本發(fā)明屬于一種用于研究汽油機(jī)缸內(nèi)燃燒過程的光學(xué)試驗裝置，主要用于研究不同缸內(nèi)流動狀態(tài)、不同壓力波強(qiáng)度及疊加模式下火焰?zhèn)鞑ゼ澳┒宋慈細(xì)怏w自燃過程，屬于內(nèi)燃機(jī)燃燒技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

汽油機(jī)小型化強(qiáng)化技術(shù)結(jié)合進(jìn)氣增壓是目前最有效率的提高內(nèi)燃機(jī)熱效率降低二氧化碳排放的手段之一。然而，隨著強(qiáng)化度的提高，出現(xiàn)了爆震、早燃等非正常燃燒現(xiàn)象，使缸內(nèi)產(chǎn)生劇烈的壓力震蕩，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)效率惡化甚至破壞機(jī)械結(jié)構(gòu)，因此，爆震、早燃等非正常燃燒現(xiàn)象是限制小型強(qiáng)化技術(shù)進(jìn)一步推廣與發(fā)展的主要瓶頸因素。

國內(nèi)外大量學(xué)者的實驗及數(shù)值模擬工作指出，火花塞跳火產(chǎn)生的火焰?zhèn)鞑ヅc末端(燃燒室壁面附近)混合氣自燃的競爭過程決定了非正常燃燒現(xiàn)象的產(chǎn)生與否及其強(qiáng)度。在進(jìn)氣沖程中，不同的進(jìn)氣道結(jié)構(gòu)使缸內(nèi)產(chǎn)生不同強(qiáng)度的渦流與滾流，在壓縮過程，較大的氣流渦團(tuán)被壓縮破碎至較小的湍流渦團(tuán)，湍流渦團(tuán)可加強(qiáng)缸內(nèi)標(biāo)量場的輸運(yùn)過程，促進(jìn)分子擴(kuò)散速率，特別是通過影響近壁面的邊界層結(jié)構(gòu)，直接作用于末端氣體的自燃過程。同時，不同尺度的湍流渦團(tuán)與火焰鋒面的相互作用，會影響火焰面結(jié)構(gòu)改變火焰?zhèn)鞑ニ俣?，進(jìn)而影響缸內(nèi)燃燒進(jìn)程。同時，由燃燒產(chǎn)生的熱膨脹會使缸內(nèi)產(chǎn)生壓力波。壓力波在缸內(nèi)的傳播與疊加會導(dǎo)致局部壓力提升，改變未燃?xì)怏w滯燃期并影響火焰面(由火焰塞點(diǎn)火產(chǎn)生或通過自燃產(chǎn)生)的熱釋放。在一定條件下，壓力波會與火焰鋒面重合，火焰面的燃燒放熱提高了壓力波強(qiáng)度，壓力波對燃?xì)獾膲嚎s作用促進(jìn)了燃燒放熱，這種強(qiáng)耦合作用產(chǎn)生的爆轟波被認(rèn)為是導(dǎo)致劇烈壓力震蕩的原因之一。可知，缸內(nèi)燃燒過程主要受氣體流動、壓力波傳播與燃燒化學(xué)反應(yīng)三者相互作用的影響。

