一种能够监测爆轰波波动行为的定容爆轰燃烧试验装置及方法与流程

技术领域：

本发明涉及定容燃烧弹，具体涉及一种能够监测爆轰波波动行为的定容爆轰燃烧试验装置及方法。

背景技术：
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节能减排的要求日益严格，内燃机作为主要的动力源，其燃油经济性和环保性能得到不断提高。直喷增压小型化是火花点火发动机能够满足排放和燃油消耗率要求的重要途径。然而，随着发动机的压缩比和功率密度不断提高，出现了烈性爆震。一旦超级爆震发生，其压力振荡幅值将达到甚至超过30mpa，振荡频率也将超过10khz。这种烈性爆震将极易导致火花塞及活塞等燃烧室组件的破坏，使得发动机无法持续工作。然而活塞材料破坏需要高达上百兆帕压强的作用力，烈性爆震下观测到的压力振荡最多才几十兆帕，那么活塞材料究竟是如何被烈性爆震破坏失效的还尚未定论。

实际发动机的缸压传感器安装在缸盖位置，活塞上受到压力作用无法获得，且常用的缸压传感器测量范围最大为30mpa，共振频率小于200khz不能满足烈性爆震时的压力测量要求。同时，在发动机台架实验上，烈性爆震无法稳定产生，并且无法在高速运动的活塞上插装多个压力传感器来监测燃烧室中爆轰波的行为特性及汇聚特性。

技术实现要素：
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本发明通过设计了一套定容爆轰燃烧弹试验装置，通过高能火花塞直接点火起爆的方式，强行在燃烧室中间诱导出一道爆轰波，再通过布置在不同位置处的弹道压力传感器，而不是传统的缸压传感器来探测爆轰波在特定形状燃烧室内的行为特性及汇聚特性。具体技术方案如下：

一种能够监测爆轰波波动行为的定容爆轰燃烧试验装置，该装置包括：定容爆轰燃烧弹弹体；进气系统，用于给容弹定量定态充入可燃混合气，选用乙炔/氧气或者氢气/氧气作为混合气；高能点火系统，包括两部分，分别是控制箱人工点火系统和高能火花塞；数据采集分析系统，包括：4个pcb119b11压力传感器、4个pcb402a03信号放大器、1个pcb482c05信号调试仪及1个dlm2000示波器，所述4个pcb119b11压力传感器被安置在燃烧室内四个不同位置上，一个安置在缸盖上，另外三个安置在活塞表面上，具体位置分别为活塞中心处、活塞直径1/4处及边缘处。

在上述定容爆轰燃烧试验装置上实现的一种能够监测爆轰波波动行为的方法，过程如下：

步骤一：安装好定容爆轰燃烧弹弹体，包括缸盖、活塞和缸套，螺栓用力矩扳手紧固；

步骤二：将压力传感器、火花塞和进气阀门11安装在定容爆轰燃烧弹弹体上；连接数据采集分析系统、高能点火系统和进气系统；

步骤三：试验前检查定容爆轰燃烧弹气密性；打开进气阀门11，将氧气管通过快插接头16接入进气阀门，利用氧气瓶上的减压器调节气管内压力到5bar，关闭进气阀门11，关闭气瓶上的减压器，断开氧气通路；将另一端封闭的气管接入快速插头16，观察智能单回路测控仪示数是否增大，如果测控仪示数为零不增大，说明气阀11密封性完好；打开气阀11，观察智能单回路测控仪示数是否保持定值不变，如果示数不变，则安装好的弹体气密性良好；

步骤四：洗气，使燃烧室内的空气排出，充满氧气；将氧气管通过快插接头16接入进气气路，关闭泄压球阀15和进气阀门11；利用氧气瓶上的减压器调节气管内压力到3bar，打开进气阀门11，使气体进入，当智能单回路测控仪显示压力示数不变时，关闭进气阀门11，关闭气瓶上的减压器；打开泄压球阀15，断开氧气通路，打开进气阀门11，将气体排出；如此重复三次，完成洗气；

步骤五：利用分压法计算试验所需的纯氧和乙炔的压力；关闭泄压球阀15和进气阀门11，将乙炔管通过快插接头16接入进气阀门，利用乙炔气瓶上的减压器将进气压力调整到需要的数值；打开进气阀门11，使乙炔充入燃烧室，当测控仪上的示数不变时，关闭进气阀11，关闭乙炔减压器，打开泄压球阀15，断开乙炔气路；

