CN103267643A - 一种用于定容燃烧弹的套筒 - Google Patents

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高东志
蒋晟龙
潘家营
舒歌群
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田华
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Abstract

本发明公开了一种用于定容燃烧弹的套筒，涉及一种用于模拟汽油机燃烧室末端气体自燃的试验装置，包括由侧壁和底面构成的筒体，侧壁内表面设置有呈螺纹排列的第一翅片，底面内表面设置有呈同心圆排列的第二翅片，筒体与定容燃烧弹腔体过盈配合，并设置有与定容燃烧弹腔体上各安装孔相对应的通孔；筒体、第一翅片、第二翅片均为铜质材料。本发明通过结合滤波处理，能够更加方便的实现对自燃产生的压缩波以及爆震压缩波速度的测量；并且使定容燃烧弹腔体的换热面积较未加套筒时增加了大约5倍，同时定容燃烧弹腔体与内部混合气的换热系数提高，使预热时间减少到约为原来的五分之一，从而明显减少了定容燃烧弹点火之前的预热准备时间。

Description

一种用于定容燃烧弹的套筒
技术领域
本发明涉及内燃机燃烧技术领域，具体的说，是涉及一种用于压缩波测量的定容燃烧弹实验结构。
背景技术
汽油机发生爆震时其缸内会形成强烈的压缩波，在气缸壁之间来回反射，使缸内压力高频大幅波动，产生敲缸噪声，并导致发动机振动，严重时会破坏活塞顶部以及燃烧室。这在国外已经得到了证实，2009年日本岗山大学的Nobuyuki Kawahara,Eiji Tomita等人，在氢气点燃式发动机上通过采用250K帧/s的高速摄影机拍摄到了爆震过程中自燃所产生的压缩波，并提出爆震强度Kint的定义。因此，压缩波速度的测量对汽油机末端气体自燃以及爆震的研究具有重要的意义。
由于燃烧弹为一密封的腔体，末端气体自燃以及爆震产生压缩波在腔体内向周围传播，首先碰到近壁面发生二次反射并相互叠加。壁面反射的二次波与正常传播的一次波发生干扰，影响一次波速度的测量，因此定容燃烧弹中压缩波速度的测量比较困难。
汽油机燃烧速度较快，在上止点时可以近似为定容燃烧，定容燃烧弹已经在汽油机燃烧技术领域得到了广泛的应用。国内对定容燃烧弹这方面的研究也比较多，北京理工大学和北京工业大学提出了内置横隔板的定容燃烧弹系统；西安交通大学采用定容燃烧弹研究预混燃料的层流火焰传播速度；天津大学利用定容燃烧弹，结合高速摄影系统，研究不同燃料的喷雾以及燃烧特性。但是，由于气体导热系数较小，采用燃烧弹体周围布置电阻丝进行加热，会长达几个小时，定容燃烧弹普遍存在燃烧弹内混合气体加热慢的问题。
发明内容
本发明要解决的是现有定容燃烧弹压缩波速度测量困难、混合气加热速度慢的技术问题，提供了一种用于定容燃烧弹的套筒，一方面通过减弱压缩波的二次反射，结合滤波处理，便于测得自燃以及爆震压缩波的速度，另一方面增加了定容燃烧弹的换热面积和换热系数，减少了其内部混合气的预热时间。
为了解决上述技术问题，本发明通过以下的技术方案予以实现：
一种用于定容燃烧弹的套筒，包括由侧壁和底面构成的筒体，所述侧壁内表面设置有呈螺纹排列的第一翅片，所述底面内表面设置有呈同心圆排列的第二翅片，所述筒体用于安装在定容燃烧弹腔体内部。
所述筒体、所述第一翅片、所述第二翅片均为铜质材料。
优选地，所述第一翅片的截面形状为等腰梯形。
优选地，所述第一翅片的高度为2.5～3.5mm，螺纹间距为1.5～2.5mm，螺纹倾角为2～5°。
优选地，所述第二翅片的截面形状为直角三角形。
优选地，所述第二翅片的高度为2.5～3.5mm，间距为1～2mm。
所述筒体与所述定容燃烧弹腔体过盈配合，并设置有与所述定容燃烧弹腔体上各安装孔相对应的通孔。
