定容燃燒器燃燒初始條件控制系統的制作方法
【技術領域】
[0001]本實用新型屬于發動機技術領域，具體涉及一種通過控制預混合氣體的成分配比，來實現定容燃燒器內燃燒壓力、溫度和組分可控的系統。
【背景技術】
[0002]發動機的本質是燃料在燃燒室內的燃燒，利用熱工轉換的作用將燃料的化學能轉化為機械能。所以燃料在內燃機內的燃燒過程將決定熱工轉換效率，并影響污染物排放。目前國內外對內燃機燃燒過程的研宄主要為仿真研宄、臺架試驗研宄。但是其并不能直觀的觀察燃料在燃燒室內的燃燒過程，這種缺陷限制了內燃機燃燒機理的研宄。
[0003]作為一種新興的技術手段，定容燃燒器能夠利用其密閉的可視結構并運用高速攝像機，實現燃料燃燒過程的可視化研宄。定容燃燒器能夠模擬不同環境，不同噴油量及噴油時刻的燃燒情況，掌握燃燒室內火核生成、火焰傳播、碳煙等污染物的生成過程。其作為發動機技術開發的重要工具，能大幅提高發動機開發效率。
[0004]定容燃燒器是一種用于模擬發動機燃燒室內燃燒過程的試驗裝置。它的主要作用是利用其結構特點實現對活塞處于上止點時的燃料燃燒過程的可視化。利用定容燃燒器的結構及相關附件控制包括點火能量、點火正時、噴油量、噴油時刻、噴油脈寬、燃燒初始壓力、溫度及組分等各種參數。改變以上參數將得到不同的燃燒過程，通過高速攝像機及可視化的燃燒器結構能夠實現燃燒過程的記錄，得到包括油束噴射過程、火核發展、火焰傳播、碳煙等污染物的生成過程的相關結果。此外，定容燃燒器還可用于不同燃料燃燒過程的研宄，常用的燃料有柴油、汽油、乙醇、天然氣等各種替代燃料。
[0005]因定容燃燒器僅能模擬混合氣燃燒的瞬間，而燃料燃燒的初始條件需要通過外部附加設備來實現。所以設計研宄一種控制系統來實現定容燃燒器燃燒初始條件的控制十分必要。
【發明內容】
[0006]本實用新型的目的是提供一種能實現預燃混合氣成分配比和預混合氣輸運，主動改變定容燃燒器內溫度、壓力、密度和氣體成分，達到控制燃燒初始條件的系統。
[0007]本實用新型的定容燃燒器燃燒初始條件控制系統，由乙炔氣氣罐1、50%氧氣+50%氮氣氣罐2、壓縮空氣氣罐3、壓力控制閥I 4、壓力控制閥II 5、壓力控制閥III 6、電磁閥I 7、電磁閥II 8、電磁閥III 9、真空泵I 10球閥I 11、球閥II 12、壓力變送器13、雙作用氣缸14、球閥III15、溢流閥16、球閥IV 17、氣動活塞18、真空泵II 19、球閥V 20、球閥VI 21、定容燃燒器22、電磁閥IV 23、壓力控制閥IV 24、氮氣氣罐25組成，其中乙炔氣氣罐I經壓力控制閥I 4與電磁閥I 7的入口端連接；50%氧氣+50%氮氣氣罐2經壓力控制閥II 5與電磁閥II 8的入口端連接。
[0008]壓縮空氣氣罐3的出口端經壓力控制閥III 6與電磁閥III 9的入口端連接。
[0009]雙作用氣缸14內部由氣動活塞18隔絕，形成高壓氮氣室27和預混合氣活塞腔26 ο
[0010]電磁閥I 7的出口端、電磁閥II 8的出口端和電磁閥III 9的出口端一路共同經管路和球閥II 12與雙作用氣缸14的預混合氣活塞腔26連接。
[0011 ] 電磁閥I 7的出口端、電磁閥II 8的出口端和電磁閥III 9的出口端另一路共同經管路和球閥I 11與真空泵I 10連接。
[0012]雙作用氣缸14的預混合氣活塞腔26與球閥II 12之間設有壓力變送器13。
[0013]定容燃燒器22的入口經管路和球閥IV 17與壓力變送器13連接；定容燃燒器22的出口經管路和球閥V 20與真空泵II 19連接；定容燃燒器22的出口與球閥V 20之間設有溢流閥16。
[0014]氮氣氣罐25出口端經壓力控制閥IV 24和電磁閥IV 23與雙作用氣缸14的高壓氮氣室27連接。
[0015]電磁閥IV 23和雙作用氣缸14的高壓氮氣室27之間的管路中，還串接有球閥VI 21和真空泵II 19 ;球閥III 15，球閥V 20和球閥VI 21通過四通管路與真空泵II 19連接。
[0016]所述的壓力控制閥IV24、壓力控制閥I 4、壓力控制閥1116、壓力控制閥ΙΙΙ6為比例壓力流量控制閥。
[0017]本實用新型的定容燃燒器燃燒初始條件控制方法，包括下列步驟:
[0018]1.將乙炔氣、50%氧氣+50%氮氣和壓縮空氣作為控制對象；
[0019]2.計算乙炔氣、50%氧氣+50%氮氣和壓縮空氣的配比，具體包括下列步驟:
[0020]2.1確定模擬環境:氧濃度為21 %，混合氣密度為14.8kg/m3，環境溫度為:800K?1200Κ ；
[0021]2.2確定乙炔氣、50%氧氣+50%氮氣和壓縮空氣的比例，設定通入缸內預混合氣總摩爾數為10mol ；
[0022]設定乙炔氣完全燃燒，定容燃燒器14內燃燒過程為:
