可內置橫隔板的氣體燃料定容燃燒室的製作方法

2023-06-01 04:25:36

專利名稱：可內置橫隔板的氣體燃料定容燃燒室的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種燃燒氣體燃料的內置橫隔板定容燃燒室(CVCC)，主要用於對 影響各種氣體燃料定容燃燒的各種因素進行分析，進而對實際應用的內燃機的性能進行優 化，屬於內燃機燃燒研究領域。
背景技術：
國內外現有的研究氣體燃料定容燃燒的裝置為定容燃燒室或定容燃燒彈。現有定 容燃燒室或定容燃燒彈的主要結構為圓球形、圓桶形、或橢圓形的封閉統一空間，燃料和空 氣在此空間內進行混合和燃燒。現有定容燃燒室的主要缺點在於1、只能對液體燃料進行 燃燒的研究；2、由於燃燒室結構的特點，只能用火花塞置頂點火，不加隔板時不能在燃燒室 中心點火，無法研究球型火焰的擴散和層流燃燒；3、隔板的形狀和開孔單一，不能研究火焰 的狹縫淬熄效應；4、不能上下同時點火模仿發動機的EGR效應。
發明內容本實用新型的目的在於克服了現有定容燃燒室無法同時用於壓燃燃燒和中心點 燃燃燒研究的缺陷，提出了一種燃燒氣體燃料的可內置橫隔板的定容燃燒室。在不加橫隔 板時，就是一個常見的一體式的燃燒室，可以實現中心電極點火，從而對氣體燃料的層流燃 燒特性進行研究；在燃燒室內加可變異形橫隔板時，將一個統一式燃燒室分隔為上燃燒室 和下燃燒室，上燃燒室用於火花點燃燃燒研究，下燃燒室用於壓燃燃燒或引燃燃燒研究，為 研究目前燃燒天然氣等氣體燃料的發動機燃燒室內均質混合氣壓燃和爆燃現象提供借鑑； 此外，在加置帶不同狹縫的橫隔板時可以用來研究火焰的狹縫淬熄效應。為了實現上述目的，本實用新型設計了 一種可內置橫隔板的氣體燃料定容燃燒 室，主要包括有本體、前端蓋和嵌在前端蓋中的視窗，本體和視窗圍成燃燒室，並且本體左 右內壁上設有1 5對的橫隔板插槽，並設有橫隔板，橫隔板插入插槽將燃燒室分為上燃燒 室和下燃燒室；在本體上還設置有與上燃燒室連通的火花塞安裝孔、耐高溫高壓閥安裝孔、 上進排氣閥安裝孔，與下燃燒室連通的火花塞式壓力傳感器安裝孔、下進排氣閥安裝孔，與 上燃燒室或與下燃燒室連通的溫度傳感器安裝孔；視窗為高強度透明介質，從前端蓋內側 嵌入，前端蓋外側設擋住視窗的凸沿；橫隔板上設置有1 9個直徑相同的通孔或1 9條 狹縫，通孔的直徑為0. 5mm 2. 0mm，狹縫的寬度為0. 5mm 3. Omm ；並且，在燃燒室左右兩 側的正中心部位設置有正極點火針安裝孔和負極點火針安裝孔。所述橫隔板上等間隔設置有可將上燃燒室分成更多燃燒室的縱隔板2 4片，並 在本體的頂壁上設置有2 4條可插入縱隔板的縱隔板定位槽。縱隔板的優選數為2或4 片。所述橫隔板上通孔的數目優選為橫隔板位於中心的1個或一字均勻排列的3個 或均勻「田」字排列的9個。對於設置有縱隔板的橫隔板，由縱隔板隔出的各區域中孔的優 選數目為位於各區域中心的1個或一字均勻排列的3個。所述橫隔板上的通孔的直徑優選
3為0. 5mm 或 1. Omm 或 1. 5mm 或 2. 0mm。所述橫隔板上狹縫的數目優選為位於橫隔板中心的1條或均勻排列的3條或5 條或7條或9條。對於設置有縱隔板的橫隔板，由縱隔板隔出的各區域中狹縫的優選數目 為位於各區域中心的1條或均勻排列的3條。所述橫隔板上的狹縫的寬度優選為0. 5mm或 1. Omm 或 1. 5mm 或 2. Omm 或 2. 5mm 或 3mm。本裝置的燃燒室內腔優選為正方體，且燃燒室的邊長不小於100mm。在本體上還設置有與下燃燒室連通的火花塞安裝孔。