本发明的有益效果是：
本发明套筒的侧壁和底面内表面分别加工有翅片，一方面增加了定容燃烧弹腔体内的粗糙度，减弱了压缩波的二次反射，利于自燃以及爆震所产生压缩波速度的测量；另一方面也增加了定容燃烧弹与内部混合气的换热面积。另外，本发明采用铜为原材料，铜的导热系数较碳钢的高，可以加快定容燃烧弹腔体内部混合气的预热速度。
本发明通过结合滤波处理，能够更加方便的实现对自燃产生的压缩波以及爆震压缩波速度的测量；并且使定容燃烧弹腔体的换热面积较未加套筒时增加了大约5倍，同时定容燃烧弹腔体与内部混合气的换热系数提高，使预热时间减少到约为原来的五分之一，从而明显减少了定容燃烧弹点火之前的预热准备时间。
附图说明
图1是本发明所提供的套筒的结构示意图；
图2是本发明所提供的套筒的截面局部放大图；
图3是本发明所提供的套筒的使用状态示意图。
图中：1：侧壁；2：底面；3：喷油器安装孔；4：进气通孔；5：排气通孔；6：第一翅片；7：第二翅片；8：定容燃烧弹体；9：喷油器；10：前视窗；11：定容燃烧弹内腔；12：套筒；13：左视窗；14：高强螺栓；15：后视窗16：副火花塞；17：高频响压力传感器；18：主火花塞。
具体实施方式
下面通过具体的实施例对本发明作进一步的详细描述，以下实施例可以使本专业技术人员更全面的理解本发明，但不以任何方式限制本发明。
如图1所示，本实施例披露了一种用于定容燃烧弹的套筒，该套筒为与定容燃烧弹内腔形状相同的圆柱形筒体，该圆柱形筒体由侧壁1和底面2两部分焊接构成。为防止变形而影响装配，通常将加工好的侧壁1和底面2采用对称焊接的方法制成圆柱形筒体。
结合图2所示，筒体的侧壁1内表面设置有呈螺纹排列的第一翅片6，底面2内表面设置有呈同心圆排列的第二翅片7。由于第一翅片6和第二翅片7的存在，定容燃烧弹的腔体加装本套筒后，其与内部混合气的换热面积可以增加为原来的5倍以上。本实施例中第一翅片6的截面形状为等腰梯形，该等腰梯形的底角为80°，所述第一翅片的高度为3mm，螺纹间距为2mm，螺纹倾角为2.3°；第二翅片7的截面形状为直角三角形，该直角三角形的底角为71.6°，高度为3mm，间距为1mm。
通常情况下，第一翅片6的高度在2.5～3.5mm的范围内，螺纹间距在1.5～2.5mm的范围内，螺纹倾角在2～5°的范围内；第二翅片7的高度在2.5～3.5mm的范围内，间距在1～2mm的范围内。采用以上形状和尺寸参数可以使得第一翅片6、第二翅片7取得与定容燃烧弹内部混合气体较大的换热系数和换热面积。
筒体本身以及其侧壁1上的第一翅片6、底面2上的第二翅片7均由铜制成，这是由于铜的导热系数较高，可以更快的预热定容燃烧弹腔体内部混合气，同时成本较低。
如图3所示，本发明的套筒直接安装于定容燃烧弹的内腔中，与定容燃烧弹内腔以过盈配合为佳，可以增大传热系数，使加热效果更加明显。
套筒的侧壁1和底面2上还需分别加工出进气通孔4、排气通孔5、喷油器安装孔3以及用于安装各传感器及各视窗的通孔，其位置和尺寸与定容燃烧弹腔体上的安装孔相对应。
使用时，把加工好的套筒从定容燃烧弹的左视窗（本定容燃烧弹是左视窗，视弹体结构不同可能会有变化）过盈安装入定容燃烧弹腔体内，套筒上的通孔与定容燃烧弹上各部件安装孔对齐，再用螺栓将各个视窗固定在定容燃烧弹体上，最后安装所有零部件，从而完成定容燃烧弹的安装。
上述套筒的制作方法如下：
1.取厚度为5mm左右的矩形铜板，其一面加工出高度为3mm、螺纹间距为2mm、螺纹倾角为2.3°、截面形状为等腰梯形的螺纹状第一翅片6。将具有第一翅片6的一面作为内侧把铜板卷成圆筒状，其外径与定容燃烧腔体的直径相同，以能产生过盈配合为宜。
2.取厚度为5mm左右的圆形铜板，其一面加工出高度为3mm、间距为1mm、截面形状为直角三角形的同心圆第二翅片7，圆形铜板的直径与定容燃烧弹腔体直径相同。
