一种用于快压机的湍流控制方法与流程

本发明为一种用于快压机的可控湍流生成装置，涉及内燃机燃烧和流体领域，具体涉及用以研究燃料特性和新型燃烧方式特性的基础实验装置。

背景技术：

汽车保有量的增加，为我国社会发展做出巨大贡献的同时，也消耗着大量的石油资源，排放出大量有害气体，从而对人们的生存环境产生较大危害。广大科研工作者针对上述问题提出了发展新型内燃机代用燃料和新型燃烧方式等解决途径，并发明研究了定容燃烧弹、快压机等基础实验装置。然而，现代内燃机燃烧过程及其优化研究面临很多基础科学问题和技术瓶颈，如发动机爆震等异常燃烧现象。因此，作为能够为内燃机新型代用燃料及新型燃烧方式提供理论研究和实验载体的快压机实验装置，有其研究的必要性。

内燃机缸内流场结构和湍流特性是控制内燃机燃烧过程的最重要因素之一，在内燃机整个循环中，其缸内流体始终进行着极其复杂而又强烈瞬变的湍流运动。内燃机缸内的湍流运动对缸内物理化学过程、可燃混合气的浓度、火焰传播速度和燃烧品质、缸内的传热及污染物的形成都具有直接的本质的影响。因此内燃机在不同湍流形式和不同湍流强度下的燃烧过程的研究，对内燃机燃烧系统开发与研究有着非常重要的意义。

快压机主要功能是模拟活塞式内燃机内部的压缩及着火过程，是一种理想的介于理论分析和实际应用之间的研究载体。因此，快压机在研究缸内湍流燃烧如爆震等问题有着重要意义。经查阅文献资料发现，未见有关对缸内存在湍流运动的燃烧特性进行开发与研究的快压机实验台架。因此，设计一种能控制湍流形式，且整体系统结构较简单的装置，对快压机的开发与研究是迫切需要的。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种能控制湍流形式和强度的湍流控制方法,用以基于快压机对缸内存在湍流运动的燃烧特性进行开发与研究。技术方案如下：

一种用于快压机的湍流控制方法，所采用的可控湍流生成装置固定于快压机缸体上，包括与缸体的进排气孔相连的切向进气道、与切向进气道的另一端相连的进气管路、电磁控制阀和控制模块，与燃烧室相切的切向进气道用以生成缸内的湍流运动，可在一套具有不同夹角且已标定好的切向进气道中选择；所述控制模块包括plc控制单元、上位机，上位机通过plc控制单元控制电磁控制阀开度，从而控制管道内气体的进气速度，从而控制湍流强度；

湍流形式的控制方法为：设α是在垂直于气缸轴线的平面上，切向进气道轴线与进气孔轴线的夹角，其大小决定缸内涡流运动的强度，角α越大，则缸内涡流强度越大；β为在气缸轴线与进气孔轴线所在平面上，进气道切线方向与进气孔轴线方向的夹角，其大小决定着缸内滚流运动的强度，角β越大，则缸内滚流强度越大；根据所要求的湍流形式，选定相应结构的切向进气道并安装好可控湍流生成装置，以生成不同以涡流运动为主或以滚流运动为主的不同形式的缸内湍流运动。

优选地，电磁控制阀设置于进排气孔与切向进气道之间。为二位二通常闭型气体高压电磁阀。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明可实现在工作容积不变情况下引入内燃机缸内的湍流运动，缸内湍流运动的形成可使快压机实验平台的实验环境更加趋于实际情况，实验数据的准确性得到提高。

(2)本发明可在快压机燃烧室内生成不同形式的湍流运动，如汽油机中滚流主导的湍流运动或柴油机中涡流主导的湍流运动。通过更换不同角度的切向进气管路以及调节进气速度，可实现缸内湍流形式和湍流强度的调节。

附图说明

图1是本发明采用的湍流生成装置主要结构示意简图

图2(a)是图1中切向进气道4在y,z面上与y轴的夹角α示意图

图2(b)是图1中切向进气道4在x,y面上与y轴的夹角β示意图

图3是本发明中快压机燃烧室单元及部分其他单元示意图

图中：

1-进气管路2-连接板3-密封垫片

4-切向进气道5-电磁控制阀6-进排气孔

7-快压机缸体8-被驱动缸缸盖9-被驱动缸头部

10-被驱动缸缸体11-平顶活塞12-制动活塞连杆

13-制动缸前盖密封盖14-石英玻璃窗口

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明技术方案作进一步详细描述，但是本发明并不局限于此具体实施方式，此描述并不用以限制本发明。

如图1-3所示，本发明采用的可控湍流生成装置，包括切向进气道4、电磁控制阀5和控制模块。所述快压机实验装置燃烧室单元的进排气孔6与图1所示的切向进气道4相连。所述切向进气道4为圆管状，切向进气道4与进排气孔6、进气管路1的连接依靠连接板2上的若干通孔完成，所述通孔的布置满足：通孔绕着管路中心均匀分布。所述通孔数量为四个。所述控制模块包括plc控制单元、上位机和速度传感器，上位机和plc控制单元相连，plc控制单元和速度传感器相连；根据不同的切向进气道4，由上位机中自带的测试系统及plc控制单元确定电磁控制阀5开度。

