CN114112410B - 一种低温冷启动环境下的快速升温升压装置 - Google Patents

一种低温冷启动环境下的快速升温升压装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种低温冷启动环境下的快速升温升压装置。互相连接的定容***、工况营造***、燃油供给与喷射***、控制单元和实验监控***；在燃油喷射前，控制单元控制工况营造***中的燃气瓶向定容***内充入可燃气体，控制工况营造***中的点火电极点燃可燃气体，使定容***内温度和压力快速上升，之后温度和压力缓慢降低，当实验监控***监控到定容***内环境压力下降到目标压力时，控制单元控制燃油供给与喷射***将液体燃油从喷油器喷入定容***。本发明装置能保证燃油供给与喷射***按照预设喷油压力、喷油时刻、喷油脉宽工作，能保证此时喷雾实验定容***与高速摄影***均工作在预设状态下，可以模拟发动机在极寒情况下的冷启动。

Description

一种低温冷启动环境下的快速升温升压装置
技术领域
本发明涉及发动机冷启动技术领域，尤其涉及一种低温冷启动环境下的快速升温升压装置。
背景技术
目前在高寒地区，液体燃料在使用时因燃烧热值很低会产生熄火、爆燃等问题，严重限制了发动机在高寒环境下的工作能力。所以解决发动机在低温环境下实现冷启动问题是当今时代较为紧迫的研究课题。为了研究发动机中在冷启动条件下液体燃油的喷雾特性，现在主流方法是利用定容***模拟发动机缸内液体燃油喷雾燃烧过程。另外在低温冷启动条件下，液体燃油的喷射、雾化、蒸发及其与空气混合过程是整个燃烧过程中的关键环节，良好的雾化和混合过程可以显著提升发动机缸内液体燃油的燃烧效率，同时还可以降低发动机燃烧过程中有害物质的排放。
在定容***内研究燃油喷雾破碎和油气混合物的形成过程，有利于加强燃油和环境的充分混合从而改进发动机的燃烧过程。液体燃油在高温高压工况下从喷嘴喷出后将进入超过该物质热力学临界，其表面张力逐渐减小进而扩散控制的混合层将代替低压气液界面。目前研究液体燃油在超临界条件下喷入定容***的实验中，给定容***加热的方式主要是在定容***外壁面安装加热炉或电加热块等加热装置，并向定容***内通入N2等惰性气体提供高压工作环境。而提供燃油喷入定容***所需温度和压力的工作环境，就需要提前很长时间进行预热，这将浪费大量工作时间，且仍然无法解决发动机冷启动问题。
目前，现有技术中的发动机启动过程需要外界提供高温高压工作环境后，再喷射液体燃油进入燃烧室，在发动机实现冷启动过程中，需要先将环境温度预热到工作所需温度，才能实现发动机启动工作，因此无法在紧急情况下实现发动机冷启动。在定容***内模拟发动机工作过程也需要预先将弹内环境预热至工作温度，一般使用加热炉或者加热块对定容***进行加热。
上述现有技术中的发动机启动过程的缺点为：加热定容***至工作温度需要很长时间(一般需要加热30分钟)，在很大程度上限制工作效率和工作灵活性，限制了定容***对发动机工作情况模拟的能力。同时由于未在所需工况下喷入定容***的液体燃油燃烧效率低。
发明内容
本发明的实施例提供了一种低温冷启动环境下的快速升温升压装置，以实现发动机在低温环境下的快速冷启动。
为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。
一种低温冷启动环境下的快速升温升压装置，包括：互相连接的定容***、工况营造***、燃油供给与喷射***、控制单元和实验监控***；
在燃油喷射前，控制单元控制工况营造***中的可燃气瓶向定容***内充入可燃气体，控制工况营造***中的点火电极点燃可燃气体，使定容***内温度和压力快速上升，之后温度和压力缓慢降低，当实验监控***监控到定容***内环境压力下降到目标压力时，控制单元控制燃油供给与喷射***将液体燃油从喷油器喷入定容***。
优选地，所述装置还包括：
图像采集***，用于在接收到控制单元传来的同步触发信号后启动工作，实时记录液体燃油的喷雾过程。
优选地，所述定容***的本体由腔体和上端盖组成，腔体为中空结构，腔体由6个端面组成，在其前、左、右三个端面分别设有3个尺寸结构相同的石英玻璃视窗，上端盖通过法兰连接到腔体，在上端盖布置有喷油器、热电偶及高频压力传感器；后端面安装火花塞，用来点燃预燃气体；下端面布置有进气孔、排气孔、安全阀及低频压力传感器；
所述定容***内的环境温度和环境压力分别由热电偶和低频压力传感器来测量，点火开始后环境压力采用高频压力传感器来测量，环境温度根据点火开始时刻测得的温度和高频压力传感器测得的压力曲线由质量守恒定律和理想气体状态方程计算得到。
