技術(shù)領(lǐng)域：

本發(fā)明涉及定容燃燒彈，具體涉及一種能夠監(jiān)測爆轟波作用下活塞材料溫度變化的試驗裝置及方法。

背景技術(shù)：
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隨著內(nèi)燃機壓縮比和功率密度的不斷提高，出現(xiàn)了烈性爆震。烈性爆震的威力比常規(guī)爆震大很多，一旦發(fā)生就會使燃燒室部件破壞失效。烈性爆震已經(jīng)成為內(nèi)燃機壓縮比和功率密度進一步提高的主要障礙。續(xù)晗等人通過定容爆轟燃燒彈實驗和數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn)，對于錐頂型燃燒室，爆轟波會在活塞中心位置產(chǎn)生匯聚，匯聚壓力遠遠超過缸蓋位置采集到的壓力。烈性爆震發(fā)生時，爆轟波的匯聚作用是活塞破壞失效很重要的一個原因。但同時材料的強度和溫度的關(guān)系很大，為了進一步揭示烈性爆震發(fā)生時活塞破壞失效的機理，需要監(jiān)測爆轟波作用下活塞材料的溫度變化。

在發(fā)動機臺架實驗上，烈性爆震無法穩(wěn)定產(chǎn)生，并且無法在高速運動的活塞上插裝多個溫度傳感器來監(jiān)測烈性爆震時爆轟波作用下活塞不同位置的溫度變化。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
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本發(fā)明的試驗系統(tǒng)和方法是為了監(jiān)測烈性爆震時爆轟波作用下活塞材料不同位置的溫度變化。為此，本發(fā)明設(shè)計了這套定容爆轟燃燒彈試驗裝置。其錐頂型內(nèi)腔形狀與內(nèi)燃機燃燒室形狀基本相同。通過高能火花塞直接點火起爆的方式，強行在燃燒室中間誘導(dǎo)出一道爆轟波，再通過三個布置在活塞上不同位置處的溫度傳感器來監(jiān)測烈性爆震時爆轟波作用下活塞不同位置的溫度變化。具體技術(shù)方案如下：

一種能夠監(jiān)測爆轟波作用下活塞材料溫度變化的試驗裝置，該裝置包括：定容爆轟燃燒彈彈體，缸蓋、缸套；位于定容爆轟燃燒彈彈體內(nèi)的金屬隔板，金屬隔板與缸蓋、缸套組成燃燒室；進氣系統(tǒng)，用于給容彈定量定態(tài)充入可燃混合氣，選用乙炔/氧氣或者氫氣/氧氣作為混合氣；高能點火系統(tǒng)，包括兩部分，分別是控制箱人工點火系統(tǒng)和高能火花塞；溫度測量系統(tǒng)，包括：3個溫度傳感器，測溫儀和上位機；所述溫度傳感器，溫度范圍-50～250℃，準(zhǔn)確度±0.01℃；在金屬隔板上取三個溫度測點，分別為邊緣位置傳感器7，四分之一位置傳感器8和中心位置傳感器9。

在上述試驗裝置上實現(xiàn)的一種能夠監(jiān)測爆轟波作用下活塞材料溫度變化的方法，過程如下：

步驟一：安裝好定容爆轟燃燒彈彈體，包括缸蓋、金屬隔板和缸套，螺栓用力矩扳手緊固；

步驟二：將邊緣位置傳感器7，四分之一位置傳感器8、中心位置傳感器9、火花塞10和進氣閥門13安裝在定容爆轟燃燒彈彈體上；連接溫度測量系統(tǒng)、高能點火系統(tǒng)和進氣系統(tǒng)；

