专利名称：一种研究发动机燃烧过程的快速压缩膨胀机的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于对发动机燃烧过程进行研究的试验装置，该试验装置可 模拟发动机的压縮、燃烧和膨胀过程，主要用于多种燃料的着火和燃烧特性 研究，属于内燃机领域，具体为内燃机燃烧研究领域。
背景技术：
内燃机的实际燃烧、传热、燃料与空气混合等过程十分复杂，加之常伴 随有循环变动，要获得真实准确的试验过程参数或控制每循环间的燃烧条件 不变是非常困难的，试验结果的可比性不强。因此，利用快速压縮膨胀机来 模拟多种燃料、不同燃烧方式的燃烧过程，结合相关的测试及分析技术，是 对发动机的燃烧过程及燃烧特性进行基础研究的一行之有效的手段。
为了更好地研究发动机的燃烧过程，研究人员提出并开发了各种各样的 模拟试验设备。吉林大学研究开发了一种用于模拟发动机燃烧过程的多功能
燃烧弹，其结构简图见附图5，该燃烧弹主要有动力气缸30、动力活塞组31、 燃烧室32，动力气缸30中供应高压空气，压縮动力活塞组31向燃烧室32 — 端运动，压縮燃烧室32内的燃料空气混合气直至混合气压燃或由火花塞点燃。 该多功能燃烧弹能实现对发动机缸内不同燃料、不同燃烧方式的燃烧过程的 模拟，但是该装置存在动力活塞组运行速度较慢、气体泄漏的问题，这与实 际发动机活塞运动的速度相差较大。
为了开发能够准确、真实地模拟实际发动机的工作过程的试验装置，解 提出了一种研究发动机燃烧过程的快速压縮膨胀机，为了解决提高活塞运动 速度的问题，该试验装置提出了使用现有的两台汽油机发动机缸体，利用两 台发动机内的曲轴、连杆、活塞机构进行传动，两个曲轴间通过齿轮传动进 行动力传输，改变齿轮比可以适当调整活塞压縮混合气的速度，实现活塞快 速运动，能够接近实际发动机活塞的运动速度。同时，驱动活塞上安装了两 道活塞环，可以有效地解决驱动气体泄漏的问题。另一方面，本装置利用现 有的发动机零部件，易于改造。另外，传统快速压縮机在进行测试时通常采 用在气缸盖上装有透明的石英玻璃以便摄影机拍摄燃烧图像。由于气缸盖上
3要布置燃料与空气供给管道、安装传感器及点火装置，这样对气缸盖的结构
强度要求较高；而且，为了实现压縮比可变，有时会配套使用不同的气缸盖
也改变燃烧室的压縮比。本发明采用在活塞顶部布置石英玻璃，从活塞底部 利用光学原理对燃烧室燃烧情况进行拍摄，通过调整石英玻璃的厚度来改变 压縮比，这样可以降低对气缸盖的要求及制造成本。
发明内容
本发明装置的目的是为了对发动机燃烧室内的燃烧过程进行系统的深入 的研究，提出一种能模拟发动机的压縮、燃烧、膨胀过程的试验装置，主要 利用高压气体的压力推动活塞运动，只作一次压縮冲程压縮燃烧室内的气体 使之燃烧，为模拟内燃机的压縮和点火过程提供了一个理想的试验手段。
为了实现上述目的，本快速压縮膨胀机由如下一些机构系统组成，系统 基本组成见附图1。该装置主要由燃烧系统、驱动机构、制动机构、供给系统、 测试系统组成。该试验装置提出了使用两台发动机缸体及其内部的曲轴、连 杆、活塞机构进行传动，两个曲轴间通过齿轮传动进行动力传输的试验方案，
驱动气缸用缸体8、燃烧气缸用缸体4两个缸体都采用卧式布置，其中，驱动 气缸用缸体8位于底层，燃烧气缸用缸体4位于上层。
本发明提供了一种研究发动机燃烧过程的快速压縮膨胀机，包括燃烧系 统、驱动机构、供给系统、制动机构、测试系统，其特征在于，所述的驱动 机构结构如下驱动气缸用缸体8、燃烧气缸用缸体4两个缸体均采用卧式布 置，其中，驱动气缸用缸体8位于下层，燃烧气缸用缸体4位于上层；从动 齿轮6设在燃烧气缸用缸体4内，主动齿轮7设在驱动气缸用缸体8，从动齿 轮6和主动齿轮7相互啮合；
主动齿轮7安装在驱动曲轴23上，与主动齿轮7啮合的从动齿轮6安装 在曲轴22上；