目前，應(yīng)用于內(nèi)燃機(jī)的光學(xué)測試手段主要有定容燃燒彈、快速壓縮機(jī)與光學(xué)發(fā)動機(jī)裝置。定容燃燒彈結(jié)構(gòu)簡單，測試方便，但與實際燃缸內(nèi)燃燒過程有一定差距。快速壓縮機(jī)能夠很好的觀測燃?xì)獾淖匀歼^程，以及壓力波與火焰的相互作用，但由于沒有進(jìn)氣系統(tǒng)，很難開展流動對燃燒的研究。因此，光學(xué)發(fā)動機(jī)是最能夠反映貼近汽油機(jī)燃燒實際情況的實驗平臺。清華大學(xué)王志等人，基于光學(xué)發(fā)動機(jī)研究爆震過程中的壓力波動與化學(xué)反應(yīng)耦合的作用，通過透明活塞的設(shè)計可清晰觀測火焰?zhèn)鞑ミ^程。美國威斯康辛大學(xué)的Reitz等人，通過拆除光學(xué)發(fā)動機(jī)的一個進(jìn)氣門并安裝光學(xué)窗口，觀測壓燃式內(nèi)燃機(jī)末端燃?xì)夥磻?yīng)過程。但是，如何靈活調(diào)控缸內(nèi)流場并引入壓力波的作用是在實驗手段上亟需解決的問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為解決上述的光學(xué)發(fā)動機(jī)測試的問題，本發(fā)明提出一種新型的可靈活調(diào)節(jié)流動-壓力波-燃燒相互作用的可視化燃燒室，包括缸套，所述缸套的內(nèi)腔表面為圓柱回轉(zhuǎn)表面，所述缸套的頂部自下而上的設(shè)有墊圈和缸蓋，所述缸蓋上鑲嵌有缸蓋玻璃視窗；所述缸套內(nèi)設(shè)有活塞，所述活塞包括與缸套配合的金屬活塞圈，所述金屬活塞圈的頂端鑲嵌有活塞玻璃視窗，由所述缸蓋的下端面、墊圈的內(nèi)側(cè)、缸套內(nèi)側(cè)及金屬活塞圈和活塞玻璃視窗的上端面組成了燃燒室腔體；所述缸蓋上設(shè)有火花塞安裝孔、壓力傳感器安裝孔和垂直進(jìn)氣道；所述缸套的頂部設(shè)有水平進(jìn)/排氣道，所述水平進(jìn)/排氣道與缸套內(nèi)腔回轉(zhuǎn)表面相切，所述缸套上設(shè)有兩個位于同一水平面上的壓力波入口，兩個壓力波入口的方向一致、且均與所述缸套內(nèi)腔回轉(zhuǎn)表面相切。

本發(fā)明中，所述墊圈為透明的玻璃墊圈。所述壓力波入口位于所述水平進(jìn)/排氣道的上方。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

不同強(qiáng)度的壓力波以及不同模式的壓力波傳播與疊加模式可以進(jìn)行有效調(diào)節(jié)。缸內(nèi)流動狀態(tài)包括渦流/滾流比可以實現(xiàn)靈活的調(diào)節(jié)且不需要多套進(jìn)氣系統(tǒng)。末端自燃與主火焰?zhèn)鞑ミ^程均可以通過直接拍攝方法進(jìn)行觀測，同時，也考慮到激光測試方法的應(yīng)用。

附圖說明

圖1是本發(fā)明可視化燃燒室組成結(jié)構(gòu)的示意圖；

圖2-1是圖1中所示的缸蓋的主視圖；

圖2-2是圖2-1所示缸蓋的A-A剖視圖；

圖2-3是圖2-1所示缸蓋的俯視圖；

圖3-1是圖1中所示缸套的主視圖；

圖3-2是圖3-1所示缸套的B-B剖視圖；

圖3-3是圖3-1所示缸套的俯視圖；

圖4為本發(fā)明可視化燃燒室實驗系統(tǒng)的示意圖；

圖5為本發(fā)明可視化燃燒室實驗系統(tǒng)主要測試及控制裝置；

圖中：

1-缸蓋玻璃視窗 2-缸蓋 3-墊圈

4-缸套 5-金屬活塞圈 6-活塞玻璃視窗

7-垂直進(jìn)氣道 8-壓力傳感器安裝孔 9-火花塞安裝孔

10-壓力波入口 11-水平進(jìn)/排氣道 12-高速照相機(jī)

13-YAG激光器 14-45°反光鏡 15-水平板

16-基座

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明技術(shù)方案作進(jìn)一步詳細(xì)描述，所描述的具體實施例僅對本發(fā)明進(jìn)行解釋說明，并不用以限制本發(fā)明。

