CN104374866B - 点火电极间隙可调式定容燃烧装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了点火电极间隙可调式定容燃烧装置，包括筒状结构的容弹主体，容弹主体呈中间内径小两端内径大的台阶形结构，其中间小内径腔体形成燃烧室，其两端大内径腔体形成端盖安装槽；燃烧室的外壁上设置有与其连通的配件安装孔以及一对电极安装孔；一对电极安装孔呈径向对称布置结构，其内固定安装有电极套，电极套内设置有与其螺纹配合的点火电极，从而可方便地调节一对点火电极之间的间隙；容弹主体两端设置有环形端盖，环形端盖内侧设置有端盖环台，端盖环台与端盖安装槽密封嵌置配合，从而将环形端盖固定在容弹主体两端；端盖环台内腔形成玻璃安装槽，玻璃安装槽内密封嵌置有透明石英玻璃块，从而可以方便地观测容弹主体内的燃烧状况。

Description

点火电极间隙可调式定容燃烧装置

技术领域

本发明涉及内燃机燃烧技术领域，具体地指一种用于研究火焰着火与传播特性的点火电极间隙可调式定容燃烧装置。利用该发明可以研究在不同温度、压力、当量比和点火能量下各种燃料的着火与传播特性。

背景技术

随着能源和环境问题的日益突出，降低内燃机燃油消耗率和控制内燃机有害排放物的要求越来越高，因而加强对燃料燃烧机理的研究就显得十分重要。

对内燃机研究者而言，获得燃料的预混层流燃烧特性(包括层流燃烧速度、火焰拉伸、稳定性、淬熄以及火焰内部燃烧产物生成规律等)与初始燃气参数(温度、压力、当量比、点火能量、残余废气系数)以及燃料理化特性的关系，进而建立燃烧系统反应动力学机理，最终为发动机燃烧模拟以及优化研究提供基础数据，是开展燃料层流火焰研究的最根本目的。

在实际的火花点火内燃机中，火焰最初是层流火焰，随着火焰的发展，层流火焰最终转变成湍流火焰，其湍流燃烧速度取决于不同燃料的物理化学性质，也就是燃料的层流燃烧特性。因此，层流火焰是湍流火焰的基础，是影响内燃机燃料燃烧状况和效率的重要因素，是理论预测燃烧过程以及研究排放物生成机理的重要依据。另外，层流燃烧速度还是用来验证燃料的化学反应机理的重要参数，同样也是模拟湍流预混火焰传播的重要参数之一。然而由于火焰燃烧化学反应的复杂性，尤其对温度、压力等燃烧控制边界条件对反应动力学机理的影响还不是十分清楚，因此要准确模拟多组份燃料以及相对高温、高压下的层流火焰还有一定困难。所以迄今为止，试验仍是研究层流火焰的最有效方法。

试验的测定一般都不在发动机缸内进行，这是因为在发动机上，层流火焰条件很难建立，而且火焰条件参数的控制和调整也很难做到十分精确，无法保证试验结果的可重复性。进行层流燃烧特性研究最常用的实验之一就是定容燃烧弹法。

现有部分定容燃烧弹通过贯穿螺栓和容弹主体两端的法兰盘来将石英玻璃视窗固定在容弹主体上，一般都是通过压紧玻璃和金属的密封面来进行容弹的密封，这样会导致玻璃的受力不均匀，再加上弹体内高温高压气体的剧烈膨胀，可能会导致玻璃的破碎；有些容弹两端采用法兰盘，利用贯穿螺栓把法兰盘固定在容弹主体两端，然后玻璃嵌入法兰盘内，这样的结构复杂，安装不便，而且由于法兰盘上需要布置贯穿螺栓，导致法兰盘外径比容弹主体大，不利于加热设备的布置，同时也使容弹两端的温度达不到设定温度，特别是可视化窗口的透明石英玻璃块的温度达不到实验要求，而且导致弹体内部部分气体在玻璃表面液化，对实验造成极大的影响。还有一点就是目前定容弹大都采用了固定式的点火电极设计，这样虽然可以点火，但是不能研究点火间隙及点火能量对燃烧过程，特别是对火焰传播初期的影响。

