專利名稱：光學發(fā)動機的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及汽車或動力機械發(fā)動機，具體講是涉及光學發(fā)動機。
背景技術：
預混燃燒是當前燃燒領域的主要研究方向之一，大多數(shù)汽油機都工作在這一燃燒模式下。從廣義上說，目前內(nèi)燃機燃燒領域研究十分活躍的均質(zhì)充量壓縮點火(HCCI)的燃燒模式也屬于這一范疇。在工程實際中起主導作用的預混燃燒品質(zhì)的優(yōu)劣，影響其動力性，經(jīng)濟性和排放特性。因此，對這一現(xiàn)象的研究具有重要的理論意義和現(xiàn)實意義。
由于湍流預混燃燒是一個非常復雜的現(xiàn)象，從理論上較準確地描述火焰的結(jié)構(gòu)、發(fā)展與傳授過程是一件比較困難的工作，因此，國內(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上建立經(jīng)驗或者是半經(jīng)驗公式，來確定湍流火焰面積和火焰?zhèn)鞑ニ俣取?br> 目前，普遍受大家認可的是美國圣地亞國家實驗室所設計的可視化發(fā)動機。該實驗用柴油機由Cummins公司的N系列重型柴油機改裝而成，其缸徑×沖程為140×152mm，壓縮比為10∶1。發(fā)動機采用加長活塞結(jié)構(gòu)，在加長活塞的頂部、氣缸體側(cè)面和氣缸蓋上分別安裝有光學玻璃窗以及與此相對應的光學反射鏡，這樣便組成了光學通路。入射光是從側(cè)面照入缸內(nèi)，燃燒火焰是從發(fā)動機的下面觀測到的。90年代初對地亞實驗室的John E.Dec等人采用包括激光誘導白熾燈法(Laser Induced Incandescence，LII)和Mie散射技術在內(nèi)的激光成像以及高速攝影技術，獲得了一系列發(fā)動機缸內(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信息，為加深理解柴油機缸內(nèi)的燃燒過程提供了有效的實驗手段和方法。90年代末該實驗室又使用版狀激光誘導熒光法研究了直噴柴油機缸內(nèi)燃燒過程中NOx的生成。能過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)直噴柴油機燃燒的概念模型。在這種光學發(fā)動機上可以進行各種先進的激光測試手段，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，但是裝置比較復雜，需要對原機進行很大的改動。
另一種典型的可視化發(fā)動機是英國Brunel大學所使用的光學發(fā)動機，發(fā)動機氣門和噴油器是側(cè)置式的。在發(fā)動機的側(cè)面和頂端分別設有觀察窗，片狀激光與水平面平行由發(fā)動機側(cè)面窗口照入缸內(nèi)，從頂端窗口拍攝圖像。這種光學發(fā)動機適合于研究氣流運動對缸內(nèi)的混合氣形成以及燃燒的影響。同樣，這種發(fā)動機在結(jié)構(gòu)上需要做很大的改動，比較復雜。
異于上面這種氣門側(cè)置式的，而又有從發(fā)動機頂端拍攝照片的缸內(nèi)直噴發(fā)動機，由于受到噴油器、氣門等結(jié)構(gòu)的影響，在缸蓋上布置的觀察窗比較小，觀察范圍窄。對于火花點火發(fā)動機來說，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。
美國威期康星大學的M.S.Beckman等人使用該裝置做過復合激光誘導熒光測試實驗。這種光學測試裝置比較簡單，但是很難模擬實驗發(fā)動機缸內(nèi)的高溫和高壓環(huán)境。
雖然目前國外已有多家大學和企業(yè)開始了將分形技術應用預混燃燒的研究，甚至已將該技術應用于擴散燃燒研究的傾向，然而由于內(nèi)燃機的湍流預混燃燒的分形研究尚處于起步階段，有許多問題，甚至是一些基本的問題還不清楚，學術界缺乏統(tǒng)一的認識。例如對于火焰分形結(jié)構(gòu)的低端轉(zhuǎn)換尺度就有不同爭論。對于高端轉(zhuǎn)換尺度，雖然一般認為采用長度積分尺度是合理的，然而有實驗結(jié)果表明，湍流燃燒在等于長度尺度兩倍時，仍表現(xiàn)出分形特征。這些都表時人們對于湍流預混燃燒的分形研究還不深入。