CN114894487A - 一种应用于发动机活塞温度场测定的喷流实验台机体 - Google Patents
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Abstract
本发明的目的在于提供一种应用于发动机活塞温度场测定的喷流实验台机体，通过对活塞受热和散热的准确模拟，得到活塞准确的温度场分布，达到数据标定的目的。该实验台在设计上采用模块化设计，各功能模块设计有用以快装的接口，使得实验台拆装方便并具有功能扩展和继续优化的空间；为了提升人机交互性能，实验台采用自动控制，允许操作人员远程操控，实验数据均由实验台数据采集系统自动采集上传；该实验台能够较为准确的获取发动机工作过程中活塞的温度分布，为发动机活塞热疲劳进行评定以及为活塞结构设计提供参考。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种喷流实验台，具体地说是发动机活塞喷流实验台。
背景技术
对于车用柴油发动机，提高其功率密度一直是其主要的研究方向，但功率的不断提高和结构尺寸的尽力减少使得柴油机内部的零件的工作条件不断恶劣。柴油机活塞是其内部所有零件中工作条件最为恶劣的几个零件之一，其往复运动的特性不仅使其承受惯性力的影响而承受较大的机械负荷，燃烧室内周期变化的温度和活塞头部与活塞裙部较大的温度差异使其承受巨大的热负荷。
活塞的损坏主要由热负荷超过限制参数裂纹等疲劳坏，所以准确检测活塞的温度场进而分析其热负荷的大小是发动机强化过程中必须解决的问题。传统的测试办法是将测温元件装配到发动机中进行实机测试，但燃烧室内复杂的燃烧过程和残余废气总是干扰温度检测，导致结果只能显示出一条与实际温度变化有相同趋势的曲线，但在数值上存在较大的差距。
在发动机活塞的设计过程中，对温度场的分析和热应力的计算不可或缺，活塞的性能一定程度上决定发动机强化的上限。因此通过实验手段，精准模拟和测量发动机工作过程中活塞的热力学特性对发动机活塞的设计有着极大的指导意义。
发明内容
本发明的目的在于提供能够准确模拟发动机工作过程中活塞温度场的一种应用于发动机活塞温度场测定的喷流实验台机体。
本发明的目的是这样实现的：
本发明一种应用于发动机活塞温度场测定的喷流实验台机体，其特征是：包括台架、固定排烟管、移动排烟管、燃烧罩、燃烧杯、提升板，台架包括模块A、模块B，模块A安装于模块B之上，模块B安装短行程直线运动模块，提升板连接短行程直线运动模块，提升板上安装活塞支撑管，测试活塞通过活塞座安装在活塞支撑管上，移动排烟管、燃烧罩、燃烧杯组成燃烧室，测试活塞在提升板的带动下伸入燃烧室或从燃烧室底部伸出，移动排烟管的顶部位于固定排烟管里。
本发明还可以包括：
1、燃烧罩上安装喷嘴，喷嘴的安装位置采取偏置布置。
2、模块A上安装长行程直线运动模块，燃烧室连接长行程直线运动模块。
3、所述短行程直线运动模块为滚珠丝杠直线运动机构。
4、所述长行程直线运动模块为滚珠丝杠直线运动机构。
5、还包括模块C、模块D，模块C位于模块A旁，模块D位于模块B旁，模块C位于模块D之上，模块A、模块B、模块C、模块D之间通过模块连接件相连；模块C包括安装电控系统的上层和安装其他测试设备的下层，模块D放置冷却水箱。
本发明的优势在于：
1.本发明采用乙炔与氧气加热活塞的方式，通过电控节流阀等控制机构，可以在较大范围内实现温度的稳定调节，可适应多工况的实验研究。
2.本发明采用模块化设计，不仅可以实现快速安装，也可以扩展其他功能模块，有利于该结构的功能扩展。
