專利名稱：光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及汽車或動(dòng)力機(jī)械發(fā)動(dòng)機(jī)，特別是涉及一種光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)。
背景技術(shù)：
近年來在石油資源日益枯竭，汽車排放法規(guī)日趨嚴(yán)格的形勢(shì)下，降低汽車的排放 和改善汽車燃油經(jīng)濟(jì)性的迫切性顯得格外突出。由于汽油機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性比柴油機(jī)差，所 以降低汽油機(jī)的油耗則顯得更為迫切。最新出現(xiàn)的可控自燃著火(CAI)或者說均質(zhì)充量壓燃著火(HCCI)與傳統(tǒng)的燃燒 模式相比具有極低的NOx、CO排放和改善燃油經(jīng)濟(jì)性的優(yōu)勢(shì)和潛力，正在受到國際內(nèi)燃機(jī) 界廣泛重視，被認(rèn)為是未來極具吸引力的汽油機(jī)技術(shù)之一。CAI/HCCI燃燒模式在理論上可 以通過多種方式實(shí)現(xiàn)。但是由國外前期的研究結(jié)果表明，利用再循環(huán)廢氣是在汽車發(fā)動(dòng)機(jī) 上實(shí)現(xiàn)CAI/HCCI燃燒模式最為有效的方法和途徑。通過全可變配氣機(jī)構(gòu)的相位和升程的 改變可以實(shí)現(xiàn)缸內(nèi)廢氣再循環(huán)(EGR)和進(jìn)排氣道EGR的質(zhì)量調(diào)節(jié)。研究的結(jié)果從不同側(cè)面揭示了再循環(huán)廢氣的溫度分布與燃燒過程之間存在明顯 的相關(guān)性，通過控制EGR的分布有可能實(shí)現(xiàn)對(duì)CAI模式著火和燃燒過程的有效控制。但是 各種再循環(huán)廢氣策略廢氣是如何分布的？怎樣分布對(duì)控制CAI燃燒過程最有利？影響再 循環(huán)廢氣分布的主要因素有那些？如何控制再循環(huán)廢氣的分布？這些問題還沒有系統(tǒng)深 入地進(jìn)行研究。為了研究這些內(nèi)容，人們必須準(zhǔn)確得知缸內(nèi)溫度場(chǎng)、濃度場(chǎng)及組份等情況，從而了 解在不同EGR策略下新氣充量和殘余廢氣在缸內(nèi)具體的分布情況，了解發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)流動(dòng)、 燃燒過程的詳細(xì)情況。燃燒診斷就是對(duì)燃燒過程進(jìn)行測(cè)量和分析。但由于發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室是用于燃料燃燒 爆炸的一個(gè)密封性很好的容器，一般很難得到缸內(nèi)氣體運(yùn)動(dòng)和燃燒情況。對(duì)于溫度、壓力、 速度及組份等的測(cè)量，以往人們普遍使用熱電偶、壓電傳感器、動(dòng)靜壓管及氣體分析儀等物 理探針或測(cè)試儀器。用壓電晶體傳感器可以精確測(cè)量缸內(nèi)壓力，然后再利用各種分析計(jì)算 程序間接地得到缸內(nèi)的一些基本信息，如用放熱率計(jì)算程序可得到缸內(nèi)平均的溫度隨曲軸 轉(zhuǎn)角變化規(guī)律；利用各種物理探針(如熱電偶)介入燃燒室內(nèi)得到某點(diǎn)或截面的流速、溫度 等參數(shù)，但畢竟其干擾了缸內(nèi)正常的流場(chǎng)和工作，對(duì)高溫的耐受力有限、缺乏足夠的空間和 時(shí)間分辨率。燃燒診斷技術(shù)的落后造成各種發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒流場(chǎng)的物理圖像、化學(xué)反應(yīng)機(jī)理等至今 并不清楚，成為燃燒機(jī)理研究進(jìn)一步深入的障礙。而燃燒機(jī)理研究不足，直接影響到新一代 發(fā)動(dòng)機(jī)的研制，例如CAI/HCCI燃燒機(jī)理研究的滯后就是CAI/HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)研制的主要困難之一。國外從上世紀(jì)八十年代初期就開始將光學(xué)診斷技術(shù)尤其是激光光譜診斷技術(shù)應(yīng) 用于發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)氣相或氣液兩相流的參量測(cè)量。