這主要是由于已有的實驗研究缺乏對各種影響參數(shù)，特別是湍流場強度和尺度的全面的精確控制和測量，以及缺乏對內(nèi)燃機燃燒過程中火焰結(jié)構(gòu)及傳播過程，包括其影響因素的動態(tài)測試研究。這些都使得人們目前對內(nèi)燃機湍流預混燃燒分形結(jié)構(gòu)及分形火焰?zhèn)鞑ヒ?guī)律隨內(nèi)燃機的各種運行參數(shù)如湍流強度、尺度、空燃比、燃燒種類、壓縮比、曲軸轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速和負荷等的變化規(guī)律尚缺乏全面細致的研究與認識，并由此影響了發(fā)動機湍流預混合燃燒的分析研究成果在預混燃燒發(fā)動機燃燒過程的數(shù)值模擬、燃燒控制及優(yōu)化技術中的廣泛應用。

發(fā)明內(nèi)容
為克服現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明的目的是提供一種光學發(fā)動機，以提供湍流預混燃燒火焰分形結(jié)構(gòu)及其湍流強度、尺度、空燃比、燃燒種類以及包括車速、負荷、壓縮比的發(fā)動機運轉(zhuǎn)參數(shù)，通過這些參數(shù)，可以找到其相互作用規(guī)律，進而得到符合實際的湍流預混燃燒火焰燃燒面積及火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠嬎惴椒?，并將取得的成果應用于預混燃燒發(fā)動機燃燒過程的數(shù)值模擬，燃燒控制和優(yōu)化技術的研究中。
本發(fā)明采用的技術方案是，一種光學發(fā)動機，在加長活塞上部設置有一個盡可能大、以便觀察燃油的燃燒過程的透明窗口，加長活塞下部軸線方向開有方孔，孔內(nèi)裝有反射鏡；加長活塞上部機體周圍布置有循環(huán)水套，通過加熱水箱，向循環(huán)水套提供熱水，并設置有進行控制的溫控開關；發(fā)動機曲軸上設置有角標器；設置有實現(xiàn)壓力的實時采集的壓力傳感器。
所述發(fā)動機為設置有實現(xiàn)燃油的電子噴射的電噴裝置的發(fā)動機。
所述加長活塞采用合金鋁棒，內(nèi)側(cè)設置有縱向的加強筋，下部兩側(cè)開有安裝反射鏡的方孔。
所述透明窗口為石英玻璃窗。
所述角標器為光電編碼器。
本發(fā)明提供的光學發(fā)動機可以帶來如下效果通過本發(fā)明設置的透明窗口、反射鏡，可獲得湍流預混燃燒火焰分形結(jié)構(gòu)；通過前述獲得的參數(shù)，可以找到其相互作用規(guī)律，進而得到符合實際的湍流預混燃燒火焰燃燒面積及火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠嬎惴椒?，并將取得的成果應用于預混燃燒發(fā)動機燃燒過程的數(shù)值模擬，燃燒控制和優(yōu)化技術的研究中。


圖1是加長活塞透明窗口示意圖，圖中，101是石英玻璃窗，102是加長活塞。
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是測功機，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，9是分析儀，10是計算機，11是計算機顯示器，12是電源開關，13是測功機控制系統(tǒng)，14是工業(yè)控制機，15是主機啟動開關，16是主機停止開關，17是主機復位開關，18是照像開關，19是電控單元。
具體實施例方式
下面參照附圖和實施例，進一步說明本發(fā)明。
加長活塞原活塞302基礎上形成加長活塞102，加長活塞102的材料選擇上，在保證其強度的前提下，采用了合金鋁棒盡量減輕活塞的重量。加長活塞102內(nèi)側(cè)設置了縱向的加強筋，下部兩側(cè)開有安裝反射鏡的方孔。在加長活塞102頂端開設了用來安裝石英玻璃窗101的圓孔。原活塞302的其它尺寸均與春風水冷250原機活塞相同。在實驗測量中，可以透過光線的石英玻璃窗101是該結(jié)構(gòu)中極為重要的一個組件。石英玻璃窗101的設計除了要滿足光學性能外，還必須考慮石英玻璃的受力狀態(tài)，以及密封可靠等問題。因為燃油波長為800～1800nm，而石英材料JGS2(紫外光學石英玻璃)是用氫氧熔化的光學石英玻璃，是透過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，是應用波段范圍260-3500mμ的光學材料。兩者的透光度沒有差別，所以本實施例選擇了JGS2。
