CN103278331A

CN103278331A - 一种用于观察火焰与压力波相互作用的定容燃烧装置

Info

Publication number: CN103278331A
Application number: CN2013101724025A
Authority: CN
Inventors: 卫海桥; 蒋晟龙; 高东志; 舒歌群; 潘明章; 潘家营; 郭玉彬
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2013-05-10
Filing date: 2013-05-10
Publication date: 2013-09-04

Abstract

本发明公开了一种用于观察火焰与压力波相互作用的定容燃烧装置，燃烧弹体设置安装有光学观察窗口的观察孔，光学观察窗口包括其外侧具有环形凸台的光学玻璃，光学玻璃的内侧和外侧分别安装有通过螺栓相互连接的嵌入端盖和压紧端盖，嵌入端盖和压紧端盖通过螺栓安装在燃烧弹体上；嵌入端盖、压紧端盖与光学玻璃之间分别设置有耐高温垫片。本发明能够降低燃烧弹体光学观察窗口安装对其内腔形状规则性的影响，提高内腔圆滑度，从而改善其内部流场和壁面压力波反射效果；同时改变传统光学观察窗口中玻璃的受力方式，减小玻璃厚度，利于改善试验的观察和拍摄效果。

Description

一种用于观察火焰与压力波相互作用的定容燃烧装置

技术领域

本发明涉及内燃机燃烧技术领域，具体的说，是涉及一种定容燃烧弹试验装置。

背景技术

定容燃烧弹可以模拟发动机缸内活塞上止点附近定容燃烧过程，一般用于观察改变各试验初始参数对燃烧过程产生的影响。多数情况下，会根据实验需求在弹体上设置光学观察窗口，以便利用高速摄影机拍摄观察内部喷雾、火焰传播等现象。观察窗口的材料以选用石英玻璃为主，少数情况下选用蓝宝石玻璃。但是，即使强度较高的玻璃相对燃烧弹体主体材料钢材的强度要低十余倍，而模拟内燃机缸内环境的实验条件对玻璃的耐压和耐温强度要求较高，因此一般需要采用较大的玻璃厚度以承受压力冲击。同时，设置光学观察窗口势必影响燃烧弹的密封，特别是金属材料与玻璃之间的密封，而燃烧弹的密封性能对试验结果和试验安全也有着很重要的影响。另外，窗口的设置对流场的影响作用往往被忽视，这对试验仿真环境也是有着较大的潜在影响；并且，若窗口的设置不合理会导致内腔表面形状复杂，对模拟观察燃烧压力波及其反射波的相互作用有着十分不利的影响，复杂表面的不规则反射容易破坏试验的单一初始条件。综上所述，光学观察窗口在燃烧弹的设计中起着重要影响，光学观察窗口设计合理，可以更好的观察火焰与燃烧压力波及其壁面反射波的相互作用，及其对火焰传播状态和自燃发生现象的影响。

如图1所示，现有定容燃烧弹的光学观察窗口结构均采用圆柱体的光学玻璃，采用靠近燃烧装置内壁的阶梯孔台阶面和端盖来压紧固定光学玻璃，端盖的内外侧观察孔径大小一致。可以看出，光学观察窗口与燃烧弹体内腔之间存在一定距离，火焰传播过程中容易产生空腔区域，且燃烧弹体内腔表面与光学观察窗口安装孔之间存在一个约为45度夹角的区域，端盖与光学玻璃之间也存在一个直角夹角的区域，燃烧压力波在这两个区域的反射形式与燃烧弹体内腔其余区域有较大差别。

传统定容燃烧弹中光学观察窗口的结构主要会产生以下几个方面的不利影响：一、弹体内腔形状不够规则：不规则的弹体内腔形状容易破坏弹体内流场，在弹体内部和端盖结合处产生燃烧和流动死区，且壁面反射不规则使内部压力波不规则反射波动，难以观察火焰和燃烧压力波及其反射波之间的相互作用。二、端盖与玻璃的拆卸操作影响密封性能：实验过程中需经常对光学观察窗口进行拆卸，由于端盖和玻璃分开拆装，容易破坏端盖与玻璃之间的密封，使得光学观察窗口密封性能变差，燃烧弹体出现泄漏现象，影响试验顺利进行和试验安全。三、石英玻璃的厚度较大：为了满足压力负荷要求，往往将石英玻璃的厚度做得比较大；但是由于玻璃对光源有一定的散射作用，较厚的玻璃会对高速摄影机的拍摄效果会产生一定的不良影响。四、传感器的布置安装不便：较厚的石英玻璃使得燃烧弹体各部件材料厚度大、体积笨重，从而影响到燃烧弹体上的传感器位置选择。

