多成分气体高速混合的定容弹进气系统及其使用方法

1.本发明涉及一种多成分气体高速混合的定容弹进气系统及其使用方法，属于热力发动机技术领域。


背景技术：

2.发动机的燃烧品质是影响发动机燃烧和排放性能的重要因素之一，而燃油雾化质量是其中的关键影响因素，高品质的燃油雾化对提升发动机性能具有重要意义，特别是船用柴油机，如果燃油雾化质量不佳，会对设备造成极大损害，而船用柴油机的工作环境也导致了设备的检修极其不易，因此对燃油的喷雾过程进行深入的研究至关重要，是实现高效燃烧、节能减排、研发新型发动机的必要前提。
3.定容弹是研究燃油喷雾和燃烧的有效实验装置，是一种介于理论分析和实际应用之间的良好载体。并且它的结构相对来说较为简单，可以通过改变相关参数研究该参数对燃油喷雾与燃烧过程的影响，因此可以利用定容弹进行燃油喷雾以及燃烧试验。
4.定容弹可以模拟类似于发动机缸内压缩上止点附近的热力学环境，在定容弹内充入的预混合气(n2，o2，h2，c2h2)被火花塞点燃，混合气的燃烧使容腔内形成高温、高压、以及一定比例组成的混合气，燃烧后混合气分为有氧和无氧两种情况，有氧情况用于燃油喷雾及燃烧实验，无氧环境用于燃油喷雾实验。定容弹通常设有石英窗口，结合光学测量技术对喷雾和燃烧过程中的现象进行解析。
5.光学测量技术是发动机燃烧过程研究中除了传统台架试验和数值模拟之外的一种重要技术手段，被广泛应用于喷雾雾化、蒸发和混合过程的研究，为发动机仿真模型标定和设计参数优化提供了重要的参考价值和依据。
6.经过近几十年的发展，现代中低速船用柴油机已经发展到一个较高的技术水平，缸内最大爆压逐渐升高，因此，对定容弹的性能要求也在升高，定容弹性能优化是不可避免的趋势。
7.目前国际上流行的定容弹可以分为三种：预燃式定容弹，内部加热式定容弹和流动式定容弹。
8.预燃式定容弹是按照实验要求将一定量的预混燃气充入定容弹燃烧室，利用火花塞点燃，因此定容弹内可以瞬间达到与发动机燃烧过程相类似的高温高压环境。但是这种定容弹模拟出的发动机燃烧过程不能长时间稳定维持，并且为了通过少量的可燃混合气燃烧产生高压，内部空间一般较小。
9.内置加热式定容弹是将加热装置嵌入定容弹本体，在其内部放置加热棒来提升定容弹的温度。因为要放置加热棒，这种定容弹的内部空间一般很大，能够有效模拟发动机工作时的壁温。另外这种定容弹能够长时间维持稳定的高温高压环境，对本体的强度要求较高。
10.流动式定容弹在进气管道里安装大功率的电热丝，环境气体在进气过程中就被加热到很高的温度，进气口处还可以装有进气导流管，使气体流动更加均匀。另外在进气的同
时，也在以一定的速率排气，当进排气达到平衡时，能保持定容弹内部压力恒定。由于不断地在进排气，所以流动式定容弹在使用时需要消耗大量的气体，而且这种定容弹整体系统很复杂，造价较高。
11.国内使用较多的是预燃加热式定容弹，它将按照实验要求混合的预混燃气充入定容弹内并点燃从而进行加热，为了达到预期的燃烧条件，需要精确的控制进入预燃加热式定容弹的气体的组分和压力，而燃气的混合又分为弹内形成和弹外形成，弹内形成是按照实验要求分别通入各气体使其在定容弹内部进行混合，结构较为简单，但混合效果不佳，混合不均会造成局部的高温高压，可能会对设备造成一定的损害。
12.弹外形成是先将各气体通入独立的预混腔体，进行混合后通入定容弹内部。如中国专利cn106474949a提出了一种预燃加热式定容弹的多组分燃气混合系统，其目的是将多种气体，如氢气(h2)、乙炔(c2h2)、氧气(o2)、氮气(n2)等四种气体混合成定容弹所需比例的燃气，并对定容弹进行充气。这种利用独立的腔体进行气体的提前混合，一般都会在独立腔体加入搅拌棒从而对气体进行加热和均匀混合，而这种高温高压的环境对搅拌棒材质的耐压性有较高的要求。此外，由于搅拌棒的存在，装置的密封性也是一个很大的问题。
13.目前大多数的定容弹进气系统方面的主要特点和局限性可以归纳为两点，简述如下。
14.一是定容弹的预混燃气在弹内混合，即将所需气体分别充入定容弹内，然后在定容弹内部进行气体的混合，这种设计的缺点是弹内混合的效果达不到理想状态，若存在局部的气体浓度过高，局部的高温高压会对设备造成一定的伤害。
15.二是定容弹的预混燃气在弹外混合，在独立的腔体内进行气体的提前混合，为了使混合效果更好，一般都会在独立腔体加入搅拌棒从而对气体进行加热和均匀混合，而这种高温高压的环境对搅拌棒材质的耐压性有较高的要求。此外，由于搅拌棒的存在，装置的密封性也是一个很大的问题。


技术实现要素：

16.本发明为了实现尽量降低实验的危险性和设备的高要求，同时还能保证各气体成分的精确控制和充分混合的技术目的，提出一种多成分气体高速混合的定容弹进气系统及其使用方法，涉及一种定容弹利用特殊的进气/混合管道、进气阀以及切向进气口的组合设计同步实现进气和预混的技术。
17.本发明提出一种多成分气体高速混合的定容弹进气系统，包括装有气体的四个气瓶、进气管道、压力传感器、热风机、第一安全阀、进气阀、火花塞、喷油器和第二安全阀；
18.四个气瓶对称分布在进气管道两侧，所述进气管道与燃烧室连接，所述进气管道上依次设置压力传感器、热风机、第一安全阀和进气阀，所述燃烧室上设置有火花塞、压力传感器、若干热电偶、喷油器和第二安全阀，所述燃烧室还设置有与大气相通的管路且在该管路上设置有排气阀。
19.优选地，四个气瓶分别为存放氮气的气瓶、存放氧气的气瓶、存放氢气的气瓶和存放乙炔与氮气混合气的气瓶。
20.优选地，每个气瓶的出口依次连接减压阀、质量流量控制器和电磁开关阀。
