CN108060972A - 一种可实现纹影法拍摄的光学快速压缩机燃烧缸 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可实现纹影法拍摄的光学快速压缩机燃烧缸，燃烧缸主体前后端面之间贯穿燃烧室腔体，燃烧室腔体前后端分别设置视窗定位腔，燃烧缸主体左端面设置缸压传感器安装孔和排气孔，上表面设置有火花塞安装孔和进气孔，右端面设置燃烧缸定位腔，燃烧缸定位腔和燃烧室腔体之间由左至右依次设置长方形通道、锥形过渡段和压缩段；燃烧室腔体前后两端分别设置石英玻璃，石英玻璃均通过玻璃挡板进行固定；两个石英玻璃间留有燃烧室，燃烧室与缸压传感器安装孔、排气孔、长方形通道、火花塞安装孔相连通，长方形通道与进气孔相连通。本发明主要通过改变燃烧室轴线的方向，使其与活塞运动方向垂直，以满足纹影法光路布置的要求。

Description

一种可实现纹影法拍摄的光学快速压缩机燃烧缸

技术领域

本发明属于快速压缩机实验平台设计领域，涉及一种应用于光学快速压缩机实验平台的燃烧缸，更具体的说，是涉及一种可实现纹影法拍摄的光学快速压缩机燃烧缸。

背景技术

发动机作为人类活动最重要的动力机械之一，在大量消耗能源的同时，还造成了严重的环境污染。为了进一步改善内燃机的动力性、经济性以及排放性，发动机小型强化成为一种主流的技术手段。但是，发动机爆震成为限制发动机进一步强化的瓶颈。爆震会导致汽油机热效率下降，并伴随着缸内压力的强烈波动，严重时甚至会对发动机造成不可逆的损坏。因此对发动机爆震机理进行深入的研究，寻求抑制爆震的手段，亟待进行。

相关研究表明，爆震是由于火花塞点火之后，火焰峰面未传播到整个燃烧室之前，燃烧室末端气体自燃造成的，并且缸内火焰传播与冲击波的相互作用，对末端气体自燃从而形成爆震有着巨大的影响。因此研究火焰与冲击波的相互作用对揭示爆震形成的机理有着重要的意义。

快速压缩机是一种模拟内燃机单次压缩燃烧的实验装置，其边界条件易于控制，且压缩时间极短，可实现近似绝热燃烧过程，因此在中低温化学反应动力学以及内燃机燃烧的基础研究中被广泛应用。为了利用快速压缩机实现对火焰与冲击波相互作用的可视化研究，需要使用纹影法对缸内的燃烧过程进行拍摄，但现有的快速压缩机平台，其光学视窗多布置于燃烧缸顶部与活塞运动方向垂直的平面内，主要用来实现直接拍摄，而难以适应纹影法的光路布置。因此，设计可实现纹影法拍摄的燃烧缸对快速压缩机中的燃烧研究具有重要的促进作用。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供了一种可实现纹影法拍摄的光学快速压缩机燃烧缸，主要通过改变传统燃烧缸中燃烧室轴线的方向，使其与活塞运动方向垂直，以满足纹影法光路布置的要求，并且燃烧缸的光学视窗与燃烧室具有相同尺寸，以实现燃烧室内流场的全可视化拍摄，此外，通过多个结构设计，以提高光学窗口安装的可靠性及总体结构的紧凑型。综合以上特点，本发明可以为采用纹影法观测火焰与冲击波相互作用提供良好的实验条件。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

一种可实现纹影法拍摄的光学快速压缩机燃烧缸，包括燃烧缸主体，所述燃烧缸主体前后端面之间贯穿设置有燃烧室腔体，所述燃烧室腔体的前后端分别设置有视窗定位腔，所述燃烧缸主体左端面设置有缸压传感器安装孔和排气孔，所述燃烧缸主体右端面与压缩缸固定连接，所述燃烧缸主体右端面设置有燃烧缸定位腔，所述燃烧缸定位腔和燃烧室腔体之间由左至右依次设置有同轴线且相互连通的长方形通道、锥形过渡段和压缩段，所述燃烧缸主体上表面设置有火花塞安装孔和进气孔；

所述燃烧室腔体前后两端分别设置有石英玻璃，每个石英玻璃均通过与燃烧缸主体连接的玻璃挡板进行固定；两个石英玻璃之间留有燃烧室，所述燃烧室分别与缸压传感器安装孔、排气孔、长方形通道、火花塞安装孔相连通，所述长方形通道与进气孔相连通。