图2(a)和图2(b)表示切向进气道4在三维方向的偏角，其决定着缸内湍流运动的形式。图2(a)为切向进气道4在z、y平面中与y轴的夹角α示意图，夹角α的大小决定着缸内涡流运动的强度，角α越大，则缸内涡流强度越大；图2(b)为切向进气道4在x、y平面中与y轴的夹角β示意图，夹角β的大小决定着缸内滚流运动的强度，角β越大，则缸内滚流强度越大。

图3为本发明中快压机燃烧室单元与部分其他单元的示意图，从左至右为被驱动缸缸盖8、被驱动缸头部9、进排气孔6、被驱动缸缸体10、平顶活塞11、制动活塞连杆12和制动缸前盖密封盖13，所述被驱动缸头部9的前部设有石英玻璃观察窗14。当混合气在预混罐内混合均匀后，电磁控制阀5打开，预混罐与燃烧室的压差使均匀混合气快速射入，通过切向进气道的导向作用实现湍流的生成。进气完成后由plc单元控制立即关闭电磁阀并进行压缩过程，通过卸载液压使气压形成驱动力，通过制动活塞连杆12推动平顶活塞11快速移动，压缩被驱动缸缸体10中可燃混合气体，使之达到高温高压状态并燃烧，以供图像与数据采集。

本发明的工作原理是：主要采用控制模块和湍流生成结构，控制进气速度以控制湍流强度；采用不同角度的切向进气道4，以控制缸内的湍流形式。通过更改电磁控制阀5的开度，以及更换不同的切向进气道4，达到预定的目标湍流强度和湍流形式。

使用本发明所应用的快压机实验平台，在一次实验结束后，如需调节缸内湍流强度和湍流形式，采用下述方法可取得最佳效果：

在一次试验后，排空燃烧室中的残余废气，并卸去驱动活塞后方中的气压和制动缸中的油压；旋下切向进气道4与其两端进排气孔6、进气管路1之间的连接螺钉；若增大涡流比，则根据试验对不同切向进气道4标定好的涡流比，选择更大涡流比的切向进气道4安装并拧紧螺丝，重新开始试验即可。若减小涡流比，则选择小涡流比的切向进气道4。滚流比的调节同上所述。

由于切向进气道4形式及结构参数固定，在压燃时刻固定情况下，湍流强度仅受控于进气速度。因此，使用本发明用于实验室的快压机试验平台实现湍流强度大小的调节过程是，在一次试验后，排空燃烧室中的残余废气并卸去气压与油压，通过更改plc控制单元中的电磁控制阀5开度以改变进气速度，达到调节缸内湍流强度大小的目的。

湍流强度和湍流形式调节完成后，进行后续试验即可。

(1)湍流强度的评定

湍流强度等于湍流脉动速度与平均速度的比值，也等于0.16与按水力直径计算得到的雷诺数的负八分之一次方的乘积。即公式如下：

i＝0.16×(re)^-1/8

其中：i—表示湍流强度；re—表示雷诺数；此外，雷诺数方程如下：

其中：ρ—表示流体密度(kg/m³)；v—表示平均流速(国际单位m/s)；d—表示管的直径(一般为特征长度)(m)；μ—表示流体动力粘度(pa/s或n.s/m²)；υ—表示运动粘度(υ＝μ/ρ)(m²/s)；a—表示横截面积(m²)。

(2)控制方法

本发明的先期测试方法包括以下步骤：

步骤1，启动上位机内快压机实验系统，在正式测试前进行预调试；

步骤2，预调试完成，进入正式测试阶段；根据需要安装合适的切向进气道4，并在快压机实验系统中输入电磁阀5开度等相关参数，由上位机测试系统及plc控制单元确定湍流强度和湍流形式。

具体过程为：不同切向进气道4事先在plc中定义与编号，按不同湍流形式分为a、b、c等若干种。根据湍流强度的控制方程在其他参数一定条件下，可以通过调节电磁控制阀5开度，以达到理想的湍流强度。

步骤3，对于不同目标强度和形式的湍流测试，可重复如上步骤2；

步骤4，测试完成，记录测试数据及图表。

测试完成后则可得到不同湍流强度和形式所对应的电磁控制阀开度5和切向进气道4编号。因此，只需通过调节参数和更换相应切向进气道4，便可得到目标湍流强度和形式的湍流运动。

综上，本发明的用于快压机的可控湍流生成装置，主要包括切向进气道、电磁控制阀和控制模块等。其中切向进气道为可更换的弯曲管路，通过连接板安装于进排气孔处，电磁控制阀安装于进排气孔与切向进气道之间。根据人为设定，采用上位机测试系统、plc控制电磁控制阀开度及人为更换切向进气道，以达到要求强度和形式的湍流。本发明结构简单，只需要初期测试实验，安装更换切向进气道，并且通过外部调节参数，便可达到目标强度和形式的湍流，对研究在不同湍流强度和不同湍流形式下的燃烧过程及特性起到了重要作用。

尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本发明启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形、修改和替换，这些均属于本发明的保护之内。