步骤六：将氧气管通过快插接头16接入气路，关闭泄压球阀15，利用氧气气瓶上的减压器将进气压力调整到需要的数值；打开进气阀门11，当测控仪上的示数不变时，关闭进气阀11，关闭减压器，打开泄压球阀15，断开氧气气路；

步骤七：设置示波器为触发状态；

步骤八：手动触发高能点火系统控制箱上的开关，高能火花塞放电，燃烧室内混合气直接爆轰；

步骤九：观察示波器窗口上采集到的波形，确认是否发生爆轰，保存数据到存储设备；

步骤十：连续五次重复步骤三到步骤九，确认采集到的数据的可重复性；

步骤十一：分析实验数据，得到燃烧室内不同位置的压力振荡曲线，研究爆轰波的行为特性。

作为优选方案之一，所述定容爆轰燃烧弹弹体的燃烧室缸径为75～85mm，锥角为120°～180°，缸盖形状和活塞形状都可变，燃烧室余隙用缸套调整，从0～32mm可变。作为优选方案之一的进一步优选方案，所述定容爆轰燃烧弹弹体的材料为不锈钢1cr18ni9ti。

作为优选方案之二，所述进气系统中，气体组分及当量比通过分压来控制。作为优选方案之二的进一步优选方案，定容爆轰燃烧弹弹体上有进气孔，进气孔孔径1～3mm，进气阀采用内螺纹针型截止阀j13w-350pdn6，外部采用压力变送器确定混合气各组分的分压。

作为优选方案之三，所述控制箱人工点火系统输出电压为2500v，点火能量大于10j。

作为优选方案之四，所述数据采集分析系统的传感器的共振频率高于400khz，上升时间小于2μs，所述数据采集分析系统的dlm2000示波器用于四组压力信号同步及同时采集，其采集频率为625mhz。

本发明的有益效果是：

(一)超级爆震的发生具有偶发性和随机性，而且破坏力极大。这导致在发动机台架上做实验比较困难。本发明的定容爆轰燃烧弹系统应用到研究发动机超级爆震时爆轰波在燃烧室内的行为特性时，采用高能点火装置和乙炔/氧气混合气可以稳定产生爆轰波。

(二)在发动机台架上，无法在高速运动的活塞上插装多个压力传感器来监测燃烧室中爆轰波的行为特性及汇聚特性。本发明的定容爆轰燃烧弹系统可以在活塞和缸盖的不同位置安装微妙级响应的压力传感器，来找到超级爆震时，燃烧室内爆轰波汇聚的位置。

(三)相对于采用光学发动机和快速压缩机，本发明的定容爆轰燃烧弹结构简单，成本低。开有玻璃窗口的定容燃烧弹，由于玻璃强度的限制，不能实现强爆轰，本发明的定容爆轰燃烧弹可以实现强爆轰。

(四)本发明的定容爆轰燃烧弹系统可以通过改变缸盖和活塞的形状，来模拟不同形状的燃烧室。通过改变缸套的长短，来模拟活塞在不同位置的燃烧室。

附图说明：

图1是本发明定容爆轰燃烧弹的示意图；1代表燃烧室，2代表活塞中心传感器，3代表活塞直径1/4位置传感器，4代表活塞边缘传感器，5代表缸盖处传感器，6代表高能火花塞，7代表进气孔，8代表缸套，9代表弹体支架，10代表高强度螺栓。

图2是本发明定容爆轰燃烧弹进排气气路的示意图；11代表进气阀门，12代表压力变送器，13代表三通一，14代表三通二，15代表泄压球阀，16代表快速接头。

具体实施方式：

实施例：

下面通过具体的实施例对本发明作进一步详细描述，以下具体的实施例仅对本发明进行解释说明，并不以任何形式限制本发明。

本发明的定容爆轰燃烧弹系统包括：定容爆轰燃烧弹弹体，进气系统，高能点火系统和数据采集分析系统。下面阐述具体组成部分：

所述定容爆轰燃烧弹弹体，其燃烧室缸径为75～85mm，锥角为120°～180°，左右两侧分别为缸盖和活塞，缸盖和活塞的形状都可变；燃烧室余隙用缸套8调整，从0mm～32mm可变；弹体材料为不锈钢1cr18ni9ti，能承受一定强度的压力；缸盖中心位置6安装火花塞，缸盖上安装一个压力传感器，此安装位置5与内燃机中缸压传感器的安装位置基本相同；活塞在中心位置2，直径四分之一位置3和边缘位置4分别安装压力传感器；活塞上还设计了进气孔7；整个弹体靠12个均布的m12高强度螺栓10紧固。