发明内容

本发明要解决的是现有定容燃烧弹内腔结构不够优化，导致火焰燃烧压力波及其壁面反射波不稳定，从而干扰有效观察火焰燃烧压力波及其壁面反射波影响火焰传播和产生自燃的技术问题，提供了一种用于观察火焰与压力波相互作用的定容燃烧装置，降低燃烧弹体光学观察窗口安装对其内腔形状规则性的影响，提高内腔圆滑度，从而改善其内部流场和壁面压力波反射效果；同时改变传统光学观察窗口中玻璃的受力方式，减小玻璃厚度，利于改善试验的观察和拍摄效果。

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：

一种用于观察火焰与压力波相互作用的定容燃烧装置，包括燃烧弹体，所述燃烧弹体设置有其形状为通孔的观察孔，所述观察孔上安装有光学观察窗口，所述光学观察窗口包括其外侧具有环形凸台的光学玻璃，所述光学玻璃的内侧和外侧分别安装有通过螺栓相互连接的嵌入端盖和压紧端盖，所述嵌入端盖和所述压紧端盖通过螺栓安装在所述燃烧弹体上；

所述嵌入端盖内部为与所述光学玻璃的环形凸台内侧部分相配合的第一阶梯孔、外部为用于与所述燃烧弹体外壁相接触的定位台阶，所述嵌入端盖的第一阶梯孔台阶面与所述光学玻璃的环形凸台内侧端面之间设置有耐高温垫片；

所述嵌入端盖的内侧端面与所述光学玻璃的内侧端面平齐，所述嵌入端盖内侧的外沿与所述观察孔的内沿重合；

所述压紧端盖内部为与所述光学玻璃的环形凸台外侧部分相配合的第二阶梯孔，所述压紧端盖的阶梯孔台阶面与所述光学玻璃的环形凸台外侧端面之间设置有耐高温垫片。

所述光学玻璃的环形凸台外侧和所述压紧端盖的接触面为圆弧面。

所述压紧端盖的第二阶梯孔中的小孔直径小于所述嵌入端盖的第一阶梯孔中的小孔直径。

本发明的有益效果是：

（一）本发明改变了定容燃烧弹中传统光学观察窗口的结构设计，在便于装配和保证密封的前提下，使光学玻璃端面更为贴近燃烧室内壁，减少了燃烧室内腔的交错结合面，使定容燃烧弹内腔结构更为圆滑，有利于燃烧室内部流场的保持或形成，减少壁面燃烧压力波的不规则反射，有利于观察火焰和燃烧压力波及其壁面反射波之间的相互作用。

（二）本发明改变了定容燃烧弹中传统光学观察窗口的结构设计，从而改变了光学玻璃的受力方式，增大了其受力面积，减小了光学玻璃易破坏面的剪切力，减小了剪切载荷,使光学玻璃的强度要求得以降低，同时将光学玻璃外侧设置为圆弧面，明显降低局部应力集中破坏光学玻璃的可能性。这样，可以使原有光学观察窗口的光学玻璃厚度大幅缩减，从而提高定容燃烧弹的观察和拍摄效果，同时减小端盖体积使整体更为紧凑。

（三）本发明使光学玻璃和端盖之间的密封效果进一步加强，清洁燃烧弹体内部时可以将光学玻璃和端盖一体拆装，一般不会破坏光学玻璃和端盖之间的密封，因此更加不容易出现泄漏现象，有效保障了试验安全。

附图说明

图1是现有定容燃烧弹的光学观察窗口结构；

图2是本发明所提供的定容燃烧装置的结构示意图

图3是本发明所提供的光学观察窗口的剖视图；

图4是图3中光学玻璃的结构示意图；

图5是图3中嵌入端盖的结构示意图；

图6是图3中压紧端盖的结构示意图；

图7是本发明所提供的定容燃烧装置内腔结构示意图；

图8是本发明所提供的光学观察窗口的受力分析图。

图中：1：燃烧弹体；2：M6内六角螺栓；3：光学玻璃；3-1：环形凸台；3-2：圆弧面；4：嵌入端盖；4-1：第一阶梯孔；4-2：定位台阶；4-3：第一结合孔；4-4：第一安装孔；5：石墨垫片；6：聚四氟乙烯垫片；7：压紧端盖；7-1：第二阶梯孔；7-2：第二结合孔；7-3：第二安装孔；8：M8外六角螺栓。

