本發(fā)明涉及發(fā)動(dòng)后家技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種定容-定壓混合燃燒模擬實(shí)驗(yàn)裝置及其控制方法。

背景技術(shù)：

節(jié)能減排成為當(dāng)今社會(huì)的主題，合理的組織發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒狀況，對(duì)實(shí)現(xiàn)燃燒控制，提高發(fā)動(dòng)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和改善排放有著十分重要的意義。由于發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際噴射霧化、擴(kuò)散、蒸發(fā)、燃燒、傳熱等過(guò)程十分復(fù)雜，且伴隨有循環(huán)變動(dòng)，對(duì)環(huán)境條件的控制較為困難，且不易開(kāi)展觀測(cè)研究。因此，內(nèi)燃機(jī)的燃燒研究大多在定容燃燒彈可視化模擬實(shí)驗(yàn)裝置上進(jìn)行。目前內(nèi)燃機(jī)主要有定容燃燒、定壓燃燒和定容-定壓混合燃燒三大理論燃燒組織方式。定容燃燒熱效率最高，定壓燃燒熱效率最低，但是當(dāng)缸內(nèi)的壓力達(dá)到其機(jī)械結(jié)構(gòu)的最大限值時(shí)按定壓燃燒組織其熱效率最高。因此，兼具高的熱效率和可實(shí)現(xiàn)性的定容-定壓混合燃燒的方案被廣泛關(guān)注，但是目前還沒(méi)有具體的可視化模擬實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)相關(guān)的燃燒過(guò)程進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

基于上述原因，本發(fā)明的目的在于提供一種便于對(duì)內(nèi)燃機(jī)的定容-定壓混合燃燒過(guò)程進(jìn)行相關(guān)的研究的定容-定壓混合燃燒模擬實(shí)驗(yàn)裝置及其控制方法。技術(shù)方案如下：

一種點(diǎn)燃式定容-定壓混合燃燒模擬實(shí)驗(yàn)裝置，包括筒狀的燃燒室壁，燃燒室壁頂部設(shè)有上端蓋，底部設(shè)有下端蓋，中部設(shè)置有恒壓活塞；上端蓋上設(shè)有進(jìn)氣管、排氣管、壓力傳感器和火花塞，下端蓋上設(shè)有恒壓進(jìn)氣管和溢氣管；恒壓活塞將燃燒室壁內(nèi)部的空間分為上部的燃燒室和下部的恒壓室，其上方設(shè)置有固定于燃燒室壁內(nèi)側(cè)壁上的擋圈，下方固定設(shè)置有位置傳感器；還包括控制實(shí)驗(yàn)裝置運(yùn)行ECU，壓力傳感器、火花塞和位置傳感器，以及設(shè)置在進(jìn)氣管上的進(jìn)氣閥、設(shè)置在排氣管上的排氣閥、設(shè)置在恒壓進(jìn)氣管上的恒壓進(jìn)氣閥和設(shè)置在溢氣管上的限壓閥均連接到ECU。

進(jìn)一步的，將所述火花塞替換為噴油器構(gòu)成壓燃式定容-定壓混合燃燒模擬實(shí)驗(yàn)裝置。

更進(jìn)一步的，所述燃燒室壁的外側(cè)設(shè)有加熱層，加熱層外側(cè)設(shè)有保溫層。

更進(jìn)一步的，所述上端蓋處設(shè)有上端蓋密封墊，下端蓋處設(shè)有下端蓋密封墊，恒壓活塞外設(shè)有恒壓活塞密封圈。

一種點(diǎn)燃式定容-定壓混合燃燒模擬實(shí)驗(yàn)裝置的控制方法，包括步驟：

1)打開(kāi)恒壓進(jìn)氣閥，向恒壓室內(nèi)充入保壓氣體，使恒壓室內(nèi)氣壓不斷上升；

2)當(dāng)恒壓活塞在保壓氣體的推動(dòng)下上升直至擋圈處時(shí)，將燃燒室的初始體積記作V₁；

3)當(dāng)恒壓室氣體壓力達(dá)到設(shè)定的限壓值P_限后，打開(kāi)限壓閥，使恒壓室內(nèi)的氣壓值保持在恒定的P_限；

4)打開(kāi)進(jìn)氣閥，將可燃混合氣充入燃燒室；

5)充氣完畢后關(guān)閉進(jìn)氣閥，利用火花塞點(diǎn)燃燃燒室中的可燃混合氣，開(kāi)始以體積V₁進(jìn)行定容燃燒；

6)當(dāng)壓力傳感器測(cè)得燃燒室內(nèi)的壓力P上升至P＞P_限時(shí)，關(guān)閉恒壓進(jìn)氣閥停止向恒壓室中充氣，并打開(kāi)限壓閥，使恒壓活塞下移，開(kāi)始進(jìn)行定壓燃燒；

