CN102297036B - 一种可变视场的光学发动机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可变视场的光学发动机，包括发动机的缸体、缸盖和加长活塞，加长活塞的中间部位为镂空结构，在该镂空结构形成的空间内放置一反射镜，加长活塞的顶面设有一圆形平面石英玻璃；缸体的上部固定有一导向底座，导向底座和缸盖之间固定有一缸套；缸套包括三个，三个缸套的高度一致及每个缸套与其上部的缸盖和其下部的导向底座之间的连接方式及几何尺寸均相同以保证三个缸套具有互换性；三个缸套分别是金属加长缸套、环形石英玻璃缸套和平面镶嵌玻璃式缸套，通过更换使用上述三个缸套实现光学发动机的可变视场。解决了目前一台光学发动机无法同时满足多种测量需求的问题，通过对缸套集成设计和适配设计，实现各种测量需求的可配置。

Description

一种可变视场的光学发动机

技术领域

本发明涉及汽车发动机燃烧诊断，具体涉及光学发动机。

背景技术

光学发动机可以利用光学可视化技术诊断分析缸内状态，对发动机的燃烧设计与燃烧优化给予指导。目前，国内外很多内燃机研究机构都建立相应的光学发动机可视化测量平台，在发动机燃烧理论和发动机设计上起到了重要作用。

光学发动机的主要目的是在尽可能接近实际发动机运行的条件下，在发动机上开启可视化窗口，来获得发动机运转时-缸内的信息，经过近几十年的发展，加长活塞式发动机成为了典型的光学发动机模式。

瑞典隆德大学Anders Hultqvist，Magnus Christensen，“The HCCI CombustionProcess in a Single Cycle-High-Speed Fuel Tracer LIF and ChemiluminescenceImaging”SAE Paper No：2002-01-0424,2002.。H.Persson，A.Hultqvist，“Investigation ofthe Early Flame Development in Spark Assisted HCCI Combustion Using High SpeedChemiluminescence Imaging，SAE Paper NO：2007-01-0212,2007。（在一台单缸机上采用高速燃油示踪粒子激光诱导荧光技术和化学发光成像技术研究均质压燃的燃烧过程，SAE论文编号：2002-01-0424。利用高速化学发光成像技术研究火花辅助均质压燃早期火焰发展过程，SAE论文编号：2007-01-0212。）是目前将光学发动机与光学测量手段有效结合的大学之一，其设计制作的三套光学发动机系统都是采用加长活塞的模式，主要用于两种测量需求：一种是环形玻璃式光学发动机，在加长活塞缸套与发动机缸盖之间加入了一块环形石英玻璃，为激光的入射提供光路，该类型发动机可以通过环形石英玻璃提供较大的缸内视场，主要用于混合气（燃油、空燃比等）分布的水平方向和垂直方向二维激光测量，但是由于环形玻璃的存在限制了发动机所能承受的机械强度，在发动机着火状态下环形玻璃易产生破碎，故一般用于发动机倒拖非着火情况下缸内状态的测量。另一种为平面玻璃镶嵌式光学发动机，在加长活塞缸套与缸盖之间主要为金属缸套，金属缸套四周掏孔，嵌入平面石英玻璃，相对于直接使用环形玻璃，该光学发动机可以承受较高的爆发压力，实现燃烧情况下的激光可视化测量，但是镶嵌的平面玻璃在视场上要小于环形石英玻璃，所以在二维激光测量中，该发动机可以拍摄的有效区域较小。法国石油天然气研究中心B.Thirouard，J.Cherel，“Investigation of Mixture Quality Effect on CAICombustion”SAE Paper NO：2005-01-0141，2005。（混合程度对可控压燃燃烧的影响，SAE论文编号：2005-01-0141。）也利用光学发动机进行发动机燃烧理论的研究，其结构类似于平面玻璃镶嵌式光学发动机，其主要特点平面玻璃不是镶嵌在缸套上，而是镶嵌在缸盖侧面，其视场可以直接观测到燃烧室。密歇根大学David L.Reuss“Inhomogeneitiesin HCCI Combustion：An Imaging Study”SAE Paper NO：2005-01-2122，2005。（对均质压燃技术不均匀性的图像研究，SAE论文编号：2005-01-2122）与拉夫堡大学PaulOsei-Owusu，Rui Chen,”A CFD Model with Optical Validation on In-cylinder ChargePerformance of CAI Engines”SAE Paper 2008-01-0045，2008。（利用光学验证的CFD模型研究可控压燃发动机的充量作用，SAE论文，编号：2008-01-0045）在光学发动机方面一直走在世界的前列，其光学发动机的最大的特点是缸套采用全透明石英玻璃，即环形玻璃式光学发动机中环形石英玻璃高度大于发动机的冲程，为光学测量提供了足够大的视场，但是该类型光学发动机对光学石英玻璃加工的要求极高，易产生破碎，同时全透明石英玻璃与实际发动机的缸壁温度等边界条件相差较多，无法真实反映缸内的情况。其他大学如斯坦福大学David A.Rothamer，“Simultaneous imaging of exhaust gas residualsand temperature during HCCI combustion”，Proceedings of the Combustion Institute32(2009)2869-2876。（均质压燃过程中残余废气与温度的同时成像测量，燃烧学会议论文集32(2009)2869-2876。）威斯康星大学等也都采用与上文类似的加长活塞式光学发动机机构。

