现的一种内燃机缸内采样系统，包括采样控制单元和采样管，采样管结构为细长管设置在圆筒形的稀释室前端并与稀释室连通，稀释室后部设置有与稀释室连通的惰性气体进口管以及混合气出口管，惰性气体进口管上设置有惰性气体阀，混合气体出口管上设置有三通阀，三通阀的进口与混合气出口管连接，三通阀的第一出口与气体分析设备连接，三通阀的第二出口与放空管连接，采样控制阀的阀杆旋接在稀释室后端并从外向内伸入稀释室内，该阀杆上设置有密封装置，该阀杆前端的圆锥形头能够封堵在细长管的出气口上。上述采样控制阀的阀杆前端的圆锥形头上设置有密封圈。上述细长管的内径为内燃机缸径的2% 5%。还具有显示设备，该显示设备与气体分析设备连接。还具有步进电机，步进电机的轴与伸出稀释室外的采样控制阀的阀杆一端连接；采样控制单元由相互连接的微电脑及步进电机控制电路组成。本发明的另一目的是这样实现的一种内燃机缸内米样系统的米样方法，按以下步骤进行
a)、将多只采样管安装在发动机上，采样管的细长管直接伸入发动机的气缸内，每只采样管伸入到气缸内的不同位置；b)、采样前，开启惰性气体阀以及关闭三通阀，向稀释室内通入惰性气体后关闭惰性气体阀；采样时，由微电脑控制采样控制阀开启，气缸内的混合气体在压力的作用下被压入到稀释室内与惰性气体混合，被稀释后的混合气体即样气输出到气体分析设备中进行分析，并由显示设备显示出分析结果，由此得出被采集的样气的成分；
C)、采样完成后，关闭采样控制阀和关闭三通阀第一出口，开启惰性气体阀和三通阀第二出口，向稀释室内通入惰性气体，将稀释室内的样气置换成惰性气体，为下一次采样作好装备。通过调整采样管的位置和采样时刻，完成对气缸内任意位置和发动机不同工况以及发动机同一工况不同时刻的米样，以确定发动机气缸内的气体成分分布状况。所述采样管为九只；九只采样管伸入到气缸内腔范围内的一个长方体的8个顶点和一个中心点的位置处。本发明包括一个采样器，该采器管由细长采样管、稀释室、惰性气体进气管和混 合气出口管组成，该采样器适用于所有的内燃机燃烧生成物样本，该采样管还自带一个用于控制采样管通断的采样控制阀；一套微电脑采样控制系统，用于控制采样控制阀，以及气体分析设备和结果显示设备。本发明的系统可以用来取代以往的全缸内采样系统，以前对缸内气体直接采样时一般都利用的是全缸内米样的方法。本发明的局部定点米样方法可以克服全缸内米样时由于缸内的不均匀性所引起的误差；同时局部定点采样方法也可以分析缸内不同位置不同时刻的成分，通过采集不同时刻不同位置的样气就可以把全缸内不同时刻的气体状态重新呈现出来，由此可以作为分析燃烧的根据，也可以作为验证三维流体仿真的重要方法和手段。系统的采样器由细长管、稀释室、惰性气体进口管及控制阀、混合气体出口管及控制阀和采样控制阀组成。采样管的细长管直接伸入到内燃机的缸内，当需要采样时，由微电脑控制采样控制阀打开，缸内混合气体在压力的作用下被压入到稀释室里面，稀释室里面需要预先充满惰性气体，缸内混合气进入到稀释室后被惰性气体稀释，同时也会被惰性气体降温，在稀释和降温的又重作用下缸内混合气的反应会终止，其混合物的成份冻结，被稀释后的混合气可以直接输出到分析设备中进行分析，由此得出被采集的样气的成份。采集样气时，为了避免上一次采集对样本的影响，样本气体在完成采集后立即输送到分析设备，同时由惰性气体把整个稀释室内的气体置换成惰性气体；在发动机活塞下行过程中采样控制阀再次打开，由惰性气把采样管内的气体置换成惰性气体，由此整个采样管内全部置换成了惰性气体，为下一次采样作好准备。为了采样的精确，采样时间要很短以避免混合气成份随时间的变化而造成采样误差过大，同时采样管的直径要很小，以减小采样范围过大而造成样气成分的误差。系统采样时只采集缸内局部在某一时刻的混合气本样本，只要采样时间和采样管的直径足够小，那么就可以把所采集的样本当成是对缸对状态的点采样。采样管的直径要足够细，以避免采样管对缸内气流运动造成过大的影响，一般情况下，其直径控制在缸径的2% 5%。本采样系统在发动机缸内可以安装多个，以便同时采集不同位置的混合气样本。采样时间的控制以发动机曲轴转角信号为时间基准信号。本发明的有益效果