优选地，在所述定容***上安装安全阀，阈值为6MPa，在可燃气进样管路中安装单向止回阀。
优选地，所述的燃油供给与喷射***包括高压油泵和油轨，高压油泵由电机驱动，高压油泵与电机主轴通过联轴器连接，为油泵主轴提供旋转动力；外壳通过法兰套连接，法兰套为整体式结构，油轨上集成轨压传感器，高压油轨与定容***之间通过高压油管连接。
优选地，所述控制单元用于实现点火线圈驱动控制、油泵驱动控制和轨压采集、喷油器驱动控制、光源触发和高速摄影机触发功能，输出弹体压力、温度采集的同步信号。
优选地，所述实验监控***包括油路、光路和电路三条主要通路，油路包括低压油路和高压油路，以高压油泵作为分界，低压油路是指液体燃油从油箱里面出来，到粗滤器进行粗过滤，之后进入细滤器进行细过滤，高压油路是经过高压油泵出来后，高压燃油进入高压油轨，通过高压油轨到喷油器，喷入定容***；
光路由强光光源发出，照射纹影装置的镜片，经过定容***内部空间，携带喷雾过程信息进入高速摄影机，被感光光源记录下来，高速摄影机将光信号转换为电信号，形成数字图像，并存储在图像采集计算机中，电路统领所有控制单元的硬件设备，通过电路进行人机交互进而控制实验的进程，传感器不间断地发出被测量信号，实验人员通过监控***界面掌握实验进程、下达实验指令。
由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明装置能保证燃油供给与喷射***按照预设喷油压力、喷油时刻、喷油脉宽工作，能保证此时喷雾实验定容***与高速摄影***均工作在预设状态下，可以实现发动机在紧急情况下的冷启动。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种喷雾模拟实验装置的结构图；
图2为本发明实施例提供的一种定容***的立体示意图；
图3为本发明实施例提供的一种定容***的三视图；
图4为本发明实施例提供的一种定容***内压力变化情况示意图。
图5为本发明实施例提供的一种高压油泵和油轨示意图的结构示意图；
图6为本发明实施例提供的一种高压共轨油泵驱动信号示意图；
图7为本发明实施例提供的一种定容喷雾模拟实验***运行示意图；
图中，1—油箱，2—粗滤器，3—齿轮输油泵，4—细滤器，5—直列式柱塞泵，6—燃油计量阀，7—联轴器，8—三相交流电机，9—油轨，10—轨压传感器，11—油轨压力限压阀，12—喷油器，13—定容***，14—压力传感器，15—温度传感器，16—光源，17—狭缝，18—平面镜，19—凹面镜，20—刀口，21—高速摄影机，22—图像采集计算机，23—氢气瓶，24—氧气瓶，25—减压阀，26—光针阀，27—实验***控制单元，28—实验控制计算机。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释作为对本发明的限制。
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。
本发明实施例主要解决发动机在使用过程中无法在紧急情况下实现冷启动，且燃油喷雾不能充分与空气混合导致燃烧效率低的问题。在燃油喷射进入定容***之前，向定容***内依次充入CO2、H2、和O2，点燃H2使定容***内快速营造高温高压工作环境，从而解决发动机在紧急情况下的冷启动问题，提升发动机实际工作中液体燃油喷雾燃烧效率。
图1为本发明实施例提供的一种喷雾模拟实验装置的结构图。该装置是一套面向研究需求、功能完备和性能稳定的实验装置。包括：定容***、工况营造***、燃油供给与喷射***、图像采集***、控制单元和实验监控***。各子***包括不同实验仪器和设备。在燃油喷射前，控制单元控制工况营造***中的可燃气瓶向定容***内充入可燃气体，控制工况营造***中的点火电极点燃可燃气体，使定容***内温度和压力迅速上升，之后温度和压力缓慢降低，当实验监控***监控到定容***内环境压力下降到目标压力时，控制单元控制燃油供给与喷射***将液体燃油从喷油器喷入定容***。
本发明实施例提供的一种定容***的立体示意图如图2所示，三视图如图3所示。定容***为方形结构，定容***的本体由腔体和上端盖组成，腔体通过机械加工形成中空的结构，腔体由6个端面组成，在其前、左、右三个端面分别设有3个尺寸结构相同的石英玻璃视窗。上端盖通过法兰连接到腔体，在上端盖布置有喷油器、热电偶及高频压力传感器；腔体的左右和前端面三面布置有石英视窗；后端面安装火花塞，用来点燃预燃气体；下端面布置有进气孔、排气孔、安全阀及低频压力传感器。定容***内环境温度和环境压力分别由热电偶和低频压力传感器来测量，点火开始后环境压力采用高频压力传感器来测量，环境温度根据点火开始时刻测得的温度和高频压力传感器测得的压力曲线由质量守恒定律和理想气体状态方程计算得到。