[0023]4C2H2+X02+YN28C02+4H20+YN2+ (X-10) O2;
[0024]燃燒后定容燃燒器14內氧濃度為21 % = (X-10) / (8+4+Y+X-10)，且4+X+Y = 100 ；
[0025]解得:X= 30.58mol，Y = 65.42mol，即 02摩爾數為 30.58mol，N 2摩爾數為65.42mol，C2H2摩爾數為 4mol ；
[0026]2.3確定乙炔氣、50%氧氣+50%氮氣和壓縮空氣的摩爾分數:
[0027]預混合氣中的02和N2分別由50%氧氣+50%氮氣氣罐2和壓縮空氣氣罐3提供，設定兩種氣體摩爾數分別為M、N:
[0028]0.5M+0.209N = 30.58 ；
[0029]0.5M+0.791N = 65.42 ；
[0030]解得M = 36.14,N = 59.86，即得到C2H2摩爾數為4mol ;50%氧氣+50%氮氣的混合氣摩爾數為36.14mol ;壓縮空氣摩爾數為59.86mol，確定C2H2摩爾分數為4%;50%氧氣+50%氮氣的混合氣摩爾分數為36.14% ;壓縮空氣摩爾分數為59.86% ；
[0031 ] 2.4確定乙炔氣氣罐1、50 %氧氣+50 %氮氣氣罐2和壓縮空氣氣罐3的出口壓力:
[0032]設定乙炔預混合燃燒后定容燃燒器內密度為14.8kg/m3、定容燃燒器14的容積為已知、缸內溫度為378K，根據理想氣體狀態方程，計算得到預混氣體在定容燃燒器14內的壓力為12.56bar ;氣動活塞18的容積為已知、活塞腔內溫度為293K，根據理想氣體狀態方程，計算得到預混氣體在氣壓活塞內的壓力為8.31bar。由2.3步驟所得乙炔氣、50%氧氣+50 %氮氣和壓縮空氣的摩爾分數，計算得到乙炔氣的出口壓力為:0.349bar，50 %氧氣+50%氮氣的混合氣的出口壓力為:3.504bar，壓縮空氣的出口壓力為:8.3Ibar ；
[0033]2.5根據2.4步驟所得的乙炔氣的出口壓力、50 %氧氣+50 %氮氣的混合氣的出口壓力、壓縮空氣的出口壓力，控制乙炔氣罐壓力控制閥、50%氧氣+50%氮氣氣罐壓力控制閥、壓縮空氣罐壓力控制閥，依次通入氣動活塞18，在預混合氣活塞腔26形成混合氣；
[0034]3.將混合氣噴入定容燃燒器22:關閉球閥VI 21，打開電磁閥IV 23，通過壓力控制閥IV 24控制氮氣氣罐25出口壓力，將高壓氮氣噴入高壓氮氣室27 ;氣動活塞18在高壓氮氣的作用下，推動預混合氣活塞腔26中的混合氣，經球閥IV 17噴入定容燃燒器22。
[0035]本實用新型通過使用乙炔氣罐、50%氧氣+50%氮氣氣罐、壓縮空氣氣罐及其回路，向預混合氣活塞腔內噴射一定量的氣體，形成目標混合氣，并在50%氧氣+50%氮氣氣罐及其回路形成的高壓下推動雙作用氣缸內的氣動活塞，將預混合氣經進氣管路推入定容燃燒器中。本實用新型能主動改變定容燃燒器內的溫度、壓力、密度和氣體成分，達到控制燃燒初始條件的目的。
【附圖說明】
[0036]圖1為定容燃燒器燃燒初始條件控制系統的結構示意圖
[0037]圖2為高壓氮氣室27和預混合氣活塞腔26的位置示意圖
[0038]圖3為燃燒器內預混合氣燃燒過程壓力變化圖
[0039]其中:1.乙塊氣耀2.50%氧氣+50%氮氣氣耀3.壓縮空氣氣耀4.乙塊氣耀壓力控制閥5.50%氧氣+50%氮氣氣罐壓力控制閥6.壓縮空氣氣罐壓力控制閥7.乙炔回路電磁閥8.50%氧氣+50%氮氣回路電磁閥9.壓縮空氣回路電磁閥10.真空泵I 11.球閥I 12.球閥II 13.壓力變送器14.雙作用氣缸15.球閥III 16.溢流閥17.球閥IV18.氣動活塞19.真空泵II 20.球閥V 21.球閥VI 22.定容燃燒器23.氮氣回路電磁閥24.氮氣氣罐壓力控制閥25.氮氣罐26.預混合氣活塞腔27.高壓氮氣室
【具體實施方式】
[0040]下面結合附圖進一步說明定容燃燒器燃燒初始條件控制系統的結構及工作原理。
[0041]本實用新型中乙炔氣氣罐I經壓力控制閥I 4與電磁閥I 7的入口端連接。
[0042]50%氧氣+50%氮氣氣罐2經壓力控制閥II 5與電磁閥II 8的入口端連接。
[0043]壓縮空氣氣罐3的出口端經壓力控制閥III 6與電磁閥III 9的入口端連接。
[0044]雙作用氣缸14內部由氣動活塞18隔絕，形成高壓氮氣室27和預混合氣活塞腔
26 ο
[0045]電磁閥I 7的出口端、電磁閥II 8的出口端和電磁閥III 9的出口端一路共同經管路和球閥II 12與雙作用氣缸14的預混合氣活塞腔26連接。
[0046]電磁閥I 7的出口端、電磁閥II 8的出口端和電磁閥III 9的出口端另一路共同經管路和球閥I 11與真空泵I 10連