式为:乙炔气罐I与压力控制阀I 4通过不锈钢管路连接，压力控制阀I 4用于乙炔气路压力调节，控制乙炔流量，压力控制阀I 4出口端连接电磁阀I，电磁阀I用于控制整个回路的开闭状态；50%氧气+50%氮气气罐2与压力控制阀II 5通过不锈钢管路连接，压力控制阀II 5用于50%氧气+50%氮气气路压力调节、控制50%氧气+50%氮气流量；压力控制阀
II5出口端连接电磁阀IV 23，电磁阀IV 23用于控制整个回路的开闭状态；压缩空气气罐3与压力控制阀III6通过不锈钢管路连接，压力控制阀III6用于压缩空气气路压力调节，控制压缩空气流量，压力控制阀III 6出口端连接电磁阀III 9，电磁阀III 9用于控制整个回路的开闭状态；通过控制以上三个回路的压力控制阀和电磁阀，达到定量配比预混合气的目的。
[0062]预混合气经上述预混合气形成装置进行配比前，需关闭球阀II 12、球阀III 15、球阀VI 21，开启球阀IV 17、球阀V 20，使用真空泵II 19抽取定容燃烧器22、预混合气活塞腔26和管路中的气体，并使气动活塞18达到最右端；完成以上操作后，关闭球阀IV 17、球阀
V20。
[0063]在完成以上操作后，关闭球阀I 11、球阀IV 17，开启球阀II 12，将电磁阀I 7、电磁阀II 8和电磁阀III 9通电，开启电磁阀III 9，并根据计算所需的气体量调节压力控制阀I 4出口压力、压力控制阀II 5出口压力和压力控制阀III6出口压力，实现定量配比各气体；以上三种气体经不锈钢管路进入预混合气活塞腔26内。
[0064]通过以上步骤，预混合气在压力的作用下被压入预混合气活塞腔26内，形成预混合气，并通过压力变送器13测量双作用气缸14内的预混合气的压力；在预混合气达到目标压力后，关闭电磁阀I 7、电磁阀II 8、电磁阀III 9和球阀II 12。
[0065]为将预混合气通入定容燃烧器22内，需将球阀IV 17开启，关闭球阀VI 21 ;同时开启电磁阀IV 23和压力控制阀IV 24，
[0066]高压氮气经不锈钢管路进入双作用气缸14的高压氮气室27 ;气动活塞18在高压氮气的作用下，推动预混合气活塞腔内的预混合气经球阀IV 17进入定容燃烧器22 ;在预混合气完全压入定容燃烧器22内后关闭球阀IV 17。
[0067]通过以上操作，预混合气顺利形成并被压入定容燃烧器22中；在火花塞点火后，预混合气实现燃烧；如图3所示，燃烧室内压力迅速升高，并在完成燃烧后，压力逐渐降低；由于缸壁传热，缸内混合气温度、压力相对缓慢降低，直至达到预先设定的燃烧初始边界条件，触发喷油器开始喷油，继而雾化、燃烧。
[0068]上述预混合气气体成分配比具体方法如下:
[0069]以模拟柴油机常规工况缸内环境为例(密度14.8kg/m3，氧浓度21 %，环境温度800K?1200K)，介绍预混合气成分计算过程。设定乙炔气体完全燃烧，定容燃烧器22内燃烧过程如下:
[0070]4C2H2+X02+YN2— 8CO 2+4H20+YN2+ (X-10) O2
[0071]燃烧后燃烧室内氧浓度为21%= (X-10)/(8+4+Y+X-10)(设定预混合气完全燃烧，缸内氧摩尔含量为21% )
[0072]4+X+Y = 100 (为计算方便设定通入缸内预混合气总摩尔数10mol)
[0073]解得:X= 30.58，Y = 65.42
[0074]预混合气的氧气和氮气分别由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:
[0075]0.5M+0.209N = 30.58
[0076]0.5M+0.79 IN = 65.42
[0077]得M = 36.14，N = 59.86 ;即乙炔气体摩尔分数4%，50%氧气+50%氮气的混合气摩尔分数36.14%，压缩空气摩尔分数59.86%。
[0078]由于进气系统为压力控制流量，且三种混合气体依次通入气动活塞18，均匀混合后一次性压入定容燃烧器22中，因此需要计算三种气罐的出口压力。由于设定乙炔预混合燃烧后缸内密度为14.8kg/m3，已知定容燃烧器22容积和缸内温度(378K)条件下，根据理想气体状态方程计算得到预混气体在定容燃烧器22内的压力12.56bar。已知气动活塞18容积和预混合气活塞腔26内温度(293K)条件下，计算得到预混气体在气动活塞18内的压力8.31bar。以上已计算三种混合气体的摩尔分数，因此计算得到三种气体出口压力分别为:乙炔气0.349bar，50%氧气+50%氮气的混合气3.504bar，压缩空气8.31bar。压力控制阀门1、2、3根据以上数据控制三种气体出口压力，依次通入气动活塞18。通过以上方法即达到控制预混合气成分配比的目的，且可根据实际需求并按照以上方法计算相应的乙炔气、50%氧气+50%氮气、压缩空气的出口压力。
【主权项】