激光光譜測(cè)量的本質(zhì)是以激光為激勵(lì)光源，通過光譜儀和增強(qiáng)型電荷耦合器件(ICCD)感受被測(cè)對(duì)象內(nèi)部能量分布和能級(jí)躍遷相關(guān)的電磁場(chǎng)來得到測(cè)量信息，具有高靈敏 度、非接觸和高時(shí)空分辨率等特點(diǎn)。在測(cè)量環(huán)境惡劣的燃燒流場(chǎng)中，它可以進(jìn)行溫度、濃度 和組份等多參量的測(cè)量。目前國內(nèi)外應(yīng)用在發(fā)動(dòng)機(jī)上的光學(xué)診斷技術(shù)主要有米氏(Mie)、瑞利 (Rayleigh)和自發(fā)拉曼散射(Raman)、相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)、平面激光誘導(dǎo)熒 光(PLIF)、激光誘導(dǎo)白熾光(LII)、化學(xué)發(fā)光法以及光學(xué)示蹤劑法等。由于PLIF技術(shù)信號(hào)強(qiáng)度較高，被廣泛應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)中，它可以用于獲得定性的濃 度和溫度二維(2D)影像，具有出色的空間分辯能力。Mie、Rayleigh散射在很多情況下用于 發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)濃度場(chǎng)的測(cè)定；CARS可以同時(shí)測(cè)量溫度和CO2濃度，測(cè)量效果好，國外已經(jīng)進(jìn)行 了發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)流場(chǎng)中溫度、壓力、流速等參數(shù)的測(cè)量分析；LII用于柴油機(jī)排放顆粒的研究； 化學(xué)發(fā)光法主要通過燃料燃燒時(shí)的發(fā)光來探測(cè)點(diǎn)火時(shí)刻與相位的關(guān)系；光學(xué)示蹤劑法主要 用于流場(chǎng)的成像研究?；诩す獾淖园l(fā)拉曼散射光譜技術(shù)可以對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)主要物質(zhì)(CO、 CO2, 02、N2, H2O和燃料)進(jìn)行實(shí)時(shí)、同步、多點(diǎn)測(cè)量，并且有很好的時(shí)空間分辨力，還可以通 過計(jì)算得出缸內(nèi)溫度、濃度及壓力的變化規(guī)律。目前，國內(nèi)外有許多實(shí)驗(yàn)室和研究所(中心)擁有光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)。著名的有美國的 圣地亞國家實(shí)驗(yàn)室、威斯康星大學(xué)的發(fā)動(dòng)機(jī)研究中心和通用汽車公司，以及瑞典隆德大學(xué) 燃燒物理研究所、英國布魯內(nèi)爾大學(xué)機(jī)械工程部、中國天津大學(xué)內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)
驗(yàn)室等。通常，發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室由缸蓋內(nèi)壁、缸套和活塞頂圍成。因此，有三種方法獲得光 學(xué)通路到燃燒室。使用一個(gè)或幾個(gè)光學(xué)通路再結(jié)合不同的光學(xué)技術(shù)可以應(yīng)用于不同型式發(fā) 動(dòng)機(jī)的不同研究領(lǐng)域。1.穿過氣缸蓋的光學(xué)通路一般對(duì)于兩沖程發(fā)動(dòng)機(jī)具有側(cè)置氣門，即在缸蓋上缺少氣閥系統(tǒng)，允許安裝光學(xué) 通路，可從上面觀察燃燒室。1969年，Scott在一臺(tái)兩沖程單缸柴油機(jī)上實(shí)現(xiàn)了缸蓋上的光 學(xué)通路，獲得了完全的燃料噴射和燃燒的可視化；上世紀(jì)八十年代，美國普林斯頓大學(xué)研制 了一臺(tái)火花點(diǎn)火(Si)單缸兩沖程光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)，至今為止，完成了大量的光學(xué)實(shí)驗(yàn)。早期四沖程SI發(fā)動(dòng)機(jī)具有側(cè)置氣門，尤其是L型缸蓋發(fā)動(dòng)機(jī)。1938年，G. M.(通 用汽車)公司的Withrow和Rassweiler替換部分或全部缸蓋為透明窗口實(shí)現(xiàn)了燃燒的可 視化；1979年，Johnston在美國Sandia(圣地亞)國家實(shí)驗(yàn)室，在缸蓋和活塞上使用透明窗 口提供了燃燒室完全可視化的區(qū)域，他們使用了一臺(tái)CW激光拉曼系統(tǒng)在火花點(diǎn)火(Si)發(fā) 動(dòng)機(jī)中測(cè)量了空燃比并研究了分層燃燒過程?