燃料‑空气‑稀释气体混合气自燃及点燃着火测试装置的制作方法

本发明属于燃料理化特性研究领域，具体涉及一种燃料-空气-稀释气体混合气自燃及点燃着火测试装置，达到获取燃料-空气-稀释气体三组分混合气自燃及点燃着火特性的有益效果。

背景技术：

燃料的自燃着火特性和点燃着火特性是燃料的重要理化特性之一。汽油机采用火花塞点火的方式点燃可燃混合气，点火线圈通过火花塞向可燃混合气注入能量，混合气形成初始火核，火焰面从火核开始向未燃混合气传播。柴油机为了提高循环热效率采用高压缩比压燃着火，可燃混合气在压缩冲程中温度、压力快速升高，当温度、压力达到混合气的自燃着火条件时，滞燃期内形成的混合气自燃着火燃烧。因此研究可燃混合气的自燃及点燃着火特性对发动机的燃烧过程优化降低油耗及污染物排放具有重大意义。在现代先进发动机中经常采用废气再循环来稀释可燃混合气，通过降低最高燃烧温度来降低氮氧化物NO_x排放，因此考虑燃料-空气-稀释气体三组分混合气具有实际意义。随着排放法规和油耗法规的日益严格，多家汽车制造商、高校和研究所已经积极对双燃料甚至三燃料燃烧过程进行研究，研究较多的有汽油-柴油双燃料、柴油-天然气双燃料、柴油-甲醇双燃料、二甲醚-甲醇双燃料、正庚烷-异辛烷-甲苯三燃料燃烧等，在双燃料、三燃料燃烧模式中可能选用液体和气体燃料。综上可知，对燃料自燃及点燃特性进行研究的测试系统应具有以下特点：第一，可以定量制备燃料-空气-稀释气体三组分混合气，同时能够在制备燃料-空气-稀释气体三组分混合气与燃料-空气二组分混合气之间灵活切换；第二，可以定量供给气体燃料和液体燃料；第三，制备的混合气的浓度、温度应均匀；第四，应配备排气采样系统，以便分析混合气燃烧完全性及碳烟生成情况。

技术实现要素：

本发明提供一种燃料-空气-稀释气体混合气自燃及点燃着火测试装置，该装置由燃料供给系统、空气供给系统、稀释气体供给系统、混合气预热及混合系统、燃烧室及排气采样系统组成，本发明可以取得制备燃料-空气-稀释气体三组分混合气、定量供给气体燃料和液体燃料、加热后的可燃混合气浓度场-温度场较为均匀三个方面的有益效果。

本发明主要由气体燃料高压气源Ⅰ1、过滤器Ⅰ2、减压阀Ⅰ3、球阀Ⅰ4、流量控制器Ⅰ5、球阀Ⅱ6、气体燃料高压气源Ⅱ7、过滤器Ⅱ8、减压阀Ⅱ9、球阀Ⅲ10、流量控制器Ⅱ11、球阀Ⅳ12、气体燃料高压气源Ⅲ13、过滤器Ⅲ14、减压阀Ⅲ15、球阀Ⅴ16、流量控制器Ⅲ17、球阀Ⅵ18、四通Ⅰ19、球阀Ⅶ20、三通Ⅰ21、高压空气泵22、流量控制器Ⅳ23、球阀Ⅷ24、连续可调变压器Ⅰ25、交流电源Ⅰ26、液体燃料储存罐27、过滤器Ⅳ28、液体燃料泵29、喷油器30、限压阀Ⅰ31、搅拌器Ⅰ32、电机Ⅰ33、温度传感器Ⅰ34、燃料蒸发混合腔35、压力传感器Ⅰ36、电热丝Ⅰ37、球阀Ⅸ38、过滤器Ⅴ39、真空泵Ⅰ40、球阀Ⅹ41、过滤器Ⅵ42、流量控制器Ⅴ43、过滤器Ⅶ44、四通Ⅱ45、流量控制器Ⅵ46、球阀Ⅺ47、过滤器Ⅷ48、减压阀Ⅳ49、稀释气体高压气源50、球阀Ⅻ51、温度传感器Ⅱ52、电热丝Ⅱ53、压力传感器Ⅱ54、混合气混合腔55、球阀XIII56、过滤器Ⅸ57、真空泵Ⅱ58、限压阀Ⅱ59、搅拌器Ⅱ60、电机Ⅱ61、交流电源Ⅱ62、连续可调变压器Ⅱ63、电极Ⅰ64、点火线圈Ⅰ65、蓄电池Ⅰ66、球阀XIV67、球阀XV68、过滤器Ⅹ69、空气高压气源70、减压阀Ⅴ71、过滤器Ⅺ72、球阀XVI73、流量控制器Ⅶ74、四通Ⅲ75、球阀XVII76、过滤器Ⅻ77、真空泵Ⅲ78、球阀XVIII79、压力传感器Ⅲ80、电热丝Ⅲ81、球阀XIX82、过滤器XIII83、真空泵Ⅳ84、温度传感器Ⅲ85、燃烧室86、限压阀Ⅲ87、搅拌器Ⅲ88、电机Ⅲ89、交流电源Ⅲ90、连续可调变压器Ⅲ91、电极Ⅱ92、点火线圈Ⅱ93、蓄电池Ⅱ94、球阀XX95、尾气采样检测系统96、球阀XXI97、三通Ⅱ98和球阀XXII99组成。

