CN111075588A - 一种可扩大视场和削弱光反射的光学发动机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可扩大视场和削弱光反射的光学发动机，包括缸盖、盖板、缸套和活塞，所述缸盖与盖板固定连接，所述缸套通过盖板与缸盖连接，所述活塞位于缸套内，所述活塞内设有透明的石英视窗，所述石英视窗为中间薄边缘厚的凹透镜结构。所述盖板与缸套之间设有石英缸套，所述石英缸套内部设有与缸套同轴并且内径直径相同的内孔。所述石英缸套的外壁至少设有一个观察立面和一个外部光源照射的光照立面。有益效果：本发明通过优化石英视窗的结构可以实现扩大视场的效果，通过较小的改动达到了显著的效果；通过增加石英缸套的观察立面可以从多个角度观察发动机缸内燃烧过程，并且通过引入外部光源垂直照射光照立面，够削弱光反射获取到更加清晰的图像。

Description

一种可扩大视场和削弱光反射的光学发动机

技术领域

本发明涉及一种研究发动机缸内燃烧过程的光学发动机，特别涉及一种可扩大视场和削弱光反射的光学发动机，属于发动机燃烧诊断技术领域。

背景技术

针对发动机缸内燃烧过程的研究，光学诊断方法深化了人们对内燃机缸内过程的认识。光学发动机是一种可视化发动机，其主要目的是在尽可能接近实际发动机的运行工况下，通过透明缸盖、加长活塞或透明缸套，利用高速摄影、散射和激光诱导荧光等方法获取缸内混合及燃烧的信息，对发动机的燃烧设计与优化有重要指导意义。目前，国外的很多发动机研究机构都建立有光学发动机可视化测试平台，对发动机结构设计和燃烧理论的发展起到了促进作用，我国在此方面研究尚处于起步阶段。

现有的光学发动机一般直接改造于实际量产的自然吸气、四缸轻型柴油机（四冲程），原机的第三缸被用作工作缸，其余三缸被舍弃，引入光学诊断手段，保留了主要的发动机结构，在一定程度上能够复现原机的热力状况和边界条件。具体来说：对原机进行拆解，去掉水泵、空调、增压器等附属设备，只保留缸体和缸盖。用两块盖板分别将缸体上表面和缸盖下表面密封，只留出第三缸作为工作缸。缸体和缸盖之间通过六根支柱进行连接和支撑。在两块盖板上加工出润滑油通道，通过不锈钢管进行连接，维持缸体和缸盖之间的润滑油的流动。将双向气动装置通过四根支柱固定在缸体盖板上，气动活塞内嵌入原机缸套，原机缸套上方放置透明的石英缸套，高度为40mm，壁厚为20mm。气动活塞在气压作用下托举石英缸套向上运动，直到和缸盖下盖板相接触。在石英缸套的上下表面各有一个O 型圈，用来实现石英环和缸盖下盖板之间、石英环和金属缸套之间的密封。光学发动机的加长活塞通过四根螺栓固定在原机活塞上。在加长活塞顶上安装一块石英视窗，并由压圈压紧，形成浅盆型燃烧室。在加长活塞下方开一个长方形通孔，在其中插入一块固定的45°反射镜，同时避开活塞的上下运动。通过45°反射镜，可以从石英窗口观察燃烧室内发生的燃烧状况。光学发动机的气缸上半段为石英气缸，下半段为金属气缸，为避免活塞运动时活塞环和石英气缸相摩擦，将活塞环整体下移40mm，这就保证了活塞环只在金属气缸内运动。由于光学发动机工作时间很短，一般约为10个循环，所以去掉油环，只使用两道气环。通过加热循环水来尽量模拟真实发动机的工作情况。采用外接冷却水循环系统，对缸盖进行加热，温度控制在90℃。常规的光学发动机采用透明缸套、加长活塞及加长活塞顶部的石英玻璃可以实现燃烧室内部的燃烧情况可视化，但却很难实现对燃烧室壁面的喷雾碰壁燃烧的可视化。

中国专利CN201110262476.9公开了一种可变视场的光学发动机，该发明专利中提出：采用高度一致及每个缸套与其上部的缸盖和其下部的导向底座之间的连接方式及几何尺寸均相同的三个缸套，三个缸套具有互换性，三个缸套分别是金属加长缸套、环形石英玻璃缸套和平面镶嵌玻璃式缸套，通过更换使用上述三个缸套实现光学发动机的可变视场。虽然该可变视场的光学发动机能够同时满足多种测量需求的问题，但很难对燃烧室壁面的情况进行可视化观察，对于喷雾撞壁的研究存在一定的局限性。

