定容燃烧器燃烧初始条件控制系统和方法技术方案

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；通过本发明专利技术的系统，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。

【技术实现步骤摘要】
定容燃烧器燃烧初始条件控制系统和方法
本专利技术属于发动机
，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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术的目的是实现定容燃烧器燃烧初始条件的可控。本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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。本专利技术通过使用乙炔气罐、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。本专利技术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.乙炔气罐本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种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Ⅰ(4)、压力控制阀Ⅱ(5)、压力控制阀Ⅲ(6)、电磁阀Ⅰ(7)、电磁阀Ⅱ(8)、电磁阀Ⅲ(9)、真空泵Ⅰ(10)球阀Ⅰ(11)、球阀Ⅱ(12)、压力变送器(13)、双作用气缸(14)、球阀Ⅲ(15)、溢流阀(16)、球阀Ⅳ(17)、气动活塞(18)、真空泵Ⅱ(19)、球阀Ⅴ(20)、球阀Ⅵ(21)、定容燃烧器(22)、电磁阀Ⅳ(23)、压力控制阀Ⅳ(24)、氮气气罐(25)组成，其特征在于其中乙炔气气罐(1)经压力控制阀Ⅰ(4)与电磁阀Ⅰ(7)的入口端连接；50％氧气+50％氮气气罐(2)经压力控制阀Ⅱ(5)与电磁阀Ⅱ(8)的入口端连接；压缩空气气罐(3)的出口端经压力控制阀Ⅲ(6)与电磁阀Ⅲ(9)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Ⅰ(7)的出口端、电磁阀Ⅱ(8)的出口端和电磁阀Ⅲ(9)的出口端一路共同经管路和球阀Ⅱ(12)与双作用气缸(14)的预混合气活塞腔(26)连接；电磁阀Ⅰ(7)的出口端、电磁阀Ⅱ(8)的出口端和电磁阀Ⅲ(9)的出口端另一路共同经管路和球阀Ⅰ(11)与真空泵Ⅰ(10)连接；双作用气缸(14)的预混合气活塞腔(26)与球阀Ⅱ(12)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Ⅳ(17)与压力变送器(13)连接；定容燃烧器(22)的出口经管路和球阀Ⅴ(20)与真空泵Ⅱ(19)连接；定容燃烧器(22)的出口与球阀Ⅴ(20)之间设有溢流阀(16)；氮气气罐(25)出口端经压力控制阀Ⅳ(24)和电磁阀Ⅳ(23)与双作用气缸(14)的高压氮气室(27)连接；电磁阀Ⅳ(23)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Ⅵ(21)和真空泵Ⅱ(19)；球阀Ⅲ(15)，球阀Ⅴ(20)和球阀Ⅵ(21)通过四通管路与真空泵Ⅱ(19)连接。...

【技术特征摘要】
1.一种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Ⅰ(4)、压力控制阀Ⅱ(5)、压力控制阀Ⅲ(6)、电磁阀Ⅰ(7)、电磁阀Ⅱ(8)、电磁阀Ⅲ(9)、真空泵Ⅰ(10)、球阀Ⅰ(11)、球阀Ⅱ(12)、压力变送器(13)、双作用气缸(14)、球阀Ⅲ(15)、溢流阀(16)、球阀Ⅳ(17)、气动活塞(18)、真空泵Ⅱ(19)、球阀Ⅴ(20)、球阀Ⅵ(21)、定容燃烧器(22)、电磁阀Ⅳ(23)、压力控制阀Ⅳ(24)、氮气气罐(25)组成，其特征在于其中乙炔气气罐(1)经压力控制阀Ⅰ(4)与电磁阀Ⅰ(7)的入口端连接；50％氧气+50％氮气气罐(2)经压力控制阀Ⅱ(5)与电磁阀Ⅱ(8)的入口端连接；压缩空气气罐(3)的出口端经压力控制阀Ⅲ(6)与电磁阀Ⅲ(9)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Ⅰ(7)的出口端、电磁阀Ⅱ(8)的出口端和电磁阀Ⅲ(9)的出口端一路共同经管路和球阀Ⅱ(12)与双作用气缸(14)的预混合气活塞腔(26)连接；电磁阀Ⅰ(7)的出口端、电磁阀Ⅱ(8)的出口端和电磁阀Ⅲ(9)的出口端另一路共同经管路和球阀Ⅰ(11)与真空泵Ⅰ(10)连接；双作用气缸(14)的预混合气活塞腔(26)与球阀Ⅱ(12)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Ⅳ(17)与压力变送器(13)连接；定容燃烧器(22)的出口经管路和球阀Ⅴ(20)与真空泵Ⅱ(19)连接；定容燃烧器(22)的出口与球阀Ⅴ(20)之间设有溢流阀(16)；氮气气罐(25)出口端经压力控制阀Ⅳ(24)和电磁阀Ⅳ(23)与双作用气缸(14)的高压氮气室(27)连接；电磁阀Ⅳ(23)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Ⅵ(21)；球阀Ⅲ(15)，球阀Ⅴ(20)和球阀Ⅵ(21)通过四通管路与真空泵Ⅱ(19)连接。2.按权利要求1所述的定容燃烧器燃烧初始条件控制系统，其特征在于所述的压力控制阀Ⅳ(24)、压力控制阀Ⅰ(4)、压力控制阀Ⅱ(5)和压力控制阀Ⅲ(6)为比例压力流量控制阀。3.一种基于权利要求1所述的定容燃烧器燃烧初始条件控制系统的控制方法,其特征在于包括下列步骤：3.1将乙炔气、50％氧气+50％氮气和压缩空气作为控制对象；3.2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：3.2.1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；3.2.2确定乙炔...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘宇，李君，乔世杰，徐潘龙，王亚，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林;22