本发明提供的燃料-空气-稀释气体混合气自燃及点燃着火测试装置，其主要由燃料供给系统、空气供给系统、稀释气体供给系统、混合气预热及混合系统、燃烧室及排气采样系统组成；燃料供给系统中气体燃料高压气源Ⅰ1、过滤器Ⅰ2、减压阀Ⅰ3、球阀Ⅰ4、流量控制器Ⅰ5、球阀Ⅱ6依次连接，气体燃料高压气源Ⅱ7、过滤器Ⅱ8、减压阀Ⅱ9、球阀Ⅲ10、流量控制器Ⅱ11、球阀Ⅳ12依次连接，气体燃料高压气源Ⅲ13、过滤器Ⅲ14、减压阀Ⅲ15、球阀Ⅴ16、流量控制器Ⅲ17、球阀Ⅵ18依次连接，球阀Ⅱ6、球阀Ⅳ12、球阀Ⅵ18分别与四通Ⅰ19连接，四通Ⅰ19、球阀Ⅶ20、三通Ⅰ21、流量控制器Ⅳ23、球阀Ⅷ24依次连接，高压空气泵22与三通Ⅰ21连接，球阀Ⅷ24与燃料蒸发混合腔35连接，电热丝Ⅰ37安装于燃料蒸发混合腔35内部，交流电源Ⅰ26通过连续可调变压器Ⅰ25与电热丝Ⅰ37连接，电机Ⅰ33与搅拌器Ⅰ32连接，搅拌器Ⅰ32安装于燃料蒸发混合腔35内部，液体燃料储存罐27、过滤器Ⅳ28、液体燃料泵29、喷油器30、燃料蒸发混合腔35依次连接，限压阀Ⅰ31、温度传感器Ⅰ34、压力传感器Ⅰ36安装于燃料蒸发混合腔35上，燃料蒸发混合腔35、球阀Ⅸ38、过滤器Ⅴ39、真空泵Ⅰ40依次连接，燃料蒸发混合腔35、球阀Ⅹ41、过滤器Ⅵ42、流量控制器Ⅴ43依次连接；流量控制器Ⅴ43、过滤器Ⅶ44、四通Ⅱ45依次连接；空气供给系统中空气高压气源70、减压阀Ⅴ71、过滤器Ⅺ72、球阀XVI73、流量控制器Ⅶ74、四通Ⅱ45依次连接；空气供给系统中稀释气体高压气源50、减压阀Ⅳ49、过滤器Ⅷ48、球阀Ⅺ47、流量控制器Ⅵ46、四通Ⅱ45依次连接；混合气预热及混合系统中球阀Ⅻ51分别与四通Ⅱ45、混合气混合腔55连接，温度传感器Ⅱ52、压力传感器Ⅱ54、限压阀Ⅱ59分别安装于混合气混合腔55上，混合气混合腔55、球阀组成XIII56、过滤器Ⅸ57、真空泵Ⅱ58、限压阀Ⅱ59依次连接，搅拌器Ⅱ60安装于混合气混合腔55内部，电机Ⅱ61与搅拌器Ⅱ60连接，电热丝Ⅱ53安装于混合气混合腔55内部，交流电源Ⅱ62通过连续可调变压器Ⅱ63与电热丝Ⅱ53连接，蓄电池Ⅰ66、点火线圈Ⅰ65、电极Ⅰ64、混合气混合腔55依次连接，混合气混合腔55、球阀XIV67、四通Ⅲ75依次连接；空气高压气源70、过滤器Ⅹ69、球阀XV68、四通Ⅲ75、球阀XVII76、过滤器Ⅻ77、真空泵Ⅲ78依次连接；燃烧室及排气采样系统中球阀XVIII79分别与四通Ⅲ75、燃烧室86连接，压力传感器Ⅲ80、温度传感器Ⅲ85、限压阀Ⅲ87分别与燃烧室86连接，搅拌器Ⅲ88安装于燃烧室86内部，电机Ⅲ89与搅拌器Ⅲ88连接，电热丝Ⅲ81安装于燃烧室86内部，交流电源Ⅲ90通过连续可调变压器Ⅲ91与电热丝Ⅲ81连接，蓄电池Ⅱ94、点火线圈Ⅱ93、电极Ⅱ92、燃烧室86依次连接，燃烧室86、球阀XIX82、过滤器XIII83、真空泵Ⅳ84依次连接，燃烧室86、球阀XX95、三通Ⅱ98依次连接，三通Ⅱ98分别与球阀XXI97、球阀XXII99连接，球阀XXI97与尾气采样检测系统96连接。

