專利名稱：定容燃燒彈多功能電控進氣系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及發(fā)動機技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種定容燃燒彈多功能電控進氣系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)可以通過電控單元控制定容燃燒彈內(nèi)氣體形成層流或者不同湍流強度的湍流。
背景技術(shù)：
隨著能源稀缺和環(huán)境惡化狀況日趨嚴重，合理的組織發(fā)動機氣體燃料的燃燒狀況，對實現(xiàn)燃燒控制，提高發(fā)動動力性、經(jīng)濟性有著十分重要的意義。定容燃燒彈是一種用于發(fā)動機燃燒模擬的試驗裝置，主要功能是模擬發(fā)動機活塞在上止點附近時氣缸內(nèi)的燃燒過程。其特點是結(jié)構(gòu)比較簡單，可以方便的改變熱力學參數(shù)(包括空燃比、溫度和壓力)、點火參數(shù)(點火位置、點火能量等)，從而研究不同參數(shù)對燃燒過程的影響。因此，采用定容燃燒彈來開展氣體燃料層流和湍流燃燒特性的研究是一種很有效的試驗手段。目前在定容燃燒彈中產(chǎn)生湍流的方式主要有噴射式湍流燃燒裝置、風扇式湍流燃燒裝置、孔板式湍流燃燒裝置、復雜方式湍流燃燒裝置等，如圖1所示。圖1a為噴射式湍流燃燒裝置，其先通過預混箱配置可燃氣體，混合氣在布置好的切向進氣道中實現(xiàn)進氣，從而產(chǎn)生湍流，缺點是需要在定容燃燒彈壁上鑿出切向進氣道，工藝難度大，且加工完成后進氣道孔徑很難改變；圖1b為風扇式湍流燃燒裝置，該裝置是通過風扇在定容燃燒裝置內(nèi)旋轉(zhuǎn)來形成湍流，風扇的轉(zhuǎn)速決定著湍流的強弱，但是具有風扇會使其結(jié)構(gòu)比較復雜，需要較大的燃燒室空間，并且往往需要多個風扇同時運行，只有很好的協(xié)調(diào)配合各個風扇運轉(zhuǎn)才能達到理想的各向同性流動，操作難度較大，對湍流擴散影響也比較大；圖1c為孔板式湍流燃燒裝置，其是通過燃燒室內(nèi)部運動的孔板來形成湍流，通過設計孔板結(jié)構(gòu)以及控制孔板的運動速度來達到不同強度的湍流。試驗進行時，一般是在孔板停止運動后的對應時刻來進行點火，以實現(xiàn)不同強度下的湍流燃燒。但此類裝置對燃燒室的幾何形狀有特殊的要求，同時對裝置的密封性會造成一定的影響；還有更復雜的湍流燃燒裝置，采用以上三種方式的湍流燃燒裝置中的兩種或幾種相結(jié)合形成的湍流燃燒裝置，這種方式的湍流燃燒裝置能夠克服單一方式湍流燃燒裝置的不足，但由于產(chǎn)生湍流的裝置均在燃燒所在的空間內(nèi)，過于復雜的結(jié)構(gòu)勢必會影響湍流燃燒的過程?？偟膩碚f現(xiàn)有的定容燃燒彈內(nèi)的湍流發(fā)生系統(tǒng)需要對彈體改動較大，并且需要較大的彈體內(nèi)空間，對于湍流強度的控制也非常困難，這些都大大的增強了系統(tǒng)的復雜程度，降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，還增加了系統(tǒng)的開發(fā)成本。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種對于定容燃燒彈彈體內(nèi)部空間要求不高，能夠通過電控方式來實現(xiàn)定容燃燒彈內(nèi)層流和湍流的切換，并可以控制湍流強度的定容燃燒彈多功能電控進氣系統(tǒng)。本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:
該系統(tǒng)由預混箱、湍流/層流切換裝置、湍流射流裝置以及電控單元組成；預混箱的出口與湍流/層流切換裝置的進氣口連接，湍流/層流切換裝置的湍流進氣管道通過湍流射流裝置與定容燃燒彈連接，湍流/層流切換裝置的層流進氣管道通過針閥與定容燃燒彈連接；在湍流/層流切換裝置的湍流進氣管道和層流進氣管道各設置一個電控電磁閥，兩個電控電磁閥分別與電控單元連接；所述湍流射流裝置由噴射閥、閥座和射流器組成；噴射閥為兩位兩通式電磁閥，采用過盈配合與閥座連接；所述射流器由一端封閉的銅管制成，分為射流圓環(huán)和連接段；連接段與射流圓環(huán)在同一平面，并且連接段的軸線向射流圓環(huán)方向的延長線經(jīng)過射流圓環(huán)的圓心；射流器所在平面垂直于燃燒彈彈體的軸線并且射流圓環(huán)的圓心在該軸線上；射流器的連接段與噴射閥出口連接；射流圓環(huán)為圓形，其表面均勻設置4個相同孔徑的射流孔，4個射流孔的圓心與射流圓環(huán)圓心的連線和連接段穿過射流圓環(huán)圓心的延長線的夾角均為45度,射流孔的射流方向與射流器所在平面成45度角，并指向點火處，從而保證射流后四個射流孔噴出的燃氣在點火處形成湍流。所述預混箱為立方體形狀，并在兩端分別設置觀察窗，兩對圓形吸盤式電磁鐵分別置于預混箱的內(nèi)外兩側(cè)，內(nèi)側(cè)電磁鐵和風扇同軸布置，外側(cè)的電磁鐵由電機驅(qū)動，帶動預混箱內(nèi)側(cè)電磁鐵和風扇一同轉(zhuǎn)動；預混箱體頂端安裝有一個精密壓力表，箱體左右表面布置進氣孔和出氣孔；預混箱的設計壓力為7-8bar。

所述噴射閥為兩位兩通式的SP010A燃氣噴射閥，作為高壓預混的可燃氣在注入燃燒彈時的進氣截止閥。所述射流圓環(huán)的外徑不大于定容燃燒彈的彈體內(nèi)徑，不小于彈體內(nèi)徑的1/2。所述射流器的噴射壓力在0.3^1MPa之間，射流孔徑在1.5 3mm之間。所述電控單元選用MC9S12DP512單片機作為主控芯片，電控芯片一方面控制湍流/層流切換裝置中湍流進氣管道電控電磁閥和層流進氣管道電控電磁閥的開閉，實現(xiàn)進氣方式的選擇，另一方面在選擇湍流進氣管道后要控制噴射閥的噴射時刻、噴射脈寬和噴射次數(shù)，進而實現(xiàn)湍流進氣的形成以及對湍流強度的控制。所述電控電磁閥采用ZQDF內(nèi)螺紋不銹鋼活塞式電磁閥，其工作方式為通電打開、斷電關(guān)閉，介質(zhì)溫度在-2(T220°C，壓力允許范圍是(Tl.6Mpa。本發(fā)明的有益效果是:該系統(tǒng)采用簡單的結(jié)構(gòu)和精確的控制，通過電控單元實現(xiàn)定容燃燒彈內(nèi)氣體形成層流或者湍流，以及層流或湍流的時間、強度等參數(shù)。


圖1 (a)、圖1 (b)和圖1 (C)分別是現(xiàn)有技術(shù)中的噴射式湍流燃燒裝置、風扇式湍流燃燒裝置、孔板式湍流燃燒裝置的結(jié)構(gòu)簡圖；圖2是本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；圖3 Ca)和圖3 (b)分別是噴射閥及閥座的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4 (a)和圖4 (b)分別是射流器的俯視圖和剖視圖；圖5 (a)和圖5 (b)分別是射流器在燃燒彈內(nèi)的安裝位置示意圖及A_A面剖視圖。