當插入橫隔板時，利用上下 火花塞點火的時序，可模擬發動機EGR效應(一個燃燒室先點火產生的廢氣通過隔板小孔 進入另外一個燃燒室，然後另一個火花塞立刻點火)。本裝置的主要優點在於1、採用內置異性橫隔板，可對燃燒室進行靈活分隔，可將 一個統一式燃燒室分隔為上燃燒室和下燃燒室；2、增加了用途，不加隔板時可研究可燃氣 體的層流燃燒特性，加隔板時用於壓燃燃燒或引燃燃燒或狹縫淬熄效應的研究；3、上、下兩 個燃燒室分別獨立地充入可燃氣體空氣混合氣，使得形成的混合氣更加均勻；4、燃燒室整 體結構為正方體，有利於統一燃燒試驗時球型火焰的傳播擴散；5、專門針對氣體燃料所設 計的燃燒裝置；6、採用的橫隔板上帶有縱隔板，可將上燃燒室進一步的分割；7、可視化窗 口的石英玻璃可依靠燃燒室內部高壓氣體實現自密封；8、對於氣體燃料燃燒後會在石英玻 璃上產生大量水汽問題，而石英玻璃經常拆卸容易損壞，本實用新型將石英玻璃安裝在前 端蓋上，清洗時只拆卸前端蓋即可；9、燃燒室頂部和底部同時裝有火花塞，控制兩者的點火 時序，可用來模擬發動機的EGR效應。

圖19為圖1所示實施例CVCC內置三縫橫隔板示意圖圖20為圖1所示實施例CVCC試驗過程流程圖圖21為圖1所示實施例CVCC本體基本構造立體圖圖中1-CVCC本體；2-火花塞；3-點火控制系統；4-高溫高壓閥；5-壓力變送器； 6-負極點火針；7-壓力傳感器；8-壓力信號採集系統；9-正極點火針；10-溫度傳感器； 11-電加熱器；12-溫度控制儀；13-高速攝影機；14-下進排氣閥；15-上進排氣閥；16-開 關閥；17-精密壓力表；18-空氣減壓閥；19-空氣瓶；20-可燃氣瓶；21-可燃氣減壓閥； 22-精密壓力表；23-單向開關閥；24-開關閥；25-真空表；26-真空泵；27-可變異形橫隔 板；28-圖像信號採集系統；29-上燃燒室；30-內置橫隔板位置A ；31-內置橫隔板位置B ； 32-下燃燒室；33-火花塞式壓力傳感器安裝孔；34-下進排氣閥安裝孔；35-溫度傳感器 安裝孔；36-正極點火針安裝孔；37-上進排氣閥安裝孔；38-高溫高壓閥安裝孔；39-火花 塞安裝孔；40-玻璃密封墊；41-前端蓋密封墊；42-窗蓋安裝螺栓；43-窗蓋；44-前端蓋； 45-前端蓋安裝螺栓；46-視窗；47-前端面安裝螺栓孔；48-縱隔板定位槽；49-支架安裝 孔；50-負極點火針安裝孔；51-前端蓋安裝孔；52-安裝窗蓋螺栓孔；53-窗蓋安裝沉孔； 54-單孔橫隔板；55-隔板通孔；56-三孔橫隔板；57-九孔橫隔板；58-帶縱隔板的單孔橫隔 板；59-帶縱隔板的三孔橫隔板；60-單縫橫隔板；61-隔板狹縫；62-三縫橫隔板；63-橫隔 板插槽。
具體實施方式
基於本專利的特點，主要是三種實施方式。第一、不加隔板時中心點火針點火，用 於研究氣體燃料層流燃燒特性的試驗；第二、加帶小孔隔板時燃燒室頂部火花塞點火或頂 部底部按一定的時序點火，用於研究氣體燃料的壓燃(自然)或引燃現象及EGR效應；第 三、加帶狹縫隔板時燃燒室火花塞頂部點火，用於研究氣體燃料的狹縫淬熄效應。下面結合圖1 圖21詳細說明燃燒室內加帶小孔隔板和狹縫隔板時的實施例。本實施例主要由本體1、內置橫隔板、前端蓋44、視窗46、各路管接件和傳感器等 組成。本體1的左右內壁設置有兩對橫隔板插槽63，分別為內置橫隔板位置A 30和內置橫 隔板位置B31，橫隔板放置於其中的一對橫隔板插槽63內，橫隔板的上設置有一個隔板通 孔55或隔板狹縫61。橫隔板把本體1內部空間分為上、下兩部分，分別稱為上燃燒室29和 下燃燒室32。