驱动气缸用缸体8侧面分别安装有驱动气缸9以及回退气缸14，驱动气 缸9中设有驱动活塞25、驱动连杆24、驱动曲轴23，驱动曲轴23上安装的 驱动连杆24与驱动活塞25连接；回退气缸14中设有回退气缸活塞28、回退 气缸连杆27，燃烧气缸用缸体4侧面安装有燃烧气缸2、燃烧气缸2中设有加长活塞20、连杆21、曲轴22，加长活塞20通过连杆21安装于曲轴22上。 加长活塞20顶部装有的透明的石英玻璃19。 本快速压縮膨胀机的优点是
利用两台发动机的缸体、曲轴、连杆、活塞机构，通过齿轮传动，实现 活塞快速运动；
齿轮传动速比可调；
燃烧室的压縮比可调；
可以进行不同种类燃料的燃烧特性试验；
可以进行不同燃料与空气的混合比的燃烧特性试验。
图1快速压縮膨胀机组成简图
图2燃烧系统机构图
图3驱动气缸机构图
图4回退气缸机构图
图5吉林大学研发的多功能燃烧弹简图
图中
l一燃烧气缸盖，2 —燃烧气缸，3 —平面镜，4一燃烧气缸用缸体，5 —摄 影机，6 —从动齿轮，7 —主动齿轮，8 —驱动气缸用缸体，9一驱动气缸，10 一高压空气，ll一火花塞，12 —压力传感器，13—燃料，14一回退气缸，15 一电荷放大器，16 —数据采集卡，17 —计算机，18 —进气道，19—石英玻璃， 20 —加长活塞，21_连杆，22—曲轴，23 —驱动曲轴，24 —驱动连杆，25 — 驱动活塞，26 —驱动气缸泄气孔，27 —回退气缸连杆，28 —回退气缸活塞， 29 —回退气缸泄气孔，30 —动力气缸，31 —动力活塞组，32 —燃烧室
具体实施例方式
下面结合图1 4详细说明本发明。
燃烧系统是实现燃料与空气的混合、点火、燃烧的场所，主要由燃烧气 缸2和燃烧气缸盖1、火花塞ll、加长活塞20组成。燃烧系统的燃烧室由其 内部的加长活塞20、燃烧气缸2及燃烧气缸盖1围成。燃烧气缸盖1上安装有火花塞ll、压力传感器12，燃烧气缸盖内有进气道18，燃料和空气经过进 气道18进入燃烧室，由火花塞ll点火燃烧。为了观测燃烧室内的燃烧状况， 加长活塞20顶部装有耐高温高压的透明的石英玻璃19，通过更换不同厚度的 石英玻璃可以调节燃烧室的不同压縮比。平面镜3安装在燃烧气缸用缸体上， 在平面镜安装位置附近的燃烧气缸2底部有个开口便于平面镜发射光线。燃 烧时，燃料与空气燃烧时发出的光线经过石英玻璃19到达加平面镜3，光线 被平面镜3发射后透过燃烧气缸底部开口到达摄影机5，这样摄影机5就可及 时记录燃烧室内发生的燃烧过程。
驱动机构是实现运动机构的运动，模拟实际四冲程发动机的压縮、膨胀 的过程。驱动机构由两台汽油机气缸体燃烧气缸用缸体4、驱动气缸用缸体 8构成基础框架。在驱动气缸用缸体8上安装有驱动气缸9、驱动活塞25、驱 动连杆24、驱动曲轴23、主动齿轮7以及回退气缸14、回退气缸活塞28、 回退气缸连杆27;在燃烧气缸用缸体8上安装有从动齿轮6、曲轴22、连杆 21。驱动气缸9中充有高压空气，高压空气推动驱动活塞25在驱动气缸9内 运动，驱动活塞25带动驱动连杆24使得驱动曲轴23旋转。为了防止驱动气 缸空气发生泄漏导致驱动气体压力下降难以驱动加长活塞快速运动，在驱动 活塞25上装有两道活塞环，两道环的切口错开以保证密封性。在驱动曲轴23 通过安装在其上的主动齿轮7驱动从动齿轮6旋转。从动齿轮6安装在燃烧 气缸用缸体4内的曲轴22上，主动齿轮7与从动齿轮6的齿数比为2: 1，因 此曲轴22以驱动曲轴23转速的两倍转速旋转，从而带动连杆21、加长活塞 20运动，这样就能实现加长活塞20快速运动，压縮燃烧室内的燃料空气混合 气，模拟实际四冲程发动机的压縮冲程。当燃烧过程完成后，驱动活塞、燃 烧气缸的加长活塞需要回到原来的位置，此时，由高压空气驱动回退气缸活 塞28反向运动，带动回退气缸连杆27，产生的力作用到驱动曲轴23上使其 反向旋转，从而，推动驱动连杆、驱动活塞反向运动，最后退回到初始位置， 为下一次试验做好准备。
