專(zhuān)利名稱(chēng)：光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及汽車(chē)或動(dòng)力機(jī)械發(fā)動(dòng)機(jī)，具體講是涉及光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)。
背景技術(shù)：
預(yù)混燃燒是當(dāng)前燃燒領(lǐng)域的主要研究方向之一，大多數(shù)汽油機(jī)都工作在這一燃燒模式下。從廣義上說(shuō)，目前內(nèi)燃機(jī)燃燒領(lǐng)域研究十分活躍的均質(zhì)充量壓縮點(diǎn)火(HCCI)的燃燒模式也屬于這一范疇。在工程實(shí)際中起主導(dǎo)作用的預(yù)混燃燒品質(zhì)的優(yōu)劣，影響其動(dòng)力性，經(jīng)濟(jì)性和排放特性。因此，對(duì)這一現(xiàn)象的研究具有重要的理論意義和現(xiàn)實(shí)意義。
由于湍流預(yù)混燃燒是一個(gè)非常復(fù)雜的現(xiàn)象，從理論上較準(zhǔn)確地描述火焰的結(jié)構(gòu)、發(fā)展與傳授過(guò)程是一件比較困難的工作，因此，國(guó)內(nèi)外絕大部分工作還主要從現(xiàn)象角度出發(fā)，在各種湍流理論的基礎(chǔ)上建立經(jīng)驗(yàn)或者是半經(jīng)驗(yàn)公式，來(lái)確定湍流火焰面積和火焰?zhèn)鞑ニ俣取?br> 目前，普遍受大家認(rèn)可的是美國(guó)圣地亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室所設(shè)計(jì)的可視化發(fā)動(dòng)機(jī)。該實(shí)驗(yàn)用柴油機(jī)由Cummins公司的N系列重型柴油機(jī)改裝而成，其缸徑×沖程為140×152mm，壓縮比為10∶1。發(fā)動(dòng)機(jī)采用加長(zhǎng)活塞結(jié)構(gòu)，在加長(zhǎng)活塞的頂部、氣缸體側(cè)面和氣缸蓋上分別安裝有光學(xué)玻璃窗以及與此相對(duì)應(yīng)的光學(xué)反射鏡，這樣便組成了光學(xué)通路。入射光是從側(cè)面照入缸內(nèi)，燃燒火焰是從發(fā)動(dòng)機(jī)的下面觀測(cè)到的。90年代初對(duì)地亞實(shí)驗(yàn)室的John E.Dec等人采用包括激光誘導(dǎo)白熾燈法(Laser Induced Incandescence，LII)和Mie散射技術(shù)在內(nèi)的激光成像以及高速攝影技術(shù)，獲得了一系列發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)的燃燒火焰照片，從而得到缸內(nèi)燃燒碳粒濃度及顆粒尺寸分布的相關(guān)信息，為加深理解柴油機(jī)缸內(nèi)的燃燒過(guò)程提供了有效的實(shí)驗(yàn)手段和方法。90年代末該實(shí)驗(yàn)室又使用版狀激光誘導(dǎo)熒光法研究了直噴柴油機(jī)缸內(nèi)燃燒過(guò)程中NOx的生成。能過(guò)處理分析各種激光圖像數(shù)據(jù)，John E.Dec于1997年提出了缸內(nèi)直噴柴油機(jī)燃燒的概念模型。在這種光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)上可以進(jìn)行各種先進(jìn)的激光測(cè)試手段，能夠獲取的缸內(nèi)的燃燒信息比較多。這種方式可以明顯改善觀察窗的約束限制，能夠獲得更清晰的燃燒火焰照片，但是裝置比較復(fù)雜，需要對(duì)原機(jī)進(jìn)行很大的改動(dòng)。
另一種典型的可視化發(fā)動(dòng)機(jī)是英國(guó)Brunel大學(xué)所使用的光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)氣門(mén)和噴油器是側(cè)置式的。在發(fā)動(dòng)機(jī)的側(cè)面和頂端分別設(shè)有觀察窗，片狀激光與水平面平行由發(fā)動(dòng)機(jī)側(cè)面窗口照入缸內(nèi)，從頂端窗口拍攝圖像。這種光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)適合于研究氣流運(yùn)動(dòng)對(duì)缸內(nèi)的混合氣形成以及燃燒的影響。同樣，這種發(fā)動(dòng)機(jī)在結(jié)構(gòu)上需要做很大的改動(dòng)，比較復(fù)雜。
異于上面這種氣門(mén)側(cè)置式的，而又有從發(fā)動(dòng)機(jī)頂端拍攝照片的缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)，由于受到噴油器、氣門(mén)等結(jié)構(gòu)的影響，在缸蓋上布置的觀察窗比較小，觀察范圍窄。對(duì)于火花點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，由于火花塞的影響，也只能獲得缸內(nèi)局布區(qū)域的信息，只能觀察到部分火花塞區(qū)域內(nèi)的圖像。