具體實施例方式本發(fā)明提供了一種定容燃燒彈多功能電控進氣系統(tǒng)，下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明做進一步說明。該系統(tǒng)由預混箱、湍流/層流切換裝置、湍流射流裝置以及電控單元組成，接哦股如圖2所示；預混箱的出口與湍流/層流切換裝置的進氣口連接，湍流/層流切換裝置的湍流進氣管道通過湍流射流裝置與定容燃燒彈連接，湍流/層流切換裝置的層流進氣管道通過針閥與定容燃燒彈連接；在湍流/層流切換裝置的湍流進氣管道和層流進氣管道各設置一個電控電磁閥，兩個電控電磁閥分別與電控單元連接。預混箱為立方體形狀，外形尺寸為220mmX220mmX300mm，壁厚30mm，其由前端
蓋、后端蓋、箱體、前觀察窗、后觀察窗、風扇和兩對圓形吸盤式電磁鐵構(gòu)成，頂端布置精密壓力表并連接排氣裝置的孔，箱體左右表面布置進氣孔和出氣孔，容量為7.68L，設計壓力為7-8bar。前后兩面的觀察窗采用了高強度有機玻璃，尺寸為180mmX 180mmX25mm。緊固件采用了 32個螺栓均勻分布在前后端蓋?？扇細怏w與空氣是通過預混箱進行混合，它的輸入管路與燃料、空氣預混合器及混合氣配給系統(tǒng)的掃氣管路相連，由進氣截止閥控制混合氣配給系統(tǒng)中的混合氣充入，它的輸出管路通過湍流/層流切換裝置與燃燒彈相連。在預混箱上設置有壓力表，用以顯示混合氣配制系統(tǒng)中的混合氣狀態(tài)。在預混箱內(nèi)部還裝有風扇和一對圓形吸盤式電磁鐵,風扇和預混箱內(nèi)部的圓形吸盤式電磁鐵為同軸布置,預混箱外部的圓形吸盤式電磁鐵通過電機帶動后，帶動了預混箱內(nèi)側(cè)電磁鐵和風扇一同轉(zhuǎn)動。湍流/層流切換裝置，包括電控電磁閥、電控單元、層流出氣管道和湍流出氣管道。其中電控電磁閥采用ZQDF內(nèi)螺紋不銹鋼活塞式電磁閥，其工作方式為通電打開、斷電關(guān)閉，介質(zhì)溫度在-20-220°C，壓力允許范圍是0-1.6Mpa，介質(zhì)可為天然氣。湍流/層流切換裝置通過電控單元對切換裝置中電控電磁閥進行控制可實現(xiàn)不同流動方式的切換，通過電控單元控制湍流進氣管道電控電磁閥常開、層流進氣管道電控電磁閥常閉，預混箱中的氣體將通過射流裝置進入定容燃燒彈中，實現(xiàn)定容燃燒彈內(nèi)氣體流動形式為湍流；通過電控單元控制層流進氣管道電控電磁閥常開、湍流進氣管道電控電磁閥常閉，從而預混箱中的氣體跳過噴射裝置，直接通過彈體入口處的層流進氣管道的針閥直接進入到定容燃燒彈中，進氣速度大大減緩，實現(xiàn)定容燃燒彈內(nèi)的氣體流動方式為層流。圖3 Ca)和圖3 (b)所示分別為噴射閥和噴射閥座。實驗所用的電磁閥經(jīng)過改裝，原噴射閥閥體上有三個進出口并與閥座一一對應，分別是進氣口 A、B和出氣口 C，其中A口和B 口分別是進燃氣和空氣的口，C 口是混合氣出口。經(jīng)過改進之后，原本用于天然氣和空氣進口的A、B，本文將其作為高壓預混可燃氣體的出氣口 ；原本出氣口 C本文將其作為混合氣進氣口。這樣在閥體開啟時，進氣口 A被堵死，閥體一個口進氣、一個口出氣。閥體上兩個密封的橡膠環(huán)起到了密封作用，可以保證在進氣和燃氣燃燒時不會發(fā)生泄漏，這樣改動之后的噴射閥可與閥座很好的進行配合完成噴射工作。閥座表面共布置5個孔，分別為安裝閥體孔、兩個固定閥體孔、進氣孔和出氣孔。閥座上表面用于固定閥體的孔，設計采用M4X0.7螺紋。左右各布置兩個盲孔，左邊進氣盲孔末端與放置閥體孔的上半段邊緣曲面相切，這部分作為進氣口，采用G1/4管螺紋設計來保證該密封性能。同時在右邊設計出氣盲孔，相應的盲孔末端與放置閥體孔的下半段邊緣曲面相切。