可模拟高压共轨、增压中冷和废气再循环的全气缸取样系统

摘要

一种可模拟高压共轨、增压中冷和废气再循环的全气缸取样系统，由发动机，高压共轨燃油喷射系统、取样机构、稀释机构、气门停开机构、取样袋、模拟增压中冷装置和电控单元组成；电控单元的输入端与发动机的凸轮位置传感器、高压共轨燃油喷射系统的共轨压力传感器和油泵同步信号传感器连接，电控单元的输出端与高压共轨燃油喷射系统中的电控喷油器、电控油泵、取样机构、稀释机构和气门停开机构连接。本发明的优点是：取样测量的精确度高、可全面地考察高压共轨燃油喷射系统、增压中冷和废气再循环(EGR)对柴油机微粒形成的过程的影响。

说明书

所属领域：

本发明涉及一种柴油机全气缸取样系统，特别涉及一种可模拟高压共轨、增压中冷和废气再循环(EGR)的全气缸取样系统。

背景技术：

目前，国内外关于柴油机微粒的研究几乎还停留在九十年代初的聚集态水平，而对于以核态形式存在的纳米微粒的基础研究几乎还没有开展。因此，为保护环境和人体健康，现代柴油机排气微粒的重新认识和研究势在必行，而缸内取样技术可精确地在任意指定的曲轴转角位置下，采集缸内充量进行分析，是用于研究柴油机颗粒物生成机理和演化过程的重要手段之一。

传统开发出的全气缸取样装置都是建立于柴油机机械供油方式上，故存在下列不足：①供油量受发动机转速的影响，控制精确较低，致使取样测量偏差较大；②取样机构与油路切断机构不能同步，导致在喷油持续期内取样的不可能性；③取样时，机械油路切断机构不可能迅速切断油路，造成喷油器二次喷射，污染样气；④随着排放法规的日益严格，传统机械式供油系统受到严重的挑战。高压共轨喷油系统是建立在直喷技术、预喷射技术和电控技术基础之上的一种全新概念的喷油系统。高喷油压力(100MPa以上)且值大小可根据工况需求灵活调整；精确而灵活地控制喷油定时和喷油量；喷油率的优化控制；与整机匹配灵活。⑤已有的取样装置没有全面的考察现代柴油机普遍采用的先进技术如：高压共轨燃油喷射系统、增压中冷和废气再循环(EGR)对柴油机微粒形成的过程的影响。

发明内容：

本发明的目的就是克服上述现有技术中的不足，而提供一种可模拟高压共轨、增压中冷和废气再循环的全气缸取样系统，该系统的取样测量的精确度高、可全面地考察高压共轨燃油喷射系统、增压中冷和废气再循环(EGR)对柴油机微粒形成的过程的影响。

本发明的优点是：1、可以在柴油机燃烧过程的任选时刻打开燃烧空间，中断燃烧，抽取气缸内的绝大部分充量(空气+燃烧产物)，然后对样气进行分析测量；高压共轨系统能够对喷油压力、喷油定时和喷油量灵活可靠控制，实现迅速断油，而且能够精确控制只在取样两至三个循环内喷油。2、模拟增压中冷和EGR能够实现对进气温度、进气压力和EGR率的可控调节。3、可全面地考察高压共轨燃油喷射系统、增压中冷和废气再循环(EGR)对柴油机微粒形成的过程的影响。

本发明的技术方案是：一种可模拟高压共轨、增压中冷和废气再循环的全气缸取样系统，其特征在于：由发动机，高压共轨燃油喷射系统，取样机构，稀释机构，气门停开机构，取样袋、模拟增压中冷装置和电控单元组成；电控单元的输入端与发动机的凸轮位置传感器、高压共轨燃油喷射系统的共轨压力传感器和油泵同步信号传感器连接，电控单元的输出端与高压共轨燃油喷射系统中的电控喷油器、电控油泵、取样机构、稀释机构和气门停开机构连接；取样机构由外围驱动部分和取样执行部分组成，其取样执行部分安装在发动机气缸缸盖内，且取样机构的输出部与稀释机构和取样袋相通，气门停开机构安装在发动机摇臂轴上；模拟增压中冷装置由增压加热进气系统、空气压缩机、涡街流量计和智能温控表组成，增压加热进气系统与空气压缩机、涡街流量计和智能温控表连接。

所述取样机构的外围驱动部分由支撑轴、撞击块、行程开关触点、弹簧压板、紧固板、拉杆、电磁铁、衔铁、弹簧、弹簧拉板、撞击头、柱塞组成；其中，撞击决、行程开关触点、弹簧压板、紧固板安装在支撑轴上，电磁铁、衔铁和弹簧拉板安装在拉杆上，弹簧安装在弹簧拉板和弹簧压板之间，弹簧拉板外侧安装撞击头，并与撞击块相对，撞击块下部安装柱塞，弹簧拉板内侧装有与行程开关触点相对的动触点；电磁铁与电控单元的输出端连接；取样执行部分由取样用筒刀、用于密封燃烧室空间的膜片、压套组成，膜片被压套压在装在缸盖内的钢套内，筒刀装在压套内。

所述稀释机构由稀释管道、安装在管道上的氮气瓶和电磁阀组成。

所述气门停开机构由控制扭簧和电磁铁组成。

所述电控单元主要有定时卡PS2401、A/D采集卡AC1820A，调理滤波单元，信号合成单元，功率驱动单元，光耦，24V蓄电池组成；其中定时卡PS2401的输出端与信号合成单元的输入端连接，信号合成单元的输出端通过光电隔离与功率驱动单元的输入端连接，功率驱动单元的输出端与喷油器、油泵的电磁阀、气门停开机构的电磁铁、取样机构的电磁铁和稀释机构的电磁阀连接；共轨压力压力传感器与调理滤波单元的输入端连接，滤波单元的输出与A/D采集卡AC1820A连接，A/D采集卡输入端与计算机连接。

