定容燃烧器燃烧初始条件控制系统和方法
【技术领域】
[0001]本发明属于发动机技术领域，具体涉及一种通过控制预混合气体的成分配比，来实现定容燃烧器内燃烧压力、温度和组分可控的系统和方法。
【背景技术】
[0002]发动机的本质是燃料在燃烧室内的燃烧，利用热工转换的作用将燃料的化学能转化为机械能。所以燃料在内燃机内的燃烧过程将决定热工转换效率，并影响污染物排放。目前国内外对内燃机燃烧过程的研宄主要为仿真研宄、台架试验研宄。但是其并不能直观的观察燃料在燃烧室内的燃烧过程，这种缺陷限制了内燃机燃烧机理的研宄。
[0003]作为一种新兴的技术手段，定容燃烧器能够利用其密闭的可视结构并运用高速摄像机，实现燃料燃烧过程的可视化研宄。定容燃烧器能够模拟不同环境，不同喷油量及喷油时刻的燃烧情况，掌握燃烧室内火核生成、火焰传播、碳烟等污染物的生成过程。其作为发动机技术开发的重要工具，能大幅提高发动机开发效率。
[0004]定容燃烧器是一种用于模拟发动机燃烧室内燃烧过程的试验装置。它的主要作用是利用其结构特点实现对活塞处于上止点时的燃料燃烧过程的可视化。利用定容燃烧器的结构及相关附件控制包括点火能量、点火正时、喷油量、喷油时刻、喷油脉宽、燃烧初始压力、温度及组分等各种参数。改变以上参数将得到不同的燃烧过程，通过高速摄像机及可视化的燃烧器结构能够实现燃烧过程的记录，得到包括油束喷射过程、火核发展、火焰传播、碳烟等污染物的生成过程的相关结果。此外，定容燃烧器还可用于不同燃料燃烧过程的研宄，常用的燃料有柴油、汽油、乙醇、天然气等各种替代燃料。
[0005]因定容燃烧器仅能模拟混合气燃烧的瞬间，而燃料燃烧的初始条件需要通过外部附加设备来实现。所以设计研宄一种控制系统来实现定容燃烧器燃烧初始条件的控制十分必要。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是实现定容燃烧器燃烧初始条件的可控。本发明设计一套装置来调节预燃混合气的成分，实现可变缸内密度、温度、氧浓度等实验条件，模拟发动机不同工况下的缸内燃烧情况。
[0007]本发明的定容燃烧器燃烧初始条件控制系统，由乙炔气气罐1、50%氧气+50%氮气气罐2、压缩空气气罐3、压力控制阀I 4、压力控制阀II 5、压力控制阀III 6、电磁阀I 7、电磁阀II 8、电磁阀III 9、真空泵I 10球阀I 11、球阀II 12、压力变送器13、双作用气缸14、球阀III15、溢流阀16、球阀IV 17、气动活塞18、真空泵II 19、球阀V 20、球阀VI 21、定容燃烧器22、电磁阀IV 23、压力控制阀IV 24、氮气气罐25组成，其中乙炔气气罐I经压力控制阀
I4与电磁阀I 7的入口端连接；50%氧气+50%氮气气罐2经压力控制阀II 5与电磁阀
II8的入口端连接。
[0008]压缩空气气罐3的出口端经压力控制阀III 6与电磁阀III 9的入口端连接。
[0009]双作用气缸14内部由气动活塞18隔绝，形成高压氮气室27和预混合气活塞腔
26 ο
[0010]电磁阀I 7的出口端、电磁阀II 8的出口端和电磁阀III 9的出口端一路共同经管路和球阀II 12与双作用气缸14的预混合气活塞腔26连接。
[0011 ] 电磁阀I 7的出口端、电磁阀II 8的出口端和电磁阀III 9的出口端另一路共同经管路和球阀I 11与真空泵I 10连接。
[0012]双作用气缸14的预混合气活塞腔26与球阀II 12之间设有压力变送器13。
[0013]定容燃烧器22的入口经管路和球阀IV 17与压力变送器13连接。
[0014]定容燃烧器22的出口经管路和球阀V 20与真空泵II 19连接。