在定容***上安装安全阀，阈值为6MPa，防止压力过高引发危险。同时，在可燃气进样管路中安装单向止回阀，防止点火后高温燃气在定容***内高压作用下倒流进入减压阀以及火焰沿进气管道回流引起可燃气瓶发生***。
在燃油喷射前向定容***内依次充入CO2、H2和O2，为了减小燃烧后O2的残余，实验充气时H2和O2是按照2.1：1的摩尔比例充入***的。使用弹体一侧火花塞点燃H2使定容***内温度和压力迅速上升，由于壁面的热传递，定容***内压力达到峰值后缓慢下降，当环境压力下降到目标压力时，压力反馈***触发燃油喷射***和高速摄像机，液体燃油从喷油器喷入定容***。定容***内压力变化情况如图4所示。
上述燃油供给与喷射***由高压油泵和油轨组成，图5为本发明实施例提供的一种高压油泵和油轨示意图的结构示意图。高压油泵由电机直接驱动，高压油泵与电机主轴通过联轴器连接，为油泵主轴提供旋转动力；外壳通过法兰套连接，法兰套为整体式结构，可以确保电机和油泵对中精确、结构稳固。油轨上集成轨压传感器，通过供油***驱动控制器采集，并对油轨压力进行闭环控制，压力范围0-1800bar连续可调。高压燃油需要从高压油轨传输到安装于定容***的喷油器中，高压油轨与定容***之间通过高压油管连接。
图像采集***通过同步触发信号记录燃油喷雾过程图像。在喷雾前使用热电偶和低频压力传感器测得定容***内的环境温度和环境压力，定容***内充入H2后使用高频压力传感器测量环境压力，通过点火时刻测得的温度和压力传感器测得的压力，根据质量守恒定律和理想气体状态方程计算得到环境温度。所以可以根据实验所需温度和压力，营造相应的低温冷启动状态工作环境。
控制单元用于同步控制采集器。控制单元集成点火线圈驱动控制、油泵驱动控制和轨压采集、喷油器驱动控制、光源触发、高速摄影机触发等功能，还可以进行8通道的同步信号采集，用于弹体压力、温度的采集。
(1)点火线圈驱动控制。为了实现冷启动时燃烧室内的低温喷油工况，需要喷油前使定容***的弹体内可达到22bar的压力，300℃的温度，而喷油器需要保持低温，因此，试验方案为在定容***内充入氢气和氧气，在喷油前点燃氢气和氧气，快速提供喷射燃油所需的高温高压工作环境。因此，需要控制单元实现点火线圈的控制功能。
(2)油泵驱动控制和轨压采集。高压共轨油泵需要提供驱动电流，通过控制驱动电流的大小改变控制阀开度，调节油轨进油量，进而改变油轨压力。图6为本发明实施例提供的一种高压共轨油泵驱动信号示意图，控制器以PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)方式进行控制阀的电流调节，PWM的典型频率120Hz，20-200Hz可调，占空比0-100％可调。
(3)喷油器驱动控制。提供两通道喷油驱动，一通道常喷，一通道触发单循环喷射。
(4)光源和高速摄影机触发。
(5)同步信号采集。
实验监控***主要使用计算机和不同功能软件，对实验工作情况进行实时观测与记录。进而开展其他工作***的实验测试。
图7为本发明实施例提供的一种定容喷雾模拟实验***运行示意图。根据工作介质可将实验监控***划分为油路、光路和电路三条主要通路，油路主要是图7中9、10、11、2、3、4、5、6、7和8，光路主要是图7中16、17、18、19、13、14、15、20和21，电路主要是图7中28、27、21、8和11。
实验监控***将零散的实验设备联结成为一个整体。每条通路有自己的作用，三条通路必须同时工作，精确控制，才能达到实验目的。以下结合定容喷雾模拟实验***运行示意图(图7)进行说明。油路主要由低压油路与高压油路组成，以高压油泵作为分界。低压油路是指液体燃油从油箱里面出来，到粗滤器进行粗过滤，之后进入细滤器进行细过滤。高压油路是经过高压油泵出来后，高压燃油进入高压油轨，通过高压油轨到喷油器，最后喷入定容***。低压油路将液体燃油经过油管提供至高压油泵压缩为高压燃油，再喷入定容***完成喷射过程。光路由强光光源发出经纹影***携带喷雾过程信息进入高速摄影机。光路是指由强光光源发出的光行进的路线。纹影仪使用光路进行拍摄。光路是由强光光源发出。照射纹影装置的镜片，经过定容***内部空间，携带喷雾过程信息进入高速摄影机，被感光光源记录下来。高速摄影机将光信号转换为电信号，最终形成数字图像存储在图像采集计算机中。电路统领所有控制单元的硬件设备，通过电路进行人机交互进而控制实验的进程。在本实验***中，高压油泵、喷油器、高速摄影机以及温控***都是被控对象，传感器不间断地发出被测量信号，实验人员通过监控***界面掌握实验进程、下达实验指令，这些过程均以电信号的方式实现。