3.本发明中，活塞的安装以及活塞位置的调整采用自动控制，可对同缸径的不同活塞进行实验，极大地降低了人员操作带来的安装误差以及安全风险。
4.本发明中，零件采用标准化设计，极大降低了零件数量，方便设备的组装和维护。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2a为本发明的正面视图，图2b为本发明的侧视图，图2c为本发明的俯视图；
图3a为本发明中涉及的模块A乙炔-氧气构型结构图；图3b为本发明中涉及的模块A涡轮喷气发动机构型结构图；
图4为本发明中涉及的模块A乙炔-氧气构型中燃烧室局部剖视图；
图5为模块B结构图；
图6为模块C结构图；
图7为模块D结构图。
具体实施方式
下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
结合图1-7，本发明主要包括固定排烟管1、移动排烟管2、燃烧罩3、燃烧杯4、短行程直线运动模块5、长行程直线运动模块6、测试活塞7、活塞座8、模块连接件9、吊环10。
排烟系统由固定排烟管1与移动排烟管2组成，为了防止高温燃气对排烟系统的破坏，固定排烟管1与移动排烟管2均采用耐热合金钢制造。
燃烧室由移动排烟管2、燃烧罩3、燃烧杯4、以及测试活塞7组成。燃烧室结构中，移动排烟管2最为主要的作用是将乙炔火焰加热活塞后的高温废气排放到固定排烟管1中，经过降温再排入外部空间，防止实验台会因为持续高温出现故障。
对于与火焰之间接触的零件燃烧罩3、燃烧杯4均采取陶瓷制造。燃烧罩3上的喷嘴安装位置采取偏置布置，其目的是使得燃烧室内产生一定的涡流，有利于火焰的扩散和温度的均匀。
为了便于调整测试活塞7的位置、观察燃烧效果、安装测试设备，燃烧室的部分零件可通过台架上的长行程直线运动模块6对位置进行调整。
测试活塞7安装在活塞座8上，活塞座8可在短行程直线运动模块5的驱动下将活塞装入或取出燃烧室。
台架采用钢方管焊接而成，总体分为四个部分。各部分之间用模块连接件9进行连接，连接表面采用磨削加工保证表面平整，以防止由于焊接变形导致运动阻力过大。
实验台顶部安装有用于吊装的吊环10，便于实验台在实验现场的转运与安装。
该实验台可以兼容基于微型涡轮喷气发动机开发的活塞温度场测定方案。
喷流实验台机械结构分为四个主要模块，其中模块A安装实验过程中需要的执行机构，包括火焰喷嘴以及燃烧室等；模块B安装活塞以及活塞的支撑结构，模块B中的直线运动模块可将活塞推入气缸套或将其从气缸套内取出。模块C用于存放现场较轻的实验设备以及实验台的控制系统，其较大的内部空间可以支持其他的测试设备的安装，以便于测试人员可以采集其他实验数据；模块D用于支撑模块C并存放实验现场较重的测试设备。对各模块的详细说明如下
1、模块A
模块A主要支持燃烧室和排气机构，为了便于调整活塞观察燃烧效果，以及便于测试设备的安装，燃烧室的部分零件可通过台架上的抬升机构对位置进行调整，其结构如图3(a)所示。
台架采用钢方管焊接而成，总体分为四个部分，各部分之间有用于保证连接精度的连接板，连接表面采用磨削加工保证表面平整。这是因为直线运动机构的存在，对装配的精度要求较高，但若采用整体焊接，将无法保证支撑直线运动模块方管的直线度，使得运动阻力加大。
此外，模块A可以兼容基于微型涡轮喷气发动机开发的活塞温度场测定方案。若采用涡轮喷气构型，模块A仅需要进行简单的变化，插入涡轮喷气模组即可完成，由乙炔—氧气燃烧构型往涡轮喷气构型的转换不需要更换模块，仅改变模块A的部分结构即可。涡轮喷气构型如图3(b)所示。