21.优选地，所述压力传感器包括动态压力传感器和静态压力传感器。
22.优选地，所述进气管道与燃烧室的连接口为切向进气口，气体依次从进气管道通过切向进气口流入燃烧室，由于进气口为切向，进气首先会流向侧视窗，形成一个旋流。
23.一种所述的多成分气体高速混合的定容燃烧室进气系统的使用方法，具体包括以下步骤：
24.(1)先打开进气阀及排气阀通入氮气对燃烧室进行清扫，确保燃烧室及进气管道内没有其他气体；
25.(2)然后关闭排气阀，向燃烧室通入氮气，等待一定时间后氮气充满整个燃烧室，再通入氮气和乙炔的混合气，氮气和乙炔的混合气一进入进气管道就逐渐开始与先充入的氮气进行混合，在流经进气阀时先宽后窄的结构会增加气体的压差，加速气体的流动，从而促进了气体的混合，由于切向进气口的存在，进气并不会垂直向下运动，而是顺着切向进气口的方向首先流向侧视窗，形成一个旋流，然后在压差与浓度差的作用下从底部逐步向定容燃烧室中心位置和主视窗侧流动，在这样一个自下而上的流动过程中，与已充入的氮气进行混合；
26.(3)等待2
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3秒后通入氢气，气体流动会重复上述步骤，再等待数秒后通入氧气；
27.(4)等待2
‑
3秒后最后通入氮气，将进气管道和进气阀处残留的大部分乙炔、氢气和氧气扫入燃烧室，减少进气管道中存在可燃混合气所带来的安全风险。
28.本发明所述的多成分气体高速混合的定容弹进气系统的有益效果为：
29.1、本发明针对现有定容弹进气系统设计存在的问题，提出一种不同于利用独立的预混腔体对预燃烧混合气进行提前混合的方式，本次设计的定容弹利用特殊的进气管道、进气阀以及切向进气口的组合设计同步实现进气和预混。
30.2、本发明通过对进气系统的改进可实现对定容弹实验所需预混气实现精准控制和充分混合，实现完全的、可控的燃烧，降低实验危险性，有很高的实用性。
附图说明
31.构成本技术的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
32.在附图中：
33.图1为本发明所述的一种多成分气体高速混合的定容弹进气系统的结构示意图；
34.图2为本发明所述的一种多成分气体高速混合的定容弹进气系统的截面图；
35.图3为本发明所述的一种多成分气体高速混合的定容弹fire2019数值仿真模型的截面图；
36.图4为40s时刻下混合气中氮气、乙炔、氢气、氧气四种气体组分的质量浓度分布；
37.图5为80s时刻下混合气中氮气、乙炔、氢气、氧气四种气体组分的质量浓度分布；
38.图6为102s时刻下混合气中氮气、乙炔、氢气、氧气四种气体组分的质量浓度分布；
39.图7为120s时刻下混合气中氮气、乙炔、氢气、氧气四种气体组分的质量浓度分布；
40.图8为220s时刻下混合气中氮气、乙炔、氢气、氧气四种气体组分的质量浓度分布；
41.图9为260s时刻下混合气中氮气、乙炔、氢气、氧气四种气体组分的质量浓度分布；
42.其中，1
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存放氮气的气瓶，2
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存放氧气的气瓶，3
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存放氢气的气瓶，4
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存放乙炔与氮气混合气的气瓶，5
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第一减压阀，6
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第二减压阀，7
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第三减压阀，8
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第四减压阀，9
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第一质
量流量控制器，10
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第二质量流量控制器，11
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第三质量流量控制器，12
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第四质量流量控制器，13
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第一电磁开关阀，14
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第二电磁开关阀，15
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第三电磁开关阀，16
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第四电磁开关阀，17
