本發(fā)明涉及一種模擬發(fā)動機缸內(nèi)燃燒的實驗裝置，具體涉及到一種模擬發(fā)動機缸內(nèi)單次燃燒的實驗裝置及其實驗方法。

背景技術：

發(fā)動機缸內(nèi)的燃燒過程十分復雜，而國內(nèi)外目前研究發(fā)動機缸內(nèi)燃燒過程的裝置大致分為光學發(fā)動機、定容燃燒彈和快速壓縮機等三大類。其中光學發(fā)動機為單缸機，缸內(nèi)燃燒過程與實際發(fā)動機缸內(nèi)燃燒過程相同，但由于受發(fā)動機循環(huán)變動等因素的影響，不能準確控制燃燒室的熱力參數(shù)。定容燃燒彈多用于研究均質(zhì)混合氣火花點火燃燒的火焰?zhèn)鞑ミ^程，燃燒分析過程中忽略了空氣流動對缸內(nèi)燃燒過程的影響，這與發(fā)動機實際的工作過程不符?？焖賶嚎s機是利用外力在很短時間內(nèi)推動活塞完成缸內(nèi)的壓縮過程，在接近上止點時噴油或點火，模擬發(fā)動機缸內(nèi)的單次燃燒?？焖賶嚎s機現(xiàn)有的驅(qū)動方式主要分：壓縮空氣驅(qū)動、液體驅(qū)動、爆炸驅(qū)動等幾類。其中壓縮空氣驅(qū)動的壓縮機構不能模擬類似于柴油機等高壓縮比缸內(nèi)的燃燒過程。液體驅(qū)動的壓縮機構雖能實現(xiàn)高壓縮比，但因壓縮速度低、散熱嚴重等因素，不能達到燃料油束所需的自燃溫度。爆炸驅(qū)動危險且爆炸物難以取得，研究中較少使用?，F(xiàn)有的快速壓縮機驅(qū)動裝置不能在缸內(nèi)燃料燃燒膨脹后立即停止活塞的運動以維持缸內(nèi)的容積恒定，難以排除因燃燒室容積變化對燃料燃燒組分的影響。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術問題是提供一種模擬發(fā)動機缸內(nèi)單次燃燒的實驗裝置，解決現(xiàn)有的快速壓縮機驅(qū)動裝置不能在缸內(nèi)燃料燃燒膨脹后立即停止活塞的運動以維持缸內(nèi)的容積恒定的問題，該裝置可在燃料燃燒膨脹后停止活塞運動，減少因燃燒室容積變化對燃燒產(chǎn)物組分的影響。

為解決上述技術問題，本發(fā)明所采用的技術方案為：

一種模擬發(fā)動機缸內(nèi)單次燃燒的實驗裝置，包括內(nèi)部貫穿有凸輪軸的底座，凸輪軸的中部設有一個凸輪，凸輪的右側設有同凸輪基圓直徑相同的凸輪基圓圓柱，凸輪左側的凸輪軸上套有凸輪回位彈簧，凸輪與燃燒裝置的滾輪接觸；底座的右側連接有液壓油蓋，液壓油蓋具有一個與凸輪軸相配合的大圓柱空腔，大圓柱空腔的右側還有一個液壓油腔，液壓油腔經(jīng)液壓油道與外部的電磁閥相連。

根據(jù)上述方案，所述燃燒裝置包括設置在底座的上方并且內(nèi)部貫穿有圓柱形挺柱的挺柱座，挺柱的頂端中心設有半球型凹槽，挺柱的底部沿其直徑方向設有凹槽，凹槽內(nèi)嵌有與凸輪接觸的滾輪，挺柱垂直凹槽的方向貫穿有滾輪銷，滾輪銷穿過滾輪的中心；挺柱座的上端連接到發(fā)動機缸體，發(fā)動機缸體內(nèi)部設有活塞，連桿頂端經(jīng)活塞銷與活塞相連，連桿底部為半球形并與挺柱頂端的半球形凹槽相嵌合；活塞頂部還設有活塞環(huán)；發(fā)動機缸蓋及相關組件連接到發(fā)動機缸體的頂部。