如圖1所示，本發(fā)明可靈活調(diào)節(jié)流動-壓力波-燃燒相互作用的可視化燃燒室，包括缸套4，所述缸套4的內(nèi)腔表面為圓柱回轉(zhuǎn)表面，所述缸套4的頂部自下而上的設(shè)有墊圈3和缸蓋2，如圖1、如圖2-1、圖2-2和圖2-3所示，當(dāng)采用激光測試手段時，則該墊圈3選用透明的玻璃墊圈，若不采用激光測試手段，該墊圈3為普通墊圈即可，所述缸蓋2上鑲嵌有缸蓋玻璃視窗1，所述缸蓋2上設(shè)有火花塞安裝孔9、壓力傳感器安裝孔8和垂直進(jìn)氣道9。

如圖4所示，所述缸套4內(nèi)設(shè)有活塞，所述活塞包括與缸套4配合的金屬活塞圈5，所述金屬活塞圈5的頂端鑲嵌有活塞玻璃視窗6，由所述缸蓋的下端面、墊圈3的內(nèi)側(cè)、缸套4內(nèi)側(cè)及金屬活塞圈5和活塞玻璃視窗6的上端面組成了燃燒室腔體。

如圖3-1、圖3-2和圖3-3所示，所述缸套4的頂部設(shè)有水平進(jìn)/排氣道11，所述水平進(jìn)/排氣道11與缸套4內(nèi)腔回轉(zhuǎn)表面相切，所述缸套4上設(shè)有兩個位于同一水平面上的壓力波入口10，所述壓力波入口10位于所述水平進(jìn)/排氣道11的上方，兩個壓力波入口10的方向一致、且均與所述缸套4內(nèi)腔回轉(zhuǎn)表面相切。

實施例：

將本發(fā)明可視化燃燒室安裝于采用激光測試手段的實驗系統(tǒng)中的方式如圖4所示，缸套4安裝于基座16上方，透明的玻璃墊圈3置于缸蓋2與缸套4之間。位于缸蓋玻璃視窗1上方垂直的安裝一臺高速照相機(jī)12，其拍照光路恰好通過缸蓋玻璃視窗1，用于觀測燃燒室末端未燃?xì)庾匀歼^程。將一水平板15固定在基座16上，將一45°反光鏡14安裝于水平板15上，并水平安裝一臺高速照相機(jī)12，其拍照光路恰好依次通過45°反光鏡14與活塞玻璃視窗6，用于觀測火花塞點(diǎn)火及火焰?zhèn)鞑ミ^程。與玻璃墊圈3同高的安裝一臺YAG激光器13，透明的玻璃墊圈3用于使激光片光源透過燃燒室截面，該YAG激光器13發(fā)射的激光片光源通過透明的玻璃墊圈3穿過燃燒室，用于為激光測試手段提供光源。

如圖5所示，可視化燃燒室實驗系統(tǒng)的測試及控制裝置主要包括火花塞、電子控制單元MOTEC ECU、噴油器、高壓油泵、瞬態(tài)壓力傳感器、激光器、高速相機(jī)、壓力波產(chǎn)生裝置、數(shù)據(jù)采集卡和工控機(jī)，其中，火花塞安裝于火花塞安裝孔9內(nèi)，并由電子控制單元MOTEC ECU通過高能點(diǎn)火線圈進(jìn)行控制；噴油器安裝在垂直進(jìn)氣道7與水平進(jìn)/排氣道11上，并由電子控制單元MOTEC ECU通過高壓油泵進(jìn)行噴油脈寬與噴油相位的控制；在垂直進(jìn)氣道7、水平進(jìn)/排氣道11以及兩個壓力波進(jìn)口10上均安裝可獨(dú)立控制的電磁閥，通過電子控制單元MOTEC ECU控制閥體的開度；瞬態(tài)壓力傳感器安裝于壓力傳感器安裝孔8內(nèi)，缸內(nèi)壓力數(shù)據(jù)的采集、分析與儲存通過數(shù)據(jù)采集卡與工控機(jī)共同完成；激光器的觸發(fā)、高速相機(jī)的控制與圖像數(shù)據(jù)采集、處理與儲存通過數(shù)據(jù)采集卡與工控機(jī)共同完成?；钊ㄟ^連桿與曲軸連接，曲軸由電力測功機(jī)控制轉(zhuǎn)速。兩個壓力波進(jìn)口10均分別通過電磁閥連接至壓力波產(chǎn)生裝置。