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2和图3所示，本实施例披露了一种定容燃烧装置，其燃烧弹体1内腔采用球形结构，燃烧弹体1上设置有三个形状为通孔的观察孔，该观察孔用于安装光学观察窗口。光学观察窗口主要由光学玻璃3、嵌入端盖4和压紧端盖7构成，嵌入端盖4和压紧端盖7安装在光学玻璃3上并通过M6内六角螺栓2相互连接，然后再通过M8外六角螺栓8整体安装于燃烧弹体1的观察孔处。光学玻璃3选用高纯度石英玻璃，原因是其具有很高的变形温度和软化温度、非常低的热膨胀系数和抗热振能力、从红外线到紫外线有极宽的光谱透过能力和较低的色散现象。高纯度石英玻璃抗拉强度、抗弯强度较其他玻璃高出不少，仅次于蓝宝石玻璃，但蓝宝石玻璃的成本极高，限制了其应用。嵌入端盖4和压紧端盖7选用不锈钢材料，其好处主要是不容易受汽油、酒精等燃料的腐蚀作用的影响，亦可以省去除锈和涂层的工作，从而提高材料加工精度；同时不锈钢的强度、韧度高、热变形小，可以减小材料使用的厚度和体积，从而增加定容燃烧装置的安装空间。

为了描述方便和统一，在本申请中将光学玻璃3、嵌入端盖4和压紧端盖7根据燃烧弹体1的内外方向确定其内侧和外侧，与燃烧弹体1内腔方向一致的称为内侧，与燃烧弹体1外壁方向一致的称为外侧。

如图4所示，光学玻璃3的外侧设置有环形凸台3-1，即光学玻璃3的截面为阶梯形；其作用在于将光学玻璃3内侧端面和外侧端面的限位固定改变为由光学玻璃3外侧环形凸台3-1的两侧端面限位固定，从而去除了燃烧弹体1内侧用于对光学玻璃3轴向定位的台阶面，使得光学玻璃3的内侧端面能直接贴近燃烧弹体1的内腔表面。

环形凸台3-1外侧端面与压紧端盖7相接触的部分设置为圆弧面3-2，其主要作用在于扩大光学玻璃3的受力面积，提高其抗冲击性能；并且圆弧面3-2所形成的圆弧过渡能够达到减小局部应力集中，提高抗冲击能力的作用。

另外，光学玻璃3环形凸台3-1外侧设置为圆弧面3-2，同时配合外侧的压紧端盖7观察孔径略小于内侧的嵌入端盖4观察孔径，可以将光学玻璃3所承受的燃烧冲击力进行分解，从而减小光学玻璃3剪切面所承受的剪切力，协同其承受剪切力的受力面积的增加，提高了承受燃烧冲击力的能力。

如图5所示，嵌入端盖4内部设置为第一阶梯孔4-1，第一阶梯孔4-1的形状和尺寸与光学玻璃3的环形凸台3-1内侧相配合，从而使嵌入端盖4安装在光学玻璃3外部的内侧部分，并与光学玻璃3在周向形成较为紧密的间隙配合。嵌入端盖4的第一阶梯孔4-1的台阶面与光学玻璃3的环形凸台3-1的内侧端面之间设置有石墨垫片5，以保护光学玻璃3的预紧力不会过大。高温状态下，燃烧弹体1内部的压力对光学玻璃3有着很好的压紧作用，石墨垫片5能起到辅助密封作用。

嵌入端盖4外部的形状和尺寸与燃烧弹体1上的观察孔相配合，以能够装入该观察孔内并在周向形成较为紧密的间隙配合，且其外侧设置有定位台阶4-2，定位台阶4-2用于在燃烧弹体1外壁形成接触定位。嵌入端盖4的定位台阶4-2上均布地设置有16个螺栓孔，分别为8个第一结合孔4-3和8个第一安装孔4-4，第一结合孔4-3和第一安装孔4-4间隔设置。