作為上述方案的進一步改進，所述發(fā)動機缸體內(nèi)部具有階梯形空腔，下部為直徑較大的第一空腔，上部為直徑較小的第二空腔；所述活塞為階梯形，下部為直徑較大的活塞大頭端，上部為直徑較小的活塞小頭端；活塞大頭端與發(fā)動機缸體的第一空腔之間設有活塞回位彈簧。

作為上述方案的進一步改進，還包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括凸輪位置傳感器、瞬時壓力傳感器、進排氣壓力傳感器、進排氣溫度傳感器、尾氣分析儀、數(shù)據(jù)采集卡和PC機；凸輪位置傳感器安裝在凸輪軸上，瞬時壓力傳感器的探頭與發(fā)動機缸體內(nèi)部的燃燒室接觸，進排氣壓力傳感器和進排氣溫度傳感器安裝在發(fā)動機缸蓋及相關組件的進排氣管上。

作為上述方案的進一步改進，還包括控制系統(tǒng)；所述控制系統(tǒng)包括信號處理模塊、電子控制單元及電磁閥。

一種如上述方案所述的模擬發(fā)動機缸內(nèi)單次燃燒的實驗裝置的實驗方法，其過程如下：

實驗裝置運行后，以活塞到達壓縮上止點時刻的信號作為電子控制單元和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的觸發(fā)信號；在活塞到達壓縮上止點時刻噴入燃油或點燃可燃混合氣，當發(fā)動機缸體內(nèi)混合氣未著火燃燒時，則重復前面動作直至發(fā)動機缸體內(nèi)可燃混合氣著火燃燒；

當發(fā)動機缸體內(nèi)混合氣著火燃燒后，通過瞬時壓力傳感器測取發(fā)動機缸體內(nèi)的瞬時壓力，根據(jù)所測壓力信號判斷發(fā)動機缸體內(nèi)混合氣燃燒是否正常；

當電子控制單元收到發(fā)動機缸體內(nèi)混合氣燃燒信號后給電磁閥發(fā)送指令，電磁閥開啟，液壓油進入液壓油腔并推動凸輪軸移動，當滾輪完全脫離凸輪時，電磁閥關閉，否則一直充油，直至滾輪完全脫離凸輪；

當滾輪完全脫離凸輪并按凸輪的基圓型線運行時，電磁閥關閉，充油過程結束；此時尾氣分析儀、進排氣壓力傳感器和進排氣溫度傳感器測取發(fā)動機缸體內(nèi)燃燒產(chǎn)物的組分、壓力和溫度等信號，并通過數(shù)據(jù)采集卡集成處理后在PC機上顯示；

當發(fā)動機缸體內(nèi)信號采集完畢后，電子控制單元給電磁閥發(fā)送開啟指令，電磁閥開啟并泄出液壓油，凸輪軸復位，滾輪與凸輪完全接觸后電磁閥關閉，否則電磁閥將一直開啟直至滾輪與凸輪完全接觸；

當滾輪與凸輪完全接觸并按凸輪的基圓型線運行后，活塞在凸輪的作用下將發(fā)動機缸體內(nèi)廢氣排出；當發(fā)動機缸體內(nèi)廢氣排出后，活塞在活塞回位彈簧的作用下向下運行而進入進氣行程，測取進氣溫度、壓力信號，此時完成一個循環(huán)的工作內(nèi)容，并進入下一循環(huán)的工作狀態(tài)。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果是：能確保缸內(nèi)燃料單次著火燃燒后的燃燒產(chǎn)物組分不受活塞運動的影響，能更好的研究燃料在缸內(nèi)的燃燒過程；同時也能模擬發(fā)動機各個轉速下缸內(nèi)燃料的燃燒產(chǎn)物，其工作模式更為接近發(fā)動機的實際工作情況；既能用于研究不同類型的發(fā)動機缸內(nèi)燃燒產(chǎn)物組分，也能用于研究不同燃料的缸內(nèi)燃燒產(chǎn)物組分。