本體1的上內壁還設有縱隔板定位槽48，可插入帶縱隔板的橫隔板，可將上 燃燒室的有效體積變得更小。在本體1的後壁設置有用於安裝可耐高溫高壓的進排氣閥的 上進排氣閥安裝孔37和下排氣閥安裝孔34 ；在本體1的左側壁設置有負極點火針6安裝孔 50 ；在右側壁設置有正極點火針9安裝孔36和溫度傳感器安裝孔10 ；在本體1的上部設置 有火花塞2的安裝孔39和用於連接壓力變送器5的耐高溫高壓閥4的安裝孔38 ；在本體1 的底部中心設置火花塞式氣體壓力傳感器7的安裝孔33。其中，上進排氣閥安裝孔37、火 花塞安裝孔39和頂部測壓開關閥安裝孔38與上燃燒室29連通，下進排氣閥安裝孔34和 壓力傳感器安裝孔33與下燃燒室32連通。本體1和前端蓋44採用螺釘固定，由於氣體燃 料燃燒後在視窗46上會產生大量的水汽，所以視窗46需要經常拆卸清洗，視窗46 —般採 用石英玻璃(如圖12)，而石英玻璃是一種很易碎的材料且很昂貴，為了避免經常拆卸石英 玻璃，在前端蓋44前面的窗口處設凸臺，視窗46前面壓在凸臺上，後面用窗蓋43壓緊在前端蓋44上(如圖2)，如此一來，清洗玻璃面時，只需要把前端蓋密卸下來即可，封面處用耐 高溫高壓的氟橡膠密封墊來密封。燃燒室為邊長IOOmm的正方體。電加熱器11採用可方便纏繞的加熱帶，溫度傳感器10選K型熱電偶。本實施例中對於帶孔的橫隔板根據孔的數目分為1孔、3孔和9孔三個系列，根據 橫隔板上孔徑的不同，可分為0. 5mm、1. OmmU. 5mm,2. Omm四個系列，根據形狀又可分為不 帶橫隔板(圖13、圖14)和帶有縱隔板的橫隔板(圖16、圖17)兩個系列。本實施例中還有帶狹縫的橫隔板，對於帶狹縫的橫隔板三根據狹縫的數目分為1 條、3條兩個系列(圖18、圖19)，根據橫隔板上縫距的不同，可分為0.5mm、1.0mm、1.5mm、 2. Omm>2. 5mm、3mm 六個系列。本實施例中，內置橫隔板位置A 30距上燃燒室29頂部的距離是a為34mm，內置 橫隔板位置B 31距下燃燒室32底部的距離是c為34mm，兩內置橫隔板位置A、B之間距離 是b為32mm。單孔橫隔板54 (圖13)、三孔橫隔板56 (圖14)、九孔橫隔板57 (圖15)、帶縱 隔板的單孔橫隔板58 (圖16)、帶縱隔板的三孔橫隔板59 (圖17)、單縫橫隔板60 (圖18)、 三縫橫隔板62(圖19)皆可插於內置橫隔板位置A 30;單孔橫隔板54 (圖13)、三孔橫隔板 56 (圖14)、九孔橫隔板57 (圖15)、單縫橫隔板60 (圖18)、三縫橫隔板62 (圖19)還可插 於內置橫隔板位置B 31。氣體燃料CVCC試驗測試系統的硬體連接圖如圖1所示。在進排氣部分分別設置有 上進排氣閥15和下進排氣閥14，上、下進氣閥同時與供氣管路相連接，實現上下燃燒室同 時進氣，使得混合氣快速均勻混合。空氣從氣瓶19出來，通過減壓閥18調節壓力，此時壓力 的初步大小由精密壓力表17讀出，然後先打開閥門14和15，再打開閥門16給燃燒內充入 空氣，燃燒室內空氣充入的壓力值通過不斷調節減壓閥18，由壓力變送器5讀出；同樣，可 燃氣體從氣瓶20出來，通過減壓閥21調節壓力，此時壓力的初步大小由精密壓力表22讀 出，然後先打開閥門14和15，再打開閥門23給燃燒室內充可燃氣體，混合氣最後的壓力值 通過調節減壓閥21，由壓力變送器5讀出；在排氣時，打開閥門14、15和24，通過真空泵26 將燃燒室內的殘餘廢氣排出去，真空表25用來顯示燃燒室的真空度。