7)通過(guò)位置傳感器測(cè)量恒壓活塞的從擋圈處的下移距離ΔS，并計(jì)算燃燒室的當(dāng)前體積V；

8)燃燒完成后，打開(kāi)進(jìn)氣閥充入新鮮空氣，并打開(kāi)排氣閥排出廢氣。

一種壓燃式定容-定壓混合燃燒模擬實(shí)驗(yàn)裝置的控制方法，包括步驟：

1)打開(kāi)恒壓進(jìn)氣閥，向恒壓室內(nèi)充入保壓氣體，使恒壓室內(nèi)氣壓不斷上升；

2)當(dāng)恒壓活塞在保壓氣體的推動(dòng)下上升直至擋圈處時(shí)，將燃燒室的初始體積記作V₁；

3)當(dāng)恒壓室氣體壓力達(dá)到設(shè)定的限壓值P_限后，打開(kāi)限壓閥，使恒壓室內(nèi)的氣壓值保持在恒定的P_限；

4)打開(kāi)進(jìn)氣閥，將可新鮮空氣充入燃燒室；

5)充氣完畢后關(guān)閉進(jìn)氣閥，利用噴油器噴入燃料，開(kāi)始以體積V₁進(jìn)行定容燃燒；

6)當(dāng)壓力傳感器測(cè)得燃燒室內(nèi)的壓力P上升至P＞P_限時(shí)，關(guān)閉恒壓進(jìn)氣閥停止向恒壓室中充氣，并打開(kāi)限壓閥，使恒壓活塞下移，開(kāi)始進(jìn)行定壓燃燒；

7)通過(guò)位置傳感器測(cè)量恒壓活塞的從擋圈處的下移距離ΔS，并計(jì)算燃燒室的當(dāng)前體積V；

8)燃燒完成后，打開(kāi)進(jìn)氣閥充入新鮮空氣，并打開(kāi)排氣閥排出廢氣。

本發(fā)明的有效效果是：

1)本發(fā)明的定容-定壓混合燃燒模擬試驗(yàn)裝置，可對(duì)內(nèi)燃機(jī)的定容-定壓混合燃燒過(guò)程進(jìn)行相關(guān)的研究；

2)本發(fā)明可通過(guò)改變限壓值來(lái)可改變定容燃燒和定壓燃燒在整個(gè)定容-定壓燃燒過(guò)程中所占的比例，可針對(duì)不同發(fā)動(dòng)機(jī)的最高燃燒壓力限值所對(duì)應(yīng)的定容-定壓混合燃燒過(guò)程；

3)本發(fā)明可配合可視化設(shè)備來(lái)研究定容-定壓混合燃燒過(guò)程中碳煙和NOx等排放物的生成機(jī)理和燃燒過(guò)程；

4)本發(fā)明可以用于研究熱力學(xué)參數(shù)(如：空燃比、溫度和壓力)、點(diǎn)火參數(shù)(如：點(diǎn)火位置、點(diǎn)火能量、點(diǎn)火時(shí)刻等)對(duì)定容-定壓混合燃燒燃燒過(guò)程的影響；

5)本發(fā)明的可用于對(duì)常規(guī)燃料、代用燃料的定容-定壓混合燃燒燃燒過(guò)程進(jìn)行相關(guān)的理論研究。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明定容-定壓混合燃燒模擬實(shí)驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明定容-定壓混合燃燒模擬實(shí)驗(yàn)裝置控制系統(tǒng)示意圖。

圖3為利用本發(fā)明定容-定壓混合燃燒模擬實(shí)驗(yàn)裝置可獲得的P-V圖。

圖中：1-進(jìn)氣管；2-進(jìn)氣閥；3-壓力傳感器；4-火花塞；5-端蓋螺栓；6-排氣閥；7-排氣管；8-上端蓋；9-上端蓋密封墊；10-燃燒室壁；11-加熱層；12-保溫層；13-恒壓室；14-溢氣管；15-限壓閥；16-恒壓進(jìn)氣閥；17-恒壓進(jìn)氣管；18-下端蓋；19-下端蓋密封墊；20-位置傳感器；21-恒壓活塞；22-恒壓活塞密封圈；23-擋圈；24-燃燒室。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。如圖1所示：一種點(diǎn)燃式定容-定壓混合燃燒模擬實(shí)驗(yàn)裝置，包括筒狀的燃燒室壁10，燃燒室壁10頂部設(shè)有上端蓋8，底部設(shè)有下端蓋18，并用端蓋連接螺栓5固定；其中部設(shè)置有恒壓活塞21。上端蓋8上設(shè)有進(jìn)氣管1、排氣管7、壓力傳感器3和火花塞4，下端蓋18上設(shè)有恒壓進(jìn)氣管17和溢氣管14。且進(jìn)氣管1上安裝有進(jìn)氣閥2，排氣管7上安裝有排氣閥6；排氣管7上安裝有排氣閥6；恒壓進(jìn)氣管17上安裝有恒壓進(jìn)氣閥16。

