定容燃烧器燃烧初始条件控制系统和方法

摘要

定容燃烧器燃烧初始条件控制系统和方法属发动机技术领域，系统中乙炔气罐经压力控制阀Ⅰ与电磁阀Ⅰ连接，50％氧+50％氮气罐经压力控制阀Ⅱ与电磁阀Ⅱ连接，压缩空气罐经压力控制阀Ⅲ与电磁阀Ⅲ连接，三个电磁阀出口端一路经球阀Ⅱ与预混合气活塞腔连接，三个电磁阀出口端另一路经球阀Ⅰ与真空泵Ⅰ连接，预混合气活塞腔与球阀Ⅱ之间设有压力变送器，定容燃烧器入口经球阀Ⅱ与压力变送器连接，定容燃烧器出口经球阀Ⅴ与真空泵Ⅱ连接，氮气气罐经压力控制阀Ⅳ与电磁阀Ⅳ连接，电磁阀Ⅳ出口端与高压氮气室连接；通过本发明的系统，能实现预燃混合气成分配比和预混合气输运，主动改变定容燃烧器内温度、压力、密度和气体成分，达到控制燃烧初始条件的目的。

说明书

技术领域

本发明属于发动机技术领域，具体涉及一种通过控制预混合气体的成分配比，来实现定 容燃烧器内燃烧压力、温度和组分可控的系统和方法。

背景技术

发动机的本质是燃料在燃烧室内的燃烧，利用热工转换的作用将燃料的化学能转化为机 械能。所以燃料在内燃机内的燃烧过程将决定热工转换效率，并影响污染物排放。目前国内 外对内燃机燃烧过程的研究主要为仿真研究、台架试验研究。但是其并不能直观的观察燃料 在燃烧室内的燃烧过程，这种缺陷限制了内燃机燃烧机理的研究。

作为一种新兴的技术手段，定容燃烧器能够利用其密闭的可视结构并运用高速摄像机， 实现燃料燃烧过程的可视化研究。定容燃烧器能够模拟不同环境，不同喷油量及喷油时刻的 燃烧情况，掌握燃烧室内火核生成、火焰传播、碳烟等污染物的生成过程。其作为发动机技 术开发的重要工具，能大幅提高发动机开发效率。

定容燃烧器是一种用于模拟发动机燃烧室内燃烧过程的试验装置。它的主要作用是利用 其结构特点实现对活塞处于上止点时的燃料燃烧过程的可视化。利用定容燃烧器的结构及相 关附件控制包括点火能量、点火正时、喷油量、喷油时刻、喷油脉宽、燃烧初始压力、温度 及组分等各种参数。改变以上参数将得到不同的燃烧过程，通过高速摄像机及可视化的燃烧 器结构能够实现燃烧过程的记录，得到包括油束喷射过程、火核发展、火焰传播、碳烟等污 染物的生成过程的相关结果。此外，定容燃烧器还可用于不同燃料燃烧过程的研究，常用的 燃料有柴油、汽油、乙醇、天然气等各种替代燃料。

因定容燃烧器仅能模拟混合气燃烧的瞬间，而燃料燃烧的初始条件需要通过外部附加设 备来实现。所以设计研究一种控制系统来实现定容燃烧器燃烧初始条件的控制十分必要。

发明内容

本发明的目的是实现定容燃烧器燃烧初始条件的可控。本发明设计一套装置来调节预燃 混合气的成分，实现可变缸内密度、温度、氧浓度等实验条件，模拟发动机不同工况下的缸 内燃烧情况。

本发明的定容燃烧器燃烧初始条件控制系统，由乙炔气气罐1、50％氧气+50％氮气气罐2、 压缩空气气罐3、压力控制阀Ⅰ4、压力控制阀Ⅱ5、压力控制阀Ⅲ6、电磁阀Ⅰ7、电磁阀 Ⅱ8、电磁阀Ⅲ9、真空泵Ⅰ10球阀Ⅰ11、球阀Ⅱ12、压力变送器13、双作用气缸14、球阀 Ⅲ15、溢流阀16、球阀Ⅳ17、气动活塞18、真空泵Ⅱ19、球阀Ⅴ20、球阀Ⅵ21、定容燃烧 器22、电磁阀Ⅳ23、压力控制阀Ⅳ24、氮气气罐25组成，其中乙炔气气罐1经压力控制阀 Ⅰ4与电磁阀Ⅰ7的入口端连接；50％氧气+50％氮气气罐2经压力控制阀Ⅱ5与电磁阀Ⅱ8的入 口端连接。