所述进气系统，用于给容弹定量定态充入可燃混合气，为了能稳定、方便地引入爆轰波，本实施例选用乙炔/氧气作为混合气；组分及当量比则通过分压来控制；容弹上的进气孔孔径为1～3mm，进气阀11采用内螺纹针型截止阀j13w-350pdn6；外部采用压力变送器12确定混合气各组分的分压，通过智能单回路测控仪显示压力示数。

所述高能点火系统，包括两部分构成，分别是控制箱和高能火花塞。通过控制箱人工点火，点火系统输出电压为2500v，点火能量大于10j，足以直接点爆乙炔/氧气可燃混合气。

所述数据采集分析系统，由四个pcb119b11压力传感器、四个pcb402a03信号放大器、一个pcb482c05信号调试仪及一个dlm2000示波器构成。其中四个pcb119b11压力传感器被安置在燃烧室内四个不同位置上。一个安置在缸盖上，此处安装位置与内燃机中缸压传感器的安装位置基本相同。另外三个安置在活塞表面上，具体位置分别为活塞中心处、活塞直径1/4处及边缘处；传感器的共振频率高于400khz，上升时间小于2μs。dlm2000示波器用于四组压力信号同步及同时采集，其采集频率高达625mhz；该套数据采集分析系统足以捕捉爆轰波的行为特性。

利用本发明的爆轰容弹系统进行试验的方法步骤如下：

步骤一：安装好定容爆轰燃烧弹弹体，包括缸盖、活塞和缸套，螺栓用力矩扳手紧固；

步骤二：将压力传感器、火花塞和进气阀门11安装在弹体上。连接数据采集分析系统、高能点火系统和进气系统；

步骤三：为了保证试验人员的完全，试验前检查定容爆轰燃烧弹气密性。打开进气阀门11，将氧气管通过快插接头16接入进气阀门，利用氧气瓶上的减压器调节气管内压力到5bar，关闭进气阀门11，关闭气瓶上的减压器，断开氧气通路；将另一端封闭的气管接入快速插头16，观察智能单回路测控仪示数是否增大，如果测控仪示数为零不增大，说明气阀11密封性完好；打开气阀11，观察测控仪示数是否保持定值不变，如果示数不变，则安装好的弹体气密性良好；

步骤四：洗气，使燃烧室内的空气排出，充满氧气。将氧气管通过快插接头16接入进气气路，关闭泄压球阀15和进气阀门11；利用氧气瓶上的减压器调节气管内压力到3bar，打开进气阀门11，使气体进入，当智能单回路测控仪显示压力示数不变时，关闭进气阀门11，关闭气瓶上的减压器；打开泄压球阀15，断开氧气通路，打开进气阀门11，将气体排出；如此重复三次，完成洗气；

步骤五：利用分压法计算试验所需的纯氧和乙炔的压力。关闭泄压球阀15和进气阀门11，将乙炔管通过快插接头16接入进气阀门，利用乙炔气瓶上的减压器将进气压力调整到需要的数值。打开进气阀门11，使乙炔充入燃烧室，当测控仪上的示数不变时，关闭进气阀11，关闭乙炔减压器，打开泄压球阀15，断开乙炔气路；

步骤六：将氧气管通过快插接头16接入气路，关闭泄压球阀15，利用氧气气瓶上的减压器将进气压力调整到需要的数值；打开进气阀门11，当测控仪上的示数不变时，关闭进气阀11，关闭减压器，打开泄压球阀15，断开氧气气路；

步骤七：设置示波器为触发状态；

步骤八：手动触发高能点火系统控制箱上的开关，高能火花塞放电，燃烧室内混合气直接爆轰；

步骤九：观察示波器窗口上采集到的波形，确认是否发生爆轰，保存数据到存储设备；

步骤十：重复步骤三到步骤九五次，确认采集到的数据的可重复性。

步骤十一：分析实验数据，得到燃烧室内不同位置的压力振荡曲线，研究爆轰波的行为特性。

本实发明并不限于上文所述的具体实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在于为了描述和说明本发明的技术方案，不具有限制性。本领域的普通技术人员在本发明的启示下,在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。