所述燃烧室腔体、视窗定位腔、压缩段和燃烧缸定位腔均设置为圆柱形；所述视窗定位腔的直径大于燃烧室腔体的直径，所述燃烧缸定位腔的直径大于压缩段的直径，所述燃烧室腔体直径、压缩活塞直径、压缩段直径、压缩缸内径均相同。

所述燃烧室腔体和视窗定位腔同轴线设置，所述燃烧缸定位腔和压缩段同轴线设置，所述燃烧室腔体和燃烧缸定位腔的轴线相互垂直，所述燃烧室腔体轴线与缸压传感器安装孔轴线等高。

每个所述视窗定位腔内均设置有法兰端盖，所述石英玻璃嵌入于法兰端盖的阶梯形玻璃安装孔中；所述视窗定位腔和法兰端盖之间设置有O型密封圈，构成视窗第一密封面；所述石英玻璃和法兰端盖之间设置有O型密封圈，构成视窗第二密封面。

所述石英玻璃设置为T型圆柱体。

所述玻璃挡板中部设置有圆柱形视窗孔，视窗孔直径与燃烧室腔体直径相同。

所述法兰端盖的石英玻璃安装孔与石英玻璃之间应留有1mm左右的活动间隙。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

(1)本发明中燃烧缸主体的燃烧室腔体为一个中心轴线与活塞压缩方向即连杆轴线方向垂直的圆柱体，其直径与压缩活塞直径相同，以保证燃烧室形状与原快速压缩机形状大小基本一致；燃烧室腔体轴线与压缩活塞运动方向垂直，可以满足纹影法光路布置的要求，并且燃烧缸的光学视窗孔与燃烧室腔体具有相同直径尺寸，可以实现燃烧室内流场的全可视化拍摄，这对观察火焰与冲击波的相互作用是尤为重要的

(2)本发明中采用圆锥形结构实现圆柱形压缩端向长方形通道的过渡，减少了气流运动中的能量损失，尽可能提高了燃烧室中压缩后气体热力学状态的准确性，为对实验结论的分析提供了方便；

(3)本发明通过优化多个结构设计，在保证整体强度的前提下，提高了燃烧缸结构的紧凑型，减少了不必要的物料消耗以及安装时的人力消耗。

附图说明

图1是本发明中燃烧缸结构分解示意图；

图2是本发明中燃烧缸俯视剖视图；

图3是本发明中燃烧缸主剖视图；

图4是本发明中燃烧缸右剖视图；

图5是本发明在快速压缩机上的装配示意图；

图6是本发明在纹影系统中的使用示意图。

附图说明：1燃烧缸主体；2法兰端盖；3石英玻璃；4O型密封圈；5玻璃挡板；6螺栓安装孔；7第二密封面；8第一密封面；9贯穿孔；10燃烧室腔体；11视窗定位腔；12O型圈槽；13进气孔；14火花塞安装孔；15缸压传感器安装孔；16排气孔；17长方形通道；18锥形过渡段；19压缩段；20燃烧缸定位腔；21O型圈安装槽；22压缩活塞；23压缩缸；24连杆；25纹影系统；26光路；27活动间隙。

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至图6所示，本发明可实现纹影法拍摄的光学快速压缩机燃烧缸，包括燃烧缸主体1，所述燃烧缸主体1的外形可为长方体，材料为45号钢，长方体的四角均切去一定量，以减少其边角的尖锐度，提高实验安全性，同时减轻燃烧缸重量。所述燃烧缸主体1前后端面之间贯穿设置有燃烧室腔体10，所述燃烧室腔体10的前后端分别设置有视窗定位腔11，所述燃烧缸主体1左端面设置有缸压传感器安装孔15和排气孔16，所述燃烧缸主体1上表面设置有火花塞安装孔14和进气孔13。所述燃烧缸主体1右端面与压缩缸23固定连接，所述燃烧缸主体1右端面设置有燃烧缸定位腔20，所述燃烧缸定位腔20和燃烧室腔体10之间由左至右依次设置有长方形通道17、锥形过渡段18和压缩段19，也就是燃烧室腔体10右侧设有长方形通道17，用于压缩过程中高压气体进入燃烧室中，所述长方形通道17通过120°锥角的锥形过渡段18连接到压缩段19左端，以减少气流运动中的能量损失，所述压缩段19右侧设有燃烧缸定位腔20，用于燃烧缸在快速压缩机上安装时的轴向定位。所述燃烧缸定位腔20、长方形通道17、锥形过渡段18和压缩段19沿同轴线设置，且相互连通，长方形通道17与燃烧室腔体10相连通。