美國(guó)威期康星大學(xué)的M.S.Beckman等人使用該裝置做過(guò)復(fù)合激光誘導(dǎo)熒光測(cè)試實(shí)驗(yàn)。這種光學(xué)測(cè)試裝置比較簡(jiǎn)單，但是很難模擬實(shí)驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)的高溫和高壓環(huán)境。
雖然目前國(guó)外已有多家大學(xué)和企業(yè)開(kāi)始了將分形技術(shù)應(yīng)用預(yù)混燃燒的研究，甚至已將該技術(shù)應(yīng)用于擴(kuò)散燃燒研究的傾向，然而由于內(nèi)燃機(jī)的湍流預(yù)混燃燒的分形研究尚處于起步階段，有許多問(wèn)題，甚至是一些基本的問(wèn)題還不清楚，學(xué)術(shù)界缺乏統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)。例如對(duì)于火焰分形結(jié)構(gòu)的低端轉(zhuǎn)換尺度就有不同爭(zhēng)論。對(duì)于高端轉(zhuǎn)換尺度，雖然一般認(rèn)為采用長(zhǎng)度積分尺度是合理的，然而有實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，湍流燃燒在等于長(zhǎng)度尺度兩倍時(shí)，仍表現(xiàn)出分形特征。這些都表時(shí)人們對(duì)于湍流預(yù)混燃燒的分形研究還不深入。這主要是由于已有的實(shí)驗(yàn)研究缺乏對(duì)各種影響參數(shù)，特別是湍流場(chǎng)強(qiáng)度和尺度的全面的精確控制和測(cè)量，以及缺乏對(duì)內(nèi)燃機(jī)燃燒過(guò)程中火焰結(jié)構(gòu)及傳播過(guò)程，包括其影響因素的動(dòng)態(tài)測(cè)試研究。這些都使得人們目前對(duì)內(nèi)燃機(jī)湍流預(yù)混燃燒分形結(jié)構(gòu)及分形火焰?zhèn)鞑ヒ?guī)律隨內(nèi)燃機(jī)的各種運(yùn)行參數(shù)如湍流強(qiáng)度、尺度、空燃比、燃燒種類(lèi)、壓縮比、曲軸轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速和負(fù)荷等的變化規(guī)律尚缺乏全面細(xì)致的研究與認(rèn)識(shí)，并由此影響了發(fā)動(dòng)機(jī)湍流預(yù)混合燃燒的分析研究成果在預(yù)混燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過(guò)程的數(shù)值模擬、燃燒控制及優(yōu)化技術(shù)中的廣泛應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的是提供一種光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)，以提供湍流預(yù)混燃燒火焰分形結(jié)構(gòu)及其湍流強(qiáng)度、尺度、空燃比、燃燒種類(lèi)以及包括車(chē)速、負(fù)荷、壓縮比的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)，通過(guò)這些參數(shù)，可以找到其相互作用規(guī)律，進(jìn)而得到符合實(shí)際的湍流預(yù)混燃燒火焰燃燒面積及火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠?jì)算方法，并將取得的成果應(yīng)用于預(yù)混燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過(guò)程的數(shù)值模擬，燃燒控制和優(yōu)化技術(shù)的研究中。
本發(fā)明采用的技術(shù)方案是，一種光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)，在加長(zhǎng)活塞上部設(shè)置有一個(gè)盡可能大、以便觀察燃油的燃燒過(guò)程的透明窗口，加長(zhǎng)活塞下部軸線方向開(kāi)有方孔，孔內(nèi)裝有反射鏡；加長(zhǎng)活塞上部機(jī)體周?chē)贾糜醒h(huán)水套，通過(guò)加熱水箱，向循環(huán)水套提供熱水，并設(shè)置有進(jìn)行控制的溫控開(kāi)關(guān)；發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸上設(shè)置有角標(biāo)器；設(shè)置有實(shí)現(xiàn)壓力的實(shí)時(shí)采集的壓力傳感器。
所述發(fā)動(dòng)機(jī)為設(shè)置有實(shí)現(xiàn)燃油的電子噴射的電噴裝置的發(fā)動(dòng)機(jī)。
所述加長(zhǎng)活塞采用合金鋁棒，內(nèi)側(cè)設(shè)置有縱向的加強(qiáng)筋，下部?jī)蓚?cè)開(kāi)有安裝反射鏡的方孔。
所述透明窗口為石英玻璃窗。
所述角標(biāo)器為光電編碼器。