压缩空气气罐3的出口端经压力控制阀Ⅲ6与电磁阀Ⅲ9的入口端连接。

双作用气缸14内部由气动活塞18隔绝，形成高压氮气室27和预混合气活塞腔26。

电磁阀Ⅰ7的出口端、电磁阀Ⅱ8的出口端和电磁阀Ⅲ9的出口端一路共同经管路和球阀 Ⅱ12与双作用气缸14的预混合气活塞腔26连接。

电磁阀Ⅰ7的出口端、电磁阀Ⅱ8的出口端和电磁阀Ⅲ9的出口端另一路共同经管路和球 阀Ⅰ11与真空泵Ⅰ10连接。

双作用气缸14的预混合气活塞腔26与球阀Ⅱ12之间设有压力变送器13。

定容燃烧器22的入口经管路和球阀Ⅳ17与压力变送器13连接。

定容燃烧器22的出口经管路和球阀Ⅴ20与真空泵Ⅱ19连接。

定容燃烧器22的出口与球阀Ⅴ20之间设有溢流阀16。

氮气气罐25出口端经压力控制阀Ⅳ24和电磁阀Ⅳ23与双作用气缸14的高压氮气室27 连接。

电磁阀Ⅳ23和双作用气缸14的高压氮气室27之间的管路中，还串接有球阀Ⅵ21和真空 泵Ⅱ19；球阀Ⅲ15，球阀Ⅴ20和球阀Ⅵ21通过四通管路与真空泵Ⅱ19连接。

所述的压力控制阀Ⅳ24、压力控制阀Ⅰ4、压力控制阀Ⅲ6、压力控制阀Ⅲ6为比例压力 流量控制阀。

本发明的定容燃烧器燃烧初始条件控制方法,包括下列步骤：

1.将乙炔气、50％氧气+50％氮气和压缩空气作为控制对象；

2.计算乙炔气、50％氧气+50％氮气和压缩空气的配比，具体包括下列步骤：

2.1确定模拟环境：氧浓度为21％，混合气密度为14.8kg/m³，环境温度为：800K～1200K；

2.2确定乙炔气、50％氧气+50％氮气和压缩空气的比例，设定通入缸内预混合气总摩尔数 为100mol；

设定乙炔气完全燃烧，定容燃烧器14内燃烧过程为：

4C₂H₂+XO₂+YN₂8CO₂+4H₂O+YN₂+(X-10)O₂；

燃烧后定容燃烧器14内氧浓度为21％＝(X-10)/(8+4+Y+X-10)，且4+X+Y＝100；

解得：X＝30.58mol，Y＝65.42mol，即O₂摩尔数为30.58mol，N₂摩尔数为65.42mol，C₂H₂摩尔数为4mol；

2.3确定乙炔气、50％氧气+50％氮气和压缩空气的摩尔分数：

预混合气中的O₂和N₂分别由50％氧气+50％氮气气罐2和压缩空气气罐3提供，设定两种 气体摩尔数分别为M、N：

0.5M+0.209N＝30.58；

0.5M+0.791N＝65.42；

解得M＝36.14，N＝59.86，即得到C₂H₂摩尔数为4mol；50％氧气+50％氮气的混合气摩尔 数为36.14mol；压缩空气摩尔数为59.86mol，确定C₂H₂摩尔分数为4％；50％氧气+50％氮气的 混合气摩尔分数为36.14％；压缩空气摩尔分数为59.86％；

2.4确定乙炔气气罐1、50％氧气+50％氮气气罐2和压缩空气气罐3的出口压力：

设定乙炔预混合燃烧后定容燃烧器内密度为14.8kg/m3、定容燃烧器14的容积为已知、 缸内温度为378K，根据理想气体状态方程，计算得到预混气体在定容燃烧器14内的压力为 12.56bar；气动活塞18的容积为已知、活塞腔内温度为293K，根据理想气体状态方程，计 算得到预混气体在气压活塞内的压力为8.31bar。由2.3步骤所得乙炔气、50％氧气+50％氮气 和压缩空气的摩尔分数，计算得到乙炔气的出口压力为：0.349bar，50％氧气+50％氮气的混合 气的出口压力为：3.504bar，压缩空气的出口压力为：8.31bar；

2.5根据2.4步骤所得的乙炔气的出口压力、50％氧气+50％氮气的混合气的出口压力、压 缩空气的出口压力，控制乙炔气罐压力控制阀、50％氧气+50％氮气气罐压力控制阀、压缩空气 罐压力控制阀，依次通入气动活塞18，在预混合气活塞腔26形成混合气；

3.将混合气喷入定容燃烧器22：关闭球阀Ⅵ21，打开电磁阀Ⅳ23，通过压力控制阀Ⅳ24 控制氮气气罐25出口压力，将高压氮气喷入高压氮气室27；气动活塞18在高压氮气的作用 下，推动预混合气活塞腔26中的混合气，经球阀Ⅳ17喷入定容燃烧器22。