发明内容

本发明的目的就是要提供一种结构紧凑、构造简单、加工方便的点火电极间隙可调式定容燃烧装置。

为实现上述目的，本发明所设计的点火电极间隙可调式定容燃烧装置，包括筒状结构的容弹主体，其特殊之处在于，所述容弹主体呈中间内径小两端内径大的台阶形结构，其中间小内径腔体形成燃烧室，其两端大内径腔体形成端盖安装槽；所述燃烧室的外壁上设置有与其连通的配件安装孔以及一对电极安装孔；所述一对电极安装孔呈径向对称布置结构，其内固定安装有电极套，所述电极套内设置有与其螺纹配合的点火电极，从而可方便地调节一对点火电极之间的间隙；所述容弹主体两端设置有环形端盖，所述环形端盖内侧设置有端盖环台，所述端盖环台与端盖安装槽密封嵌置配合，从而将环形端盖固定在容弹主体两端；所述端盖环台内腔形成玻璃安装槽，所述玻璃安装槽内密封嵌置有透明石英玻璃块，从而可以方便地观测容弹主体内的燃烧状况。

进一步地，所述电极套前端外壁上设置有安装螺纹，所述安装螺纹与电极安装孔的内螺纹相配合；所述电极套中间设置有电极安装孔，所述电极安装孔后端内壁上设置有调节螺纹，所述调节螺纹与点火电极的外壁螺纹相配合，从而可精确微调一对点火电极之间的间隙。电极套是电极与容弹主体的连接件，同时由于内部壁面的螺纹的存在，形成电极移动的导轨。电极套内孔中后段设有精密内螺纹，与电极的外螺纹形成配合。电极套前端设有外螺纹，通过此外螺纹将整个间隙调节装置安装在容弹主体上。

更进一步地，所述点火电极的外壁螺纹前部设置有多道环形凸缘，所述环形凸缘之间形成的凹槽中设置有电极密封圈，所述电极密封圈与所述电极套的电极安装孔密封配合。环形凸缘之间形成的凹槽内安装有O型密封圈，保证电极安装孔的密封效果。所述环形凸缘的边缘设置有便于电极密封圈安装的倒角。

更进一步地，所述透明石英玻璃块与玻璃安装槽的周向和径向接触面处均涂敷有耐高温平面密封胶；所述端盖环台的外壁与端盖安装槽的内壁之间涂敷有导热硅胶，起到填充金属间间隙及传导热量的作用。

更进一步地，所述端盖环台的顶端与端盖安装槽的底端之间通过密封垫圈密封配合，并通过端面螺钉固定为一体。密封垫圈在起密封作用的同时，还起到了缓冲振动的作用。

更进一步地，所述密封垫圈与端盖环台的顶端和端盖安装槽的底端接触处涂覆有耐高温密封胶，保证在高温环境下的密封效果。

更进一步地，所述环形端盖的法兰边内侧与容弹主体端面之间具有1～2mm的间隙，使安装端面螺钉的预紧力完全作用于端盖安装槽与端盖环台形成的密封面上。

更进一步地，所述配件安装孔包括排气管安装孔、进气管安装孔、动态压力传感器安装孔和静态压力传感器安装孔，分别用于安装实验配件。

更进一步地，所述端盖安装槽和玻璃安装槽的径向端面粗糙度为1.6～3.2μm，在此范围内端盖安装槽以及玻璃安装槽表面的密封效果最佳。

与现有技术相比，本发明结构紧凑，构造简单，加工方便，利用了自紧式密封形式，容弹主体内部压力越高，玻璃表面与端盖台阶面的压紧力就越大，提高了气密性。由于透明石英玻璃块直接安装在端盖上，因此，端盖和容弹主体之间的端面螺钉预紧力直接作用在容弹主体上，玻璃没有受到挤压，从而避免因玻璃受力不均匀而造成的玻璃破碎。由于特殊设计的端盖结构，使得容弹外表面没有明显突起，成典型的圆柱型，便于安装外部加热设备，而且透明石英玻璃块伸入容弹主体内部，再加上导热硅胶的作用，使端盖和玻璃都能得到很好的加热效果，使得玻璃的温度能得到很好的保证，即保证了实验温度的准确性。再由于电极间的间隙是可调的，只要旋转电极，然后通过精密螺纹来微调电极间的间隙，可以用于研究点火间隙和点火能量对火焰传播的影响，增大了装置的研究范围。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的分解结构示意图；