模块A中的关键结构是燃烧室，燃烧室由移动排烟管、燃烧罩、喷嘴、燃烧杯组成。燃烧室结构如图4所示。燃烧室结构中，排烟管最为主要的作用是排热，乙炔火焰加热活塞后的余温需要排放到外部空间，否则实验台会因为持续高温出现故障，为了防止高温火焰对燃烧室结构产生破坏，因此排烟管将采用钢材制作，此外，对于与火焰之间接触的零件均采取陶瓷制造。喷嘴采取偏置布置的目的是使得燃烧室内产生一点的涡流，有利于火焰的扩散和温度的均匀。需要说明的是，安装喷嘴的孔在喷嘴角度确定后，需要用防火防爆泥加以密封，防止火焰窜出燃烧室。
2、模块B
考虑到实验过程中，需要反复装夹活塞，故必须考虑如何实现活塞快速安装。安装到实验台中单独活塞需要与冷却油路的油管，热电偶的导线连接，故布线布管也应该计入考虑。为了满足以上需求，在台架上设计滚珠丝杠直线运动模组用以对活塞的推入与拔出，其结构如图5所示。
其中，提升板与两个滚珠丝杠直线运动模块连接，并通过螺栓与活塞支撑管连接在一起，活塞放置在活塞支撑管上部，油路与导线通过活塞支撑管的内部空间与外界连接。当提升板向下运动的时候，活塞从燃烧室内部拔出，操作人员只需要拆除活塞与活塞支撑管的连接螺钉即可完成活塞的更换。
3、模块C
模块C分为上下两层(如图6所示)，上层用于安装实验台的电控系统，下层安装实验过程中所需的其他测试设备。下层的空间可用于对实验台功能进行扩展，实验人员可以在此处安装其他测试设备获得实验台原始数据采集系统中无法获得的其他实验参数。模块C四周采用防火隔热的板材进行包裹，可有效避免实验过程中燃气高温对电控系统产生干扰。
4、模块D
模块D用于支撑模块C并放置实验过程中需要的较重的设备，在缺乏冷却水塔的实验现场，模块D除了放置冷却油泵，还需要放置冷却水箱和水泵；在有冷却水塔的实验现场，模块D用于放置冷却油泵即可，模块D结构如图7所示。
Claims (6)
1.一种应用于发动机活塞温度场测定的喷流实验台机体，其特征是：包括台架、固定排烟管、移动排烟管、燃烧罩、燃烧杯、提升板，台架包括模块A、模块B，模块A安装于模块B之上，模块B安装短行程直线运动模块，提升板连接短行程直线运动模块，提升板上安装活塞支撑管，测试活塞通过活塞座安装在活塞支撑管上，移动排烟管、燃烧罩、燃烧杯组成燃烧室，测试活塞在提升板的带动下伸入燃烧室或从燃烧室底部伸出，移动排烟管的顶部位于固定排烟管里。
2.根据权利要求1所述的一种应用于发动机活塞温度场测定的喷流实验台机体，其特征是：燃烧罩上安装喷嘴，喷嘴的安装位置采取偏置布置。
3.根据权利要求1所述的一种应用于发动机活塞温度场测定的喷流实验台机体，其特征是：模块A上安装长行程直线运动模块，燃烧室连接长行程直线运动模块。
4.根据权利要求1所述的一种应用于发动机活塞温度场测定的喷流实验台机体，其特征是：所述短行程直线运动模块为滚珠丝杠直线运动机构。
5.根据权利要求3所述的一种应用于发动机活塞温度场测定的喷流实验台机体，其特征是：所述长行程直线运动模块为滚珠丝杠直线运动机构。
6.根据权利要求1所述的一种应用于发动机活塞温度场测定的喷流实验台机体，其特征是：还包括模块C、模块D，模块C位于模块A旁，模块D位于模块B旁，模块C位于模块D之上，模块A、模块B、模块C、模块D之间通过模块连接件相连；模块C包括安装电控系统的上层和安装其他测试设备的下层，模块D放置冷却水箱。
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