公告号为CN200946525，其公告日为2007年9月12日的中国实用新型专利公开了一种《高速小缸径光学发动机装置》其技术方案是利用加长活塞及安装的45度反射镜形成一个观察窗口，采用金属缸套，利用直接的燃烧可视化研究湍流预混燃烧。公开号为CN201687573U，其公告日为2010年12月29日的中国实用新型专利公开了一种《光学发动机》，是采用类似机构提供发动机在燃用不同燃料和在不同燃烧室下的不同燃烧方式。以上两个专利的光学发动机只存在一个观察窗口，缸套和缸盖都是采用金属制品（金属缸套式光学发动机）并没有为激光测量技术提供激光的进入光路，因而上述2项专利的技术方案无法使用激光粒子测速技术、激光诱导荧光技术等激光测量技术，通常只能用于燃烧过程的观测。

公开号为CN101608575，其公开日为2009年12月23日的中国专利申请公开了一种《一种光学发动机》，采用透明缸套设计，以及加长活塞设计形成两个观察光路，可以利用激光可视化测量技术研究缸内流场及充量分布。属于环形玻璃式光学发动机，但是由于其大面积的石英玻璃存在，无法应用于燃烧情况下的光学测量。

燃烧诊断是利用光学发动机进行研究的主要目的，发动机运转过程中的混合过程和燃烧过程都是光学发动机的测量内容，而目前光学发动机由于玻璃制品的存在，在视场与机械强度上无法兼顾。同时由于光学发动机在设计加工完成后，视场无法改变，导致一台光学发动机无法满足燃烧诊断所需要的多种测量需求。

发明内容

针对上述现有技术，本发明提供一种适配缸套式光学发动机。解决目前一台光学发动机无法同时满足多种测量需求的问题，通过对缸套集成设计和适配设计，实现各种测量需求的可配置。

为了解决上述技术问题，本发明一种可变视场的光学发动机予以实现的技术方案是：包括发动机的缸体、缸盖和加长活塞，所述加长活塞的中间部位为镂空结构，在该镂空结构形成的空间内放置一反射镜，所述加长活塞的顶面通过压盖固定有一圆形平面石英玻璃；所述缸体的上部固定有一导向底座，所述导向底座和所述缸盖之间固定有一缸套，所述缸套与所述导向底座为滑动配合，所述缸套的上部机体内设有水套；所述缸套从三个缸套中进行选择，三个缸套分别是金属加长缸套、环形石英玻璃缸套和平面镶嵌玻璃式缸套，三个缸套的高度一致及每个缸套与其上部的缸盖和其下部的导向底座之间的连接方式及几何尺寸均相同以保证三个缸套具有互换性；通过更换使用上述三个缸套实现光学发动机的可变视场。

本发明一种可变视场的光学发动机中，在所述导向底座与所述缸盖之间固定的缸套为金属加长缸套，所述金属加长缸套的顶面与所述圆形平面石英玻璃的顶面平齐，所述金属加长缸套与所述加长活塞之间设有气环和润滑环，通过圆形平面石英玻璃和反射镜进行的燃烧直接可视化观测。