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压力传感器，18
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手动阀门，19
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热风机，20
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第一安全阀(100bar)，21
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进气阀门，22
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火花塞，23
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动态压力传感器，24
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静态压力传感器，25
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第一热电偶，26
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第二热电偶，27
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第三热电偶，28
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喷油器，29
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第二安全阀，30
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排气阀门，31
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进气管道，32
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阀体，33
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液压缸，34
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切向进气口，35
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氧气进气管道，36
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氢气进气管道，37
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氮气进气管道，38
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乙炔与氮气混合气进气管道，39
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预热空气入口管道，40
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排气管道，41
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视窗。
具体实施方式
43.以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明：
44.具体实施方式一：参见图1
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8说明本实施方式。本实施方式所述的多成分气体高速混合的定容弹进气系统，包括装有气体的四个气瓶、进气管道31、压力传感器17、热风机19、第一安全阀20、进气阀21、火花塞22、喷油器28和第二安全阀29；
45.四个气瓶对称分布在进气管道31两侧，所述进气管道31与燃烧室连接，所述进气管道31上依次设置压力传感器17、热风机19、第一安全阀20和进气阀21，所述燃烧室上设置有火花塞22、压力传感器、若干热电偶、喷油器28和第二安全阀29，所述燃烧室还设置有与大气相通的管路且在该管路上设置有排气阀30。
46.所述的多成分气体高速混合的定容弹进气系统，包括装有气体的四个瓶(存放氮气的气瓶1，存放氧气的气瓶2，存放氢气的气瓶3，存放乙炔与氮气混合气的气瓶4)，每个气瓶的出口依次连接减压阀、质量流量控制器和电磁开关阀。
47.设置质量流量控制器的原因是：气体温度在填充过程中由于绝热压缩而升高，这使得通过腔室压力计量气体量变得复杂。因此，应通过质量流量控制阀(mfc)9
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12测量气体量，然后与进气管道连通。
48.当通过质量流量控制阀测量气体量时，应进一步考虑保留在供应管中的气体量，因为它不会用于预燃烧，并且会导致燃烧室中充气气体的质量误差。每个瓶的出口处还设置有电磁开关阀13