步驟三：試驗前檢查定容爆轟燃燒彈氣密性；打開進氣閥門13，將氧氣管通過快插接頭18接入進氣閥門，利用氧氣瓶上的減壓器調(diào)節(jié)氣管內(nèi)壓力到5bar，關(guān)閉進氣閥門13，關(guān)閉氣瓶上的減壓器，斷開氧氣通路；將另一端封閉的氣管接入快速插頭18，觀察智能單回路測控儀示數(shù)是否增大，如果測控儀示數(shù)為零不增大，說明進氣閥門，13密封性完好；打開進氣閥門13，觀察測控儀示數(shù)是否保持定值不變，如果示數(shù)不變，則安裝好的彈體氣密性良好；

步驟四：設(shè)置測溫儀為采集狀態(tài)；

步驟五：洗氣，使燃燒室內(nèi)的空氣排出，充滿氧氣；將氧氣管通過快插接頭18接入進氣氣路，關(guān)閉泄壓球閥17和進氣閥門13；利用氧氣瓶上的減壓器調(diào)節(jié)氣管內(nèi)壓力到3bar，打開進氣閥門13，使氣體進入，當(dāng)智能單回路測控儀顯示壓力示數(shù)不變時，關(guān)閉進氣閥門13，關(guān)閉氣瓶上的減壓器；打開泄壓球閥17，斷開氧氣通路，打開進氣閥門13，將氣體排出；如此重復(fù)三次，完成洗氣；

步驟六：利用分壓法計算試驗所需的純氧和乙炔的壓力；關(guān)閉泄壓球閥17和進氣閥門13，將乙炔管通過快插接頭18接入進氣閥門，利用乙炔氣瓶上的減壓器將進氣壓力調(diào)整到需要的數(shù)值；打開進氣閥門13，使乙炔充入燃燒室，關(guān)閉進氣閥門13，關(guān)閉乙炔減壓器，打開泄壓球閥17，斷開乙炔氣路；

步驟七：將氧氣管通過快插接頭18接入氣路，關(guān)閉泄壓球閥17，利用氧氣氣瓶上的減壓器將進氣壓力調(diào)整到需要的數(shù)值；打開進氣閥門13，當(dāng)測控儀上的示數(shù)不變時，關(guān)閉進氣閥門13，關(guān)閉減壓器，打開泄壓球閥17，斷開氧氣氣路；

步驟八：手動觸發(fā)高能點火系統(tǒng)控制箱上的開關(guān)，高能火花塞放電，燃燒室內(nèi)混合氣直接爆轟；

步驟九：連續(xù)五次重復(fù)步驟五到步驟八，連續(xù)監(jiān)測溫度變化，保存實驗數(shù)據(jù)；

步驟十：分析實驗數(shù)據(jù)，得到金屬隔板上三個位置的溫度曲線，從而分析活塞破壞的機理。

作為優(yōu)選方案之一，所述溫度傳感器選用鉑電阻溫度傳感器。作為優(yōu)選方案之一的進一步優(yōu)選方案，所述鉑電阻溫度傳感器采用直接安裝的方式，鉑電阻保護套穿過端蓋，并在金屬隔板背面打孔，孔內(nèi)涂上了導(dǎo)熱硅脂，使溫度傳感器的感溫段插入到孔中，溫度傳感器的感溫段長度為5～6mm，溫度采集周期為1s。

作為優(yōu)選方案之二，金屬隔板的材質(zhì)選用鋁合金。

作為優(yōu)選方案之三，所述定容爆轟燃燒彈彈體的燃燒室缸徑為75～85mm，錐角為120°～180°，燃燒室余隙用缸套調(diào)整，從0～32mm可變。作為優(yōu)選方案之三的進一步優(yōu)選方案，所述定容爆轟燃燒彈彈體的材料為不銹鋼1cr18ni9ti。

作為優(yōu)選方案之四，所述進氣系統(tǒng)中，氣體組分及當(dāng)量比通過分壓來控制。作為優(yōu)選方案之四的進一步優(yōu)選方案，定容爆轟燃燒彈彈體上有進氣孔，進氣孔孔徑1～3mm，進氣閥門采用內(nèi)螺紋針型截止閥j13w-350pdn6，外部采用壓力變送器確定混合氣各組分的分壓。