图3为图1的截面图；

图4为图1中容弹主体的截面图；

图5为图1中端盖的截面图；

图6为图1中电极的结构示意图；

图7为图1中电极套的截面图；

图8为图5中A处放大图。

图中：端面螺钉1，环形端盖2(其中：端盖环台2.1，玻璃安装槽2.2，法兰边2.3)，透明石英玻璃块3，密封垫圈4，容弹主体5(其中：端盖安装槽5.1，螺钉安装孔5.2)，电极套6(其中：电极安装孔6.1，安装螺纹6.2，调节螺纹6.3)，点火电极7(其中：外壁螺纹7.1，环形凸缘7.2，电极密封圈7.3，倒角7.4)，燃烧室8，配件安装孔9(其中：排气管安装孔9.1，进气管安装孔9.2，动态压力传感器安装孔9.3，静态压力传感器安装孔9.4)，电极安装孔10。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述。

如图1至图8所示，本发明的点火电极间隙可调式定容燃烧装置，包括筒状结构的容弹主体5，容弹主体5呈中间内径小两端内径大的台阶形结构，其中间小内径腔体形成燃烧室8，其两端大内径腔体形成端盖安装槽5.1；燃烧室8的外壁上设置有与其连通的配件安装孔9以及一对电极安装孔10。配件安装孔9包括排气管安装孔9.1、进气管安装孔9.2、动态压力传感器安装孔9.3和静态压力传感器安装孔9.4。一对电极安装孔10呈径向对称布置结构，其内固定安装有电极套6，电极套6内设置有与其螺纹配合的点火电极7。电极套6前端外壁上设置有安装螺纹6.2，安装螺纹6.2与电极安装孔10的内螺纹相配合；电极套6中间设置有电极安装孔6.1，电极安装孔6.1后端内壁上设置有调节螺纹6.3，调节螺纹6.3与点火电极7的外壁螺纹7.1相配合，从而可精确微调一对点火电极7之间的间隙。点火电极7的外壁螺纹7.1前部设置有多道环形凸缘7.2，环形凸缘7.2之间形成的凹槽中设置有电极密封圈7.3，电极密封圈7.3与电极套6的电极安装孔6.1密封配合。环形凸缘7.2的边缘设置有便于电极密封圈7.3安装的倒角7.4。

容弹主体5两端设置有环形端盖2，环形端盖2内侧设置有端盖环台2.1，端盖环台2.1与端盖安装槽5.1密封嵌置配合，从而将环形端盖2固定在容弹主体5两端。端盖环台2.1的顶端与端盖安装槽5.1的底端之间通过密封垫圈4密封配合，并通过端面螺钉1固定为一体。所密封垫圈4与端盖环台2.1的顶端和端盖安装槽5.1的底端接触处涂覆有耐高温密封胶。

端盖环台2.1内腔形成玻璃安装槽2.2，玻璃安装槽2.2内密封嵌置有透明石英玻璃块3，从而可以方便地观测容弹主体5内的燃烧状况。透明石英玻璃块3与玻璃安装槽2.2的周向和径向接触面处均涂敷有耐高温平面密封胶。端盖环台2.1的外壁与端盖安装槽5.1的内壁之间涂敷有导热硅胶。

容弹主体5的材料耐热不锈钢，钢号为OCr18Ni9，容弹主体5的表面粗糙度为3.2μm，满足一定的加工精度要求；内径为155mm，外径为250mm。端盖安装槽5.1和玻璃安装槽2.2的径向端面粗糙度为1.6～3.2μm端盖安装槽，以满足高温高压下的密封要求。在容弹主体5的两侧外沿设置有八个均布的螺钉安装孔5.2，可以通过八个M10的六角端面螺钉1将环形端盖2固定在容弹主体5上。装配时，环形端盖2的法兰边2.3内侧与容弹主体5端面留有1～2mm间隙，从而保证端面螺钉1的预紧力完全作用于密封垫圈4上，从而使端盖安装槽5.1与端盖环台端盖环台2.1的表面能完全接触，保证容弹主体5的密封性能。密封垫圈4与金属接触的两侧可以涂上高温密封胶进一步保证容弹主体5与环形端盖2的密封。