其中，花火塞4還可替換為噴油器構(gòu)成壓燃式定容-定壓混合燃燒模擬實(shí)驗(yàn)裝置。

恒壓活塞21將燃燒室壁10內(nèi)部的空間分為上部的燃燒室24和下部的恒壓室13，其上方設(shè)置有固定于燃燒室壁10內(nèi)側(cè)壁上的擋圈23，下方固定設(shè)置有位置傳感器20。

還包括控制實(shí)驗(yàn)裝置運(yùn)行ECU，如圖2所示，壓力傳感器3、火花塞4和位置傳感器20，以及設(shè)置在進(jìn)氣管1上的進(jìn)氣閥2、設(shè)置在排氣管7上的排氣閥6、設(shè)置在恒壓進(jìn)氣管17上的恒壓進(jìn)氣閥16和設(shè)置在溢氣管14上的限壓閥15均連接到ECU。

本實(shí)施例的燃燒室壁10的外側(cè)設(shè)有加熱層11，加熱層11外側(cè)設(shè)有保溫層12。

為了達(dá)到足夠的密閉效果，本實(shí)施例的上端蓋8處設(shè)有上端蓋密封墊9，進(jìn)氣管1、壓力傳感器3火花塞4和依次穿過(guò)上端蓋8和上端蓋密封墊9與燃燒室24相通；下端蓋18處設(shè)有下端蓋密封墊19，溢氣管14和恒壓進(jìn)氣管17依次穿過(guò)下端蓋18和下端蓋密封墊19與恒壓室13相通；恒壓活塞21外設(shè)有恒壓活塞密封圈22。

本實(shí)施例的試驗(yàn)裝置通過(guò)ECU來(lái)控制，具體的控制方法如下：

1)打開(kāi)恒壓進(jìn)氣閥16，向恒壓室13內(nèi)充入保壓氣體，使恒壓室13內(nèi)氣壓不斷上升；

2)當(dāng)恒壓活塞21在保壓氣體的推動(dòng)下上升直至擋圈23處時(shí)，將燃燒室24的初始體積記作V₁；

3)當(dāng)恒壓室13氣體壓力達(dá)到設(shè)定的限壓值P_限后，打開(kāi)限壓閥15，使恒壓室13內(nèi)的氣壓值保持在恒定的P_限；

4)打開(kāi)進(jìn)氣閥2，將可燃混合氣充入燃燒室24；

5)充氣完畢后關(guān)閉進(jìn)氣閥2，利用火花塞4點(diǎn)燃燃燒室24中的可燃混合氣，開(kāi)始以體積V₁進(jìn)行定容燃燒；

6)當(dāng)壓力傳感器3測(cè)得燃燒室24內(nèi)的壓力P上升至P＞P_限時(shí)，關(guān)閉恒壓進(jìn)氣閥16停止向恒壓室13中充氣，并打開(kāi)限壓閥15，使恒壓活塞21下移，開(kāi)始進(jìn)行定壓燃燒；

7)通過(guò)位置傳感器20測(cè)量恒壓活塞21的從擋圈23處的下移距離ΔS，并計(jì)算燃燒室24的當(dāng)前體積V；V的計(jì)算公式為：

其中，D為燃燒室的直徑；

8)燃燒完成后，打開(kāi)進(jìn)氣閥2充入新鮮空氣，并打開(kāi)排氣閥6排出廢氣。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，壓力傳感器3實(shí)時(shí)測(cè)量燃燒室24中的壓力，并將信號(hào)傳給ECU；ECU根據(jù)位置傳感器20的位移信號(hào)，根據(jù)上述公式計(jì)算出燃燒室24的實(shí)時(shí)體積V；ECU將燃燒室24的實(shí)時(shí)體積V和實(shí)時(shí)壓力P一一對(duì)應(yīng)傳給顯示器；顯示器根據(jù)燃燒室24的實(shí)時(shí)體積V和實(shí)時(shí)壓力P即可繪制出燃燒室24內(nèi)氣體燃燒過(guò)程的定容-定壓混合燃燒的P-V圖。定容-定壓燃燒的P-V圖如圖3所示。

若將火花塞替換為噴油器，則上述步驟4)中充入燃燒室24可燃混合氣需替換為新鮮空氣。且步驟5)中“利用火花塞4點(diǎn)燃燃燒室24中的可燃混合氣”則替換為采用噴油器噴入燃料，這樣的替換可實(shí)現(xiàn)壓燃式定容-定壓混合燃燒的目的。