所述燃烧室腔体10、视窗定位腔11、压缩段19和燃烧缸定位腔20均设置为圆柱形。所述视窗定位腔11的直径大于燃烧室腔体10的直径，所述燃烧缸定位腔20的直径大于压缩段19的直径，所述燃烧室腔体10直径、压缩活塞22直径、压缩段19直径、压缩缸23内径均相同。所述燃烧室腔体10和视窗定位腔11同轴线设置，所述燃烧缸定位腔20和压缩段19同轴线设置，所述燃烧室腔体10的中心轴线和燃烧缸定位腔20的中心轴线相互垂直，所述燃烧室腔体10轴线与缸压传感器安装孔15轴线等高，配合瞬态缸压传感器，可以实现缸内燃烧压力的采集。

每个所述视窗定位腔11内均设置有法兰端盖2，所述法兰端盖2内有阶梯形玻璃安装孔，所述石英玻璃3嵌入于法兰端盖2的阶梯形玻璃安装孔中，每个石英玻璃3均通过与燃烧缸主体1连接的玻璃挡板5进行固定，所述玻璃挡板5中部设置有圆柱形视窗孔，其直径与燃烧室腔体10直径相同。在所述法兰端盖2的石英玻璃安装孔与石英玻璃3之间应留有1mm左右的活动间隙27，以防止法兰端盖2对石英玻璃3的过定位导致石英玻璃3碎裂。所述石英玻璃3设置为T型圆柱体，两个石英玻璃3之间留有一定距离，作为燃烧室。所述火花塞安装孔14、缸压传感器安装孔15、排气孔16、长方形通道17均与燃烧室腔体10相连通，且所述缸压传感器安装孔15、排气孔16、长方形通道17、火花塞安装孔14均与此燃烧室相连通，所述长方形通道17与进气孔13相连通，所述进气孔13与长方形通道17相连的通道直径应尽可能的小，排气孔16与燃烧室腔体10相连的通道直径应尽可能的小，以避免其对余隙容积造成较大影响。所述排气孔16设置于缸压传感器安装孔15的正下方，进气孔13设置于火花塞安装孔14的右边。

所述视窗定位腔11端面上设置有O型圈槽12，内置有O型密封圈4，与法兰端盖2构成视窗第一密封面8，所述法兰端盖2通过圆柱形视窗定位腔11实现在燃烧缸主体1上的定位，并通过O型密封圈4实现在第一密封面8的密封。所述法兰端盖2垂直于轴线的端面设置有O型圈槽12，内置有O型密封圈4，与石英玻璃3构成视窗第二密封面7，并通过玻璃挡板5将石英玻璃3压紧于视窗第二密封面7。所述玻璃挡板5内端面设置有O型圈槽，内置有O型密封圈4，从而实现玻璃挡板5与石英玻璃3的柔性接触，防止视窗安装时由于预紧力过大以及加工精度等的影响造成石英玻璃3的碎裂。所述第一密封面8、第二密封面7上的O型密封圈4应优先选用规格相同的密封圈，以避免接触位置作用力不在同一直线而产生力矩，破坏石英玻璃3及法兰端盖2。

所述燃烧缸定位腔20的左端设有O型圈安装槽21，内置有O型密封圈，实现燃烧缸主体1和压缩缸23的端面密封。所述燃烧缸主体1右端面的上端和下端分别设有贯穿孔9，用于燃烧缸主体1与快速压缩机主体的连接。所述法兰端盖2、石英玻璃3、O型密封圈4以及玻璃挡板5构成完整视窗，所述法兰端盖2和玻璃挡板5沿周向均布有螺栓安装孔6，完整视窗通过螺栓安装孔6中的螺栓与燃烧缸主体1固定并通过螺栓预紧力实现第一密封面8以及第二密封面7的密封，石英玻璃3的端面与所述燃烧室腔体10表面构成封闭的燃烧室。

本发明中燃烧室腔体10的正上方位置设的火花塞安装孔14，可实现燃烧室中心点火实验，火花塞安装孔14的右端位置设的进气孔13，用于连接配气预混罐充入新鲜混合气。燃烧室腔体10的左端设的缸压传感器安装孔15，缸压传感器安装孔15轴线与燃烧室腔体10轴线同高，配合瞬态缸压传感器，可以实现缸内燃烧压力的采集，缸压传感器安装孔15的下方位置设的排气孔16，用于燃烧后废气的排出。