右邊盲孔作為可燃混合氣的出口同樣采用了 G1/4管螺紋設計。閥座的工作壓力為0.5MPa左右。射流器如圖4 (a)和圖4 (b)所示，其安裝位置如圖5 (a)和圖5 (b)所示。射流器是采用管徑6_并且一端封閉的銅管制做而成，分為射流圓環(huán)和連接段，射流圓環(huán)為圓形，直徑為6cm，延伸段長3cm。連接段與射流圓環(huán)在同一平面，并且連接段的軸線向射流圓環(huán)方向的延長線經(jīng)過射流圓環(huán)的圓心，延伸段用于整個射流器與彈體的連接，其與彈體之間采用過盈連接，要保證連接后射流器所在平面垂直于燃燒彈彈體的軸線并且射流圓環(huán)的圓心在該軸線上；射流圓環(huán)的表面共有4個相同孔徑的射流孔，它們將射流圓環(huán)四等分，延伸段的中心延長線的兩側(cè)的圓環(huán)上各布有兩個射流孔，四個射流孔的圓心與射流圓環(huán)圓心的連線和延伸段穿過射流圓環(huán)圓心的延長線的夾角都為45度，射流孔的射流方向與射流器所在平面成45度角，并指向點火處，從而保證射流后四個射流孔噴出的燃氣在點火處形成湍流。射流器的噴射壓力在0.3-lMPa之間，射流孔徑在1.5-3mm之間，可根據(jù)試驗需求進行調(diào)節(jié)。本發(fā)明是通過控制噴射脈寬和次數(shù)，以及改變噴射圓環(huán)上的噴射孔的孔徑來生成不同湍流強度的湍流，在預混箱內(nèi)配置好一定壓力、一定當量比的混合氣體，通過電腦控制噴射閥的脈寬和噴射次數(shù)，使得預混箱內(nèi)混合氣體通過湍流進氣管道進入射流器中，從射流器四個射流孔噴射出的氣體匯聚到兩點火電極間隙中心處。進氣后渦流逐漸從大渦流破散成細小渦流，而流體又與壁面進行撞擊，使有序運動向紊流運動轉(zhuǎn)化，最后會形成湍流。改變噴射脈寬、噴射次數(shù)或者射流器的孔徑，就可以方便的改變彈體內(nèi)的湍流強度。所述的電控單元選用了 MC9S12DP512單片機作為主控芯片，軟件基于CodeWarrior系列集成開發(fā)環(huán)境開發(fā)，電控芯片一方面控制瑞流/層流切換裝置中瑞流進氣管道電控電磁閥和層流進氣管道電控電磁閥的開閉，實現(xiàn)進氣方式的選擇，另一方面在選擇湍流進氣管道后要控制噴射閥的噴射時刻、噴射脈寬和噴射次數(shù)，進而實現(xiàn)湍流進氣的形成以及對湍流強度的控制。
權(quán)利要求
1.容燃燒彈多功能電控進氣系統(tǒng)，其特征在于，由預混箱、湍流/層流切換裝置、湍流射流裝置以及電控單元組成；預混箱的出口與湍流/層流切換裝置的進氣口連接，湍流/層流切換裝置的湍流進氣管道通過湍流射流裝置與定容燃燒彈連接，湍流/層流切換裝置的層流進氣管道通過針閥與定容燃燒彈連接；在湍流/層流切換裝置的湍流進氣管道和層流進氣管道各設置一個電控電磁閥，兩個電控電磁閥分別與電控單元連接； 所述湍流射流裝置由噴射閥、閥座和射流器組成；噴射閥為兩位兩通式電磁閥，采用過盈配合與閥座連接； 所述射流器由一端封閉的銅管制成，分為射流圓環(huán)和連接段；連接段與射流圓環(huán)在同一平面，并且連接段的軸線向射流圓環(huán)方向的延長線經(jīng)過射流圓環(huán)的圓心；射流器所在平面垂直于燃燒彈彈體的軸線并且射流圓環(huán)的圓心在該軸線上；射流器的連接段與噴射閥出口連接；射流圓環(huán)為圓形，其表面均勻設置4個相同孔徑的射流孔，4個射流孔的圓心與射流圓環(huán)圓心的連線和連接段穿過射流圓環(huán)圓心的延長線的夾角均為45度,射流孔的射流方向與射流器所在平面成45度角，并指向點火處，從而保證射流后四個射流孔噴出的燃氣在點火處形成湍流。