[0015]定容燃烧器22的出口与球阀V 20之间设有溢流阀16。
[0016]氮气气罐25出口端经压力控制阀IV 24和电磁阀IV 23与双作用气缸14的高压氮气室27连接。
[0017]电磁阀IV 23和双作用气缸14的高压氮气室27之间的管路中，还串接有球阀VI 21和真空泵II 19 ;球阀III 15，球阀V 20和球阀VI 21通过四通管路与真空泵II 19连接。
[0018]所述的压力控制阀IV24、压力控制阀I 4、压力控制阀1116、压力控制阀ΙΙΙ6为比例压力流量控制阀。
[0019]本发明的定容燃烧器燃烧初始条件控制方法，包括下列步骤:
[0020]1.将乙炔气、50%氧气+50%氮气和压缩空气作为控制对象；
[0021]2.计算乙炔气、50%氧气+50%氮气和压缩空气的配比，具体包括下列步骤:
[0022]2.1确定模拟环境:氧浓度为21 %，混合气密度为14.8kg/m3，环境温度为:800K?1200Κ ；
[0023]2.2确定乙炔气、50%氧气+50%氮气和压缩空气的比例，设定通入缸内预混合气总摩尔数为10mol ；
[0024]设定乙炔气完全燃烧，定容燃烧器14内燃烧过程为:
[0025]4C2H2+X02+YN28C02+4H20+YN2+ (X-10) O2;
[0026]燃烧后定容燃烧器14内氧浓度为21 % = (X-10) / (8+4+Y+X-10)，且4+X+Y = 100 ；
[0027]解得:X= 30.58mol，Y = 65.42mol，即 02摩尔数为 30.58mol，N 2摩尔数为65.42mol，C2H2摩尔数为 4mol ；
[0028]2.3确定乙炔气、50%氧气+50%氮气和压缩空气的摩尔分数:
[0029]预混合气中的02和N2分别由50%氧气+50%氮气气罐2和压缩空气气罐3提供，设定两种气体摩尔数分别为M、N:
[0030]0.5M+0.209N = 30.58 ；
[0031]0.5M+0.791N = 65.42 ；
[0032]解得M = 36.14,N = 59.86，即得到C2H2摩尔数为4mol ;50%氧气+50%氮气的混合气摩尔数为36.14mol ;压缩空气摩尔数为59.86mol，确定C2H2摩尔分数为4%;50%氧气+50%氮气的混合气摩尔分数为36.14% ;压缩空气摩尔分数为59.86% ；
[0033]2.4确定乙炔气气罐1、50 %氧气+50 %氮气气罐2和压缩空气气罐3的出口压力:
[0034]设定乙炔预混合燃烧后定容燃烧器内密度为14.8kg/m3、定容燃烧器14的容积为已知、缸内温度为378K，根据理想气体状态方程，计算得到预混气体在定容燃烧器14内的压力为12.56bar ;气动活塞18的容积为已知、活塞腔内温度为293K，根据理想气体状态方程，计算得到预混气体在气压活塞内的压力为8.31bar。由2.3步骤所得乙炔气、50%氧气+50 %氮气和压缩空气的摩尔分数，计算得到乙炔气的出口压力为:0.349bar，50 %氧气+50%氮气的混合气的出口压力为:3.504bar，压缩空气的出口压力为:8.3Ibar ；
[0035]2.5根据2.4步骤所得的乙炔气的出口压力、50 %氧气+50 %氮气的混合气的出口压力、压缩空气的出口压力，控制乙炔气罐压力控制阀、50%氧气+50%氮气气罐压力控制阀、压缩空气罐压力控制阀，依次通入气动活塞18，在预混合气活塞腔26形成混合气；
[0036]3.将混合气喷入定容燃烧器22:关闭球阀VI 21，打开电磁阀IV 23，通过压力控制阀IV 24控制氮气气罐25出口压力，将高压氮气喷入高压氮气室27 ;气动活塞18在高压氮气的作用下，推动预混合气活塞腔26中的混合气，经球阀IV 17喷入定容燃烧器22。
