CN1916380A - 光学发动机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及汽车或动力机械发动机，具体讲是涉及光学发动机。提供一种光学发动机，以提供湍流预混燃烧火焰分形结构及其湍流强度、尺度、空燃比、燃烧种类以及包括车速、负荷、压缩比的发动机运转参数，本发明采用的技术方案是，一种光学发动机，在加长活塞上部设置有一个尽可能大、以便观察燃油的燃烧过程的透明窗口，加长活塞下部轴线方向开有方孔，孔内装有反射镜；加长活塞上部机体周围布置有循环水套，通过加热水箱，向循环水套提供热水，并设置有进行控制的温控开关；发动机曲轴上设置有角标器；设置有实现压力的实时采集的压力传感器。本发明主要应用于光学发动机的制作。

Description

光学发动机

技术领域

本发明涉及汽车或动力机械发动机，具体讲是涉及光学发动机。

背景技术

预混燃烧是当前燃烧领域的主要研究方向之一，大多数汽油机都工作在这一燃烧模式下。从广义上说，目前内燃机燃烧领域研究十分活跃的均质充量压缩点火(HCCI)的燃烧模式也属于这一范畴。在工程实际中起主导作用的预混燃烧品质的优劣，影响其动力性，经济性和排放特性。因此，对这一现象的研究具有重要的理论意义和现实意义。

由于湍流预混燃烧是一个非常复杂的现象，从理论上较准确地描述火焰的结构、发展与传授过程是一件比较困难的工作，因此，国内外绝大部分工作还主要从现象角度出发，在各种湍流理论的基础上建立经验或者是半经验公式，来确定湍流火焰面积和火焰传播速度。

目前，普遍受大家认可的是美国圣地亚国家实验室所设计的可视化发动机。该实验用柴油机由Cummins公司的N系列重型柴油机改装而成，其缸径×冲程为140×152mm，压缩比为10∶1。发动机采用加长活塞结构，在加长活塞的顶部、气缸体侧面和气缸盖上分别安装有光学玻璃窗以及与此相对应的光学反射镜，这样便组成了光学通路。入射光是从侧面照入缸内，燃烧火焰是从发动机的下面观测到的。90年代初对地亚实验室的John E.Dec等人采用包括激光诱导白炽灯法(Laser Induced Incandescence，LII)和Mie散射技术在内的激光成像以及高速摄影技术，获得了一系列发动机缸内的燃烧火焰照片，从而得到缸内燃烧碳粒浓度及颗粒尺寸分布的相关信息，为加深理解柴油机缸内的燃烧过程提供了有效的实验手段和方法。90年代末该实验室又使用版状激光诱导荧光法研究了直喷柴油机缸内燃烧过程中NOx的生成。能过处理分析各种激光图像数据，John E.Dec于1997年提出了缸内直喷柴油机燃烧的概念模型。在这种光学发动机上可以进行各种先进的激光测试手段，能够获取的缸内的燃烧信息比较多。这种方式可以明显改善观察窗的约束限制，能够获得更清晰的燃烧火焰照片，但是装置比较复杂，需要对原机进行很大的改动。

另一种典型的可视化发动机是英国Brunel大学所使用的光学发动机，发动机气门和喷油器是侧置式的。在发动机的侧面和顶端分别设有观察窗，片状激光与水平面平行由发动机侧面窗口照入缸内，从顶端窗口拍摄图像。这种光学发动机适合于研究气流运动对缸内的混合气形成以及燃烧的影响。同样，这种发动机在结构上需要做很大的改动，比较复杂。

异于上面这种气门侧置式的，而又有从发动机顶端拍摄照片的缸内直喷发动机，由于受到喷油器、气门等结构的影响，在缸盖上布置的观察窗比较小，观察范围窄。对于火花点火发动机来说，由于火花塞的影响，也只能获得缸内局布区域的信息，只能观察到部分火花塞区域内的图像。