I、采样管的结构简单实用，方便操作。2、米样系统米用了对内燃机缸内混合气进行直接米样的方法；对缸内混合气的样本采集只了限于局部和瞬时的采样；采样管的直径控制在缸径的2% 5%以内；采样时间的控制以发动机曲轴转角信号为时间基准信号；采样完成后由惰性气体先行置换稀释室内的混合气，在活塞下行时利用压力差置换采样管内的混合气；通过调整采样管的位置和采样时刻，可以完成对缸内任意位置和任意时刻的采样，其结果可以重现内燃机缸内气体成分分布。
图I是采样管的结构图。图2是采样管安装在发动机上的示意图。图3是本发明的工作逻辑框图。
具体实施方式
图I示出，本发明包括采样控制单元4，气体分析设备，采样管结构为细长管I设置在圆筒形的稀释室2前端并与稀释室连通，稀释室后部设置有与稀释室连通的惰性气体进口管3以及混合气出口管5，惰性气体进口管上设置有惰性气体阀，混合气体出口管5上设置有三通阀三通阀的进口与混合气出口管5连接，三通阀的第一出口与所述气体分析设备连接，三通阀的第二出口与放空管连接，采样控制阀的阀杆6旋接在稀释室后端并从外向内伸入稀释室内，该阀杆上设置有密封装置(密封装置即现有阀门的阀杆与阀体之间的填料函，起密封作用)，该阀杆前端的圆锥形头能够封堵在细长管的出气口上。采样控制阀的阀杆前端的圆锥形头上设置有密封圈。细长管I的内径为内燃机缸径的2% 5%。步进电机的轴与伸出稀释室外的采样控制阀的阀杆6 —端连接；所述采样控制单元4由相互连接的微电脑及步进电机控制电路(该控制电路采用现有继电器控制电路，由微电脑控制输入一个电信号，使该控制器电路中的继电器的常开触点闭合，从而对步进电机供电，启动步进电机运转)组成。参见图1，采样管由细长管I、稀释室2、惰性气体进口管3、采样控制单元4 (可安装在发动机上)、混合气出口管5和采样控制阀6组成。参见图2,安装到发动机上时,细长管I直接伸入到发动机缸内，其余部分在发动机缸外，安装好好要保证发动机气缸不漏气。安装的方式可以为安装在发动机的气缸盖上，页可以安装在发动机的活塞上。参见图2的安装示意图，7为采样管，8为喷油器，9为气缸间隙，10为燃烧室。采样管7与燃烧室的相对位置可以通过调整采样管的伸入长度和倾斜角度来调整。参见图3的采样系统示意图，整个采样系统由采样控制单元、发动机、惰性气体、采样管、气体分析设备和显示设备组成。在这套系统中，发动机缸内的气体为测试的对象，采样控制阀控制采样时刻和采样时间，惰性气体用于稀释所采集的样气和冲洗采样管，采样管作为采样装置，气体分析设备用于分析所采集的气体样本，显示设备(与气体分析设备连接)用于控制和显示系统的状态和测试的结果。上述内燃机缸内采样系统的采样方法，其特征在于，按以下步骤进行
a)、将多只采样管安装在发动机上，采样管的细长管直接伸入发动机的气缸内，每只采样管伸入到气缸内的不同位置；b)、采样前，开启惰性气体阀以及关闭三通阀，向稀释室内通入惰性气体后关闭惰性气体阀；采样时，由微电脑控制采样控制阀开启，气缸内的混合气体在压力的作用下被压入到稀释室内与惰性气体混合，被稀释后的混合气体即样气输出到气体分析设备中进行分析，并由显示设备显示出分析结果，由此得出被采集的样气的成分；
C)、采样完成后，关闭采样控制阀和关闭三通阀第一出口，开启惰性气体阀和三通阀第二出口，向稀释室内通入惰性气体，将稀释室内的样气置换成惰性气体，为下一次采样作好装备。通过调整采样管的位置和采样时刻，完成对气缸内任意位置和发动机不同工况以及发动机同一工况不同时刻的米样，以确定发动机气缸内的气体成分分布状况。所述采样管为九只；九只采样管伸入到气缸内腔范围内的一个长方体的8个顶点和一个中心点的位置处。在工作过程中，首先将采样管安装到发动机上，长细管直接伸入到发动机的气缸内，惰性气体发生装置直接接到惰性气体进口管上，混合气体出口管经三通阀连接入气体 分析设备，惰性气体的控制和混合气出口的控制也可以由采样控制单元来完成。发动机正常运转，当运行到需要采样的时刻控制设备即控制采样控制阀打开，惰性气体阀和混合气出口管的三通阀均关闭，缸内气体在高压的作用下被压入到采样管内，然后样气进入到充满惰性气体的稀释室里面，在惰性气体的冷却和稀释作用下，气体反应终止，气体成分成冻结状态。