，F(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)具有頂置氣門機(jī)構(gòu)，嚴(yán)重限制了從上部實(shí)現(xiàn)光學(xué)通路的空間。1991年， Spicher等人在一臺(tái)IDI柴油機(jī)上特殊設(shè)計(jì)了帶有光學(xué)通路的兩氣閥缸蓋，分別在預(yù)混燃 燒室和浴盆形主燃燒室用高速攝影和紋影法觀察到了自燃和爆震燃燒。英國布魯內(nèi)爾大學(xué)機(jī)械工程部在一臺(tái)IDI柴油機(jī)上經(jīng)過改造實(shí)現(xiàn)了在發(fā)動(dòng)機(jī)側(cè) 面和頂面觀察燃燒室，借助于影像圖、消光和雙色法去研究柴油的噴霧、霧化、燃燒和碳煙 的形成。在相對(duì)大型的DI (直噴)柴油機(jī)中，可以將兩個(gè)排氣閥之一用光學(xué)窗口替代。1991 年，Dec等人用這種方法觀察到了完全的噴霧羽流及其燃燒。[0020]總之，穿過氣缸蓋光學(xué)通路的這種方法，主要適用于側(cè)置氣門，兩沖程發(fā)動(dòng)機(jī)。對(duì) 于現(xiàn)代四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)需要復(fù)雜的改造，并影響了原始的流動(dòng)和燃燒狀態(tài)。2.穿過側(cè)壁的光學(xué)通路在缸蓋和缸體之間安裝透明圓環(huán)窗口或用部分和完全的透明缸套替換原金屬缸 套(無冷卻水套)，使得從發(fā)動(dòng)機(jī)側(cè)面可視化。這種方法特別適用于能夠時(shí)空分辨的基于激 光的缸內(nèi)光學(xué)診斷技術(shù)。1988年，Bates用藍(lán)寶石缸套實(shí)現(xiàn)了光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)的制造。威斯康 星大學(xué)的發(fā)動(dòng)機(jī)研究中心、瑞典隆德大學(xué)燃燒物理研究所都利用這種方法進(jìn)行了大量的缸 內(nèi)光學(xué)診斷和研究。但這種方法要求活塞與透明體之間要有很好的中心線和潤滑、一般要使用價(jià)格昂 貴的藍(lán)寶石作為透明體。另外由于透明體表面為曲面形狀，造成觀察的圖像存在扭曲現(xiàn)象， 需要較復(fù)雜的修正。3.穿過活塞的光學(xué)通路1961年，美國G.M.公司的Bowditch首先開發(fā)了將平頂透明體安裝到活塞頂上，并 采用加長(zhǎng)活塞和下置45度反光鏡，實(shí)現(xiàn)從活塞底部觀察燃燒室的情況。這對(duì)于使用了頂置 氣門的現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)非常實(shí)用，它可以基本保持原燃燒室形狀。目前，國內(nèi)外大多數(shù)光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)都采用了這種光學(xué)通路，并結(jié)合其他的光學(xué)通路 來實(shí)現(xiàn)使用不同光學(xué)診斷技術(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)各種物理化學(xué)變化方面的深入研究。2002年S. Pischinger等人用Nd: YAG激光器激發(fā)的光的散射應(yīng)用于CAI/HCCI發(fā) 動(dòng)機(jī)的數(shù)值計(jì)算和EGR策略研究；2006年Zhaohua等人給出了基于532nm Nd: YAG在部分 工況下測(cè)量CAI發(fā)動(dòng)機(jī)中的主要組份和空燃比。但是，目前國內(nèi)在發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)光學(xué)診斷上的技術(shù)不足在于1.目前還沒有可以更換不同的發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室，并能使用激光診斷的方法去研究缸 內(nèi)燃燒過程的光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)。2.目前還沒有一臺(tái)這樣的光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)，它可以通過全可變配氣機(jī)構(gòu)的不同相位和 升程的策略的組合可以達(dá)到EGR量的合理調(diào)節(jié)，用各種光學(xué)手段分析和研究，達(dá)到控制著 火始點(diǎn)和尋找時(shí)空分辨的缸內(nèi)溫度、速度、濃度和壓力場(chǎng)等的分布規(guī)律，從而實(shí)現(xiàn)CAI/HCCI 燃燒并拓展其工作區(qū)域。