作為優(yōu)選方案之五，所述控制箱人工點火系統(tǒng)輸出電壓為2500v，點火能量大于10j。

本發(fā)明的有益效果是：

(一)發(fā)動機在運轉(zhuǎn)過程中，其活塞的溫度變化是無法測量的。本發(fā)明利用定容爆轟燃燒彈系統(tǒng)，可以穩(wěn)定產(chǎn)生爆轟，同時金屬隔板代替活塞，可以在金屬隔板上安裝溫度傳感器。

(二)本發(fā)明在金屬隔板上的三個不同位置安裝了溫度傳感器，可以測量試件的溫度場分布。

附圖說明：

圖1是本發(fā)明定容爆轟燃燒彈的示意圖；1代表燃燒室，2代表缸蓋，3代表端蓋，4代表金屬隔板，5代表缸套一，6代表缸套二，7代表邊緣位置傳感器，8代表四分之一位置傳感器，9代表中心位置傳感器，10代表高能火花塞，11代表進氣孔，12代表螺栓孔。

圖2是本發(fā)明定容爆轟燃燒彈進氣氣路的示意圖；13代表進氣閥門，14代表壓力變送器，15代表三通一，16代表三通二，17代表泄壓球閥18代表快速接頭。

圖3是金屬隔板的結(jié)構(gòu)剖面示意圖。

具體實施方式：

實施例：

下面通過具體的實施例對本發(fā)明作進一步詳細描述，以下具體的實施例僅對本發(fā)明進行解釋說明，并不以任何形式限制本發(fā)明。

本發(fā)明的定容爆轟燃燒彈系統(tǒng)包括：定容爆轟燃燒彈彈體，進氣系統(tǒng)，高能點火系統(tǒng)和溫度測量系統(tǒng)。下面闡述具體組成部分：

所述定容爆轟燃燒彈彈體，彈體由不銹鋼材料1cr18ni9ti制成。其燃燒室形狀可變，1為錐頂型燃燒室，內(nèi)腔形狀與內(nèi)燃機燃燒室形狀基本相同，燃燒室缸徑為75～85mm，錐角為120°～180°，余隙通過缸套5的長短來改變，從0mm～32mm可變。鋁合金材質(zhì)的金屬隔板4固定在容彈燃燒室內(nèi)。缸蓋2、缸套5和鋁合金材質(zhì)的金屬隔板4組成了燃燒室，將鋁合金材質(zhì)的金屬隔板視為活塞。在鋁合金材質(zhì)的金屬隔板上取三個溫度測點，分別為邊緣位置傳感器7，活塞直徑四分之一位置傳感器8和中心位置傳感器9；

所述進氣系統(tǒng)，用于給容彈定量定態(tài)充入可燃混合氣。為了能穩(wěn)定、方便地引入爆轟波，本實施例選用乙炔/氧氣作為混合氣。組分及當(dāng)量比則通過分壓來控制。容彈上的進氣孔11孔徑為1～3mm，進氣閥門采用內(nèi)螺紋針型截止閥j13w-350pdn6。外部采用壓力變送器確定混合氣各組分的分壓，通過智能單回路測控儀顯示壓力示數(shù)。

所述高能點火系統(tǒng)，包括兩部分構(gòu)成，分別是控制箱和高能火花塞10。通過控制箱人工點火，點火系統(tǒng)輸出電壓為2500v，點火能量大于10j，足以直接點爆乙炔/氧氣可燃混合氣。

所述溫度測量系統(tǒng)，包括鉑電阻溫度傳感器，測溫儀和上位機。電阻選用鉑電阻溫度傳感器，溫度范圍-50～250℃，準(zhǔn)確度±0.01℃。根據(jù)安裝尺寸要求定制鉑電阻。為了保證有效的密封，采用直接安裝的方式，鉑電阻保護套穿過端蓋，并在鋁合金背面打孔，使溫度傳感器的感溫段插入到孔中，鉑電阻感溫段長度為5～6mm。為了保證有效傳熱，孔內(nèi)涂上了導(dǎo)熱硅脂。測溫儀測溫準(zhǔn)確度全量程±0.01℃，采集周期為1s。位機操作可以對實驗數(shù)進行實時監(jiān)控存儲。