制动系统用于在压縮混合气前使得活塞、曲轴这些运动零件保持静止状 态，当燃烧室内温度、压力达到要求值时，制动系统能够迅速解除制动，保 证曲轴、连杆、活塞可以自由运动。制动系统主要由制动盘、制动气阀及相 关的高压空气管路组成。高压空气对制动盘施加足够大的作用力导致制动盘
6紧紧贴合安装在曲轴上的飞轮，使得飞轮、曲轴处于静止。制动气阀可以开 启或中断对制动盘的高压空气的供应，实现制动盘的制动或解除制动的功能。 测试系统用来测量并记录燃烧室内的燃烧过程，主要由压力传感器12、
电荷放大器15、数据采集卡16、计算机17及相关电路、摄影机5组成。压 力传感器12感应气缸内压力并转换为电压信号，经由信电荷放大器15放大 后由数据采集卡16采集数据，最后输入计算机17记录以便进一歩分析。经 过计算机编程，测试系统可实现实时采集燃烧室的缸内压力。同时，摄影机5 可以实时拍摄燃烧室内地燃烧图像，据此分析燃烧特性及相关性能。
供给系统为燃烧室供应燃料与空气形成可燃混合气，同时为驱动机构及 制动机构提供高压空气。供给系统主要由高压燃料气瓶、高压空气气瓶以及 相应的燃料供给管、高压空气管、减压阀、气阀组成。燃料气瓶及燃料管路 为燃烧室提供燃气，高压空气气瓶及空气管路主要为驱动气缸、回退气缸、 制动盘提供高压空气。
该快速压縮膨胀机的工作过程主要是首先给燃烧室内充入燃料和空气， 同时给驱动气缸充入高压空气；此时，制动盘保持驱动机构各运动部件静止。
待燃烧室内燃料与空气混合均匀，松开制动盘，在驱动气缸内的高压空气的 压力作用下，驱动活塞运动，通过齿轮传动带动燃烧气缸中的加长活塞快速 运动，压縮可燃混合气，当加长活塞到达上止点附近，火花塞点火，混合气 燃烧。燃烧气体膨胀，推动加长活塞向下止点运动，这样就模拟了四冲程发 动机的压縮、燃烧、膨胀过程。通过摄影机、压力传感器将燃烧室内燃烧过 程记录下来以便分析燃烧性能。最后，给回退气缸充入高压空气，驱动回退 活塞运动，带动驱动活塞、加长活塞回到原位，准备下一次工作过程。
本实施例的工作过程本装置在工作前各个运动部件的初始位置是燃
烧气缸内的加长活塞20位于燃烧室的下止点位置，驱动气缸9内的驱动活塞 25位于驱动气缸的靠近充气孔的一侧，回退气缸14中的回退活塞28位于回 退气缸泄气孔29 —侧。
当快速压缩机开始工作时，首先由供给系统给燃烧气缸2的燃烧室内充 满燃料空气混合气；同时，开启驱动气缸9的充气阀门，给驱动气缸9充入高压空气。此时，制动盘紧紧贴住驱动曲轴25，驱动机构的各个运动部件保 持静止。
当燃烧室内燃料与空气混合均匀时，压力传感器12检测道燃烧室缸内压 力到达要求值时，关闭燃料充气阀，停止向燃烧室内充入燃料；关闭驱动气 缸9的充气气阀，停止向驱动气缸9充入高压空气；保持回退气缸14的气阀 与大气连通，回退气缸14内气体压力为大气压力，这样不会对驱动曲轴25 的运动带来阻碍；并开启制动盘气阀，在高压空气的压力作用下制动盘松开。 这时，由于驱动气缸9内充满了高压空气，在高压气体压力的作用下，驱动 活塞25运动，带动驱动连杆24摆动、驱动曲轴23旋转，安装在驱动曲轴 23端口处的主动齿轮7与驱动曲轴23共同旋转，从而带动从动齿轮6转动。 由于从动齿轮与曲轴22与同转，曲轴22就以驱动曲轴23的两倍的转速旋转， 并推动与之相连的连杆21运动，最终实现加长活塞20快速向燃烧室上止点 方向运动，压縮燃烧室内混合均匀的可燃混合气，在上止点附近，火花塞ll 点火，点燃混合气，混合气燃烧，压力传感器采集燃烧室内压力、摄影机5 记录燃烧过程并保存数据。