[0037]本发明通过使用乙炔气罐、50%氧气+50%氮气气罐、压缩空气气罐及其回路，向预混合气活塞腔内喷射一定量的气体，形成目标混合气，并在50%氧气+50%氮气气罐及其回路形成的高压下推动双作用气缸内的气动活塞，将预混合气经进气管路推入定容燃烧器中。本发明能主动改变定容燃烧器内的温度、压力、密度和气体成分，达到控制燃烧初始条件的目的。
【附图说明】
[0038]图1为定容燃烧器燃烧初始条件控制系统的结构示意图
[0039]图2为高压氮气室27和预混合气活塞腔26的位置示意图
[0040]图3为燃烧器内预混合气燃烧过程压力变化图
[0041]其中:1.乙炔气罐2.50%氧气+50%氮气气罐3.压缩空气气罐4.乙炔气罐压力控制阀5.50%氧气+50%氮气气罐压力控制阀6.压缩空气气罐压力控制阀7.乙炔回路电磁阀8.50%氧气+50%氮气回路电磁阀9.压缩空气回路电磁阀10.真空泵I
11.球阀I 12.球阀II 13.压力变送器14.双作用气缸15.球阀III 16.溢流阀17.球阀
IV18.气动活塞19.真空泵II 20.球阀V 21.球阀VI 22.定容燃烧器23.氮气回路电磁阀24.氮气气罐压力控制阀25.氮气罐26.预混合气活塞腔27.高压氮气室
【具体实施方式】
[0042]下面结合附图进一步说明定容燃烧器燃烧初始条件控制系统的结构及工作原理。
[0043]本发明中乙炔气气罐I经压力控制阀I 4与电磁阀I 7的入口端连接。
[0044]50%氧气+50%氮气气罐2经压力控制阀II 5与电磁阀II 8的入口端连接。
[0045]压缩空气气罐3的出口端经压力控制阀III 6与电磁阀III 9的入口端连接。
[0046]双作用气缸14内部由气动活塞18隔绝，形成高压氮气室27和预混合气活塞腔
26 ο
[0047]电磁阀I 7的出口端、电磁阀II 8的出口端和电磁阀III 9的出口端一路共同经管路和球阀II 12与双作用气缸14的预混合气活塞腔26连接。
[0048]电磁阀I 7的出口端、电磁阀II 8的出口端和电磁阀III 9的出口端另一路共同经管路和球阀I 11与真空泵I 10连接。
[0049]双作用气缸14的预混合气活塞腔26与球阀II 12之间设有压力变送器13。
[0050]定容燃烧器22的入口经管路和球阀IV 17与压力变送器13连接。
[0051]定容燃烧器22的出口经管路和球阀V 20与真空泵II 19连接。
[0052]定容燃烧器22的出口与球阀V 20之间设有溢流阀16。
[0053]氮气气罐25出口端经压力控制阀IV 24和电磁阀IV 23与双作用气缸14的高压氮气室27连接。
[0054]电磁阀IV 23和双作用气缸14的高压氮气室27之间的管路中，还串接有球阀VI 21和真空泵II 19。
[0055]球阀III 15、球阀V 20和球阀VI 21通过四通管路与真空泵II 19连接。
[0056]所述的压力控制阀IV24、压力控制阀I 4、压力控制阀1116、压力控制阀III6为比例压力流量控制阀。
[0057]所述的双作用气缸14内径为100mm，行程为100mm。
[0058]所述的各电磁阀的工作方式为通电开启、断电关闭，压力允许范围为0-1.6MPa。
[0059]所述的压力变送器13的压力测量范围为0_5MPa，球阀IV 17为不锈钢球阀。
[0060]所述的溢流阀16阀值压力为20MPa。
[0061]预混合气由乙炔气、50%氧气+50%氮气和压缩空气混合而成；具体布置方