一种内燃机高原环境模拟系统及模拟方法与流程

本发明属于模拟实验室领域，特别涉及一种内燃机高原环境模拟系统及模拟方法。

背景技术：

研究和探讨高海拔地区大气条件对内燃机性能的影响，是开展汽车内燃机高海拔性能研究的基础和前提，并且能够为改善内燃机燃烧过程，降低燃油消耗和排放污染，以及为开发设计和标定适合高原地区使用的高原型内燃机提供试验参考依据。目前，国内内燃机高原环境模拟只是对内燃机进排气压力进行高原模拟，进气模拟一般采用节流方式，排气模拟采用引射或抽吸方式。而高原环境温度低，对内燃机进排气有很大影响，但很少有试验对高原环境内燃机进气温度进行精确控制与模拟，导致模拟的高原环境不够真实，从而影响内燃机高海拔环境试验的精度和效率。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种内燃机高原环境模拟系统及模拟方法，以解决上述问题。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种内燃机高原环境模拟系统，包括进气处理系统、内燃机和出气处理系统；内燃机的一端连接进气处理系统，另一端连接出气处理系统；

进气处理系统包括空气过滤器、空气调节箱和进气稳压箱；空气过滤器的出口通过管路连接空气调节箱入口，空气调节箱的出口通过管路连接进气稳压箱的入口，进气稳压箱的出口通过管路连接内燃机的入口；

出气处理系统包括排气稳压箱、一级降温装置、二级降温装置和水环真空泵；内燃机的出口通过管路连接排气稳压箱，排气稳压箱的出口通过管路连接二级降温装置，二级降温装置的出口通过管路连接水环真空泵；一级降温装置设置在排气稳压箱和内燃机之间的管路上。

进一步的，空气过滤器的入口连接有风机；空气调节箱和进气稳压箱之间的管路上设置有进气节流阀；排气稳压箱和进气稳压箱之间设置有管路连通，且管路上设置有电磁阀；二级降温装置和水环真空泵之间的管路上设置有排气调节阀。

进一步的，排气调节阀和水环真空泵之间设置有大气连通管，大气连通管上设置有旁通阀；

进一步的，空气调节箱包括箱体、一次冷却蒸发器、二次冷却蒸发器、保温板和电加热器；一次冷却蒸发器、二次冷却蒸发器和电加热器依次设置在箱体内，箱体的内侧壁设置有保温板；空气调节箱能够使空气两级冷却。

进一步的，一级降温装置为喷淋水管，喷淋水管的喷头对准排气稳压箱和内燃机之间的管路。

进一步的，二级降温装置包括板式换热器、冷却塔和手动调节阀；排气稳压箱的出口连接板式换热器的入口，板式换热器的出口连接水环真空泵；冷却塔的一出口连接板式换热器，另一出口连接水环真空泵。

进一步的，一种内燃机高原环境模拟系统的模拟方法，包括以下步骤：

步骤1，启动前压力模拟：内燃机启动前开启进气稳压箱和排气稳压箱之间的电磁阀，由水环真空泵将进气稳压箱和排气稳压箱压力抽至试验压力，将进气节流阀打开，模拟高原启动时的进排气压力；

步骤2，系统工作时，关闭进气稳压箱与排气稳压箱之间的电磁阀，设定内燃机进气温度并开启内燃机；

步骤3，外界新风通过风机经过初效过滤器处理后进入空气调节箱进行二级降温处理，一次降温将通过初效过滤器处理的空气由外界温度降至0℃，二次降温从0℃降至试验所需温度，最低可达-30℃，低温气体通过进气节流阀进入到进气稳压箱然后送入内燃机；

步骤4，内燃机工作后，排出的高温气体用自来水喷水方式进行一次降温处理，将温度降至100℃，气体经排气稳压箱通过板式换热器进行二次降温；

步骤5，二次降温后的气体通过排气调节阀，经水环真空泵排出试验区；

步骤6，试验结束后，关闭内燃机，打开旁通阀，将进气稳压箱与排气稳压箱之间的电磁阀打开，进气节流阀开启到最大，通过风机进气使整个系统缓慢恢复压力至常压，待系统稳定后关闭水环真空泵及冷却塔。