美国威期康星大学的M.S.Beckman等人使用该装置做过复合激光诱导荧光测试实验。这种光学测试装置比较简单，但是很难模拟实验发动机缸内的高温和高压环境。

虽然目前国外已有多家大学和企业开始了将分形技术应用预混燃烧的研究，甚至已将该技术应用于扩散燃烧研究的倾向，然而由于内燃机的湍流预混燃烧的分形研究尚处于起步阶段，有许多问题，甚至是一些基本的问题还不清楚，学术界缺乏统一的认识。例如对于火焰分形结构的低端转换尺度就有不同争论。对于高端转换尺度，虽然一般认为采用长度积分尺度是合理的，然而有实验结果表明，湍流燃烧在等于长度尺度两倍时，仍表现出分形特征。这些都表时人们对于湍流预混燃烧的分形研究还不深入。这主要是由于已有的实验研究缺乏对各种影响参数，特别是湍流场强度和尺度的全面的精确控制和测量，以及缺乏对内燃机燃烧过程中火焰结构及传播过程，包括其影响因素的动态测试研究。这些都使得人们目前对内燃机湍流预混燃烧分形结构及分形火焰传播规律随内燃机的各种运行参数如湍流强度、尺度、空燃比、燃烧种类、压缩比、曲轴转角、转速和负荷等的变化规律尚缺乏全面细致的研究与认识，并由此影响了发动机湍流预混合燃烧的分析研究成果在预混燃烧发动机燃烧过程的数值模拟、燃烧控制及优化技术中的广泛应用。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种光学发动机，以提供湍流预混燃烧火焰分形结构及其湍流强度、尺度、空燃比、燃烧种类以及包括车速、负荷、压缩比的发动机运转参数，通过这些参数，可以找到其相互作用规律，进而得到符合实际的湍流预混燃烧火焰燃烧面积及火焰传播速度的计算方法，并将取得的成果应用于预混燃烧发动机燃烧过程的数值模拟，燃烧控制和优化技术的研究中。

本发明采用的技术方案是，一种光学发动机，在加长活塞上部设置有一个尽可能大、以便观察燃油的燃烧过程的透明窗口，加长活塞下部轴线方向开有方孔，孔内装有反射镜；加长活塞上部机体周围布置有循环水套，通过加热水箱，向循环水套提供热水，并设置有进行控制的温控开关；发动机曲轴上设置有角标器；设置有实现压力的实时采集的压力传感器。

所述发动机为设置有实现燃油的电子喷射的电喷装置的发动机。

所述加长活塞采用合金铝棒，内侧设置有纵向的加强筋，下部两侧开有安装反射镜的方孔。

所述透明窗口为石英玻璃窗。

所述角标器为光电编码器。

本发明提供的光学发动机可以带来如下效果：

通过本发明设置的透明窗口、反射镜，可获得湍流预混燃烧火焰分形结构；

通过前述获得的参数，可以找到其相互作用规律，进而得到符合实际的湍流预混燃烧火焰燃烧面积及火焰传播速度的计算方法，并将取得的成果应用于预混燃烧发动机燃烧过程的数值模拟，燃烧控制和优化技术的研究中。

附图说明

图1是加长活塞透明窗口示意图，图中，101是石英玻璃窗，102是加长活塞。

图2循环水套及光路部分局部示意图，图中，201是循环水套，202是反射镜方孔。

图3是本发明整体结构图，图中，301是分离式缸体，302是原活塞。

图4是本发明整体应用结构框图，图中，1是油箱，2是加温水箱，3是联轴器，4是测功机，5是光电编码器，6是温度传感器，7是缸内压力传感器，8是高速摄像机，9是分析仪，10是计算机，11是计算机显示器，12是电源开关，13是测功机控制系统，14是工业控制机，15是主机启动开关，16是主机停止开关，17是主机复位开关，18是照像开关，19是电控单元。