發(fā)明內(nèi)容為了實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)在CAI/HCCI模式下的燃燒及控制，綜合背景技術(shù)中提到的兩 種光學(xué)通路的方法，并克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本實(shí)用新型的目的是提供一種光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)， 以提供發(fā)動(dòng)機(jī)在燃用不同燃料和在不同燃燒室下的不同燃燒方式如均質(zhì)充量壓縮點(diǎn)燃 (HCCI)或可控自動(dòng)點(diǎn)燃(CAI)情況下的缸內(nèi)溫度場(chǎng)、濃度場(chǎng)、壓力場(chǎng)和組份成分等參數(shù)隨 發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸轉(zhuǎn)角變化規(guī)律。并將取得的結(jié)果與三維仿真軟件Star-CD的計(jì)算模擬結(jié)果進(jìn)行 對(duì)比和驗(yàn)證，進(jìn)而揭示基于廢氣再循環(huán)(EGR)的CAI發(fā)動(dòng)機(jī)再循環(huán)廢氣分布對(duì)CAI燃燒過 程和有害排放物生成的影響規(guī)律及影響再循環(huán)廢氣分布的因素。為基于廢氣再循環(huán)的CAI 燃燒過程優(yōu)化控制，運(yùn)行區(qū)域的拓展，提供理論依據(jù)和技術(shù)儲(chǔ)備。本實(shí)用新型的上述目的通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)，結(jié)合附圖說明如下一種光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)，主要由原缸體305、加長(zhǎng)缸體302、缸蓋301、原活塞306、加長(zhǎng)活塞203、曲軸307和配氣相位機(jī)構(gòu)308組成，在原缸體(305)和缸蓋301之間加裝了加長(zhǎng)缸 體302、加長(zhǎng)缸套303、加長(zhǎng)活塞203和環(huán)墊101，在缸蓋301上裝配有配氣相位機(jī)構(gòu)308，加 長(zhǎng)活塞203的下部與原活塞306的上部定位固定連接，加長(zhǎng)缸體302與原缸體305定位固 定連接，在加長(zhǎng)活塞203上部安裝有環(huán)形鋁合金壓塊201和燃燒室透明窗口 202，在加長(zhǎng)活 塞203和加長(zhǎng)缸體302下部?jī)蓚?cè)同方向上開有長(zhǎng)方形孔501，其作用是當(dāng)加長(zhǎng)活塞上下運(yùn)動(dòng) 時(shí)，不干涉到安裝在原缸體(305)上的反射鏡304 ；在加長(zhǎng)活塞203下部沿軸線開有橫截面 為長(zhǎng)方形孔501，孔寬大于反射鏡304寬度，反射鏡304與活塞軸線成45°斜置在孔內(nèi)，反 射鏡304鏡架下端固定在原缸體305上，加長(zhǎng)缸體302內(nèi)有冷卻水套，通過可控溫度的循環(huán) 冷卻水16向循環(huán)水套內(nèi)提供熱水；進(jìn)氣道上裝備有燃油噴射器14 ；發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸307上設(shè)置 有角標(biāo)器5 ；缸蓋301上裝備有氣缸壓力石英傳感器7 ；配氣相位機(jī)構(gòu)308上裝備有氣門升 程電感傳感器9。所述的環(huán)墊101外緣在其互相垂直的方向上對(duì)稱安裝有能進(jìn)入激光束的四個(gè)激 光透明窗口 102，其作用是在兩個(gè)互相垂直的方向上將激光射入缸內(nèi)，去激發(fā)缸內(nèi)工質(zhì)。所述加長(zhǎng)活塞203上部的環(huán)形鋁合金壓塊201為能更換的且具有不同燃燒室形 狀的環(huán)形鋁合金壓塊201，它和下面的燃燒室透明窗口 202 —起構(gòu)成了盡可能大且具有一 定形狀的燃燒室，從燃燒室透明窗口 202的下方通過各種光學(xué)方法對(duì)燃燒室內(nèi)的工質(zhì)流動(dòng) 和燃燒過程進(jìn)行觀測(cè)，在環(huán)形鋁合金壓塊201的徑向兩個(gè)相對(duì)位置的邊緣上開有狹縫，使 在一定的光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸轉(zhuǎn)角下，激光束從一側(cè)的激光透明窗口 102穿過狹縫進(jìn)入到燃燒 室，并從另一側(cè)的狹縫和激光透明窗口 102中射出。