与现有技术相比，本发明有以下技术效果：

本系统能够模拟海拔高度0m～4500m的压力变化(101～46kpa)，试验条件下能够维持精度±0.5kpa，为内燃机进气和排气提供高原环境压力模拟；

本系统可以模拟海拔高度0m～4500m的温度变化(-30℃～常温)，试验条件下能够维持精度±1℃，为内燃机进气和排气提供高原环境温度模拟；

本环境模拟设备能够长期承受内燃机排气温度650℃的工作条件；

本发明提供的内燃机高原环境模拟系统及方法，在压力模拟的基础上增加进排气温度调控模拟，根据需求模拟高原环境的各种气象条件变化，精确控制试验的温度、压力等指标，复现各种不同气候环境，同时减少能量消耗，达到节能目的。

附图说明

图1为本发明结构图；

其中：1-风机，2-空气调节箱，3-进气节流阀，4-进气稳压箱，5-内燃机，6-排气稳压箱，7-冷却塔，8-板式换热器，9-排气调节阀，10-水环真空泵，11-电磁阀，12-手动调节阀，13-旁通阀。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进一步说明：

请参阅图1，一种内燃机高原环境模拟系统，进气处理系统、内燃机5和出气处理系统；内燃机5的一端连接进气处理系统，另一端连接出气处理系统；

进气处理系统包括空气过滤器、空气调节箱2和进气稳压箱4；空气过滤器的出口通过管路连接空气调节箱2入口，空气调节箱2的出口通过管路连接进气稳压箱4的入口，进气稳压箱4的出口通过管路连接内燃机5的入口；空气调节箱2能够对空气进行降温；

出气处理系统包括排气稳压箱6、一级降温装置、二级降温装置和水环真空泵10；内燃机5的出口通过管路连接排气稳压箱6，排气稳压箱6的出口通过管路连接二级降温装置，二级降温装置的出口通过管路连接水环真空泵10；一级降温装置设置在排气稳压箱6和内燃机5之间的管路上。

空气过滤器的入口连接有风机1；空气调节箱2和进气稳压箱4之间的管路上设置有进气节流阀3；排气稳压箱6和进气稳压箱4之间设置有管路连通，且管路上设置有电磁阀11；二级降温装置和水环真空泵10之间的管路上设置有排气调节阀9。

排气调节阀9和水环真空泵10之间设置有大气连通管，大气连通管上设置有旁通阀13；

空气调节箱2包括箱体、一次冷却蒸发器、二次冷却蒸发器、保温板和电加热器；一次冷却蒸发器、二次冷却蒸发器和电加热器依次设置在箱体内，箱体的内侧壁设置有保温板；空气调节箱2能够使空气两级冷却。

一级降温装置为喷淋水管，喷淋水管的喷头对准排气稳压箱6和内燃机5之间的管路。

二级降温装置包括板式换热器8、冷却塔7和手动调节阀12；排气稳压箱6的出口连接板式换热器8的入口，板式换热器8的出口连接水环真空泵10；冷却塔7的一出口连接板式换热器8，另一出口连接水环真空泵10。

一种内燃机高原环境模拟系统的模拟方法，包括以下步骤：

步骤1，启动前压力模拟：内燃机5启动前开启进气稳压箱4和排气稳压箱6之间的电磁阀11，由水环真空泵10将进气稳压箱4和排气稳压箱6压力抽至试验压力，将进气节流阀3打开，模拟高原启动时的进排气压力；

步骤2，系统工作时，关闭进气稳压箱4与排气稳压箱6之间的电磁阀11，设定内燃机5进气温度并开启内燃机5；

步骤3，外界新风通过风机经过初效过滤器处理后进入空气调节箱2进行二级降温处理，一次降温将通过初效过滤器处理的空气由外界温度降至0℃，二次降温从0℃降至试验所需温度，最低可达-30℃，低温气体通过进气节流阀3进入到进气稳压箱4然后送入内燃机5；