高速摄影机将光信号转化为电信号形成数字图像存储在计算机中。电路控制所有硬件设备，传感器发出测量信号以运行所有设备。
综上所述，本发明实施例装置一方面能保证燃油供给与喷射***按照预设喷油压力、喷油时刻、喷油脉宽工作，另一方面能保证此时喷雾实验定容***与高速摄影***均工作在预设状态下。图像采集***通过同步触发信号及时记录下液体燃油喷雾过程。
本实验装置是在定容***内充入CO2、H2和O2，利用火花塞点燃可燃气H2使定容***快速形成高温高压的工作环境，从而解决冷启动问题。由于利用可燃气体H2的燃烧营造高温高压工作环境，不需要通关加热片等预热装置，操作简单因此可以快速形成燃油喷射所需的工作环境且无其他能量消耗，改变传统发动机冷启动技术，营造了全新发动机冷启动工作背景，因此可以实现发动机在紧急情况下的冷启动。
本发明实施例的装置可以模拟得到在实际工作中液体燃油的喷射、雾化、蒸发及其与空气混合的实际情况，提高液体燃油的燃烧效率，降低燃烧过程中有害物质的排放。冷启动过程中操作简单、工作效率高且无其他污染物排放。解决发动机在紧急情况下冷启动问题，推动新型发动机向绿色无毒方向发展。
本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或***实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及***实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种低温冷启动环境下的快速升温升压装置，其特征在于，包括：互相连接的定容***、工况营造***、燃油供给与喷射***、控制单元和实验监控***；
在燃油喷射前，控制单元控制工况营造***中的可燃气瓶向定容***内依次充入CO2、H2、和O2，控制工况营造***中的点火电极点燃H2，使定容***内温度和压力快速上升，之后温度和压力缓慢降低，当实验监控***监控到定容***内环境压力下降到目标压力时，控制单元控制燃油供给与喷射***将液体燃油从喷油器喷入定容***；
所述定容***的本体由腔体和上端盖组成，腔体为中空结构，腔体由6个端面组成，在其前、左、右三个端面分别设有3个尺寸结构相同的石英玻璃视窗，上端盖通过法兰连接到腔体，在上端盖布置有喷油器、热电偶及高频压力传感器；后端面安装火花塞，用来点燃预燃气体；下端面布置有进气孔、排气孔、安全阀及低频压力传感器；
所述定容***内的环境温度和环境压力分别由热电偶和低频压力传感器来测量，点火开始后环境压力采用高频压力传感器来测量，根据点火开始时刻测得的温度和高频压力传感器测得的压力曲线通过质量守恒定律和理想气体状态方程计算得到环境温度；
所述实验监控***包括油路、光路和电路三条主要通路，油路包括低压油路和高压油路，以高压油泵作为分界，低压油路是指液体燃油从油箱里面出来，到粗滤器进行粗过滤，之后进入细滤器进行细过滤，高压油路是经过高压油泵出来后，高压燃油进入高压油轨，通过高压油轨到喷油器，喷入定容***；
光路由强光光源发出，照射纹影装置的镜片，经过定容***内部空间，携带喷雾过程信息进入高速摄影机，被感光光源记录下来，高速摄影机将光信号转换为电信号，形成数字图像，并存储在图像采集计算机中，通过电路管理所有控制单元的硬件设备，通过电路进行人机交互进而控制实验的进程，传感器不间断地发出被测量信号，实验人员通过监控***界面掌握实验进程、下达实验指令。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：
图像采集***，用于在接收到控制单元传来的同步触发信号后启动工作，实时记录液体燃油的喷雾过程。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，在所述定容***上安装安全阀，阈值为6MPa，在可燃气进样管路中安装单向止回阀。
4.根据权利要求1或者2所述的装置，其特征在于，所述的燃油供给与喷射***包括高压油泵和油轨，高压油泵由电机驱动，高压油泵与电机主轴通过联轴器连接，为油泵主轴提供旋转动力；外壳通过法兰套连接，法兰套为整体式结构，油轨上集成轨压传感器，高压油轨与定容***之间通过高压油管连接。
5.根据权利要求1或者2所述的装置，其特征在于，所述控制单元用于实现点火线圈驱动控制、油泵驱动控制和轨压采集、喷油器驱动控制、光源触发和高速摄影机触发功能，输出弹体压力、温度采集的同步信号。
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