附图说明

图1为燃料-空气-稀释气体混合气自燃及点燃着火测试装置

其中：气体燃料高压气源Ⅰ1、过滤器Ⅰ2、减压阀Ⅰ3、球阀Ⅰ4、流量控制器Ⅰ5、球阀Ⅱ6、气体燃料高压气源Ⅱ7、过滤器Ⅱ8、减压阀Ⅱ9、球阀Ⅲ10、流量控制器Ⅱ11、球阀Ⅳ12、气体燃料高压气源Ⅲ13、过滤器Ⅲ14、减压阀Ⅲ15、球阀Ⅴ16、流量控制器Ⅲ17、球阀Ⅵ18、四通Ⅰ19、球阀Ⅶ20、三通Ⅰ21、高压空气泵22、流量控制器Ⅳ23、球阀Ⅷ24、连续可调变压器Ⅰ25、交流电源Ⅰ26、液体燃料储存罐27、过滤器Ⅳ28、液体燃料泵29、喷油器30、限压阀Ⅰ31、搅拌器Ⅰ32、电机Ⅰ33、温度传感器Ⅰ34、燃料蒸发混合腔35、压力传感器Ⅰ36、电热丝Ⅰ37、球阀Ⅸ38、过滤器Ⅴ39、真空泵Ⅰ40、球阀Ⅹ41、过滤器Ⅵ42、流量控制器Ⅴ43、过滤器Ⅶ44、四通Ⅱ45、流量控制器Ⅵ46、球阀Ⅺ47、过滤器Ⅷ48、减压阀Ⅳ49、稀释气体高压气源50、球阀Ⅻ51、温度传感器Ⅱ52、电热丝Ⅱ53、压力传感器Ⅱ54、混合气混合腔55、球阀XIII56、过滤器Ⅸ57、真空泵Ⅱ58、限压阀Ⅱ59、搅拌器Ⅱ60、电机Ⅱ61、交流电源Ⅱ62、连续可调变压器Ⅱ63、电极Ⅰ64、点火线圈Ⅰ65、蓄电池Ⅰ66、球阀XIV67、球阀XV68、过滤器Ⅹ69、空气高压气源70、减压阀Ⅴ71、过滤器Ⅺ72、球阀XVI73、流量控制器Ⅶ74、四通Ⅲ75、球阀XVII76、过滤器Ⅻ77、真空泵Ⅲ78、球阀XVIII79、压力传感器Ⅲ80、电热丝Ⅲ81、球阀XIX82、过滤器XIII83、真空泵Ⅳ84、温度传感器Ⅲ85、燃烧室86、限压阀Ⅲ87、搅拌器Ⅲ88、电机Ⅲ89、交流电源Ⅲ90、连续可调变压器Ⅲ91、电极Ⅱ92、点火线圈Ⅱ93、蓄电池Ⅱ94、球阀XX95、尾气采样检测系统96、球阀XXI97、三通Ⅱ98和球阀XXII99组成；所述燃料-空气-稀释气体混合气自燃及点燃着火测试装置主要由燃料供给系统、空气供给系统、稀释气体供给系统、混合气预热及混合系统、燃烧室及排气采样系统组成；燃料供给系统中气体燃料高压气源Ⅰ1、过滤器Ⅰ2、减压阀Ⅰ3、球阀Ⅰ4、流量控制器Ⅰ5、球阀Ⅱ6依次连接，气体燃料高压气源Ⅱ7、过滤器Ⅱ8、减压阀Ⅱ9、球阀Ⅲ10、流量控制器Ⅱ11、球阀Ⅳ12依次连接，气体燃料高压气源Ⅲ13、过滤器Ⅲ14、减压阀Ⅲ15、球阀Ⅴ16、流量控制器Ⅲ17、球阀Ⅵ18依次连接，球阀Ⅱ6、球阀Ⅳ12、球阀Ⅵ18分别与四通Ⅰ19连接，四通Ⅰ19、