本发明通过使用乙炔气罐、50％氧气+50％氮气气罐、压缩空气气罐及其回路，向预混合 气活塞腔内喷射一定量的气体，形成目标混合气，并在50％氧气+50％氮气气罐及其回路形成 的高压下推动双作用气缸内的气动活塞，将预混合气经进气管路推入定容燃烧器中。本发明 能主动改变定容燃烧器内的温度、压力、密度和气体成分，达到控制燃烧初始条件的目的。

附图说明

图1为定容燃烧器燃烧初始条件控制系统的结构示意图

图2为高压氮气室27和预混合气活塞腔26的位置示意图

图3为燃烧器内预混合气燃烧过程压力变化图

其中：1.乙炔气罐 2. 50％氧气+50％氮气气罐 3.压缩空气气罐 4.乙炔气罐压力控制阀  5.50％氧气+50％氮气气罐压力控制阀 6.压缩空气气罐压力控制阀 7.乙炔回路电磁阀  8.50％氧气+50％氮气回路电磁阀 9.压缩空气回路电磁阀 10.真空泵Ⅰ 11.球阀Ⅰ  12.球阀Ⅱ 13.压力变送器 14.双作用气缸 15.球阀Ⅲ 16.溢流阀 17.球阀Ⅳ 18.气动 活塞 19.真空泵Ⅱ 20.球阀Ⅴ 21.球阀Ⅵ 22.定容燃烧器 23.氮气回路电磁阀 24.氮气 气罐压力控制阀 25.氮气罐 26.预混合气活塞腔 27.高压氮气室

具体实施方式

下面结合附图进一步说明定容燃烧器燃烧初始条件控制系统的结构及工作原理。

本发明中乙炔气气罐1经压力控制阀Ⅰ4与电磁阀Ⅰ7的入口端连接。

50％氧气+50％氮气气罐2经压力控制阀Ⅱ5与电磁阀Ⅱ8的入口端连接。

压缩空气气罐3的出口端经压力控制阀Ⅲ6与电磁阀Ⅲ9的入口端连接。

双作用气缸14内部由气动活塞18隔绝，形成高压氮气室27和预混合气活塞腔26。

电磁阀Ⅰ7的出口端、电磁阀Ⅱ8的出口端和电磁阀Ⅲ9的出口端一路共同经管路和球阀 Ⅱ12与双作用气缸14的预混合气活塞腔26连接。

电磁阀Ⅰ7的出口端、电磁阀Ⅱ8的出口端和电磁阀Ⅲ9的出口端另一路共同经管路和球 阀Ⅰ11与真空泵Ⅰ10连接。

双作用气缸14的预混合气活塞腔26与球阀Ⅱ12之间设有压力变送器13。

定容燃烧器22的入口经管路和球阀Ⅳ17与压力变送器13连接。

定容燃烧器22的出口经管路和球阀Ⅴ20与真空泵Ⅱ19连接。

定容燃烧器22的出口与球阀Ⅴ20之间设有溢流阀16。

氮气气罐25出口端经压力控制阀Ⅳ24和电磁阀Ⅳ23与双作用气缸14的高压氮气室27 连接。

电磁阀Ⅳ23和双作用气缸14的高压氮气室27之间的管路中，还串接有球阀Ⅵ21和真空 泵Ⅱ19。

球阀Ⅲ15、球阀Ⅴ20和球阀Ⅵ21通过四通管路与真空泵Ⅱ19连接。

所述的压力控制阀Ⅳ24、压力控制阀Ⅰ4、压力控制阀Ⅲ6、压力控制阀Ⅲ6为比例压力 流量控制阀。

所述的双作用气缸14内径为100mm，行程为100mm。

所述的各电磁阀的工作方式为通电开启、断电关闭，压力允许范围为0-1.6MPa。

所述的压力变送器13的压力测量范围为0-5MPa，球阀Ⅳ17为不锈钢球阀。

所述的溢流阀16阀值压力为20MPa。

预混合气由乙炔气、50％氧气+50％氮气和压缩空气混合而成；具体布置方式为：乙炔气 罐1与压力控制阀Ⅰ4通过不锈钢管路连接，压力控制阀Ⅰ4用于乙炔气路压力调节，控制乙 炔流量，压力控制阀Ⅰ4出口端连接电磁阀Ⅰ，电磁阀Ⅰ用于控制整个回路的开闭状态；50％ 氧气+50％氮气气罐2与压力控制阀Ⅱ5通过不锈钢管路连接，压力控制阀Ⅱ5用于50％氧气 +50％氮气气路压力调节、控制50％氧气+50％氮气流量；压力控制阀Ⅱ5出口端连接电磁阀 Ⅳ23，电磁阀Ⅳ23用于控制整个回路的开闭状态；压缩空气气罐3与压力控制阀Ⅲ6通过不 锈钢管路连接，压力控制阀Ⅲ6用于压缩空气气路压力调节，控制压缩空气流量，压力控制 阀Ⅲ6出口端连接电磁阀Ⅲ9，电磁阀Ⅲ9用于控制整个回路的开闭状态；通过控制以上三个 回路的压力控制阀和电磁阀，达到定量配比预混合气的目的。

