CN106168540A - 可灵活调节流动‑压力波‑燃烧相互作用的可视化燃烧室 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可灵活调节流动‑压力波‑燃烧相互作用的可视化燃烧室，包括在缸套顶部自下而上设有的玻璃垫圈和缸盖，缸盖上镶嵌有缸盖玻璃视窗；缸套内的活塞包括与缸套配合的金属活塞圈，金属活塞圈的顶端镶嵌有活塞玻璃视窗，由缸盖下端面、玻璃垫圈内侧、缸套内侧及金属活塞圈和活塞玻璃视窗上端面组成了封闭的燃烧室腔体；缸盖上设有垂直进气道；缸套的顶部设有水平进/排气道，水平进/排气道与缸套内腔回转表面相切，缸套上设有两个入口方向一致且均与缸套内腔回转表面相切并位于同一水平面上的压力波入口。本发明具有流场状态及压力波传播及叠加模式可灵活调节，便于对缸内完整的燃烧过程进行光学测试的特点。

Description

可灵活调节流动-压力波-燃烧相互作用的可视化燃烧室

技术领域

本发明属于一种用于研究汽油机缸内燃烧过程的光学试验装置，主要用于研究不同缸内流动状态、不同压力波强度及叠加模式下火焰传播及末端未燃气体自燃过程，属于内燃机燃烧技术领域。

背景技术

汽油机小型化强化技术结合进气增压是目前最有效率的提高内燃机热效率降低二氧化碳排放的手段之一。然而，随着强化度的提高，出现了爆震、早燃等非正常燃烧现象，使缸内产生剧烈的压力震荡，导致发动机效率恶化甚至破坏机械结构，因此，爆震、早燃等非正常燃烧现象是限制小型强化技术进一步推广与发展的主要瓶颈因素。

国内外大量学者的实验及数值模拟工作指出，火花塞跳火产生的火焰传播与末端(燃烧室壁面附近)混合气自燃的竞争过程决定了非正常燃烧现象的产生与否及其强度。在进气冲程中，不同的进气道结构使缸内产生不同强度的涡流与滚流，在压缩过程，较大的气流涡团被压缩破碎至较小的湍流涡团，湍流涡团可加强缸内标量场的输运过程，促进分子扩散速率，特别是通过影响近壁面的边界层结构，直接作用于末端气体的自燃过程。同时，不同尺度的湍流涡团与火焰锋面的相互作用，会影响火焰面结构改变火焰传播速度，进而影响缸内燃烧进程。同时，由燃烧产生的热膨胀会使缸内产生压力波。压力波在缸内的传播与叠加会导致局部压力提升，改变未燃气体滞燃期并影响火焰面(由火焰塞点火产生或通过自燃产生)的热释放。在一定条件下，压力波会与火焰锋面重合，火焰面的燃烧放热提高了压力波强度，压力波对燃气的压缩作用促进了燃烧放热，这种强耦合作用产生的爆轰波被认为是导致剧烈压力震荡的原因之一。可知，缸内燃烧过程主要受气体流动、压力波传播与燃烧化学反应三者相互作用的影响。

目前，应用于内燃机的光学测试手段主要有定容燃烧弹、快速压缩机与光学发动机装置。定容燃烧弹结构简单，测试方便，但与实际燃缸内燃烧过程有一定差距。快速压缩机能够很好的观测燃气的自燃过程，以及压力波与火焰的相互作用，但由于没有进气系统，很难开展流动对燃烧的研究。因此，光学发动机是最能够反映贴近汽油机燃烧实际情况的实验平台。清华大学王志等人，基于光学发动机研究爆震过程中的压力波动与化学反应耦合的作用，通过透明活塞的设计可清晰观测火焰传播过程。美国威斯康辛大学的Reitz等人，通过拆除光学发动机的一个进气门并安装光学窗口，观测压燃式内燃机末端燃气反应过程。但是，如何灵活调控缸内流场并引入压力波的作用是在实验手段上亟需解决的问题。

发明内容

为解决上述的光学发动机测试的问题，本发明提出一种新型的可灵活调节流动-压力波-燃烧相互作用的可视化燃烧室，包括缸套，所述缸套的内腔表面为圆柱回转表面，所述缸套的顶部自下而上的设有垫圈和缸盖，所述缸盖上镶嵌有缸盖玻璃视窗；所述缸套内设有活塞，所述活塞包括与缸套配合的金属活塞圈，所述金属活塞圈的顶端镶嵌有活塞玻璃视窗，由所述缸盖的下端面、垫圈的内侧、缸套内侧及金属活塞圈和活塞玻璃视窗的上端面组成了燃烧室腔体；所述缸盖上设有火花塞安装孔、压力传感器安装孔和垂直进气道；所述缸套的顶部设有水平进/排气道，所述水平进/排气道与缸套内腔回转表面相切，所述缸套上设有两个位于同一水平面上的压力波入口，两个压力波入口的方向一致、且均与所述缸套内腔回转表面相切。