当加长活塞20运动到上止点附近时，驱动活塞25运动到驱动气缸泄气 孔26处。混合气混合气燃烧后膨胀，产生的膨胀压力推动加长活塞20反向 向燃烧室下止点位置运动，加长活塞20在膨胀冲程的运动过程时，曲轴22 继续向前转动，驱动气缸9内的驱动曲轴23也继续向前运动，驱动活塞25 继续前进，露出驱动气缸泄气孔26，驱动气缸9内的高压空气从驱动气缸泄 气孔26排出，驱动气缸9内气压逐渐下降至大气压力。燃烧室内气体不断膨 胀，压力不断下降，最后在摩擦力作用下，加长活塞20停止运动，其他运动 机构也都停止运动。至此，快速压縮膨胀机的一个工作过程结束，摄影机5 停止记录。
为了顺利进行下一个工作及测试，要保证驱动气缸9内驱动活塞25、燃 烧气缸2中的加长活塞26回到工作的初始位置，本装置中设置了回退气缸14。 当压縮膨胀过程结束后，调节回退气缸14的气阀使得高压空气充入回退气缸 14，由于此时上个工作过程已经结束，驱动气缸9内气体已经从驱动气缸泄 气孔26排出驱动气缸，如此就不会影响驱动活塞25反向运动；这样，在回 退气缸14中高压空气的压力作用下，回退活塞28推动驱动曲轴23继续旋转，
8使得驱动活塞向驱动气缸充气阀的位置运动，最终回到初始位置。在驱动曲
轴带动齿轮旋转的作用下，燃烧气缸2中的加长活塞20、回退活塞28也回到 初始位置。最后关闭回退气缸14的气阀，同时，制动盘再次抱紧驱动曲轴23， 整个装置再次恢复到工作的初始状态，可以进行下一次工作过程。
本装置可以进行不同种类燃料、不同燃烧方式(点燃、压燃)的燃烧特 性试验。当使用火花塞点火时，燃料空气混合气是点燃式燃烧；当不使用火 花塞点火而是仅仅靠压縮燃气混合气自燃的，是压燃式燃烧。同时，通过更 换不同厚度的石英玻璃19可以实现不同压縮比的燃烧特性试验。
权利要求
1、一种研究发动机燃烧过程的快速压缩膨胀机，包括燃烧系统、驱动机构、供给系统、制动机构、测试系统，其特征在于，所述的驱动机构结构如下驱动气缸用缸体(8)、燃烧气缸用缸体(4)两个缸体均采用卧式布置，其中，驱动气缸用缸体(8)位于下层，燃烧气缸用缸体(4)位于上层；从动齿轮(6)设在燃烧气缸用缸体(4)内，主动齿轮(7)设在驱动气缸用缸体(8)，从动齿轮(6)和主动齿轮(7)相互啮合；主动齿轮(7)安装在驱动曲轴(23)上，与主动齿轮(7)啮合的从动齿轮(6)安装在曲轴(22)上；驱动气缸用缸体(8)侧面分别安装有驱动气缸(9)以及回退气缸(14)，驱动气缸(9)中设有驱动活塞(25)、驱动连杆(24)、驱动曲轴(23)，驱动曲轴(23)上安装的驱动连杆(24)与驱动活塞(25)连接；回退气缸(14)中设有回退气缸活塞(28)、回退气缸连杆(27)，燃烧气缸用缸体(4)侧面安装有燃烧气缸(2)、燃烧气缸(2)中设有加长活塞(20)、连杆(21)、曲轴(22)，加长活塞(20)通过连杆(21)安装于曲轴(22)上。
2、 根据权利要求1所述的研究发动机燃烧过程的快速压縮膨胀机，其特征在于加长活塞(20)顶部装有的透明的石英玻璃(19)。
全文摘要
一种研究发动机燃烧过程的快速压缩膨胀机用于内燃机的燃烧特性研究，由燃烧系统、驱动机构、供给系统、制动机构、测试系统组成。本发明中位于底层的驱动气缸用缸体(8)安装有驱动气缸(9)、驱动活塞(25)、驱动连杆(24)、驱动曲轴(23)、回退气缸(14)、回退气缸活塞(28)、回退气缸连杆(27)，上层的燃烧气缸用缸体(4)安装有燃烧气缸(2)、加长活塞(20)、连杆(21)、曲轴(22)。主动齿轮(7)安装在驱动曲轴(23)上，驱动曲轴(23)上安装的驱动连杆(24)连接驱动活塞(25)。从动齿轮(6)安装在曲轴(22)上，曲轴(22)连接的连杆(21)连接加长活塞(20)。通过齿轮传输动力，改变齿轮比可调整活塞压缩速度。
文档编号G01M15/04GK101514941SQ20091008143
公开日2009年8月26日 申请日期2009年4月3日 优先权日2009年4月3日
发明者夕 吴, 张复秋, 张红光, 白小磊, 艳 雷, 高炜忱 申请人:北京工业大学