本發(fā)明提供的光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)可以帶來(lái)如下效果通過(guò)本發(fā)明設(shè)置的透明窗口、反射鏡，可獲得湍流預(yù)混燃燒火焰分形結(jié)構(gòu)；通過(guò)前述獲得的參數(shù)，可以找到其相互作用規(guī)律，進(jìn)而得到符合實(shí)際的湍流預(yù)混燃燒火焰燃燒面積及火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠?jì)算方法，并將取得的成果應(yīng)用于預(yù)混燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過(guò)程的數(shù)值模擬，燃燒控制和優(yōu)化技術(shù)的研究中。


圖1是加長(zhǎng)活塞透明窗口示意圖，圖中，101是石英玻璃窗，102是加長(zhǎng)活塞。
圖2循環(huán)水套及光路部分局部示意圖，圖中，201是循環(huán)水套，202是反射鏡方孔。
圖3是本發(fā)明整體結(jié)構(gòu)圖，圖中，301是分離式缸體，302是原活塞。
圖4是本發(fā)明整體應(yīng)用結(jié)構(gòu)框圖，圖中，1是油箱，2是加溫水箱，3是聯(lián)軸器，4是測(cè)功機(jī)，5是光電編碼器，6是溫度傳感器，7是缸內(nèi)壓力傳感器，8是高速攝像機(jī)，9是分析儀，10是計(jì)算機(jī)，11是計(jì)算機(jī)顯示器，12是電源開(kāi)關(guān)，13是測(cè)功機(jī)控制系統(tǒng)，14是工業(yè)控制機(jī)，15是主機(jī)啟動(dòng)開(kāi)關(guān)，16是主機(jī)停止開(kāi)關(guān)，17是主機(jī)復(fù)位開(kāi)關(guān)，18是照像開(kāi)關(guān)，19是電控單元。
具體實(shí)施例方式
下面參照附圖和實(shí)施例，進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明。
加長(zhǎng)活塞原活塞302基礎(chǔ)上形成加長(zhǎng)活塞102，加長(zhǎng)活塞102的材料選擇上，在保證其強(qiáng)度的前提下，采用了合金鋁棒盡量減輕活塞的重量。加長(zhǎng)活塞102內(nèi)側(cè)設(shè)置了縱向的加強(qiáng)筋，下部?jī)蓚?cè)開(kāi)有安裝反射鏡的方孔。在加長(zhǎng)活塞102頂端開(kāi)設(shè)了用來(lái)安裝石英玻璃窗101的圓孔。原活塞302的其它尺寸均與春風(fēng)水冷250原機(jī)活塞相同。在實(shí)驗(yàn)測(cè)量中，可以透過(guò)光線的石英玻璃窗101是該結(jié)構(gòu)中極為重要的一個(gè)組件。石英玻璃窗101的設(shè)計(jì)除了要滿足光學(xué)性能外，還必須考慮石英玻璃的受力狀態(tài)，以及密封可靠等問(wèn)題。因?yàn)槿加筒ㄩL(zhǎng)為800～1800nm，而石英材料JGS2(紫外光學(xué)石英玻璃)是用氫氧熔化的光學(xué)石英玻璃，是透過(guò)220-2500mμ波段范圍內(nèi)的良好材料。JGS3(紅外石英玻璃)是具有較高的透紅外性能，是應(yīng)用波段范圍260-3500mμ的光學(xué)材料。兩者的透光度沒(méi)有差別，所以本實(shí)施例選擇了JGS2。
設(shè)有循環(huán)水套201，平面反光鏡為解決因?yàn)閴嚎s比小，不容易著火，尤其是冬天，燃燒不完全又會(huì)污染石英玻璃，所以設(shè)置循環(huán)水套201幫發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室加溫，使其能快速啟動(dòng)。在加長(zhǎng)段缸體上部設(shè)置的循環(huán)水套201，通過(guò)加熱水箱2，提供熱水，并設(shè)置有進(jìn)行控制的溫控開(kāi)關(guān)，其下部開(kāi)設(shè)了安裝反射鏡的開(kāi)口，此反射鏡為平面反射鏡，以45°角斜放安裝于加長(zhǎng)活塞102和加長(zhǎng)缸體的底部。平面反射鏡只是一般的鏡片，是考慮到用過(guò)幾次后，必須擦拭油污。雖然鍍鋁膜全反射鏡，可以增強(qiáng)對(duì)所使用激光束的反射能力，但不耐擦拭，劃痕嚴(yán)重，反而會(huì)影響實(shí)際效果。
改裝為電噴發(fā)動(dòng)機(jī)由于加長(zhǎng)活塞102頂上安裝了石英玻璃窗101，為保證石英玻璃不致長(zhǎng)期受到爆發(fā)壓力作用而損壞和燃?xì)馕廴径箿y(cè)量失真，應(yīng)用時(shí)需控制發(fā)動(dòng)機(jī)工作循環(huán)的次數(shù)和噴油時(shí)刻，一般控制在幾個(gè)工作循環(huán)之內(nèi)，可以采用帶電噴裝置的發(fā)動(dòng)機(jī)，在本實(shí)施例中，在發(fā)動(dòng)機(jī)外設(shè)置有電控單元19，電控單元19中設(shè)計(jì)了燃油單次噴射控制程序。
以角標(biāo)信號(hào)為時(shí)間信號(hào)在燃燒過(guò)程動(dòng)態(tài)可視化裝置中，信號(hào)同步控制是至關(guān)重要的。因?yàn)橹挥凶龅较到y(tǒng)定時(shí)啟動(dòng)與關(guān)閉，高速攝影與其它記錄信號(hào)(如角標(biāo)信號(hào))同步，才能將所拍照片與燃燒過(guò)程其它參數(shù)對(duì)應(yīng)，否則無(wú)法進(jìn)行燃燒過(guò)程研究。