本发明中，所述垫圈为透明的玻璃垫圈。所述压力波入口位于所述水平进/排气道的上方。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

不同强度的压力波以及不同模式的压力波传播与叠加模式可以进行有效调节。缸内流动状态包括涡流/滚流比可以实现灵活的调节且不需要多套进气系统。末端自燃与主火焰传播过程均可以通过直接拍摄方法进行观测，同时，也考虑到激光测试方法的应用。

附图说明

图1是本发明可视化燃烧室组成结构的示意图；

图2-1是图1中所示的缸盖的主视图；

图2-2是图2-1所示缸盖的A-A剖视图；

图2-3是图2-1所示缸盖的俯视图；

图3-1是图1中所示缸套的主视图；

图3-2是图3-1所示缸套的B-B剖视图；

图3-3是图3-1所示缸套的俯视图；

图4为本发明可视化燃烧室实验系统的示意图；

图5为本发明可视化燃烧室实验系统主要测试及控制装置；

图中：

1-缸盖玻璃视窗 2-缸盖 3-垫圈

4-缸套 5-金属活塞圈 6-活塞玻璃视窗

7-垂直进气道 8-压力传感器安装孔 9-火花塞安装孔

10-压力波入口 11-水平进/排气道 12-高速照相机

13-YAG激光器 14-45°反光镜 15-水平板

16-基座

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述，所描述的具体实施例仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。

如图1所示，本发明可灵活调节流动-压力波-燃烧相互作用的可视化燃烧室，包括缸套4，所述缸套4的内腔表面为圆柱回转表面，所述缸套4的顶部自下而上的设有垫圈3和缸盖2，如图1、如图2-1、图2-2和图2-3所示，当采用激光测试手段时，则该垫圈3选用透明的玻璃垫圈，若不采用激光测试手段，该垫圈3为普通垫圈即可，所述缸盖2上镶嵌有缸盖玻璃视窗1，所述缸盖2上设有火花塞安装孔9、压力传感器安装孔8和垂直进气道9。

如图4所示，所述缸套4内设有活塞，所述活塞包括与缸套4配合的金属活塞圈5，所述金属活塞圈5的顶端镶嵌有活塞玻璃视窗6，由所述缸盖的下端面、垫圈3的内侧、缸套4内侧及金属活塞圈5和活塞玻璃视窗6的上端面组成了燃烧室腔体。

如图3-1、图3-2和图3-3所示，所述缸套4的顶部设有水平进/排气道11，所述水平进/排气道11与缸套4内腔回转表面相切，所述缸套4上设有两个位于同一水平面上的压力波入口10，所述压力波入口10位于所述水平进/排气道11的上方，两个压力波入口10的方向一致、且均与所述缸套4内腔回转表面相切。

实施例：

将本发明可视化燃烧室安装于采用激光测试手段的实验系统中的方式如图4所示，缸套4安装于基座16上方，透明的玻璃垫圈3置于缸盖2与缸套4之间。位于缸盖玻璃视窗1上方垂直的安装一台高速照相机12，其拍照光路恰好通过缸盖玻璃视窗1，用于观测燃烧室末端未燃气自燃过程。将一水平板15固定在基座16上，将一45°反光镜14安装于水平板15上，并水平安装一台高速照相机12，其拍照光路恰好依次通过45°反光镜14与活塞玻璃视窗6，用于观测火花塞点火及火焰传播过程。与玻璃垫圈3同高的安装一台YAG激光器13，透明的玻璃垫圈3用于使激光片光源透过燃烧室截面，该YAG激光器13发射的激光片光源通过透明的玻璃垫圈3穿过燃烧室，用于为激光测试手段提供光源。

如图5所示，可视化燃烧室实验系统的测试及控制装置主要包括火花塞、电子控制单元MOTEC ECU、喷油器、高压油泵、瞬态压力传感器、激光器、高速相机、压力波产生装置、数据采集卡和工控机，其中，火花塞安装于火花塞安装孔9内，并由电子控制单元MOTEC ECU通过高能点火线圈进行控制；喷油器安装在垂直进气道7与水平进/排气道11上，并由电子控制单元MOTEC ECU通过高压油泵进行喷油脉宽与喷油相位的控制；在垂直进气道7、水平进/排气道11以及两个压力波进口10上均安装可独立控制的电磁阀，通过电子控制单元MOTEC ECU控制阀体的开度；瞬态压力传感器安装于压力传感器安装孔8内，缸内压力数据的采集、分析与储存通过数据采集卡与工控机共同完成；激光器的触发、高速相机的控制与图像数据采集、处理与储存通过数据采集卡与工控机共同完成。活塞通过连杆与曲轴连接，曲轴由电力测功机控制转速。两个压力波进口10均分别通过电磁阀连接至压力波产生装置。