中国专利CN201410035571公开了一种可扩大光学发动机视场的方法，该专利中提出：通过螺栓压紧加长活塞透明石英观察窗的一种盖板和一种透明材料的压板实现。压板的透明材料为有机玻璃材质，盖板的材料为铝材质。透明材料压板的应用可扩大缸内燃烧室内部视场至整个燃烧室内空间。透明材料压板可以根据不同的燃烧室结构进行更换，即可以设计成缩口、直口和敞口燃烧室形状的结构，通过不同压板结构的变化，可对缸内气流运动、喷雾撞壁机理以及不同燃烧室结构对喷雾发展、混合、燃烧以及排放的影响进行深入细致的研究，虽然能够满足不同光学测试的需求，但由于受到活塞直径长度不变和盖板上的螺栓影响，与直口压板相比，缩口压板和敞口压板的内腔直径并没有实质性的增加，两者观察窗的有效观察直径并没有加大，只不过将观察视角移动的范围减小而已。

此外现有光学发动机的透明石英玻璃缸套的结构为圆柱环体结构，实验室时采用阴影法对喷雾进行可视化时，由于圆柱环体的透明石英玻璃缸套表面容易发生反光和光线折射偏移，不仅灯光照射到透明石英玻璃缸套容易反光，而且高速数码相机拍摄到的燃烧室内部视场较小。

发明内容

发明目的：针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种可扩大视场和削弱光反射的光学发动机，解决了现有光学发动机视场较小、难以拍摄到燃烧室壁面情况，以及改善现有光学发动机圆柱环型透明石英玻璃缸套表面易反光现象。

技术方案：一种可扩大视场和削弱光反射的光学发动机，包括缸盖、盖板、缸套和活塞，所述缸盖与盖板固定连接，所述缸套通过盖板与缸盖连接，所述活塞位于缸套内，所述活塞内设有透明的石英视窗，所述石英视窗为中间薄边缘厚的凹透镜结构。当燃烧室燃烧时产生的光或者外部光源照射燃烧室的光通过凹透镜结构的石英视窗的作用汇聚起来，即来自活塞上部的平行光线和燃烧室壁面的扩大光线都可通过石英视窗而以平行光射出石英视窗，从而实现扩大视场的效果。

优选项，为了保证活塞处安装石英视窗后的密封性，所述石英视窗与活塞之间设有视窗压圈，所述石英视窗通过视窗压圈固定安装在活塞内。由于活塞为金属材质而石英视窗为石英玻璃材质，为了避免石英视窗在随活塞运动过程中造成损坏，在石英视窗与活塞之间设置柔性材质的视窗压圈，在保证密封性能的同时对石英视窗起到了保护作用。

优选项，为了能够从多角度观察发动机缸内燃烧过程，所述盖板与缸套之间设有石英缸套，所述石英缸套内部设有与缸套同轴并且内径直径相同的内孔。通过石英缸套的设置能够从其侧面对燃烧室进行观察，增加了观察角度。

优选项，为了削弱石英缸套表面产生的反光和光线折射对观察效果的影响，所述石英缸套的外壁至少设有一个观察立面和一个外部光源照射的光照立面，所述观察立面与光照立面不平行。在观察过程中引入外部光源，外部光源的光线从光照立面垂直射入石英缸套，可削弱入射光的反光和和折射偏移效果，为了避免外部光源对观察效果的影响，外部光源不能正对观察立面。

优选项，为了保证石英缸套安装后的密封性，所述石英缸套两端设有圆环柱状凸缘；所述石英缸套与盖板和缸套之间分别设有缸套压圈；所述凸缘嵌在缸套压圈内。

优选项，为了进一步提高观察效果，所述观察立面一侧设有凸透镜。通过凸透镜观察燃烧室内燃烧过程效果更加清晰。

优选项，为了进一步提高观察效果，所述凸透镜为单面凸透镜，平面朝向观察立面。从观察立面射出的光线经过单面凸透镜的折射能够更加容易被相机捕捉到。

有益效果：本发明通过优化石英视窗的结构可以实现扩大视场的效果，通过较小的改动达到了显著的效果；通过增加石英缸套的观察立面可以从多个角度观察发动机缸内燃烧过程，并且通过引入外部光源垂直照射光照立面，够削弱光反射获取到更加清晰的图像。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明石英缸套的结构示意图；

图3为本发明石英缸套装配示意图；

图4为本发明石英视窗处观察光路图；

图5为本发明石英缸套处观察光路图。

具体实施方式

下面将参照附图详细地描述实施例。

如图1所示，一种可扩大视场和削弱光反射的光学发动机，包括缸盖1、盖板2、缸套3和活塞4，所述缸盖1与盖板2固定连接，所述缸套3通过盖板2与缸盖1连接，所述活塞4位于缸套3内，所述活塞4内设有透明的石英视窗5，所述石英视窗5为中间薄边缘厚的凹透镜结构。凹透镜结构的石英视窗5的作用汇聚起来，能够扩大燃烧室内的视场。

