一种定容‑定压混合燃烧模拟实验装置及其控制方法与流程

本发明涉及发动后家技术领域，具体为一种定容-定压混合燃烧模拟实验装置及其控制方法。

背景技术：

节能减排成为当今社会的主题，合理的组织发动机的燃烧状况，对实现燃烧控制，提高发动动力性、经济性和改善排放有着十分重要的意义。由于发动机的实际喷射雾化、扩散、蒸发、燃烧、传热等过程十分复杂，且伴随有循环变动，对环境条件的控制较为困难，且不易开展观测研究。因此，内燃机的燃烧研究大多在定容燃烧弹可视化模拟实验装置上进行。目前内燃机主要有定容燃烧、定压燃烧和定容-定压混合燃烧三大理论燃烧组织方式。定容燃烧热效率最高，定压燃烧热效率最低，但是当缸内的压力达到其机械结构的最大限值时按定压燃烧组织其热效率最高。因此，兼具高的热效率和可实现性的定容-定压混合燃烧的方案被广泛关注，但是目前还没有具体的可视化模拟实验装置对相关的燃烧过程进行模拟实验。

技术实现要素：

基于上述原因，本发明的目的在于提供一种便于对内燃机的定容-定压混合燃烧过程进行相关的研究的定容-定压混合燃烧模拟实验装置及其控制方法。技术方案如下：

一种点燃式定容-定压混合燃烧模拟实验装置，包括筒状的燃烧室壁，燃烧室壁顶部设有上端盖，底部设有下端盖，中部设置有恒压活塞；上端盖上设有进气管、排气管、压力传感器和火花塞，下端盖上设有恒压进气管和溢气管；恒压活塞将燃烧室壁内部的空间分为上部的燃烧室和下部的恒压室，其上方设置有固定于燃烧室壁内侧壁上的挡圈，下方固定设置有位置传感器；还包括控制实验装置运行ECU，压力传感器、火花塞和位置传感器，以及设置在进气管上的进气阀、设置在排气管上的排气阀、设置在恒压进气管上的恒压进气阀和设置在溢气管上的限压阀均连接到ECU。