設有循環(huán)水套201，平面反光鏡為解決因為壓縮比小，不容易著火，尤其是冬天，燃燒不完全又會污染石英玻璃，所以設置循環(huán)水套201幫發(fā)動機燃燒室加溫，使其能快速啟動。在加長段缸體上部設置的循環(huán)水套201，通過加熱水箱2，提供熱水，并設置有進行控制的溫控開關，其下部開設了安裝反射鏡的開口，此反射鏡為平面反射鏡，以45°角斜放安裝于加長活塞102和加長缸體的底部。平面反射鏡只是一般的鏡片，是考慮到用過幾次后，必須擦拭油污。雖然鍍鋁膜全反射鏡，可以增強對所使用激光束的反射能力，但不耐擦拭，劃痕嚴重，反而會影響實際效果。
改裝為電噴發(fā)動機由于加長活塞102頂上安裝了石英玻璃窗101，為保證石英玻璃不致長期受到爆發(fā)壓力作用而損壞和燃氣污染而使測量失真，應用時需控制發(fā)動機工作循環(huán)的次數(shù)和噴油時刻，一般控制在幾個工作循環(huán)之內(nèi)，可以采用帶電噴裝置的發(fā)動機，在本實施例中，在發(fā)動機外設置有電控單元19，電控單元19中設計了燃油單次噴射控制程序。
以角標信號為時間信號在燃燒過程動態(tài)可視化裝置中，信號同步控制是至關重要的。因為只有做到系統(tǒng)定時啟動與關閉，高速攝影與其它記錄信號(如角標信號)同步，才能將所拍照片與燃燒過程其它參數(shù)對應，否則無法進行燃燒過程研究。
本試驗裝置采用光電編碼器5作為角標器，考慮發(fā)動機結(jié)構(gòu)因素，光電編碼器5直接接于測功機上，相當于和曲軸固定連接。當光電編碼器5與內(nèi)燃機曲軸一起旋轉(zhuǎn)時，接收系統(tǒng)感應到光電編碼器編碼軸盤上編碼刻度產(chǎn)生的光信號脈沖，通過光電轉(zhuǎn)換將軸旋轉(zhuǎn)角位移轉(zhuǎn)換成電脈沖信號，最后由比較放大與功率驅(qū)動電纜變成TTL方波脈沖，數(shù)據(jù)采集器據(jù)此信號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)明最適宜應用于小缸徑，高速(75mm，3000轉(zhuǎn))，單缸機的場合。
權利要求
1.一種高速小缸徑光學發(fā)動機，在加長活塞上部設置有一個盡可能大、以便觀察燃油的燃燒過程的透明窗口，加長機體和加長活塞下部軸線方向開有一方孔，孔內(nèi)裝有反射鏡，其特征是，加長活塞上部機體周圍布置有水道，通過加熱水箱，提供熱水，并設置有進行控制的溫控開關；發(fā)動機曲軸上設置有角標器；設置有實現(xiàn)壓力的實時采集的壓力傳感器。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種高速小缸徑光學發(fā)動機，其特征是，所述加長活塞的加長部分采用合金鋁棒，內(nèi)側(cè)設置有縱向的加強筋，下部兩側(cè)開有安裝反射鏡的方口。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種高速小缸徑光學發(fā)動機，其特征是，發(fā)動機為設置有實現(xiàn)燃油的電子噴射的電噴裝置的發(fā)動機。
4.根據(jù)權利要求1所述的一種高速小缸徑光學發(fā)動機，其特征是，所述透明窗口為石英玻璃窗。
5.根據(jù)權利要求1所述的一種高速小缸徑光學發(fā)動機，其特征是，所述角標器為光電編碼器。
全文摘要
本發(fā)明涉及汽車或動力機械發(fā)動機，具體講是涉及光學發(fā)動機。提供一種光學發(fā)動機，以提供湍流預混燃燒火焰分形結(jié)構(gòu)及其湍流強度、尺度、空燃比、燃燒種類以及包括車速、負荷、壓縮比的發(fā)動機運轉(zhuǎn)參數(shù)，本發(fā)明采用的技術方案是，一種光學發(fā)動機，在加長活塞上部設置有一個盡可能大、以便觀察燃油的燃燒過程的透明窗口，加長活塞下部軸線方向開有方孔，孔內(nèi)裝有反射鏡；加長活塞上部機體周圍布置有循環(huán)水套，通過加熱水箱，向循環(huán)水套提供熱水，并設置有進行控制的溫控開關；發(fā)動機曲軸上設置有角標器；設置有實現(xiàn)壓力的實時采集的壓力傳感器。本發(fā)明主要應用于光學發(fā)動機的制作。
文檔編號F02D43/00GK1916380SQ20061001559
公開日2007年2月21日 申請日期2006年9月6日 優(yōu)先權日2006年9月6日
發(fā)明者杜青, 夏淑敏, 孟艷玲, 丁建立, 朱棣 申請人:天津內(nèi)燃機研究所