附圖說明

下面結合附圖對本發(fā)明的具體實施方式作進一步說明，其中：

圖1是本發(fā)明的結構示意圖；

圖2是本發(fā)明的實驗方法的流程圖。

圖中各標號的釋義為：1-底座，2-凸輪軸，3-凸輪位置傳感器，4-凸輪回位彈簧，5-滾輪，6-滾輪銷，7-挺柱，8-挺柱座，9-連桿，10-發(fā)動機缸體，11-活塞，12-活塞回位彈簧，13-活塞銷，14-活塞密封環(huán)，15-發(fā)動機缸蓋及相關組件，16-挺柱座連接螺栓，17-彈簧銷，18-凸輪，19-凸輪基圓圓柱，20-電磁閥，21-液壓油道，22-O型密封圈，23-液壓油腔，24-液壓油蓋，25-液壓油蓋連接螺栓。

具體實施方式

一種模擬發(fā)動機缸內(nèi)單次燃燒的實驗裝置，包括底座1、帶有凸輪基圓圓柱19的凸輪軸2、凸輪回位彈簧4、液壓系統(tǒng)組件、挺柱組件、活塞連桿組件、發(fā)動機缸體10、發(fā)動機缸蓋及相關組件15、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。

底座1位于整個實驗裝置的底部并起支撐作用，內(nèi)部呈“凹”形狀，凸輪軸2穿過底座1的兩端并能自由轉動。帶有凸輪基圓圓柱19的凸輪軸2安裝在底座1上，凸輪18位于凸輪軸2的中間，凸輪18左邊安裝凸輪回位彈簧4，凸輪回位彈簧4位于底座1和凸輪18之間并穿過凸輪軸2；凸輪18右邊為外徑依次減小的三階圓柱體，第一階圓柱體為凸輪基圓圓柱19，靠近凸輪18端，其外徑與凸輪18的基圓外徑一致；第二階圓柱體的外徑大于底座1上的軸安裝直徑，對凸輪18的運動起限位作用；第三階圓柱體的直徑略小于底座1上的軸安裝直徑，確保凸輪軸2能自由轉動。

液壓系統(tǒng)組件包括具有液壓油道21的液壓油蓋24、液壓油腔23和電磁閥20。液壓油蓋24外形為圓柱體，其內(nèi)部具有“凸”字形的圓柱體空腔，液壓油蓋24經(jīng)液壓油蓋連接螺栓25與底座1相連，內(nèi)部大圓柱體空腔的圓周面與凸輪軸2第三階圓柱體外圓面相配合，凸輪軸2的端面與大圓柱體空腔的端面貼合，與小圓柱體空腔一道形成密閉的液壓油腔23。液壓油蓋24上開有與小圓柱體空腔相通的液壓油道21，液壓油道21與外部電磁閥20相連，由電磁閥20控制液壓油的充泄。為保證液壓油腔23的密閉性，在液壓油蓋24與凸輪軸2的第三階圓柱體之間還設有O型密封圈。

挺柱座8外形與試驗裝置的發(fā)動機缸體10相似，經(jīng)挺柱座連接螺栓16固定在發(fā)動機缸體10上，內(nèi)部中間位置為圓柱形通孔。所述挺柱組件包括挺柱7、滾輪銷6、滾輪5和彈簧銷17，其中挺柱7為圓形柱體，與挺柱座8內(nèi)部的圓形通孔配合并能上下自由滑動；挺柱7頂端內(nèi)部為一個圓柱體空腔，緊接著是一個半徑小于圓柱體空腔半徑的半球形空腔；挺柱7下端沿豎直軸線方向?qū)蓚冗M行部分切削，在切削面的中心位置上加工一個圓形通孔，挺柱7下端面的中間部分加工一個沿其直徑對稱的凹槽。安裝時將滾輪5置于挺柱7底部凹槽中，滾輪銷6穿過挺柱7底部將滾輪5、挺柱7連為一體，再經(jīng)彈簧銷17將滾輪銷6與挺柱7固定，防止?jié)L輪銷6轉動，滾輪5能自由旋轉，同時滾輪5與凸輪18相接觸。