密封垫圈4耐压0-25Mpa，耐温-200～1000℃，厚度为5mm，内径为155mm，外径为190mm。在起密封作用的同时，还起到了缓冲振动的作用。密封垫圈4厚度为5mm，外径190mm,内径155mm。能满足高温高压下的密封性能，且具有良好的压缩回弹性，确保环形端盖2和容弹主体5之间的密封。

透明石英玻璃块3的厚度高度为55mm，直径为155mm。采用了耐高温和高压的JGS3红外石英玻璃光学材料，具有较高的透红外性能，透过率高达85％以上，能满足定容燃烧弹配套使用的纹影系统所需的透光性。透明石英玻璃块3的强度应该满足10MPa的冲击压力和15MPa的静压力，同时应该满足1000℃的环境要求。

环形端盖2的材料和容弹主体5的一样，为耐热不锈钢，其表面粗糙度为3.2μm。其有效通光口径为120mm，最大外径为250mm，与容弹主体5的外径一样。法兰边2.3上设置有8个均布的螺钉安装孔5.2，用于将端盖1固定到容弹主体5上。玻璃安装槽2.2径向的表面粗糙度为1.6～3.2μm。玻璃安装槽2.2径向涂敷有耐高温平面密封胶，用于玻璃和金属之间的密封，玻璃安装槽2.2与透明石英玻璃块3的表面直接接触，接触面涂有高温密封胶，形成面密封。在实际使用过程中，由于弹内气体膨胀，会增加玻璃安装槽2.2径向与透明石英玻璃块3的表面的预紧力，可以达到自紧密封的效果，并且随着腔体内部压力的增加，其密封性能也同时加强。

点火电极7表面外壁螺纹7.1的螺距为1.5mm，螺纹长度为20mm；点火电极的中后段设有三个环形凸缘7.2，中间形成了两个电极密封圈7.3，用于安装O型密封圈，每个环形凸缘7.2的一侧设有倒角7.4，便于安装O型密封圈。点火电极7的中后段形成两个电极密封圈7.3的三个环形凸缘7.2的表面粗糙度为0.4～0.8μm，环形凸缘7.2的外径为7.2mm。电极密封圈7.3为O型密封圈，其直径为6.5mm，截面直径为0.85mm，安装在点火电极7上的电极密封圈7.3内，O型密封圈应能满足高温高压下的密封性能。

电极套6的调节螺纹6.2的长度为40mm，螺距为1.5mm，与点火电极7的外壁螺纹7.1形成配合。电极套6内孔径为7.5mm，前段部分的外径为15mm，表面设有安装螺纹6.2，安装螺纹6.2的长度也为15mm；后段的外径为25mm，长度为70mm。电极套内孔壁面的表面粗糙度为0.4～0.8μm。

上述定容燃烧弹的制作装配步骤如下：

一：首先利用耐热钢加工出环形端盖2两个、容弹主体5、电极套6和点火电极7，并保证各个部件的加工精度，特别是密封面的表面粗糙度。

二：将加工好的透明石英玻璃块3安装到环形端盖2中，在安装前将环形端盖2玻璃安装槽2.2内面涂抹上高温密封胶，涂抹应该均匀，密封胶的厚度把握得当，保证气密性。

三：将密封垫圈4安装到容弹主体5端盖安装槽5.1处，在安装前将容弹主体5端盖安装槽5.1均匀涂抹上高温密封胶。安装完后用力按压，保证密封胶扩散均匀，然后在密封垫圈4的外表面再次涂抹上高温密封胶。

四：将两个环形端盖2分别安装到容弹主体5的两侧，然后利用端面螺钉1将环形端盖2固定到容弹主体5上，再拧紧端面螺钉1，采用对称的顺序来拧紧端面螺钉，以使环形端盖2受力均匀，保证密封性能。安装完毕后应该保证环形端盖2的法兰边2.3内侧与容弹主体5端面有1～2mm间隙，使端面螺钉1的预紧力完全作用于端盖安装槽5.1与端盖环台2.1形成的密封面上，保证容弹两端的密封性。