步骤4，内燃机5工作后，排出的高温气体用自来水喷水方式进行一次降温处理，将温度降至100℃，气体经排气稳压箱6通过板式换热器8进行二次降温；

步骤5，二次降温后的气体通过排气调节阀9，经水环真空泵10排出试验区；

步骤6，试验结束后，关闭内燃机5，打开旁通阀13，将进气稳压箱4与排气稳压箱6之间的电磁阀11打开，进气节流阀3开启到最大，通过风机1进气使整个系统缓慢恢复压力至常压，待系统稳定后关闭水环真空泵10及冷却塔7。

本发明提供一种内燃机高原环境模拟系统，包括进气处理系统、排气处理系统与压力稳定系统。进气处理系统主要有空气过滤器及空气调节箱2。为对进气进行预处理，达到对空气洁净度的控制，在进气口设置初效空气过滤器。初效空气过滤器可过滤5μm以上尘埃粒子，具有重量轻、通用性好、结构紧凑的特点。空气调节箱2主要设备有：空气调节箱箱体、一次冷却蒸发器、二次冷却蒸发器、比例调节不锈钢电加热等，空气调节箱箱体保温板采用200mm厚硬质聚氨酯板。试验对温度调节要求精度高，因此把所有的空气处理装置综合在一个空气调节箱2内，包括制冷、加热和除湿等装置，将新风集中处理到试验状态点后再供气送出。由于进入的新风为外界直接新风，负荷较大，通过单级冷却方式很难达到降温的目的，而且可能存在严重结霜的情况，因此空气调节箱2内部采用两级冷却的方式降温，一次冷却至0℃并除去进气空气中的湿气，二次冷却将一次冷却后的进气降温至设定值，最低达-30℃。

内燃机的排气温度高达650℃，如果没有负压系统，则通过简单降温后即可直排。但本系统设计采用了水环真空泵10来实现排气负压的模拟，而水环泵10对高温比较敏感，因此为了降低排气温度，排气处理系统对排气温度进行两级冷却处理，一次降温将内燃机排出的650℃高温气体用自来水喷水方式降温至100℃，二次降温将一次冷却处理后的空气经板式换热器8降至常温，然后排至试验区中。水环真空泵10与二次排气冷却系统共用一套冷却塔7，通过手动调节阀12调节冷却塔7供给水环真空泵10的冷却水量，这样可以简化设备，资源共用，同时可降低设备工作能力的浪费，节约能源。

压力稳定系统包括进气节流阀3、进气稳压箱4、排气调节阀9、排气稳压箱6，进气通过进气节流阀3调节进气稳压箱4的压力，排气由水环真空泵10抽除，通过排气调节阀9调节排气稳压箱6的压力。

一种内燃机高原环境模拟方法，主要步骤如下：

1、启动前压力模拟：内燃机5启动前开启进气稳压箱4和排气稳压箱6之间的电磁阀11，由水环真空泵10将进气稳压箱4和排气稳压箱6压力抽至试验压力，将进气节流阀3预置于适当的开度，模拟高原启动时的进排气压力；

2、系统工作时，关闭进气稳压箱4与排气稳压箱6之间的电磁阀11，设定内燃机5进气温度并开启内燃机5；

3、外界新风通过大风量风扇经过初效过滤器处理后进入空气调节箱2进行二级降温处理，一次降温将通过初效过滤器处理的空气由外界温度降至0℃，二次降温从0℃降至试验所需温度，最低可达-30℃，低温气体通过进气节流阀3进入到进气稳压箱4然后送入内燃机5；

4、内燃机5工作后，排出的高温气体用自来水喷水方式进行一次降温处理，将温度降至100℃，气体经排气稳压箱6通过板式换热器8进行二次降温；

5、二次降温后的气体通过排气调节阀9，经水环真空泵10排出试验区；

6、试验结束后，关闭内燃机5，打开旁通阀13，将进气稳压箱4与排气稳压箱6之间的电磁阀11打开，进气节流阀3开启到最大，通过风机1进气使整个系统缓慢恢复压力至常压，待系统稳定后关闭水环真空泵10及冷却塔7。

本发明系统及方法能够模拟海拔高度在0m～4500m的压力变化和模拟高原温度在-30℃～常温条件，控制精度高，在压力模拟的基础上增加进气温度调控模拟，根据需求模拟高原环境的各种气象条件变化，精确控制试验的温度、压力等指标，复现各种不同气候环境，同时减少能量消耗，达到节能目的。