进一步的，将所述火花塞替换为喷油器构成压燃式定容-定压混合燃烧模拟实验装置。

更进一步的，所述燃烧室壁的外侧设有加热层，加热层外侧设有保温层。

更进一步的，所述上端盖处设有上端盖密封垫，下端盖处设有下端盖密封垫，恒压活塞外设有恒压活塞密封圈。

一种点燃式定容-定压混合燃烧模拟实验装置的控制方法，包括步骤：

1)打开恒压进气阀，向恒压室内充入保压气体，使恒压室内气压不断上升；

2)当恒压活塞在保压气体的推动下上升直至挡圈处时，将燃烧室的初始体积记作V₁；

3)当恒压室气体压力达到设定的限压值P_限后，打开限压阀，使恒压室内的气压值保持在恒定的P_限；

4)打开进气阀，将可燃混合气充入燃烧室；

5)充气完毕后关闭进气阀，利用火花塞点燃燃烧室中的可燃混合气，开始以体积V₁进行定容燃烧；

6)当压力传感器测得燃烧室内的压力P上升至P＞P_限时，关闭恒压进气阀停止向恒压室中充气，并打开限压阀，使恒压活塞下移，开始进行定压燃烧；

7)通过位置传感器测量恒压活塞的从挡圈处的下移距离ΔS，并计算燃烧室的当前体积V；

8)燃烧完成后，打开进气阀充入新鲜空气，并打开排气阀排出废气。

一种压燃式定容-定压混合燃烧模拟实验装置的控制方法，包括步骤：

1)打开恒压进气阀，向恒压室内充入保压气体，使恒压室内气压不断上升；

2)当恒压活塞在保压气体的推动下上升直至挡圈处时，将燃烧室的初始体积记作V₁；

3)当恒压室气体压力达到设定的限压值P_限后，打开限压阀，使恒压室内的气压值保持在恒定的P_限；

4)打开进气阀，将可新鲜空气充入燃烧室；

5)充气完毕后关闭进气阀，利用喷油器喷入燃料，开始以体积V₁进行定容燃烧；

6)当压力传感器测得燃烧室内的压力P上升至P＞P_限时，关闭恒压进气阀停止向恒压室中充气，并打开限压阀，使恒压活塞下移，开始进行定压燃烧；

7)通过位置传感器测量恒压活塞的从挡圈处的下移距离ΔS，并计算燃烧室的当前体积V；

8)燃烧完成后，打开进气阀充入新鲜空气，并打开排气阀排出废气。

本发明的有效效果是：

1)本发明的定容-定压混合燃烧模拟试验装置，可对内燃机的定容-定压混合燃烧过程进行相关的研究；

2)本发明可通过改变限压值来可改变定容燃烧和定压燃烧在整个定容-定压燃烧过程中所占的比例，可针对不同发动机的最高燃烧压力限值所对应的定容-定压混合燃烧过程；

3)本发明可配合可视化设备来研究定容-定压混合燃烧过程中碳烟和NOx等排放物的生成机理和燃烧过程；

4)本发明可以用于研究热力学参数(如：空燃比、温度和压力)、点火参数(如：点火位置、点火能量、点火时刻等)对定容-定压混合燃烧燃烧过程的影响；

5)本发明的可用于对常规燃料、代用燃料的定容-定压混合燃烧燃烧过程进行相关的理论研究。

附图说明

图1为本发明定容-定压混合燃烧模拟实验装置的结构示意图。

图2为本发明定容-定压混合燃烧模拟实验装置控制系统示意图。

图3为利用本发明定容-定压混合燃烧模拟实验装置可获得的P-V图。

图中：1-进气管；2-进气阀；3-压力传感器；4-火花塞；5-端盖螺栓；6-排气阀；7-排气管；8-上端盖；9-上端盖密封垫；10-燃烧室壁；11-加热层；12-保温层；13-恒压室；14-溢气管；15-限压阀；16-恒压进气阀；17-恒压进气管；18-下端盖；19-下端盖密封垫；20-位置传感器；21-恒压活塞；22-恒压活塞密封圈；23-挡圈；24-燃烧室。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。如图1所示：一种点燃式定容-定压混合燃烧模拟实验装置，包括筒状的燃烧室壁10，燃烧室壁10顶部设有上端盖8，底部设有下端盖18，并用端盖连接螺栓5固定；其中部设置有恒压活塞21。上端盖8上设有进气管1、排气管7、压力传感器3和火花塞4，下端盖18上设有恒压进气管17和溢气管14。且进气管1上安装有进气阀2，排气管7上安装有排气阀6；排气管7上安装有排气阀6；恒压进气管17上安装有恒压进气阀16。

其中，花火塞4还可替换为喷油器构成压燃式定容-定压混合燃烧模拟实验装置。

恒压活塞21将燃烧室壁10内部的空间分为上部的燃烧室24和下部的恒压室13，其上方设置有固定于燃烧室壁10内侧壁上的挡圈23，下方固定设置有位置传感器20。

还包括控制实验装置运行ECU，如图2所示，压力传感器3、火花塞4和位置传感器20，以及设置在进气管1上的进气阀2、设置在排气管7上的排气阀6、设置在恒压进气管17上的恒压进气阀16和设置在溢气管14上的限压阀15均连接到ECU。

本实施例的燃烧室壁10的外侧设有加热层11，加热层11外侧设有保温层12。

为了达到足够的密闭效果，本实施例的上端盖8处设有上端盖密封垫9，进气管1、压力传感器3火花塞4和依次穿过上端盖8和上端盖密封垫9与燃烧室24相通；下端盖18处设有下端盖密封垫19，溢气管14和恒压进气管17依次穿过下端盖18和下端盖密封垫19与恒压室13相通；恒压活塞21外设有恒压活塞密封圈22。

本实施例的试验装置通过ECU来控制，具体的控制方法如下：

1)打开恒压进气阀16，向恒压室13内充入保压气体，使恒压室13内气压不断上升；

2)当恒压活塞21在保压气体的推动下上升直至挡圈23处时，将燃烧室24的初始体积记作V₁；

3)当恒压室13气体压力达到设定的限压值P_限后，打开限压阀15，使恒压室13内的气压值保持在恒定的P_限；

4)打开进气阀2，将可燃混合气充入燃烧室24；

5)充气完毕后关闭进气阀2，利用火花塞4点燃燃烧室24中的可燃混合气，开始以体积V₁进行定容燃烧；

6)当压力传感器3测得燃烧室24内的压力P上升至P＞P_限时，关闭恒压进气阀16停止向恒压室13中充气，并打开限压阀15，使恒压活塞21下移，开始进行定压燃烧；

7)通过位置传感器20测量恒压活塞21的从挡圈23处的下移距离ΔS，并计算燃烧室24的当前体积V；V的计算公式为：

其中，D为燃烧室的直径；

8)燃烧完成后，打开进气阀2充入新鲜空气，并打开排气阀6排出废气。

实验过程中，压力传感器3实时测量燃烧室24中的压力，并将信号传给ECU；ECU根据位置传感器20的位移信号，根据上述公式计算出燃烧室24的实时体积V；ECU将燃烧室24的实时体积V和实时压力P一一对应传给显示器；显示器根据燃烧室24的实时体积V和实时压力P即可绘制出燃烧室24内气体燃烧过程的定容-定压混合燃烧的P-V图。定容-定压燃烧的P-V图如图3所示。

若将火花塞替换为喷油器，则上述步骤4)中充入燃烧室24可燃混合气需替换为新鲜空气。且步骤5)中“利用火花塞4点燃燃烧室24中的可燃混合气”则替换为采用喷油器喷入燃料，这样的替换可实现压燃式定容-定压混合燃烧的目的。