如图7所示，嵌入端盖4的内侧面、光学玻璃3的内侧面与燃烧弹体1上观察孔的内沿均在同一平面上，从而使光学观察窗口与燃烧弹体1的组合结构过渡更为圆滑平整，这样燃烧室内部流场可以更加稳定的形成或保持，对研究流场对火焰传播和发展的影响有着重要的作用；并且较为光滑的燃烧弹体1内腔结构有利于燃烧所产生压力波或冲击波的反射和叠加，容易观察压力波或冲击波与火焰之间的相互作用机理；同时也减少了流动死区，从而减少了对喷雾形状的不利影响和火焰传播时的淬熄现象。

如图6所示，压紧端盖7内部设置为第二阶梯孔7-1，第二阶梯孔7-1的形状和尺寸与光学玻璃3的环形凸台3-1外侧部分相配合，从而使压紧端盖7安装在光学玻璃3外部，对光学玻璃3轴向定位和压紧密封。当光学玻璃3的环形凸台3-1外侧为圆弧面3-2时，压紧端盖7的第二阶梯孔7-1中的大孔内壁也相应为圆弧过渡。

压紧端盖7的第二阶梯孔7-1中的小孔直径应小于嵌入端盖4的第一阶梯孔4-1中的小孔直径，以分解光学玻璃3所承受的燃烧冲击力，配合圆弧面3-2从而减小光学玻璃3剪切面所承受的剪切力。如图8所示，压紧端盖7的内孔和嵌入端盖4的内孔不处在同一圆周面上，F=F₁cosθ+F₂sinθ，其中F为光学玻璃3承受的冲击力，F₁为分解剪切力，F₂为分解压应力，玻璃承受压应力的能力远大于承受剪切力的能力，故压应力的作用可以忽略。F₁<F，且根据曲面积分公式可知承受F₁的受力面积>F的受力面积。在光学玻璃3的抗拉强度一定的情况下，减小了易破坏的剪切面上的剪切力，且增大了受力面积，这样有利于提高承受燃烧弹体内部压强的能力。

压紧端盖7的第二阶梯孔7-1的台阶面与光学玻璃3的环形凸台3-1的外侧端面之间设置有聚四氟乙烯垫片6，利用聚四氟乙烯垫片6弹性大的特点，吸收定容燃烧装置内在发生燃烧反应时产生的压力冲击，抑制刚性冲击，保护光学玻璃3不被压力破坏，同时起到主要密封的作用。聚四氟乙烯垫片6的厚度应比石墨垫片5的厚度要厚，这是因为随着燃烧室内部压力的升高，内侧的石墨垫片5压力减小，而燃烧产生的压力和冲击力由外侧的聚四氟乙烯垫片6所吸收。

压紧端盖7均布地设置有16个螺栓孔，分别为8个第二结合孔7-2和8个第二安装孔7-3，第二结合孔7-2和第二安装孔7-3间隔设置。第一结合孔4-3和第一结合孔7-2用于安装M6内六角螺栓2，利用8个M6内六角螺栓2将嵌入端盖4和压紧端盖7固定连接，并将光学玻璃3固定在其中。第一安装孔4-4和第二安装孔7-3用于安装M8外六角螺栓8，从而将嵌入端盖4和压紧端盖7整体安装在燃烧弹体1上。M8外六角螺栓8的强度要求较高，并能够施加足够的预紧力，以承受在最大燃烧压力下嵌入端盖4、压紧端盖7与燃烧弹体1之间的密封不至于松开。

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

1.一种用于观察火焰与压力波相互作用的定容燃烧装置，包括燃烧弹体，其特征在于，所述燃烧弹体设置有其形状为通孔的观察孔，所述观察孔上安装有光学观察窗口，所述光学观察窗口包括其外侧具有环形凸台的光学玻璃，所述光学玻璃的内侧和外侧分别安装有通过螺栓相互连接的嵌入端盖和压紧端盖，所述嵌入端盖和所述压紧端盖通过螺栓安装在所述燃烧弹体上；

2.根据权利要求1所述的一种用于观察火焰与压力波相互作用的定容燃烧装置，其特征在于，所述光学玻璃的环形凸台外侧和所述压紧端盖的接触面为圆弧面。

3.根据权利要求2所述的一种用于观察火焰与压力波相互作用的定容燃烧装置，其特征在于，所述压紧端盖的第二阶梯孔中的小孔直径小于所述嵌入端盖的第一阶梯孔中的小孔直径。