1.一种定容燃烧器燃烧初始条件控制系统，由乙炔气气罐(I)、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I⑵、电磁阀II⑶、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III (15)、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，其特征在于其中乙炔气气罐(I)经压力控制阀I (4)与电磁阀I (7)的入口端连接；50%氧气+50%氮气气罐⑵经压力控制阀II (5)与电磁阀II⑶的入口端连接；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；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);电磁阀I (7)的出口端、电磁阀II⑶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；电磁阀I (7)的出口端、电磁阀II⑶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；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);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；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；定容燃烧器(22)的出口与球阀V (20)之间设有溢流阀(16);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；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。2.按权利要求1所述的定容燃烧器燃烧初始条件控制系统，其特征在于所述的压力控制阀IV (24)、压力控制阀I (4)、压力控制阀III (6)、压力控制阀III (6)为比例压力流量控制阀。3.一种定容燃烧器燃烧初始条件控制方法，其特征在于包括下列步骤: 3.1将乙炔气、50%氧气+50%氮气和压缩空气作为控制对象； 3.2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: 3.2.1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 ； 3.2.2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 ； 设定乙炔气完全燃烧，定容燃烧器(14)内燃烧过程为:4C2H2+X02+YN2— 8C0 2+4H20+YN2+ (X-1O) O2; 燃烧后定容燃烧器(14)内氧浓度为21%=(父-10)/(8+4+￥+父-10)，且4+父+￥ = 100 ；解得:X = 30.58mol，Y = 65.42mol，即 02摩尔数为 30.58mol，1摩尔数为 65.42mol，C2H2摩尔数为4mol ； 3.2.3确定乙炔气、50%氧气+50%氮气和压缩空气的摩尔分数: 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: 0.5M+0.209N = 30.58 ； 0.5M+0.791N = 65.42 ； 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QH2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% ； 3.2.4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: 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3.2.3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:8.31bar ； 3.2.5根据3.2.4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； 3.3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)。
【专利摘要】定容燃烧器燃烧初始条件控制系统和方法属发动机技术领域，系统中乙炔气罐经压力控制阀Ⅰ与电磁阀Ⅰ连接，50％氧+50％氮气罐经压力控制阀Ⅱ与电磁阀Ⅱ连接，压缩空气罐经压力控制阀Ⅲ与电磁阀Ⅲ连接，三个电磁阀出口端一路经球阀Ⅱ与预混合气活塞腔连接，三个电磁阀出口端另一路经球阀Ⅰ与真空泵Ⅰ连接，预混合气活塞腔与球阀Ⅱ之间设有压力变送器，定容燃烧器入口经球阀Ⅱ与压力变送器连接，定容燃烧器出口经球阀Ⅴ与真空泵Ⅱ连接，氮气气罐经压力控制阀Ⅳ与电磁阀Ⅳ连接，电磁阀Ⅳ出口端与高压氮气室连接；通过本发明的系统，能实现预燃混合气成分配比和预混合气输运，主动改变定容燃烧器内温度、压力、密度和气体成分，达到控制燃烧初始条件的目的。
【IPC分类】G05D27/02
【公开号】CN104881068
【申请号】CN201510313915
【发明人】刘宇, 李君 , 乔世杰, 徐潘龙, 王亚
【申请人】吉林大学
【公开日】2015年9月2日
【申请日】2015年6月9日