球阀Ⅶ20、三通Ⅰ21、流量控制器Ⅳ23、球阀Ⅷ24依次连接，高压空气泵22与三通Ⅰ21连接，球阀Ⅷ24与燃料蒸发混合腔35连接，电热丝Ⅰ37安装于燃料蒸发混合腔35内部，交流电源Ⅰ26通过连续可调变压器Ⅰ25与电热丝Ⅰ37连接，电机Ⅰ33与搅拌器Ⅰ32连接，搅拌器Ⅰ32安装于燃料蒸发混合腔35内部，液体燃料储存罐27、过滤器Ⅳ28、液体燃料泵29、喷油器30、燃料蒸发混合腔35依次连接，限压阀Ⅰ31、温度传感器Ⅰ34、压力传感器Ⅰ36安装于燃料蒸发混合腔35上，燃料蒸发混合腔35、球阀Ⅸ38、过滤器Ⅴ39、真空泵Ⅰ40依次连接，燃料蒸发混合腔35、球阀Ⅹ41、过滤器Ⅵ42、流量控制器Ⅴ43依次连接；流量控制器Ⅴ43、过滤器Ⅶ44、四通Ⅱ45依次连接；空气供给系统中空气高压气源70、减压阀Ⅴ71、过滤器Ⅺ72、球阀XVI73、流量控制器Ⅶ74、四通Ⅱ45依次连接；空气供给系统中稀释气体高压气源50、减压阀Ⅳ49、过滤器Ⅷ48、球阀Ⅺ47、流量控制器Ⅵ46、四通Ⅱ45依次连接；混合气预热及混合系统中球阀Ⅻ51分别与四通Ⅱ45、混合气混合腔55连接，温度传感器Ⅱ52、压力传感器Ⅱ54、限压阀Ⅱ59分别安装于混合气混合腔55上，混合气混合腔55、球阀组成XIII56、过滤器Ⅸ57、真空泵Ⅱ58、限压阀Ⅱ59依次连接，搅拌器Ⅱ60安装于混合气混合腔55内部，电机Ⅱ61与搅拌器Ⅱ60连接，电热丝Ⅱ53安装于混合气混合腔55内部，交流电源Ⅱ62通过连续可调变压器Ⅱ63与电热丝Ⅱ53连接，蓄电池Ⅰ66、点火线圈Ⅰ65、电极Ⅰ64、混合气混合腔55依次连接，混合气混合腔55、球阀XIV67、四通Ⅲ75依次连接；空气高压气源70、过滤器Ⅹ69、球阀XV68、四通Ⅲ75、球阀XVII76、过滤器Ⅻ77、真空泵Ⅲ78依次连接；燃烧室及排气采样系统中球阀XVIII79分别与四通Ⅲ75、燃烧室86连接，压力传感器Ⅲ80、温度传感器Ⅲ85、限压阀Ⅲ87分别与燃烧室86连接，搅拌器Ⅲ88安装于燃烧室86内部，电机Ⅲ89与搅拌器Ⅲ88连接，电热丝Ⅲ81安装于燃烧室86内部，交流电源Ⅲ90通过连续可调变压器Ⅲ91与电热丝Ⅲ81连接，蓄电池Ⅱ94、点火线圈Ⅱ93、电极Ⅱ92、燃烧室86依次连接，燃烧室86、球阀XIX82、过滤器XIII83、真空泵Ⅳ84依次连接，燃烧室86、球阀XX95、三通Ⅱ98依次连接，三通Ⅱ98分别与球阀XXI97、球阀XXII99连接，球阀XXI97与尾气采样检测系统96连接。