在本體1的頂部中心 設置有火花塞2，並與點火控制器3相連接；在本體1的頂部還裝有耐高溫高壓閥4，並與壓 力變送器5相連接；在本體1的底部中心的火花塞式壓力傳感器安裝孔33中設置火花塞式 壓力傳感器7，並與壓力信號採集系統8相連接，用於瞬時採集燃燒室內的燃燒壓力數值; 在本體1的左右側壁上分別裝有正負點火針6和9，它們同時與點火控制器3相連接；在本 體1的右側壁上還裝有溫度傳感器10，並與溫度控制器12相連接，溫度控制器12根據溫度 傳感器10的反饋信號來控制纏繞在CVCC本體外表面上的加熱帶11，從而控制燃燒內的溫 度大小。在本體1的前部通過視窗46設置有高速攝影機13，並與圖像信號採集系統28相 連接，其主要作用是即時拍攝燃燒室內的燃燒情況和火焰的傳播情況。該裝置的工作過程如圖20所示1、在燃燒室內不加橫隔板時，燃燒室為中心點火的統一燃燒室。可以用來研究氣 體燃料的層流燃燒特性。1)通過空氣減壓閥18調節空氣壓力，打開閥14、16從底部向燃燒室充入空氣，當 燃燒室內的空氣壓力值達到試驗要求後，關閉進氣閥14。燃燒室內的空氣壓力值通過壓力
6變送器3測量得到。2)同空氣的充氣方法一樣，減壓閥21調節可燃氣體壓力，壓力變送器3監測燃燒 室內混合氣的壓力，當壓力值到達目標壓力時，立刻關閉進氣閥。3)通過溫控箱12設定目標溫度，熱電偶10實時監測燃燒室內混合氣的溫度反饋 給溫控箱，如果溫度小於目標溫度，溫控箱自動給加熱帶11供電加熱，直到達到了目標溫
度後停止。4)混合氣充好約十分鐘後，即可通過點火系統3觸發點火針點火，同時啟動高速 攝影機13和壓力信號採集系統8。高速攝影機13透過室前部的石英玻璃視窗46將燃燒室 內火焰傳播過程拍攝下來，氣體壓力傳感器7測量記錄燃燒室內的壓力值。5)燃燒室內的混合氣完全燃燒後，打開排氣閥14並啟動真空泵26排出廢氣。2、在燃燒室內加橫隔板時，燃燒室為頂部火花塞點火的分隔式燃燒室。橫隔板安 裝位置可調，橫隔板上孔的直徑及數目可選，可通過實施多種試驗方案來研究橫隔板上孔 的各種狀況和橫隔板的各種形狀對於下燃燒室32內可燃氣體的均質混合氣壓燃燃燒(自 燃)或引燃燃燒的影響；通過控制火花塞2和火花塞7的跳火時序，模擬發動機EGR效應； 縱隔板可將上燃燒室的有效體積變的更小，一方面控制可點燃混合氣氣體的量，從而尋找 最佳的壓燃效果，另一方面可在模擬EGR效應時改變產生的尾氣的量。1)同不帶橫隔板時的充氣方法一樣，只是將上進排氣閥15和下進排氣閥14同時 打開，分別向上、下兩個燃燒室充入氣體。2)加熱方式跟不帶橫隔板時也一樣。3)混合氣充好十分鐘後，即可通過火花塞2點燃上燃燒室29內的混合氣。經很 短時間後，火焰前鋒到達橫隔板，此時存在兩種可能一是火焰通過橫隔板上的小孔時被淬 熄，高溫高壓的已燃氣體進入下燃燒室32，對下燃燒室32內的未燃均質混合氣進行壓縮， 下燃燒室32內的均質混合氣可能會產生自燃(壓燃現象)；二是火焰通過橫隔板上的小孔 時沒有被淬熄，產生射流效應，快速引燃下燃燒室32內的均質混合氣。燃燒室內火焰傳播 過程可以使用高速攝影機13透過燃燒室前部的石英玻璃視窗46拍攝下來，同時可使用氣 體壓力傳感器7測量燃燒室內的壓力值；4)上、下燃燒室內的混合氣完全燃燒後，打開上、下兩個進排氣閥並啟動真空泵 26排出廢氣。根據CVCC自身的特點，選擇混合氣的初始溫度、初始壓力、當量燃空比和隔板位 置作為本試驗例的參數變化量，從而設計出本試驗例的試驗方案如下表