本发明一种可变视场的光学发动机中，在所述导向底座与所述缸盖之间固定的缸套为环形石英玻璃缸套，所述环形石英玻璃缸套的顶部外周边设有4个支柱，所述4个支柱与所述圆形平面石英玻璃之间设有一环形石英玻璃，所述4个支柱的顶面高于所述环形玻璃的顶面；通过环形石英玻璃形成的可视化面积，用来进行水平面和垂直面的发动机非着火倒拖工况下的缸内流场及浓度温度场激光测量。

本发明一种可变视场的光学发动机中，在所述导向底座与所述缸盖之间固定的缸套为平面镶嵌玻璃式缸套，所述平面镶嵌玻璃式缸套的上部侧面设有两个与缸套对称面对称的玻璃窗口，两个玻璃窗口为镶嵌的石英玻璃，所述石英玻璃均为外侧面为平面，内侧面为与发动机的缸体内表面具有相同弧度的弧面；激光片光源通过一侧的玻璃窗口进入燃烧室，并从另一侧相对的玻璃窗口的外侧为平面的石英玻璃射出，激光片所经过区域的反应光穿过加长活塞顶部的圆形平面石英玻璃，经反射镜被相机所接收。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

在某四缸原型机缸体其中一缸的活塞上方连接加长活塞，加长活塞中间镂空，镂空处用来放置45度反射镜，加长活塞顶部为平面光学石英玻璃。加长活塞外部的加长缸套与缸盖连接固定，加长缸套与缸体之间设计有导向底座。加长缸套可以沿导向底座方向滑动，方便了缸套的拆装。

加长缸套设计有三种模式：金属缸套、环形石英玻璃缸套、平面玻璃镶嵌缸套，三种加长缸套经过集成设计和适配设计具有以下优点：现有技术中一般将玻璃窗口或玻璃窗口载体与缸套系统分离，即玻璃窗口或玻璃窗口载体上方与发动机缸盖连接，下方与缸套连接。集成设计中将加长缸套直接作为各种玻璃窗口的载体，即发动机缸盖直接与加长缸套连接，而加长缸套除了具有缸套的作用外，也成为了玻璃窗口的载体。三种加长缸套总体高度一致，与上部缸盖的连接以及与下部导向底座的连接都采用相同的方式和尺寸。保证了三种缸套的适配性。

集成设计和适配设计中需要保证带有玻璃的加长缸套可以承受一定程度的机械强度，满足实验的需求，同时在为玻璃窗口提供空间的同时需保证水套的空间，必要的水套空间可以使发动机的边界条件更接近真实的金属发动机。

针对不同的测量需求本发明中设计了具有互换性的三种缸套，具体用途如下：

1、环形石英玻璃缸套上部可以安装环形石英玻璃环，具有较大的可视化面积，主要用来进行水平面和垂直面的发动机非着火倒拖工况下的缸内流场及浓度温度场激光测量。

2、金属缸套采用全金属设计，可以通过加长活塞顶部的石英玻璃和45度反射镜进行的燃烧直接可视化观测。

3、平面玻璃镶嵌缸套是在加长缸套两侧开启玻璃视窗，在采用激光测试技术时，需要将激光片光源打入燃烧室，该缸套的设计提供了激光入射的光路，同时具有较高的机械强度，可用于进行燃烧情况下的水平面的激光可视化技术测量。