具体实施方式

以下结合附图1对本发明技术方案作进一步详细阐述：

实施例：测定正庚烷+甲烷-空气-氩气三组分混合气在20bar下的自燃温度，正庚烷、甲烷、空气和氩气的摩尔分数分别为A％、B％、C％和D％。

燃料为正庚烷-甲烷双燃料，分别是液态和气态燃料，因为只有甲烷一种气态燃料，只需要用到一条气态燃料供给管路(第一条气态燃料供给管路：气体燃料高压气源Ⅰ1、过滤器Ⅰ2、减压阀Ⅰ3、球阀Ⅰ4、流量控制器Ⅰ5、球阀Ⅱ6)，另外两条气态燃料供给管路不需要使用(第二条气态燃料供给管路：气体燃料高压气源Ⅱ7、过滤器Ⅱ8、减压阀Ⅱ9、球阀Ⅲ10、流量控制器Ⅱ11、球阀Ⅳ12；第三条气态燃料供给管路：气体燃料高压气源Ⅲ13、过滤器Ⅲ14、减压阀Ⅲ15、球阀Ⅴ16、流量控制器Ⅲ17、球阀Ⅵ18)。气体燃料高压气源Ⅰ1储存甲烷燃料，打开球阀Ⅰ4、流量控制器Ⅰ5和球阀Ⅱ6，甲烷燃料流经过滤器Ⅰ2、减压阀Ⅰ3、球阀Ⅰ4、流量控制器Ⅰ5、球阀Ⅱ6进入四通Ⅰ19，当甲烷流过流量控制器Ⅰ5达到需求的流量后关闭球阀Ⅰ4、流量控制器Ⅰ5和球阀Ⅱ6。燃料进入燃料蒸发混合腔35前，打开球阀Ⅸ38，通过真空泵Ⅰ40将燃料蒸发混合腔35抽真空，保证燃料精确供给。打开球阀Ⅶ20、流量控制器Ⅳ23和球阀Ⅷ24，甲烷经球阀Ⅶ20、三通Ⅰ21、流量控制器Ⅳ23、球阀Ⅷ24流进燃料蒸发混合腔35。储存在液体燃料储存罐27内的正庚烷经过滤器Ⅳ28、液体燃料泵29、喷油器30定量喷射到燃料蒸发混合腔35内，此时关闭球阀Ⅷ24和球阀Ⅹ41，则燃料蒸发混合腔35内构成一个闭口系统。通过调节连续可调变压器Ⅰ25使电热丝Ⅰ37一定的功率对混合气进行预热，目的是使喷射到燃料蒸发混合腔35内的正庚烷小液滴蒸发汽化，加热混合气至温度110℃略高于正庚烷沸点温度98℃即可。通过电机Ⅰ33启动搅拌器Ⅰ32，对燃料混合气进行强制混合，搅拌时间约为5分钟，然后关闭电机Ⅰ33，停止搅拌。同时关闭球阀Ⅻ51、球阀XV68、球阀XX95，打开球阀XIII56、球阀XIV67、球阀XVII76、球阀XVIII79、球阀XIX82，利用真空泵Ⅰ40、真空泵Ⅲ78和真空泵Ⅳ84将燃烧室86、混合气混合腔55抽真空，保证燃料、空气、稀释气体定量供给。抽真空后关闭真空泵Ⅲ78和真空泵Ⅳ84，关闭球阀Ⅻ51、球阀XIII56、球阀XV68、球阀XX95、球阀XIV67、球阀XVII76、球阀XVIII79、球阀XIX82。打开球阀Ⅹ41和球阀Ⅻ51，燃料混合气经球阀Ⅹ41、过滤器Ⅵ42、流量控制器Ⅴ43、过滤器Ⅶ44、四通Ⅱ45、球阀Ⅻ51进入混合气混合腔55，空气经过空气高压气源70、减压阀Ⅴ71、过滤器Ⅺ72、球阀XVI73、流量控制器Ⅶ74、四通Ⅱ45、球阀Ⅻ51进入混合气混合腔55，空气流量通过流量控制器Ⅶ74精确控制。氩气经稀释气体高压气源50、减压阀Ⅳ49、过滤器Ⅷ48、球阀Ⅺ47、流量控制器Ⅵ46、四通Ⅱ45、球阀Ⅻ51进入混合气混合腔55，氩气流量通过流量控制器Ⅵ46精确控制。燃料、空气、稀释气体定量供给进入混合气混合腔55后保持球阀Ⅻ51、球阀XIII56和球阀XIV67使混合气混合腔55成为闭口系统。通过调节连续可调变压器Ⅱ63使电热丝Ⅱ53以一定的功率对燃料-空气-稀释气体混合气进行预热，使混合气温度达到140℃，因为正庚烷和甲烷的自燃温度都远高于140℃，所以混合气不会在混合气混合腔55内自燃。通过电机Ⅱ61启动搅拌器Ⅱ60，使混合气混合腔55内的混合气浓度和温度均匀，然后关闭电机Ⅱ61停止搅拌。打开球阀XIV67、球阀XVIII79，混合气进入燃烧室86。然后关闭球阀XVIII79、球阀XIX82、球阀XX95使燃烧室86构成闭口系统，通过电机Ⅲ89启动搅拌器Ⅲ88，对燃烧室86内的混合气进行充分混合，然后停止关闭电机Ⅲ89停止搅拌。通过调节连续可调变压器Ⅲ91使电热丝Ⅲ81对混合气加热，直到混合气发生自燃，混合气自燃可通过压力传感器Ⅲ80、温度传感器Ⅲ85采集的压力、温度信号进行判断，同时记录该压力下混合气的自燃温度。混合气自燃后的一部分排气可通过球阀XX95、三通Ⅱ98、球阀XXI97进入尾气采样检测系统96，测得燃烧效率、CO、HC、NO_x、碳烟排放等。另一部分排气可通过球阀XX95、、三通Ⅱ98和球阀XXII99排出。