權利要求可內置橫隔板的氣體燃料定容燃燒室，主要包括有本體(1)、前端蓋(44)和嵌在前端蓋(44)中的視窗(46)，本體(1)和視窗(46)圍成燃燒室，其特徵在於本體(1)左右內壁上設有1～5對的橫隔板插槽，並設有橫隔板，橫隔板插入插槽將燃燒室分為上燃燒室(29)和下燃燒室(32)；在本體(1)上還設置有與上燃燒室(29)連通的火花塞安裝孔(39)、耐高溫高壓閥安裝孔(38)、上進排氣閥安裝孔(37)，與下燃燒室(32)連通的火花塞式壓力傳感器安裝孔(33)、下進排氣閥安裝孔(34)，與上燃燒室(29)或與下燃燒室(32)連通的溫度傳感器安裝孔(35)；視窗(46)為高強度透明介質，從前端蓋(44)內側嵌入，前端蓋(44)外側設擋住視窗(46)的凸沿；橫隔板上設置有1～9個直徑相同的通孔(55)或1～9條狹縫(61)，通孔(55)的直徑為0.5mm～2.0mm，狹縫(61)的寬度為0.5mm～3.0mm；並且，在燃燒室左右兩側的正中心部位設置有正極點火針安裝孔(36)和負極點火針安裝孔(46)。
2.如權利要求1所述的可內置橫隔板的氣體燃料定容燃燒室，其特徵在於所述橫隔 板上等間隔設置有可將上燃燒室(29)分成更多燃燒室的縱隔板2片或4片，並在本體(1) 的頂壁上設置有2條或4條可插入縱隔板的縱隔板定位槽48。
3.如權利要求1所述的可內置橫隔板的氣體燃料定容燃燒室，其特徵在於所述橫隔 板上通孔的數目為橫隔板位於中心的1個或一字均勻排列的3個或均勻「田」字排列的9 個。
4.如權利要求2所述的可內置橫隔板的氣體燃料定容燃燒室，其特徵在於橫隔板上 由縱隔板隔出的各區域中通孔的數目為位於各區域中心的1個或一字均勻排列的3個。
5.如權利要求1-4中任一項所述的可內置橫隔板的氣體燃料定容燃燒室，其特徵在 於所述橫隔板上的通孔的直徑為0. 5mm或1. Omm或1. 5mm或2. 0mm。
6.如權利要求1所述的可內置橫隔板的氣體燃料定容燃燒室，其特徵在於所述橫隔 板上狹縫的數目為位於橫隔板中心的1條或均勻排列的3條或5條或7條或9條。
7.如權利要求2所述的可內置橫隔板的氣體燃料定容燃燒室，其特徵在於橫隔板上 由縱隔板隔出的各區域中狹縫的數目為位於各區域中心的1條或均勻排列的3條。
8.如權利要求1或2或6或7所述的可內置橫隔板的氣體燃料定容燃燒室，其特徵在 於所述橫隔板上的狹縫的寬度為0. 5mm或1. Omm或1. 5mm或2. Omm或2. 5mm或3mm。
9.如權利要求1或2所述的可內置橫隔板的氣體燃料定容燃燒室，其特徵在於燃燒 室內腔為正方體。
10.如權利要求1所述的可內置橫隔板的氣體燃料定容燃燒室，其特徵在於在本體 (1)上還設置有與下燃燒室(29)連通的火花塞安裝孔。
專利摘要可內置橫隔板的氣體燃料定容燃燒室屬於內燃機燃燒領域。主要由本體(1)、橫隔板(27)、前端蓋(44)、視窗(46)等組成，內部形狀為正方體。本體(1)的內壁設置有N對橫隔板插槽(63)，橫隔板放置於其中的一對橫隔板插槽內，橫隔板上設置有孔或狹縫。在不加橫隔板時，燃燒室為點火針中心點火燃燒室；加橫隔板時，橫隔板把本體(1)內部空間分為上、下兩個燃燒室。在本體(1)的上部中心位置設置有火花塞(2)，在本體(1)的底部中心位置設置有火花塞式壓力傳感器(7)。本實用新型不採用內置橫隔板時，可用於研究氣體燃料的層流燃燒特性；採用內置橫隔板時，上燃燒室(29)用於火花點燃燃燒研究，下燃燒室(32)用於壓燃燃燒或引燃燃燒或火焰狹縫淬熄效應研究。
文檔編號F02B23/08GK201650439SQ20102014112
公開日2010年11月24日 申請日期2010年3月26日 優先權日2010年3月26日
發明者孫曉娜, 張紅光, 白小磊, 韓雪嬌 申請人:北京工業大學