本實(shí)用新型的技術(shù)效果是通過上述試驗(yàn)方法取得的結(jié)果與三維仿真軟件 Star-CD計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，進(jìn)而揭示基于廢氣再循環(huán)(EGR)的CAI發(fā)動(dòng)機(jī)再循環(huán)廢氣 分布對(duì)CAI燃燒過程和有害排放物生成的影響規(guī)律及影響再循環(huán)廢氣分布的因素。為基于 廢氣再循環(huán)的CAI燃燒過程優(yōu)化控制，運(yùn)行區(qū)域的拓展，提供理論依據(jù)和技術(shù)儲(chǔ)備。

圖1是環(huán)墊及激光透明窗口示意圖；圖2是環(huán)形鋁合金壓塊、燃燒室透明窗口及加長(zhǎng)活塞的組合體示意圖；圖3是本實(shí)用新型的整體結(jié)構(gòu)圖；圖4是本實(shí)用新型整體應(yīng)用結(jié)構(gòu)框圖。圖5是加長(zhǎng)活塞示意圖圖中101.環(huán)墊，102.激光透明窗口，201.環(huán)形鋁合金壓塊，202.燃燒室透明窗 口，203.加長(zhǎng)活塞，301.缸蓋，302.加長(zhǎng)缸體，303.加長(zhǎng)缸套，304.反射鏡，305.原缸體， 306.原活塞，307.曲軸，308.配氣相位機(jī)構(gòu)，309.火花塞，501.長(zhǎng)方形孔；1.計(jì)算機(jī)及數(shù)據(jù)采集和控制單元，2.激光器，3.增強(qiáng)式電荷耦合器件(ICXD)， 4.光譜儀，5.角標(biāo)器，6.脈沖信號(hào)處理模塊，7.氣缸壓力石英傳感器，8.電荷放大器，9.氣 門升程電感傳感器，10.載波放大器，11.溫度傳感器，12.溫度信號(hào)調(diào)理模塊，13.計(jì)算機(jī) 及高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，14.燃油噴射器，15.電噴控制系統(tǒng)，16.循環(huán)冷卻水箱，17.聯(lián)軸器， 18.測(cè)功機(jī)，19.控制柜；具體實(shí)施方式
下面參照附圖所示實(shí)施例，進(jìn)一步說明本實(shí)用新型的具體內(nèi)容及其具體實(shí)施方 式。本實(shí)用新型所述的一種光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)，在加長(zhǎng)缸體和缸蓋之間設(shè)置有一環(huán)墊，在環(huán) 墊徑向互相垂直的位置上安裝有可進(jìn)入激光束的四個(gè)激光透明窗口 ；在加長(zhǎng)活塞上部設(shè) 置有盡可能大且具有一定形狀燃燒室的，并有可用于觀察工質(zhì)運(yùn)動(dòng)和燃燒過程的燃燒室 透明窗口 ；加長(zhǎng)活塞和加長(zhǎng)缸體下部開有長(zhǎng)方形孔，孔內(nèi)放置有安裝在原缸體上的與活塞 軸線成45°傾角的反射鏡；加長(zhǎng)缸體內(nèi)具有冷卻水套，通過可控溫度的循環(huán)冷卻水箱向冷 卻水套內(nèi)提供熱水；缸蓋上設(shè)置有無凸輪驅(qū)動(dòng)可變相位配氣機(jī)構(gòu)；進(jìn)氣道內(nèi)設(shè)置有燃油噴 射器；發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸上設(shè)置有角標(biāo)器；缸蓋中設(shè)置有實(shí)時(shí)采集缸內(nèi)壓力的氣缸壓力石英傳感 器；無凸輪驅(qū)動(dòng)可變相位配氣機(jī)構(gòu)上設(shè)置有實(shí)時(shí)采集氣門升程的氣門升程電感傳感器。本 實(shí)用新型主要應(yīng)用于光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)的制作。所述光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)為配置有進(jìn)氣道燃料噴射的電噴裝置的光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)。所述環(huán)墊采用鋼材料，徑向互相垂直的位置上安裝有可進(jìn)入激光束的四個(gè)透明的 激光透明窗口。所述透明窗口采用石英玻璃材料。