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16，进气管道31与燃烧室连通，且在燃烧室与气体瓶连通管路上依次设置压力传感器17、热风机19及阀门18和第一安全阀20，定容燃烧室还设置有与大气相通的管路且在该管路上设置有排气阀门30，在定容燃烧室还分别设有动态压力传感器23、静态压力传感器24和三个热电偶25、26、27用以测量定容燃烧室的压力和温度，便于对燃烧情况进行精确检测，此外还连接火花塞22、喷油器28以及第二安全阀29。考虑到安全性，由于在进气管中可能发生自燃，因此在关闭进气门后，应在预燃烧前排出残留在进气管中的气体。
49.通过气瓶电磁开关阀、进气管道31和进气阀21的配合，可以实现各气体的依次充入与混合同步进行，既节省了气体通入的时间，又充分利用这个时间进行气体的混合，因此可以达到比较理想的预燃气体混合效果。
50.所述液压缸33是进排气阀的驱动装置，用来推动阀门，所述阀体32的作用是固定连接和固定阀门。
51.本发明提出的一种定容弹利用特殊的进气管道31、进气阀21以及切向进气口36的组合设计同步实现进气和预混，进气管道示意图如图1所示，4个气瓶连接其减压阀、质量流量控制器(用以控制每种气体成分的数量)和电磁开关阀后对称分布在进气管道31两侧，同
时进气管道31还连接有压力传感器17(用于监测进气道的压力)、热风机19(用于对定容弹本体进行加热避免在视窗形成水滴凝结)和第一安全阀20，然后通过进气阀21与燃烧室相连，由进气阀21控制预混燃气的充入，燃烧室还连接有动态压力传感器23、静态压力传感器24和若干热电偶，分别用以监测燃烧室内部的压力和温度，便于把握整个燃烧过程。
52.在充入预混燃气之前，需要先打开进气阀21和排气阀30，通入氮气对整个管道与燃烧室进行清扫，防止管道和燃烧室内有空气残留，因此可以省略真空泵将燃烧室抽成真空环境，减少了可能造成的设备密封泄露问题。并且在依次通入各气体之后，还需要通入氮气对进气管道进行清扫，目的是防止进气管道里有燃气的残留，防止高温可能会造成进气管道内的自燃现象。
53.图2为定容弹侧面的剖面图，气体依次从进气管道31通过切向进气口34流入燃烧室，由于进气口为切向，进气首先会流向侧视窗，形成一个旋流，然后逐步向定容燃烧室中心位置和主视窗侧流动，在压差的作用下逐步与之前通入的气体相混合，形成一个自下向上的混合效果，并且由于切向进气口34的特殊设计，进气口由宽变窄，加强了气体的运动与混合。整个过程中，通过安装在质量流量控制器和进气阀21之间的压力传感器17(0
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100bar)测量充气期间的各个分压来确定混合气中各成分的组成比例。
54.正是基于上文中详述的本发明中进气管道、进气阀和切向进气口的组合设计，才实现了本实施例中的进气和预混同步实现。
55.所述多成分气体高速混合的定容弹进气系统的使用方法：
56.先打开进气阀21及排气阀30通入氮气对燃烧室进行清扫，确保燃烧室及进气管道31内没有其他气体，因此并不需要真空环境。然后关闭排气阀30，向燃烧室通入氮气，等待一定时间后氮气充满整个燃烧室，再通入氮气(vol.70％)和乙炔(vol.30％)的混合气，氮气和乙炔的混合气一进入进气管道就逐渐开始与先充入的氮气进行混合，在流经进气阀21时先宽后窄的特殊设计会增加气体的压差，加速气体的流动，从而促进了气体的混合。由于切向进气口36的存在，进气并不会垂直向下运动，而是顺着切向进气口的方向首先流向侧视窗，形成一个旋流，然后在压差与浓度差的作用下从底部逐步向定容燃烧室中心位置和主视窗侧流动，在这样一个自下而上的流动过程中，与已充入的氮气进行混合。进气管道31、进气阀21和切向进气口34三处的组合设计，极大地加强了气体的混合效果。等待2
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3秒后通入氢气，气体流动会重复上述步骤，再等待2
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3秒后通入氧气。等待2
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3秒后最后通入氮气，将进气管道31和进气阀21处残留的大部分乙炔、氢气和氧气扫入定容燃烧室，减少进气管道31中存在可燃混合气所带来的安全风险。由于进气阀21关闭后，定容燃烧室内的混合气需要等待温度和压力下降至一定值时(大约4.9s时间)才被火花塞22点燃，因此，预混气的混合会更加均匀。
57.图4
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9为40s、80s、102s、120s、220s以及260s时刻下混合气中氮气、乙炔、氢气、氧气四种气体组分的质量浓度分布，为了验证本发明的进气混合效果，绘制了不同时刻燃烧室内气体组分的质量浓度分布，可以看出进气和预混效果良好，可以满足设计和实验要求。
58.以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明。所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，还可以是上述各个实施方式记载的特征的合理组合，凡在本发明精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。