为了保证活塞4处安装石英视窗5后的密封性，所述石英视窗5与活塞4之间设有视窗压圈6，所述石英视窗5通过视窗压圈6固定安装在活塞4内。所述视窗压圈6为柔性耐高温材料，结构为外圈尺寸与活塞4的安装尺寸匹配，内圈尺寸与石英视窗5的外部轮廓尺寸匹配。视窗压圈6可以分为上下两件，分别对石英视窗5的上、下表面和侧壁位置进行保护。由于活塞4为金属材质而石英视窗5为石英玻璃材质，为了避免石英视窗5在随活塞4运动过程中造成损坏，在石英视窗5与活塞4之间设置柔性材质的视窗压圈6，在保证密封性能的同时对石英视窗5起到了保护作用。

为了能够从多角度观察发动机缸内燃烧过程，所述盖板2与缸套3之间设有石英缸套7，所述石英缸套7内部设有与缸套6同轴并且内径直径相同的内孔71。通过石英缸套7的设置能够从其侧面对燃烧室进行观察，增加了观察角度。

如图2所示，为了削弱石英缸套7内表面产生的反光和光线折射对观察效果的影响，所述石英缸套7的外壁至少设有一个观察立面72和一个外部光源照射的光照立面73，所述观察立面72与光照立面73不平行。在观察过程中引入外部光源，外部光源的光线从光照立面73垂直射入石英缸套7内，可削弱入射光的反光和和折射偏移效果，为了避免外部光源对观察效果的影响，外部光源不能正对观察立面72。

为了增加观察角度，石英缸套7的外形可以是截面为三角形、四边形、五边形或者六边形等多边形柱状结构，或者是其他柱状结构。

如图3所示，为了保证石英缸套7安装后的密封性，所述石英缸套7两端设有圆环柱状凸缘74；所述石英缸套7与盖板2和缸套3之间分别设有缸套压圈8；所述凸缘74嵌在缸套压圈8内。所述缸套压圈8可以是两个内部尺寸分别与上下两个凸缘74的外径配合的结构，外部尺寸分别与盖板2和缸套3安装处的结构尺寸匹配。

如图4所示，当燃烧室燃烧时产生的光或者外部光源照射燃烧室的光通过凹透镜结构的石英视窗5的作用汇聚起来，即来自活塞上部的平行光线和燃烧室壁面的扩大光线都可通过石英视窗5而以平行光射出石英视窗5，从而实现扩大视场的效果。

如图5所示，为了进一步提高观察效果，所述观察立面72一侧设有凸透镜9。所述凸透镜9为单面凸透镜，平面朝向观察立面72。通过凸透镜9观察燃烧室内燃烧过程效果更加清晰；在观察过程中引入外部光源，外部光源的光线从光照立面73垂直射入石英缸套7，可削弱入射光的反光和和折射偏移效果，为了避免外部光源对观察效果的影响，外部光源不能正对观察立面；从观察立面72射出的光线经过单面凸透镜9的折射能够更加容易被相机捕捉到。

Claims (7)

1.一种可扩大视场和削弱光反射的光学发动机，包括缸盖（1）、盖板（2）、缸套（3）和活塞（4），所述缸盖（1）与盖板（2）固定连接，所述缸套（3）通过盖板（2）与缸盖（1）连接，所述活塞（4）位于缸套（3）内，所述活塞（4）内设有透明的石英视窗（5），其特征在于：所述石英视窗（5）为中间薄边缘厚的凹透镜结构。

2.根据权利要求1所述的可扩大视场和削弱光反射的光学发动机，其特征在于：所述石英视窗（5）与活塞（4）之间设有视窗压圈（6），所述石英视窗（5）通过视窗压圈（6）固定安装在活塞（4）内。

3.根据权利要求1或2所述的可扩大视场和削弱光反射的光学发动机，其特征在于：所述盖板（2）与缸套（3）之间设有石英缸套（7），所述石英缸套（7）内部设有与缸套（3）同轴并且内径直径相同的内孔（71）。

4.根据权利要求3所述的可扩大视场和削弱光反射的光学发动机，其特征在于：所述石英缸套（7）的外壁至少设有一个观察立面（72）和一个外部光源照射的光照立面（73），所述观察立面（72）与光照立面（73）不平行。

5.根据权利要求3所述的可扩大视场和削弱光反射的光学发动机，其特征在于：所述石英缸套（7）两端设有圆环柱状凸缘（74）；所述石英缸套（7）与盖板（2）和缸套（3）之间分别设有缸套压圈（8）；所述凸缘（74）嵌在缸套压圈（8）内。

6.根据权利要求4所述的可扩大视场和削弱光反射的光学发动机，其特征在于：所述观察立面（72）一侧设有凸透镜（9）。

7.根据权利要求6所述的可扩大视场和削弱光反射的光学发动机，其特征在于：所述凸透镜（9）为单面凸透镜，平面朝向观察立面（72）。

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