具体实施方式

下面参照附图和实施例，进一步说明本发明。

加长活塞：

原活塞302基础上形成加长活塞102，加长活塞102的材料选择上，在保证其强度的前提下，采用了合金铝棒尽量减轻活塞的重量。加长活塞102内侧设置了纵向的加强筋，下部两侧开有安装反射镜的方孔。在加长活塞102顶端开设了用来安装石英玻璃窗101的圆孔。原活塞302的其它尺寸均与春风水冷250原机活塞相同。在实验测量中，可以透过光线的石英玻璃窗101是该结构中极为重要的一个组件。石英玻璃窗101的设计除了要满足光学性能外，还必须考虑石英玻璃的受力状态，以及密封可靠等问题。因为燃油波长为800～1800nm，而石英材料JGS2(紫外光学石英玻璃)是用氢氧熔化的光学石英玻璃，是透过220-2500mμ波段范围内的良好材料。JGS3：(红外石英玻璃)是具有较高的透红外性能，是应用波段范围260-3500mμ的光学材料。两者的透光度没有差别，所以本实施例选择了JGS2。

设有循环水套201，平面反光镜：

为解决因为压缩比小，不容易着火，尤其是冬天，燃烧不完全又会污染石英玻璃，所以设置循环水套201帮发动机燃烧室加温，使其能快速启动。在加长段缸体上部设置的循环水套201，通过加热水箱2，提供热水，并设置有进行控制的温控开关，其下部开设了安装反射镜的开口，此反射镜为平面反射镜，以45°角斜放安装于加长活塞102和加长缸体的底部。平面反射镜只是一般的镜片，是考虑到用过几次后，必须擦拭油污。虽然镀铝膜全反射镜，可以增强对所使用激光束的反射能力，但不耐擦拭，划痕严重，反而会影响实际效果。

改装为电喷发动机：

由于加长活塞102顶上安装了石英玻璃窗101，为保证石英玻璃不致长期受到爆发压力作用而损坏和燃气污染而使测量失真，应用时需控制发动机工作循环的次数和喷油时刻，一般控制在几个工作循环之内，可以采用带电喷装置的发动机，在本实施例中，在发动机外设置有电控单元19，电控单元19中设计了燃油单次喷射控制程序。

以角标信号为时间信号：

在燃烧过程动态可视化装置中，信号同步控制是至关重要的。因为只有做到系统定时启动与关闭，高速摄影与其它记录信号(如角标信号)同步，才能将所拍照片与燃烧过程其它参数对应，否则无法进行燃烧过程研究。

本试验装置采用光电编码器5作为角标器，考虑发动机结构因素，光电编码器5直接接于测功机上，相当于和曲轴固定连接。当光电编码器5与内燃机曲轴一起旋转时，接收系统感应到光电编码器编码轴盘上编码刻度产生的光信号脉冲，通过光电转换将轴旋转角位移转换成电脉冲信号，最后由比较放大与功率驱动电缆变成TTL方波脉冲，数据采集器据此信号在方波的上升沿或下降沿或上升下降沿触发，完成数据采集。

本发明最适宜应用于小缸径，高速(75mm，3000转)，单缸机的场合。

Claims (5)

1.一种高速小缸径光学发动机，在加长活塞上部设置有一个尽可能大、以便观察燃油的燃烧过程的透明窗口，加长机体和加长活塞下部轴线方向开有一方孔，孔内装有反射镜，其特征是，加长活塞上部机体周围布置有水道，通过加热水箱，提供热水，并设置有进行控制的温控开关；发动机曲轴上设置有角标器；设置有实现压力的实时采集的压力传感器。

2.根据权利要求1所述的一种高速小缸径光学发动机，其特征是，所述加长活塞的加长部分采用合金铝棒，内侧设置有纵向的加强筋，下部两侧开有安装反射镜的方口。

3.根据权利要求1所述的一种高速小缸径光学发动机，其特征是，发动机为设置有实现燃油的电子喷射的电喷装置的发动机。

4.根据权利要求1所述的一种高速小缸径光学发动机，其特征是，所述透明窗口为石英玻璃窗。

5.根据权利要求1所述的一种高速小缸径光学发动机，其特征是，所述角标器为光电编码器。

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