当采集到所需要的样气后，控制系统控制采样阀关闭，打开惰性气体阀和混合气出口的三通阀的第一出口，在惰性气体的推动作用下稀释内的混合气通过管道进入到气体分析设备进行成分分析，分析结果直接送到显示设备进行显示，到此一次采样过程即完成。一次采样完成后，稀释室内必须完全充满惰性气体，不能有缸内气体，否则会影响下一次采样的结果。当活塞下行到一定位置后，缸内的气体压力降低到一定程度，此时打开采样控制阀和惰性气体控制阀，利用惰性气体的压力把惰性气体压入到采样管内，置换掉上一次采样时所残留的缸内气体，为下一次采样作好准备。到此，惰性气体对采样残留气体的转换过程完成。当采样过程和转换过程都完成时，整个的采样过程即完成，系统为下一次采样作好准备。上述过程为内燃机缸内采样的过程，但是该系统不局限于内燃机缸内的采样，也可以用于其他类似的采样。
权利要求
1.一种内燃机缸内采样系统，包括，采样控制单元(4)，气体分析设备，其特征是，采样管结构为细长管(I)设置在圆筒形的稀释室(2)前端并与稀释室连通，稀释室后部设置有与稀释室连通的惰性气体进口管(3)以及混合气出口管(5)，惰性气体进口管上设置有惰性气体阀，混合气体出口管(5)上设置有三通阀三通阀的进口与混合气出口管(5)连接，三通阀的第一出口与所述气体分析设备连接，三通阀的第二出口与放空管连接，采样控制阀的阀杆(6)旋接在稀释室后端并从外向内伸入稀释室内，该阀杆上设置有密封装置，该阀杆前端的圆锥形头能够封堵在细长管的出气口上。
2.根据权利要求I所述的一种内燃机缸内采样系统，其特征是，所述采样控制阀的阀杆前端的圆锥形头上设置有密封圈。
3.根据权利要求I或2所述的一种内燃机缸内采样系统，其特征是，所述细长管(I)的内径为内燃机缸径的29^5%。
4.根据权利要求3所述的一种内燃机缸内采样系统，其特征是，还具有显示设备，该显示设备与气体分析设备连接。
5.根据权利要求4所述的一种内燃机缸内采样系统，其特征是，还具有步进电机，步进电机的轴与伸出稀释室外的采样控制阀的阀杆(6) —端连接；所述采样控制单元(4)由相互连接的微电脑及步进电机控制电路组成。
6.—种根据权利要求5所述的一种内燃机缸内米样系统的米样方法,其特征是,按以下步骤进行 a)、将多只采样管安装在发动机上，采样管的细长管直接伸入发动机的气缸内，每只采样管伸入到气缸内的不同位置； b)、采样前，开启惰性气体阀以及关闭三通阀，向稀释室内通入惰性气体后关闭惰性气体阀；采样时，由微电脑控制采样控制阀开启，气缸内的混合气体在压力的作用下被压入到稀释室内与惰性气体混合，被稀释后的混合气体即样气输出到气体分析设备中进行分析，并由显示设备显示出分析结果，由此得出被采集的样气的成分； C)、采样完成后，关闭采样控制阀和关闭三通阀第一出口，开启惰性气体阀和三通阀第二出口，向稀释室内通入惰性气体，将稀释室内的样气置换成惰性气体，为下一次采样作好装备。
7.根据权利要求6所述的一种内燃机缸内采样系统的采样方法，其特征是，通过调整采样管的位置和采样时刻，完成对气缸内任意位置和发动机不同工况以及发动机同一工况不同时刻的米样，以确定发动机气缸内的气体成分分布状况。
8.根据权利要求6所述的一种内燃机缸内采样系统的采样方法，其特征是，所述采样管为九只；九只采样管伸入到气缸内腔范围内的一个长方体的8个顶点和一个中心点的位置处。
全文摘要
一种内燃机缸内采样系统及采样方法，包括采样控制单元和采样管，采样管结构为细长管设置在圆筒形的稀释室前端并与稀释室连通，稀释室后部设置有与稀释室连通的惰性气体进口管以及混合气出口管，惰性气体进口管上设置有惰性气体阀，混合气体出口管上设置有三通阀:三通阀的进口与混合气出口管连接，三通阀的第一出口与所述气体分析设备连接，三通阀的第二出口与放空管连接，采样控制阀的阀杆旋接在稀释室后端并从外向内伸入稀释室内，该阀杆上设置有密封装置，该阀杆前端的圆锥形头能够封堵在细长管的出气口上，本发明能对发动机气缸内的混合气体进行局部和瞬时采样，能较为真实地再现气缸内气体成分的分布状况。本发明具有结构简单实用，方便操作的特点。
文档编号G01N1/22GK102749227SQ20121024637
公开日2012年10月24日 申请日期2012年7月17日 优先权日2012年7月17日
发明者曾东建, 田维, 魏远文 申请人:西华大学