本装置同样适用于测量燃料的点燃着火特性，只需保证混合气未发生自燃的条件下，通过电极Ⅱ92点燃燃烧室86内的混合气即可，电极Ⅱ92的电能由蓄电池Ⅱ94、点火线圈Ⅱ93提供。当对混合气浓度、温度均匀性要求较低的条件下，混合气混合腔55同样可以起燃烧室的作用，因此混合气混合腔55同样配置电极Ⅰ64、点火线圈Ⅰ65、蓄电池Ⅰ66等点火装置。

本发明中利用燃料供给系统、空气供给系统和稀释气体供给系统实现燃料-空气-稀释气体三组分混合气制备的有益效果，同时可实现多种燃料(如甲烷-正庚烷的气液双燃料、甲烷-丙烷-正庚烷的气气液三燃料等)供给；同理加装稀释气体供给系统后同样能实现稀释气体混合气(如氩气-氮气、氩气-氦气、氮气-二氧化碳等)的制备。同样的，只需取消稀释气体供给就可实现燃料-空气二组分混合气供给。本发明可通过加热圈将混合气加热至自燃温度研究混合气的自燃着火特性；也可以通过电极向混合气注入外部能量研究混合气点燃着火特性，因此本发明取得无需外加设备就可以研究混合气自燃着火和点燃着火特性有益效果。通过配置搅拌器可以取得混合气浓度场-温度场较为均匀的有益效果。

以上所述本发明的实施方式,并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神原则之内所作出的修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。