如果由于其他原因需要拆下环形端盖2，需要清理掉密封垫圈4与环形端盖2之间的高温密封胶，然后重新涂抹新的高温密封胶，以保证气密性。

五：将两个O型密封圈分别安装到点火电极7上的两个电极密封圈7.3中，然后将点火电极7通过外壁螺纹7.1拧入电极套6上，最后将电极套6通过安装螺纹6.2安装到容弹主体5上，在安装电极套6前，应该在电极套6的安装螺纹6.2上缠绕上生料带，保证该部位的密封性。

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内。

Claims (6)

1.一种点火电极间隙可调式定容燃烧装置，包括筒状结构的容弹主体(5)，其特征在于：

所述容弹主体(5)呈中间内径小两端内径大的台阶形结构，其中间小内径腔体形成燃烧室(8)，其两端大内径腔体形成端盖安装槽(5.1)；所述燃烧室(8)的外壁上设置有与其连通的配件安装孔(9)以及一对电极安装孔(10)；所述一对电极安装孔(10)呈径向对称布置结构，其内固定安装有电极套(6)，所述电极套(6)内设置有与其螺纹配合的点火电极(7)，从而可方便地调节一对点火电极(7)之间的间隙；

所述容弹主体(5)两端设置有环形端盖(2)，所述环形端盖(2)内侧设置有端盖环台(2.1)，所述端盖环台(2.1)与端盖安装槽(5.1)密封嵌置配合，从而将环形端盖(2)固定在容弹主体(5)两端；所述端盖环台(2.1)内腔形成玻璃安装槽(2.2)，所述玻璃安装槽(2.2)内密封嵌置有透明石英玻璃块(3)，从而可以方便地观测容弹主体(5)内的燃烧状况；

所述电极套(6)前端外壁上设置有安装螺纹(6.2)，所述安装螺纹(6.2)与电极安装孔(10)的内螺纹相配合；所述电极套(6)中间设置有电极安装孔(6.1)，所述电极安装孔(6.1)后端内壁上设置有调节螺纹(6.3)，所述调节螺纹(6.3)与点火电极(7)的外壁螺纹(7.1)相配合，从而可精确微调一对点火电极(7)之间的间隙；

所述透明石英玻璃块(3)与玻璃安装槽(2.2)的周向和径向接触面处均涂敷有耐高温平面密封胶；所述端盖环台(2.1)的外壁与端盖安装槽(5.1)的内壁之间涂敷有导热硅胶；

所述点火电极(7)的外壁螺纹(7.1)前部设置有多道环形凸缘(7.2)，所述环形凸缘(7.2)之间形成的凹槽中设置有电极密封圈(7.3)，所述电极密封圈(7.3)与所述电极套(6)的电极安装孔(6.1)密封配合；

所述环形凸缘(7.2)的边缘设置有便于电极密封圈(7.3)安装的倒角(7.4)。

2.根据权利要求1中所述的点火电极间隙可调式定容燃烧装置，其特征在于：所述端盖环台(2.1)的顶端与端盖安装槽(5.1)的底端之间通过密封垫圈(4)密封配合，并通过端面螺钉(1)固定为一体。

3.根据权利要求2所述的点火电极间隙可调式定容燃烧装置，其特征在于：所述密封垫圈(4)与端盖环台(2.1)的顶端和端盖安装槽(5.1)的底端接触处涂覆有耐高温密封胶。

4.根据权利要求2所述的点火电极间隙可调式定容燃烧装置，其特征在于：所述环形端盖(2)的法兰边(2.3)内侧与容弹主体(5)端面之间具有1～2mm的间隙。

5.根据权利要求1中所述的点火电极间隙可调式定容燃烧装置，其特征在于：所述配件安装孔(9)包括排气管安装孔(9.1)、进气管安装孔(9.2)、动态压力传感器安装孔(9.3)和静态压力传感器安装孔(9.4)。

6.根据权利要求1中所述的点火电极间隙可调式定容燃烧装置，其特征在于：所述端盖安装槽(5.1)和玻璃安装槽(2.2)的径向端面粗糙度为1.6～3.2μm。