附图说明：

图1为本发明的结构示意图。

图2为取样机构外围驱动部分示意图

图3为取样机构执行部分示意图。

图4为稀释机构的示意图。

图5为气门停开机构的示意图。

图6为电控单元的原理图。

具体实施方式；

一种可模拟高压共轨、增压中冷和废气再循环(EGR)的全气缸取样系统，如图1所示：包括试验用发动机23，单缸高压共轨燃油喷射系统，模拟增压中冷装置，取样机构，稀释机构、取样袋、气门停开机构和计算机电控单元(ECU)组成。电控单元的输入端与发动机的凸轮位置传感器、高压共轨燃油喷射系统的共轨压力传感器和油泵同步信号传感器连接，电控单元的输出端与高压共轨燃油喷射系统中的电控喷油器、电控油泵、取样机构、稀释机构和气门停开机构连接；取样机构由外围驱动部分和取样执行部分组成，其取样执行部分安装在发动机气缸缸盖内，且取样机构的输出部与稀释机构和取样袋相通；气门停开机构安装在发动机摇臂轴上。模拟增压中冷装置中的单缸增压加热进气系统与空气压缩机、涡街流量计和智能温控表连接。模拟增压中冷装置中的空气压缩机通过涡街流量计、压力容器(储气罐)和智能温控表控制进气加热管与发动机第六缸的进气管相连；通过向储气罐中充入CO₂来实现模拟EGR。

所述取样机构的外围驱动部分由支撑轴1、撞击块2、行程开关触点3、弹簧压板4、紧固板5、拉杆6、电磁铁7、衔铁8、弹簧9、弹簧拉板10、撞击头11、柱塞12组成；其中，撞击块、行程开关触点、弹簧压板、紧固板安装在支撑轴上，电磁铁、衔铁和弹簧拉板安装在拉杆上，弹簧安装在弹簧拉板和弹簧压板之间，弹簧拉板外侧安装撞击头，并与撞击块相对，撞击块下部安装柱塞，弹簧拉板内侧装有与行程开关触点相对的动触点；电磁铁与电控单元的输出端连接；取样执行部分由取样用筒刀13、用于密封燃烧室空间的膜片14、压套15组成，膜片被压套压在装在缸盖内的钢套24内，筒刀装在压套内。所述稀释机构由稀释管道16、安装在管道上的氮气瓶17和电磁阀18组成。取样机构的中心任务是适时打破封闭气缸的膜片，使缸内气体溢出燃烧室，而其动作时刻控制由相应的控制电路提供。取出样气的同时稀释机构使样气迅速降温，淬灭化学反应；

所述气门停开机构由控制扭簧19和电磁铁20组成。气门停开机构使进排气门同时关闭保证样气不被燃油、空气和废气污染；气门停开机构安装在发动机摇臂轴21上。

如图5所示；所述电控单元主要有定时卡PS2401、A/D采集卡AC1820A，调理滤波单元，信号合成单元，功率驱动单元，光耦，24V蓄电池组成；其中定时卡PS2401的输出端与信号合成单元的输入端连接，信号合成单元的输出端通过光电隔离与功率驱动单元的输入端连接，功率驱动单元的输出端与喷油器、油泵的电磁阀、气门停开机构的电磁铁、取样机构的电磁铁和稀释机构的电磁阀连接；共轨压力压力传感器与调理滤波单元的输入端连接，滤波单元的输出与A/D采集卡AC1820A连接，A/D采集卡输入端与计算机连接。电控单元的作用主要是合成喷射控制所需信号、合成高压油泵控制所需要的信号和合成气门停开机构电磁铁、稀释机构电磁阀和取样机构电磁铁的驱动信号，根据共轨压力传感器的信号，确定油泵PCV阀的关闭时刻。由定时卡上集成的8253可编程定时器产生的TTL逻辑信号，经可编程逻辑器件(GAL)进行合成喷射控制信号，以及油泵电磁阀驱动方波信号。信号经光电隔离器件，由具有高速开关特性的MOSFET功率场效应晶体管进行功率放大，驱动喷油器电磁阀、PCV阀、电磁阀、取样用电磁铁和气门停开用电磁铁。

取样前，用于密封燃烧室空间的膜片被压套压装在缸盖内的钢套内，然后再把筒刀装在压套内，当满足一定的取样定时，电磁铁断电，弹簧的弹性势能释放，敲击撞击块将力传递给柱塞副，再传给筒刀，筒刀切割取样膜片，在缸内燃气压力作用下，膜片折起。缸内燃气沿筒刀内孔、侧孔及膜片压套上的侧孔流出，并与筒刀外围流动的稀释氮气混合。

发动机未起动时，操作者先借助于压紧螺帽和垫片将弹簧压缩，此时和弹簧拉板一起运动的动触点与行程开关的触点接触，电磁铁(长期工作制)通电，保持弹簧的压缩状态，并把压紧螺帽松开。当发动机达到需要的工作状态时，电控装置使电磁继电器的常闭触点断开，电磁铁线圈断电。电磁铁断电后，弹簧的弹性势能释放，行程开关断开，从而彻底切断电磁铁电路。断电后动力由撞击头，敲击撞击块将力传递给柱塞，再传给筒刀，筒刀切割取样膜片，在缸内燃气压力作用下，膜片折成盖状。缸内燃气沿筒刀内孔、侧孔及膜片压套上的侧孔流出，并与筒刀外围流动的稀释氮气混合，样气迅速降压、降温，从而淬灭化学反应，稀释、降温后的样气沿管路进入取样袋，以待对其进行物理或化学分析测量。氮气来源于高压氮气瓶。