活塞連桿組件包括活塞11、連桿9、活塞銷13以及活塞回位彈簧12，其中活塞11設計為階梯形的圓柱體，下端為直徑較大的活塞大頭端，上端為直徑較小的活塞小頭端。連桿9頂部經(jīng)活塞銷13與活塞11相連，連桿9底部為半圓形球面，與挺柱7內(nèi)部的半球型空腔相接觸。發(fā)動機缸體10內(nèi)部具有階梯形空腔，下部為直徑較大的第一空腔，上部為直徑較小的第二空腔?；钊匚粡椈?2穿過活塞小頭端，底端與活塞大頭端端面結合，頂部與發(fā)動機缸體10的第二空腔相接觸，確保在進氣過程中活塞11能及時回位。

發(fā)動機缸蓋及相關組件15連接到發(fā)動機缸體10的頂部。

所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括凸輪位置傳感器3、瞬時壓力傳感器、進排氣壓力傳感器、進排氣溫度傳感器、尾氣分析儀、數(shù)據(jù)采集卡和PC機。

凸輪位置傳感器3安裝在凸輪軸2上，為配氣機構、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和電磁閥20提供觸發(fā)信號。

瞬時壓力傳感器的探頭與發(fā)動機缸體10內(nèi)部的燃燒室接觸，測取發(fā)動機缸體10內(nèi)混合氣燃燒膨脹后的瞬時壓力，為分析發(fā)動機缸體10內(nèi)燃燒狀況提供依據(jù)。

進排氣壓力傳感器和進排氣溫度傳感器分別安裝在進排氣管上，通過測取進排氣的壓力和溫度信號為分析尾氣成分提供依據(jù)，同時通過排氣信號來監(jiān)測機構的運行狀態(tài)，避免在運行過程中拋錨。

尾氣分析儀主要分析發(fā)動機缸體10內(nèi)燃料燃燒后的產(chǎn)物組分，數(shù)據(jù)采集卡將各個傳感器測取的信號集中處理并在PC機上顯示。

所述控制系統(tǒng)包括信號處理模塊、電子控制單元(ECU)及電磁閥20。信號處理模塊能對各個傳感器的信號進行實時處理并將處理后的相應信號傳送給ECU，電磁閥20根據(jù)ECU的指令信號做出相應的開閉動作以控制液壓油的通斷。

本實驗裝置的實驗方法為：實驗裝置運行后，以活塞11到達壓縮上止點時刻的信號作為ECU和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的觸發(fā)信號。在活塞11到達壓縮上止點時刻噴入燃油或點燃可燃混合氣，當發(fā)動機缸體10內(nèi)混合氣未著火燃燒時，則重復前面動作直至發(fā)動機缸體10內(nèi)可燃混合氣著火燃燒。

當發(fā)動機缸體10內(nèi)混合氣著火燃燒后，通過瞬時壓力傳感器測取發(fā)動機缸體10內(nèi)的瞬時壓力，根據(jù)所測壓力信號判斷發(fā)動機缸體10內(nèi)混合氣燃燒是否正常。

當ECU收到發(fā)動機缸體10內(nèi)混合氣燃燒信號后給電磁閥20發(fā)送指令，電磁閥20開啟，液壓油進入液壓油腔23并推動凸輪軸2移動，當滾輪5完全脫離凸輪18時，電磁閥20關閉，否則一直充油，直至滾輪5完全脫離凸輪18。

當滾輪5完全脫離凸輪18并按凸輪18的基圓型線運行時，電磁閥20關閉，充油過程結束。此時尾氣分析儀、進排氣壓力傳感器和進排氣溫度傳感器測取發(fā)動機缸體10內(nèi)燃燒產(chǎn)物的組分、壓力和溫度等信號，并通過數(shù)據(jù)采集卡集成處理后在PC機上顯示。