综上，本发明提供了一种燃烧优化所需要光学发动机系统，在一台光学发动机上通过缸套的集成和适配实现玻璃视场的变化，满足多种测量的需求。

附图说明

图1-1是本发明中带有金属加长缸套的光学发动机的装配示意图；

图1-2是本发明中一种金属加长缸套的俯视图；

图2-1是本发明中一种平面玻璃镶嵌缸套的主视图；

图2-2是图2-1所示缸套的侧视图；

图2-3是图2-1所示缸套的俯视图；

图2-4是图2-3中A-A剖切位置的剖视图；

图2-5是本发明中带有平面镶嵌玻璃式缸套的光学发动机的装配示意图；

图3-1是本发明中带有环形玻璃缸套的光学发动机的装配示意图；

图3-2是本发明中一种环形石英玻璃缸套的主视剖视；

图3-3是图3-2所示缸套的俯视图；

图3-4是图3-2所示缸套的侧视图。

图中：

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细地描述。

如图1-1所示，本发明一种可变视场的光学发动机，包括发动机的缸体9、缸盖1和加长活塞5，所述加长活塞5的中间部位为镂空结构，在该镂空结构形成的空间内放置一反射镜6，所述加长活塞5的顶面设有一圆形平面石英玻璃7，；所述缸体9的上部固定有一导向底座8，所述导向底座8和所述缸盖1之间固定有一缸套，所述缸套与所述导向底座8为滑动配合，所述缸套的上部机体内设有水套，水套腔体通过接口11与发动机水循环系统连接，在发动机运行中水套中存在高温循环水，模拟真实发动机的边界条件；所述缸套从三个缸套中进行选择，三个缸套分别是金属加长缸套2、环形石英玻璃缸套14和平面镶嵌玻璃式缸套17，三个缸套的高度一致及每个缸套与其上部的缸盖和其下部的导向底座之间的连接方式及几何尺寸均相同以保证三个缸套具有互换性；通过更换使用上述三个缸套实现光学发动机的可变视场。

如图1-1所示，本发明可变视场的光学发动机，其中，在所述导向底座8与所述缸盖1之间固定的缸套为金属加长缸套，所述金属加长缸套的顶面与所述圆形平面石英玻璃7的顶面平齐，所述金属加长缸套与所述加长活塞5之间设有气环和润滑环，通过圆形平面石英玻璃7和反射镜6进行的燃烧直接可视化观测。

如图2-5所示，本发明可变视场的光学发动机，其中，在所述导向底座8与所述缸盖1之间固定的缸套为平面镶嵌玻璃式缸套，如图2-1、图2-2、图2-3和图2-4所示，所述平面镶嵌玻璃式缸套17的上部侧面设有两个与缸套对称面对称的玻璃窗口16，两个玻璃窗口16为镶嵌的石英玻璃，所述石英玻璃均为外侧面为平面，内侧面为与发动机的缸体内表面具有相同弧度的弧面；该平面玻璃镶嵌缸套是在加长缸套两侧开启玻璃视窗，在采用激光测试技术时，需要将激光片光源打入燃烧室，该平面玻璃镶嵌缸套的设计提供了激光入射的光路，同时具有较高的机械强度，可用于进行燃烧情况下的水平面的激光可视化技术测量。

如图3-1所示，本发明可变视场的光学发动机，其中，在所述导向底座8与所述缸盖1之间固定的缸套为环形石英玻璃缸套14，如图3-2、图3-3和图3-4所示，所述环形石英玻璃缸套14的顶部外周边设有4个支柱15，所述4个支柱15与所述圆形平面石英玻璃7之间设有一环形石英玻璃13，所述4个支柱15的顶面高于所述环形玻璃的顶面；通过环形石英玻璃13形成了一较大的可视化面积，主要用来进行水平面和垂直面的发动机非着火倒拖工况下的缸内流场及浓度温度场激光测量。

实施例：

原型机某缸活塞与加长活塞5螺纹连接，加长活塞5顶部开有玻璃槽，用于放置圆形圆形平面石英玻璃7，石英玻璃压盖3与加长活塞螺纹连接，将圆形圆形平面石英玻璃7固定在加长活塞5的顶部。同时控制加长活塞的长度，保证发动机的压缩比。加长活塞5上开有活塞环槽4，用于安装气环及润滑用石墨环，气环可以保证发动机的密封性，而石墨环的安装保证加长活塞与缸套的润滑。

加长活塞外部套有金属加长缸套2，金属加长缸套2上有4个螺纹孔10，如图1-2所示，金属加长缸套2与缸盖1通过4个缸盖螺栓连接，金属加长缸套2中带有水套，在发动机运行中水套中存在高温循环水，模拟真实发动机的边界条件。同时金属加长缸套2设置有与缸盖润滑油系统的连接孔12，外接润滑油路对缸盖进行润滑。金属加长缸套2下部与导向底座8相连，导向底座8与缸体9相连，同时导向底座8可以与金属加长缸套2之间相对滑动，发动机运转过程中可以通过导向底座8上部的螺纹孔10与加长缸套固定，而发动机试验后可以将金属加长缸套2向下滑动，为光学发动机玻璃窗口16的清洗提供空间。

图1-1中，金属加长缸套2上没有设置侧面的光学窗口，唯一的光学通道是设置在加长活塞5顶部的圆形平面石英玻璃7，发动机运转过程中缸内燃烧所发出的光可以通过穿过圆形平面石英玻璃7，经过45度反射镜6，从而被相机接受。其中反射镜6与缸体9连接，加长活塞5的中间部位是镂空的，为反射镜6的放置提供了空间。