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的定容燃燒彈多功能電控進氣系統(tǒng)，其特征在于，所述預混箱為立方體形狀，并在兩端分別設置觀察窗，兩對圓形吸盤式電磁鐵分別置于預混箱的內(nèi)外兩側(cè)，內(nèi)側(cè)電磁鐵和風扇同軸布置，外側(cè)的電磁鐵由電機驅(qū)動，帶動預混箱內(nèi)側(cè)電磁鐵和風扇一同轉(zhuǎn)動；預混箱體頂端安裝有一個精密壓力表，箱體左右表面布置進氣孔和出氣孔；預混箱的設計壓力為7-8bar。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的定容燃燒彈多功能電控進氣系統(tǒng)，其特征在于，所述噴射閥為兩位兩通式的SPOlOA燃氣噴射閥，作為高壓預混的可燃氣在注入燃燒彈時的進氣截止閥。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的定容燃燒彈多功能電控進氣系統(tǒng)，其特征在于，所述射流圓環(huán)的外徑不大于定容燃燒彈的彈體內(nèi)徑，不小于彈體內(nèi)徑的1/2。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的定容燃燒彈多功能電控進氣系統(tǒng)，其特征在于，所述射流器的噴射壓力在0.3"lMPa之間,射流孔徑在1.5"3mm之間。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的定容燃燒彈多功能電控進氣系統(tǒng)，其特征在于，所述電控單元選用MC9S12DP512單片機作為主控芯片，電控芯片一方面控制湍流/層流切換裝置中湍流進氣管道電控電磁閥和層流進氣管道電控電磁閥的開閉，實現(xiàn)進氣方式的選擇，另一方面在選擇湍流進氣管道后要控制噴射閥的噴射時刻、噴射脈寬和噴射次數(shù)，進而實現(xiàn)湍流進氣的形成以及對湍流強度的控制。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的定容燃燒彈多功能電控進氣系統(tǒng)，其特征在于，所述電控電磁閥采用ZQDF內(nèi)螺紋不銹鋼活塞式電磁閥，其工作方式為通電打開、斷電關(guān)閉，介質(zhì)溫度在-2(T220°C，壓力允許范圍是(Tl.6Mpa。
全文摘要
本發(fā)明涉及發(fā)動機技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種定容燃燒彈多功能電控進氣系統(tǒng)。該系統(tǒng)由預混箱、湍流/層流切換裝置、湍流射流裝置以及電控單元組成；預混箱的出口與湍流/層流切換裝置的進氣口連接，湍流/層流切換裝置的湍流進氣管道通過湍流射流裝置與定容燃燒彈連接，湍流/層流切換裝置的層流進氣管道通過針閥與定容燃燒彈連接；在湍流/層流切換裝置的湍流進氣管道和層流進氣管道各設置一個電控電磁閥，兩個電控電磁閥分別與電控單元連接。本發(fā)明采用簡單的結(jié)構(gòu)和精確的控制，通過電控單元實現(xiàn)定容燃燒彈內(nèi)氣體形成層流或者湍流。
文檔編號G01M15/04GK103092112SQ20131000153
公開日2013年5月8日 申請日期2013年1月4日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月4日
發(fā)明者張欣, 鄭士卓, 王鵬, 李明亮 申請人:北京交通大學