本发明中燃烧缸的装配及使用注意事项如下：

1.安装视窗时，应采用对称的顺序拧紧安装螺栓，以使石英玻璃3受力均匀。

2.多次试验后，需清理燃烧室腔体10内部，擦拭石英玻璃3表面，此时可通过将燃烧缸从快速压缩机上拆下，通过长方形通道对燃烧室腔体10内部进行进行清理，而无需拆卸视窗，避免多次拆卸视窗增加损坏石英玻璃3的风险。

3.长期使用后，应更换O型密封圈4，防止老化，发生漏气。

尽管上面结合附图对本发明的功能及工作过程进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体功能和工作过程，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和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (7)

1.一种可实现纹影法拍摄的光学快速压缩机燃烧缸，包括燃烧缸主体(1)，其特征在于，所述燃烧缸主体(1)前后端面之间贯穿设置有燃烧室腔体(10)，所述燃烧室腔体(10)的前后端分别设置有视窗定位腔(11)，所述燃烧缸主体(1)左端面设置有缸压传感器安装孔(15)和排气孔(16)，所述燃烧缸主体(1)右端面与压缩缸(23)固定连接，所述燃烧缸主体(1)右端面设置有燃烧缸定位腔(20)，所述燃烧缸定位腔(20)和燃烧室腔体(10)之间由左至右依次设置有同轴线且相互连通的长方形通道(17)、锥形过渡段(18)和压缩段(19)，所述燃烧缸主体(1)上表面设置有火花塞安装孔(14)和进气孔(13)；

所述燃烧室腔体(10)前后两端分别设置有石英玻璃(3)，每个石英玻璃(3)均通过与燃烧缸主体(1)连接的玻璃挡板(5)进行固定；两个石英玻璃(3)之间留有燃烧室，所述燃烧室分别与缸压传感器安装孔(15)、排气孔(16)、长方形通道(17)、火花塞安装孔(14)相连通，所述长方形通道(17)与进气孔(13)相连通。

2.根据权利要求1所述的可实现纹影法拍摄的光学快速压缩机燃烧缸，其特征在于，所述燃烧室腔体(10)、视窗定位腔(11)、压缩段(19)和燃烧缸定位腔(20)均设置为圆柱形；所述视窗定位腔(11)的直径大于燃烧室腔体(10)的直径，所述燃烧缸定位腔(20)的直径大于压缩段(19)的直径，所述燃烧室腔体(10)直径、压缩活塞(22)直径、压缩段(19)直径、压缩缸(23)内径均相同。

3.根据权利要求1所述的可实现纹影法拍摄的光学快速压缩机燃烧缸，其特征在于，所述燃烧室腔体(10)和视窗定位腔(11)同轴线设置，所述燃烧缸定位腔(20)和压缩段(19)同轴线设置，所述燃烧室腔体(10)和燃烧缸定位腔(20)的轴线相互垂直，所述燃烧室腔体(10)轴线与缸压传感器安装孔(15)轴线等高。

4.根据权利要求1所述的可实现纹影法拍摄的光学快速压缩机燃烧缸，其特征在于，每个所述视窗定位腔(11)内均设置有法兰端盖(2)，所述石英玻璃(3)嵌入于法兰端盖(2)的阶梯形玻璃安装孔中；所述视窗定位腔(11)和法兰端盖(2)之间设置有O型密封圈(4)，构成视窗第一密封面(8)；所述石英玻璃(3)和法兰端盖(2)之间设置有O型密封圈(4)，构成视窗第二密封面(7)。

5.根据权利要求1所述的可实现纹影法拍摄的光学快速压缩机燃烧缸，其特征在于，所述石英玻璃(3)设置为T型圆柱体。

6.根据权利要求1所述的可实现纹影法拍摄的光学快速压缩机燃烧缸，其特征在于，所述玻璃挡板(5)中部设置有圆柱形视窗孔，视窗孔直径与燃烧室腔体(10)直径相同。

7.根据权利要求1所述的可实现纹影法拍摄的光学快速压缩机燃烧缸，其特征在于，所述法兰端盖(2)的石英玻璃安装孔与石英玻璃(3)之间应留有1mm左右的活动间隙(27)。