3.按照定容燃烧弹各零部件的安装位置，分别在铜质圆筒和铜质圆片上分别加工相应的通孔，用于安装各传感器、喷油器、火花塞等零部件；
4.将铜质圆片焊接到铜质圆筒的底端，焊接时应采用对称焊接法，以便使整个套筒的变形量最小，从而完成铜质套筒的制作。
如图3所示，利用上述套筒的测量方法如下：
1.将上述制作完成的套筒由定容燃烧弹的左视窗13处压入定容燃烧弹内腔11，产生过盈配合，并使套筒上的各零部件通孔与定容燃烧弹各零部件安装孔相对应，窗口安装位置也相对应。
2.采用高强螺栓14，分别将前视窗10、左视窗13、后视窗15安装到定容燃烧弹体8；再分别将喷油器9、副火花塞16、高频响压力传感器17以及主火花塞18装入定容燃烧弹体的相应安装孔，从而完成套筒在定容燃烧弹上的安装。
3．在做实验之前首先要对环境气体进行预热，一般的定容燃烧弹是在弹体周围布置电阻丝，通过电阻丝对内部气体进行预热。而在定容燃烧弹中采用本套筒之后，因为翅片的存在增加了定容燃烧弹与内部气体的换热面积，并且由于铜的导热系数较高，从而使内部混合气的预热时间缩短了5-10倍。
利用本发明的套筒对定容燃烧弹内气体进行预热时，结合定容燃烧弹外部使用保温材料进行隔热，定容燃烧弹内部气体预热速度快的效果可以更加明显。
4．使用装有本套筒的定容燃烧弹进行实验，定容燃烧弹上表面间隔一定的距离（4cm）布置有三个高频响压力传感器17，当副火花塞16模拟末端气体产生自燃以及爆震时，自燃产生的压缩波依次传播过三个高频响压力传感器时，数据采集系统会记录压力波动值，再经过滤波处理，消除二次反射波的干扰，得到压力波的峰值，从而得到压缩波经过高频响压力传感器的时刻，进而得到压缩波通过两个高频响压力传感器的时间间隔，由高频响压力传感器的间距和测得的时间间隔，计算出压缩波的传播速度。
结合以上方法使用本发明对压缩波速度进行测量时，由于翅片的存在增加了内壁表面的粗糙度，使二次反射的压缩波强度明显减小。因此在进行滤波处理时，能够方便的区分压缩波和二次波，消除二次波的干扰，从而能够准确的得到压缩波经过高频响压力传感器的时刻，进而计算出压缩波的传播速度。
尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，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，并不是限制性的，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和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种用于定容燃烧弹的套筒，其特征在于，包括由侧壁和底面构成的筒体，所述侧壁内表面设置有呈螺纹排列的第一翅片，所述底面内表面设置有呈同心圆排列的第二翅片，所述筒体用于安装在定容燃烧弹腔体内部。 
2.根据权利要求1所述的一种用于定容燃烧弹的套筒，其特征在于，所述筒体、所述第一翅片、所述第二翅片均为铜质材料。 
3.根据权利要求1所述的一种用于定容燃烧弹的套筒，其特征在于，所述第一翅片的截面形状为等腰梯形。 
4.根据权利要求1所述的一种用于定容燃烧弹的套筒，其特征在于，所述第一翅片的高度为2.5～3.5mm，螺纹间距为1.5～2.5mm，螺纹倾角为2～5°。 
5.根据权利要求1所述的一种用于定容燃烧弹的套筒，其特征在于，所述第二翅片的截面形状为直角三角形。 
6.根据权利要求1所述的一种用于定容燃烧弹的套筒，其特征在于，所述第二翅片的高度为2.5～3.5mm，间距为1～2mm。 
7.根据权利要求1所述的一种用于定容燃烧弹的套筒，其特征在于，所述筒体与所述定容燃烧弹腔体过盈配合，并设置有与所述定容燃烧弹腔体上各安装孔相对应的通孔。 
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