利用本發(fā)明的爆轟容彈系統(tǒng)進行活塞材料破壞試驗的方法步驟如下：

步驟一：安裝好定容爆轟燃燒彈彈體，包括缸蓋、鋁合金材質(zhì)的金屬隔板、缸套等，螺栓用力矩扳手緊固；

步驟二：將邊緣位置傳感器7，活塞直徑四分之一位置傳感器8、中心位置傳感器9、火花塞10和進氣閥門13安裝在彈體上，連接溫度測量系統(tǒng)，高能點火系統(tǒng)和進氣系統(tǒng)；

步驟三：為了保證試驗人員的完全，試驗前檢查定容爆轟燃燒彈氣密性。打開進氣閥門13，將氧氣管通過快插接頭18接入進氣閥門，利用氧氣瓶上的減壓器調(diào)節(jié)氣管內(nèi)壓力到5bar，關(guān)閉進氣閥門13，關(guān)閉氣瓶上的減壓器，斷開氧氣通路。將另一端封閉的氣管接入快速插頭18，觀察智能單回路測控儀示數(shù)是否增大，如果智能單回路測控儀示數(shù)為零不增大，說明氣閥13密封性完好。打開氣閥13，觀察智能單回路測控儀示數(shù)是否保持定值不變，如果示數(shù)不變，則安裝好的彈體氣密性良好；

步驟四：設(shè)置測溫儀為采集狀態(tài)；

步驟五：洗氣，使燃燒室內(nèi)的空氣排出，充滿氧氣。將氧氣管通過快插接頭18接入進氣氣路，關(guān)閉泄壓球閥17和進氣閥門13。利用氧氣瓶上的減壓器調(diào)節(jié)氣管內(nèi)壓力到3bar，打開進氣閥門13，使氣體進入，當(dāng)智能單回路測控儀顯示壓力示數(shù)3bar不變時，關(guān)閉進氣閥門13，關(guān)閉氣瓶上的減壓器。打開泄壓球閥17，斷開氧氣通路，打開進氣閥門13，將氣體排出。如此重復(fù)三次，完成洗氣；

步驟六：利用分壓法計算試驗所需的純氧和乙炔的壓力。關(guān)閉泄壓球閥17和進氣閥門13，將乙炔管通過快插接頭18接入進氣閥門，利用乙炔氣瓶上的減壓器將進氣壓力調(diào)整到需要的數(shù)值；打開進氣閥門13，使乙炔充入燃燒室，關(guān)閉進氣閥門13，關(guān)閉乙炔減壓器，打開泄壓球閥17，斷開乙炔氣路；

步驟七：將氧氣管通過快插接頭18接入氣路，關(guān)閉泄壓球閥17，利用氧氣氣瓶上的減壓器將進氣壓力調(diào)整到需要的數(shù)值；打開進氣閥門13，當(dāng)測控儀上的示數(shù)不變時，關(guān)閉進氣閥門13，關(guān)閉減壓器，打開泄壓球閥17，斷開氧氣氣路；

步驟八：手動觸發(fā)高能點火系統(tǒng)控制箱上的開關(guān)，高能火花塞放電，燃燒室內(nèi)混合氣直接爆轟；

步驟九：重復(fù)步驟五到步驟八，連續(xù)監(jiān)測溫度變化，保存實驗數(shù)據(jù)到計算機；

步驟十：分析實驗數(shù)據(jù)，得到鋁合金材質(zhì)的金屬隔板上三個位置的溫度曲線，進而分析活塞破壞的機理。

本實發(fā)明并不限于上文所述的具體實施方式。以上對具體實施方式的描述旨在于為了描述和說明本發(fā)明的技術(shù)方案，不具有限制性。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，這些均屬于本發(fā)明的保護之內(nèi)。