本試驗(yàn)裝置采用光電編碼器5作為角標(biāo)器，考慮發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)因素，光電編碼器5直接接于測(cè)功機(jī)上，相當(dāng)于和曲軸固定連接。當(dāng)光電編碼器5與內(nèi)燃機(jī)曲軸一起旋轉(zhuǎn)時(shí)，接收系統(tǒng)感應(yīng)到光電編碼器編碼軸盤(pán)上編碼刻度產(chǎn)生的光信號(hào)脈沖，通過(guò)光電轉(zhuǎn)換將軸旋轉(zhuǎn)角位移轉(zhuǎn)換成電脈沖信號(hào)，最后由比較放大與功率驅(qū)動(dòng)電纜變成TTL方波脈沖，數(shù)據(jù)采集器據(jù)此信號(hào)在方波的上升沿或下降沿或上升下降沿觸發(fā)，完成數(shù)據(jù)采集。
本發(fā)明最適宜應(yīng)用于小缸徑，高速(75mm，3000轉(zhuǎn))，單缸機(jī)的場(chǎng)合。
權(quán)利要求
1.一種高速小缸徑光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)，在加長(zhǎng)活塞上部設(shè)置有一個(gè)盡可能大、以便觀察燃油的燃燒過(guò)程的透明窗口，加長(zhǎng)機(jī)體和加長(zhǎng)活塞下部軸線方向開(kāi)有一方孔，孔內(nèi)裝有反射鏡，其特征是，加長(zhǎng)活塞上部機(jī)體周?chē)贾糜兴?，通過(guò)加熱水箱，提供熱水，并設(shè)置有進(jìn)行控制的溫控開(kāi)關(guān)；發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸上設(shè)置有角標(biāo)器；設(shè)置有實(shí)現(xiàn)壓力的實(shí)時(shí)采集的壓力傳感器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高速小缸徑光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征是，所述加長(zhǎng)活塞的加長(zhǎng)部分采用合金鋁棒，內(nèi)側(cè)設(shè)置有縱向的加強(qiáng)筋，下部?jī)蓚?cè)開(kāi)有安裝反射鏡的方口。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高速小缸徑光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征是，發(fā)動(dòng)機(jī)為設(shè)置有實(shí)現(xiàn)燃油的電子噴射的電噴裝置的發(fā)動(dòng)機(jī)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高速小缸徑光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征是，所述透明窗口為石英玻璃窗。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高速小缸徑光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征是，所述角標(biāo)器為光電編碼器。
全文摘要
本發(fā)明涉及汽車(chē)或動(dòng)力機(jī)械發(fā)動(dòng)機(jī)，具體講是涉及光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)。提供一種光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)，以提供湍流預(yù)混燃燒火焰分形結(jié)構(gòu)及其湍流強(qiáng)度、尺度、空燃比、燃燒種類(lèi)以及包括車(chē)速、負(fù)荷、壓縮比的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是，一種光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)，在加長(zhǎng)活塞上部設(shè)置有一個(gè)盡可能大、以便觀察燃油的燃燒過(guò)程的透明窗口，加長(zhǎng)活塞下部軸線方向開(kāi)有方孔，孔內(nèi)裝有反射鏡；加長(zhǎng)活塞上部機(jī)體周?chē)贾糜醒h(huán)水套，通過(guò)加熱水箱，向循環(huán)水套提供熱水，并設(shè)置有進(jìn)行控制的溫控開(kāi)關(guān)；發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸上設(shè)置有角標(biāo)器；設(shè)置有實(shí)現(xiàn)壓力的實(shí)時(shí)采集的壓力傳感器。本發(fā)明主要應(yīng)用于光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)的制作。
文檔編號(hào)F02D43/00GK1916380SQ20061001559
公開(kāi)日2007年2月21日 申請(qǐng)日期2006年9月6日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月6日
發(fā)明者杜青, 夏淑敏, 孟艷玲, 丁建立, 朱棣 申請(qǐng)人:天津內(nèi)燃機(jī)研究所