利用安装有本发明可视化燃烧室的实验系统调节流动-压力波-燃烧相互作用的方式如下：

进气冲程中，已预混充分的未燃混合气可通过垂直进气道7和水平进/排气道11进入缸内。垂直进气道7上的电磁阀1和水平进/排气道11上的电磁阀2的开度分别决定水平方向与垂直方向的进气量，即决定了缸内的涡流/滚流比。由于电磁阀的开度连续可调，缸内的流动状态在理论上可实现无极调控。当活塞在压缩冲程中上行至2/3冲程位置时，水平进/排气道11的口被活塞裙部挡住而两个压力波入口是位于活塞顶面之上的。两个压力波入口10分别通过电磁阀3和电磁阀4连接至压力波产生装置(如激波管)，此时，如果单独打开一侧的压力波入口，则压力波延缸套4内侧缸壁传播，不会产生叠加，可认为对末端进行较为均匀的压缩；如果同时打开两侧的压力波入口1和压力波入口2，则两个压力波会在缸内相遇、叠加，在局部形成压力突升区域。当火花塞跳火形成初始火核并通过湍流火焰面形成传播时，不同的缸内流动状态、不同压力波传播与叠加模式对于火焰传播以及末端自燃的影响，可分别通过缸盖玻璃视窗1与活塞玻璃视窗6进行观测与记录，而缸内压力由安装在缸盖2上的瞬态压力传感器进行记录。在活塞下行并进入排气阶段时，水平进/排气道11上的电磁阀2打开，燃烧废气经此排出。到此，一个完整的测试循环结束。

综上，使用本发明结构的可视化燃烧室进行实验，缸内涡流/滚流比及其强度通过可独立控制且分别位于缸盖2的垂直进气道7与缸套内表面相切的水平进/排气道9上的电磁阀1和2进行调节。缸内压力波的传播与叠加方式通过可独立控制且分别位于缸套上的两个压力波入口的电磁阀3和4进行控制。缸盖上的缸盖玻璃视窗1可观测末端未燃气体的燃烧过程。透明的玻璃垫圈3用于使激光片光源透过燃烧室截面。活塞顶部的活塞玻璃视窗6可观测火花点火、初期火焰传播过程。使用本发明结构的可视化燃烧室进行实验具有流场状态及压力波传播及叠加模式可灵活调节，便于对缸内完整的燃烧过程进行光学测试的特点。

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只是示意性的，而不是限定性的，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，还可以做出很多变形，例如改变火花塞位置及个数，如不采用激光测试手段则可将玻璃垫圈改为普通垫圈，在缸盖或缸套上加装独立的排气道这些均属于本发明的保护之内。

Claims (3)

1.一种可灵活调节流动-压力波-燃烧相互作用的可视化燃烧室，包括缸套(4)，所述缸套(4)的内腔表面为圆柱回转表面；其特征在于：

所述缸套(4)的顶部自下而上的设有垫圈(3)和缸盖(2)，所述缸盖(2)上镶嵌有缸盖玻璃视窗(1)；所述缸套(4)内设有活塞，所述活塞包括与缸套(4)配合的金属活塞圈(5)，所述金属活塞圈(5)的顶端镶嵌有活塞玻璃视窗(6)，由所述缸盖的下端面、垫圈(3)的内侧、缸套(4)内侧及金属活塞圈(5)和活塞玻璃视窗(6)的上端面组成了燃烧室腔体；

所述缸盖(2)上设有火花塞安装孔(9)、压力传感器安装孔(8)和垂直进气道(9)；

所述缸套(4)的顶部设有水平进/排气道(11)，所述水平进/排气道(11)与缸套(4)内腔回转表面相切，所述缸套(4)上设有两个位于同一水平面上的压力波入口(10)，两个压力波入口(10)的方向一致、且均与所述缸套(4)内腔回转表面相切。

2.根据权利要求1所述可灵活调节流动-压力波-燃烧相互作用的可视化燃烧室，其特征在于：所述垫圈(3)为透明的玻璃垫圈。

3.根据权利要求1或2所述可灵活调节流动-压力波-燃烧相互作用的可视化燃烧室，其特征在于：所述压力波入口(10)位于所述水平进/排气道(11)的上方。