當發(fā)動機缸體10內(nèi)信號采集完畢后，ECU給電磁閥20發(fā)送開啟指令，電磁閥20開啟并泄出液壓油，凸輪軸2復位，滾輪5與凸輪18完全接觸后電磁閥20關閉，否則電磁閥20將一直開啟直至滾輪5與凸輪18完全接觸。

當滾輪5與凸輪18完全接觸并按凸輪18的基圓型線運行后，活塞11在凸輪18的作用下將發(fā)動機缸體10內(nèi)廢氣排出。當發(fā)動機缸體10內(nèi)廢氣排出后，活塞11在活塞回位彈簧12的作用下向下運行而進入進氣行程，測取進氣溫度、壓力信號，此時完成一個循環(huán)的工作內(nèi)容，并進入下一循環(huán)的工作狀態(tài)。

具體的，本實驗裝置的工作方式為：本實驗裝置由電機驅(qū)動，電機軸的輸出端與凸輪軸2相連，配氣機構的驅(qū)動軸經(jīng)鏈條或皮帶輪等傳動裝置與凸輪軸2相連，并按四沖程發(fā)動機的工作原理運行，通過調(diào)節(jié)電機轉速來控制凸輪軸2的轉速。

對于點燃式發(fā)動機：在進氣行程中，可燃混合氣經(jīng)進氣管進入發(fā)動機缸體10內(nèi)，進氣行程結束后進、排氣門關閉，活塞11隨凸輪18上行，混合氣被壓縮。ECU根據(jù)凸輪位置傳感3器提供的凸輪18的位置信號給火花塞控制器發(fā)送指令，當活塞11接近壓縮上止點時刻時火花塞點燃混合氣，當活塞11越過壓縮上止點后，混合氣快速燃燒并膨脹做功推動活塞11下行。

對于壓燃式發(fā)動機：在進氣行程中，空氣經(jīng)進氣管進入發(fā)動機缸體10內(nèi)，進氣行程結束后進、排氣門關閉，活塞11隨凸輪18上行，空氣被壓縮。ECU根據(jù)凸輪位置傳感器3提供的凸輪軸2的信號給噴油器發(fā)送指令，在活塞11接近壓縮上止點時刻噴油器將燃油噴入發(fā)動機缸體10內(nèi)并與空氣混合形成可燃混合氣，部分可燃混合氣被壓燃，當活塞11越過壓縮上止點后，混合氣快速燃燒并膨脹做功，推動活塞11下行。

對于點燃式或壓燃式發(fā)動機：控制系統(tǒng)均以活塞11到達壓縮上止點時刻為觸發(fā)信號。當活塞11越過壓縮上止點隨凸輪18下行時，ECU給電磁閥20發(fā)送指令，電磁閥20開啟，液壓油充滿液壓油腔23并推動凸輪軸2克服凸輪回位彈簧4做軸向運動，滾輪5和凸輪18完全脫離并按凸輪基圓型線運行后關閉電磁閥20，確保凸輪軸2在旋轉過程中活塞11的位置保持不變。尾氣分析儀、進排氣壓力傳感器和進排氣溫度傳感器分別測取發(fā)動機缸體10內(nèi)燃燒產(chǎn)物的組分、壓力和溫度，并通過數(shù)據(jù)采集卡和PC機進行顯示和存儲。當對發(fā)動機缸體10內(nèi)燃燒產(chǎn)物信號采集完畢后，電磁閥20打開，液壓油泄出，凸輪軸2復位，活塞11按凸輪基圓型線運行并在凸輪18作用下進入排氣階段將發(fā)動機缸體10內(nèi)廢氣排出。當廢氣排出后，在活塞回位彈簧12的作用下向下運行進入進氣狀態(tài)，進排氣壓力傳感器和進排氣溫度傳感器測取進氣的壓力和溫度，整個工作過程進入下一循環(huán)的實驗。