利用安裝有本發(fā)明可視化燃燒室的實驗系統(tǒng)調(diào)節(jié)流動-壓力波-燃燒相互作用的方式如下：

進(jìn)氣沖程中，已預(yù)混充分的未燃混合氣可通過垂直進(jìn)氣道7和水平進(jìn)/排氣道11進(jìn)入缸內(nèi)。垂直進(jìn)氣道7上的電磁閥1和水平進(jìn)/排氣道11上的電磁閥2的開度分別決定水平方向與垂直方向的進(jìn)氣量，即決定了缸內(nèi)的渦流/滾流比。由于電磁閥的開度連續(xù)可調(diào)，缸內(nèi)的流動狀態(tài)在理論上可實現(xiàn)無極調(diào)控。當(dāng)活塞在壓縮沖程中上行至2/3沖程位置時，水平進(jìn)/排氣道11的口被活塞裙部擋住而兩個壓力波入口是位于活塞頂面之上的。兩個壓力波入口10分別通過電磁閥3和電磁閥4連接至壓力波產(chǎn)生裝置(如激波管)，此時，如果單獨(dú)打開一側(cè)的壓力波入口，則壓力波延缸套4內(nèi)側(cè)缸壁傳播，不會產(chǎn)生疊加，可認(rèn)為對末端進(jìn)行較為均勻的壓縮；如果同時打開兩側(cè)的壓力波入口1和壓力波入口2，則兩個壓力波會在缸內(nèi)相遇、疊加，在局部形成壓力突升區(qū)域。當(dāng)火花塞跳火形成初始火核并通過湍流火焰面形成傳播時，不同的缸內(nèi)流動狀態(tài)、不同壓力波傳播與疊加模式對于火焰?zhèn)鞑ヒ约澳┒俗匀嫉挠绊?，可分別通過缸蓋玻璃視窗1與活塞玻璃視窗6進(jìn)行觀測與記錄，而缸內(nèi)壓力由安裝在缸蓋2上的瞬態(tài)壓力傳感器進(jìn)行記錄。在活塞下行并進(jìn)入排氣階段時，水平進(jìn)/排氣道11上的電磁閥2打開，燃燒廢氣經(jīng)此排出。到此，一個完整的測試循環(huán)結(jié)束。

綜上，使用本發(fā)明結(jié)構(gòu)的可視化燃燒室進(jìn)行實驗，缸內(nèi)渦流/滾流比及其強(qiáng)度通過可獨(dú)立控制且分別位于缸蓋2的垂直進(jìn)氣道7與缸套內(nèi)表面相切的水平進(jìn)/排氣道9上的電磁閥1和2進(jìn)行調(diào)節(jié)。缸內(nèi)壓力波的傳播與疊加方式通過可獨(dú)立控制且分別位于缸套上的兩個壓力波入口的電磁閥3和4進(jìn)行控制。缸蓋上的缸蓋玻璃視窗1可觀測末端未燃?xì)怏w的燃燒過程。透明的玻璃墊圈3用于使激光片光源透過燃燒室截面?；钊敳康幕钊Ａб暣?可觀測火花點(diǎn)火、初期火焰?zhèn)鞑ミ^程。使用本發(fā)明結(jié)構(gòu)的可視化燃燒室進(jìn)行實驗具有流場狀態(tài)及壓力波傳播及疊加模式可靈活調(diào)節(jié)，便于對缸內(nèi)完整的燃燒過程進(jìn)行光學(xué)測試的特點(diǎn)。

盡管上面結(jié)合圖對本發(fā)明進(jìn)行了描述，但是本發(fā)明并不局限于上述的具體實施方式，上述的具體實施方式只是示意性的，而不是限定性的，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明宗旨的情況下，還可以做出很多變形，例如改變火花塞位置及個數(shù)，如不采用激光測試手段則可將玻璃墊圈改為普通墊圈，在缸蓋或缸套上加裝獨(dú)立的排氣道這些均屬于本發(fā)明的保護(hù)之內(nèi)。