图2-5中，缸套是一平面镶嵌玻璃式缸套17，在该平面镶嵌玻璃式缸套17的顶部设有与缸盖1上连接孔向对应的用于与缸盖1连接的螺纹孔10，平面镶嵌玻璃式缸套17上部的侧面设有两个与缸套对称面对称的玻璃窗口16，两个玻璃窗口16内镶嵌的玻璃均为外侧面为平面，内侧面为与发动机缸体内表面具有相同弧度的弧面，平面镶嵌玻璃式缸套17中也具有水套。在实验中，激光片光源通过一侧的玻璃窗口16进入燃烧室8，并从另一侧相对的平面玻璃射出，激光片所经过区域的反应光（如荧光信号）可以穿过圆形平面石英玻璃7，经反射镜6被相机所接收。

图3-1中，缸套为一环形石英玻璃缸套14，该环形石英玻璃缸套14上部设有4个支柱15，4个支柱15中间的凹陷部位放置有一环形石英玻璃13，同时，4个支柱15也具有支撑作用，使缸盖1不直接作用于环形石英玻璃13上，以避免环形石英玻璃13发生破碎的可能。实验过程中，激光片光源可以在水平方向和垂直方向进入缸内。当激光片光源以水平方向穿过环形石英玻璃13进入缸内时，光接收过程与图2-1一致。当激光片光源以垂直方向穿过环形石英玻璃13进入缸内时，应在环形石英玻璃13与片光源垂直的一侧接收反应光。

尽管上面结合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的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以作出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (4)

1.一种可变视场的光学发动机，包括发动机的缸体（9）、缸盖（1）和加长活塞（5），所述加长活塞（5）的中间部位为镂空结构，在该镂空结构形成的空间内放置一反射镜（6），所述加长活塞（5）的顶面通过压盖（3）固定有一圆形平面石英玻璃（7）；

其特征在于：

所述缸体（9）的上部固定有一导向底座（8），所述导向底座（8）和所述缸盖（1）之间固定有一缸套，所述缸套与所述导向底座（8）为滑动配合，所述缸套的上部机体内设有水套；

所述缸套从三个缸套中进行选择，三个缸套分别是金属加长缸套（2）、环形石英玻璃缸套（14）和平面镶嵌玻璃式缸套（17），三个缸套的高度一致及每个缸套与其上部的缸盖和其下部的导向底座之间的连接方式及几何尺寸均相同以保证三个缸套具有互换性；通过更换使用上述三个缸套实现光学发动机的可变视场。

2.根据权利要求1所述的可变视场的光学发动机，其特征在于：在所述导向底座（8）与所述缸盖（1）之间固定的缸套为金属加长缸套，所述金属加长缸套的顶面与所述圆形平面石英玻璃（7）的顶面平齐，所述金属加长缸套与所述加长活塞（5）之间设有气环和润滑环，通过圆形平面石英玻璃（7）和反射镜（6）进行的燃烧直接可视化观测。

3.根据权利要求1所述的可变视场的光学发动机，其特征在于：在所述导向底座（8）与所述缸盖（1）之间固定的缸套为环形石英玻璃缸套（14），所述环形石英玻璃缸套（14）的顶部外周边设有与缸盖上安装孔位置一致的4个支柱（15），所述4个支柱（15）中央位置形成一凹陷区，所述凹陷区内设有一环形石英玻璃（13），所述4个支柱（15）的顶面高于所述环形玻璃的顶面；通过环形石英玻璃（13）形成的可视化面积，用来进行水平面和垂直面的发动机非着火倒拖工况下的缸内流场及浓度温度场激光测量。

4.根据权利要求1所述的可变视场的光学发动机，其特征在于：在所述导向底座（8）与所述缸盖（1）之间固定的缸套为平面镶嵌玻璃式缸套（17），所述平面镶嵌玻璃式缸套（17）的上部侧面设有两个与缸套对称面对称的玻璃窗口（16），两个玻璃窗口（16）为镶嵌的石英玻璃，所述石英玻璃均为外侧面为平面，内侧面为与发动机的气缸内表面具有相同弧度的弧面；激光片光源通过一侧的玻璃窗口（16）进入气缸内，并从另一侧相对的玻璃窗口（16）的外侧为平面的石英玻璃射出，激光片所经过区域的反应光穿过加长活塞顶部的圆形平面石英玻璃（7），经反射镜（6）被相机所接收。

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