预混合气经上述预混合气形成装置进行配比前，需关闭球阀Ⅱ12、球阀Ⅲ15、球阀Ⅵ21， 开启球阀Ⅳ17、球阀Ⅴ20，使用真空泵Ⅱ19抽取定容燃烧器22、预混合气活塞腔26和管路 中的气体，并使气动活塞18达到最右端；完成以上操作后，关闭球阀Ⅳ17、球阀Ⅴ20。

在完成以上操作后，关闭球阀Ⅰ11、球阀Ⅳ17，开启球阀Ⅱ12，将电磁阀Ⅰ7、电磁阀 Ⅱ8和电磁阀Ⅲ9通电，开启电磁阀Ⅲ9，并根据计算所需的气体量调节压力控制阀Ⅰ4出口 压力、压力控制阀Ⅱ5出口压力和压力控制阀Ⅲ6出口压力，实现定量配比各气体；以上三种 气体经不锈钢管路进入预混合气活塞腔26内。

通过以上步骤，预混合气在压力的作用下被压入预混合气活塞腔26内，形成预混合气， 并通过压力变送器13测量双作用气缸14内的预混合气的压力；在预混合气达到目标压力后， 关闭电磁阀Ⅰ7、电磁阀Ⅱ8、电磁阀Ⅲ9和球阀Ⅱ12。

为将预混合气通入定容燃烧器22内，需将球阀Ⅳ17开启，关闭球阀Ⅵ21；同时开启电 磁阀Ⅳ23和压力控制阀Ⅳ24，

高压氮气经不锈钢管路进入双作用气缸14的高压氮气室27；气动活塞18在高压氮气的 作用下，推动预混合气活塞腔内的预混合气经球阀Ⅳ17进入定容燃烧器22；在预混合气完全 压入定容燃烧器22内后关闭球阀Ⅳ17。

通过以上操作，预混合气顺利形成并被压入定容燃烧器22中；在火花塞点火后，预混合 气实现燃烧；如图3所示，燃烧室内压力迅速升高，并在完成燃烧后，压力逐渐降低；由于 缸壁传热，缸内混合气温度、压力相对缓慢降低，直至达到预先设定的燃烧初始边界条件， 触发喷油器开始喷油，继而雾化、燃烧。

上述预混合气气体成分配比具体方法如下：

以模拟柴油机常规工况缸内环境为例(密度14.8kg/m³，氧浓度21％，环境温度 800K～1200K)，介绍预混合气成分计算过程。设定乙炔气体完全燃烧，定容燃烧器22内燃烧 过程如下：

4C₂H₂+XO₂+YN₂→8CO₂+4H₂O+YN₂+(X-10)O₂

燃烧后燃烧室内氧浓度为21％＝(X-10)/(8+4+Y+X-10)(设定预混合气完全燃烧，缸 内氧摩尔含量为21％)

4+X+Y＝100(为计算方便设定通入缸内预混合气总摩尔数100mol)

解得：X＝30.58，Y＝65.42

预混合气的氧气和氮气分别由50％氧气+50％氮气气罐2和压缩空气气罐3提供，设定两 种气体摩尔数分别为M、N：

0.5M+0.209N＝30.58

0.5M+0.791N＝65.42

得M＝36.14，N＝59.86；即乙炔气体摩尔分数4％，50％氧气+50％氮气的混合气摩尔分数 36.14％，压缩空气摩尔分数59.86％。

由于进气系统为压力控制流量，且三种混合气体依次通入气动活塞18，均匀混合后一次 性压入定容燃烧器22中，因此需要计算三种气罐的出口压力。由于设定乙炔预混合燃烧后缸 内密度为14.8kg/m3，已知定容燃烧器22容积和缸内温度(378K)条件下，根据理想气体状 态方程计算得到预混气体在定容燃烧器22内的压力12.56bar。已知气动活塞18容积和预混 合气活塞腔26内温度(293K)条件下，计算得到预混气体在气动活塞18内的压力8.31bar。 以上已计算三种混合气体的摩尔分数，因此计算得到三种气体出口压力分别为：乙炔气 0.349bar，50％氧气+50％氮气的混合气3.504bar，压缩空气8.31bar。压力控制阀门1、2、3 根据以上数据控制三种气体出口压力，依次通入气动活塞18。通过以上方法即达到控制预混 合气成分配比的目的，且可根据实际需求并按照以上方法计算相应的乙炔气、50％氧气+50％ 氮气、压缩空气的出口压力。