所述加長(zhǎng)活塞采用鋁合金材料，其最上部安裝有可構(gòu)成一定燃燒室形狀的并可以 進(jìn)入激光束的環(huán)形鋁合金壓塊，以及燃燒室透明窗口，其下部?jī)蓚?cè)開有可放置與活塞軸線 成45°傾角的反射鏡的長(zhǎng)方形孔。所述加長(zhǎng)缸體采用鑄鐵材料，由缸套和加長(zhǎng)缸體之間構(gòu)成冷卻水套，下部?jī)蓚?cè)開 有可放置活塞軸線成45°傾角反射鏡的長(zhǎng)方形孔。 所述無凸輪驅(qū)動(dòng)可變配氣相位機(jī)構(gòu)為由液壓控制元件組成，可任意調(diào)節(jié)進(jìn)排氣門 的升程和相位。所述角標(biāo)器為光電編碼器。通過本實(shí)用新型設(shè)置的激光透明窗口、燃燒室透明窗口和反射鏡，可獲得基于廢 氣再循環(huán)的CAI/HCCI燃燒方式下的光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)溫度場(chǎng)、濃度場(chǎng)、壓力場(chǎng)和組份成分等 參數(shù)隨發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸轉(zhuǎn)角變化的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。環(huán)墊環(huán)墊101用鋼材料制作。在互相垂直的方向上開有四個(gè)圓孔，每個(gè)圓孔內(nèi)安裝有 石英玻璃，即激光透明窗口 102，并用螺帽壓緊。這樣允許在兩個(gè)方向上分別穿過激光束，去 激發(fā)燃燒室內(nèi)的工質(zhì)。在安裝四個(gè)石英玻璃時(shí)應(yīng)注意密封和壓緊受力情況。另外也應(yīng)注意 環(huán)墊101與缸蓋301和加長(zhǎng)缸體302之間的密封。環(huán)形鋁合金壓塊、燃燒室透明窗口及加長(zhǎng)活塞組合體在原活塞306的基礎(chǔ)上安裝加長(zhǎng)活塞203。加長(zhǎng)活塞203由合金鋁棒加工而成， 設(shè)計(jì)時(shí)在保證其具有一定強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，盡量減輕它的重量。加長(zhǎng)活塞203上部安裝有環(huán) 形鋁合金壓塊201，同加長(zhǎng)活塞203 —起用固定螺栓將加長(zhǎng)活塞203中部的燃燒室透明窗 口 202壓緊。環(huán)形鋁合金壓塊201環(huán)內(nèi)側(cè)和燃燒室透明窗口 202上部構(gòu)成了燃燒室，環(huán)形 鋁合金壓塊201環(huán)內(nèi)側(cè)的不同形狀可構(gòu)成不同的燃燒室形狀。為了讓激光可以穿過該燃燒 室，在環(huán)形鋁合金壓塊201相對(duì)的兩側(cè)分別開有狹縫；在發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際工作時(shí)，加長(zhǎng)活塞203、環(huán)形鋁合金壓塊201及燃燒室透明窗口 202 —起在缸套303中運(yùn)動(dòng)，為了使安裝在原缸體 305上與活塞軸線成45°傾角的反射鏡304不受干擾，在加長(zhǎng)活塞203下部的兩側(cè)開有長(zhǎng) 方形孔501，使得當(dāng)加長(zhǎng)活塞203上下運(yùn)動(dòng)時(shí)剛好碰不到反射鏡304。來自燃燒室中的光信 號(hào)首先燃燒室透明窗口 202再通過反射鏡304被反射出來，由光學(xué)設(shè)備檢測(cè)分析。在裝配 過程中，要特別注意燃燒室透明窗口 202與環(huán)形鋁合金壓塊201及加長(zhǎng)活塞203之間受力 狀態(tài)、密封等問題。因?yàn)榧す馄靼l(fā)出的激光束波長(zhǎng)在260nm 1064nm之間，不同燃料經(jīng)過 激發(fā)后，其波長(zhǎng)范圍可在200nm 2000nm左右。因此，石英玻璃材料選用紫外光學(xué)石英玻 璃JGS2，它是用氫氧熔化的光學(xué)石英玻璃，是透過200 2500nm波段的優(yōu)良材料。加長(zhǎng)缸體加長(zhǎng)缸體302下部與原缸體305螺栓連接并定位，上部與環(huán)墊101和缸蓋301用 螺栓連接。加長(zhǎng)缸體302和加長(zhǎng)活塞203之間為缸套303，加長(zhǎng)缸體302和缸套303圍成 冷卻水套。加長(zhǎng)缸體302與循環(huán)冷卻水箱16用水管連接，循環(huán)冷卻水箱16可以控制發(fā)動(dòng) 機(jī)冷卻水溫度，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)之前先將循環(huán)冷卻水加熱到一定溫度，幫助燃燒室加溫，使其能 快速啟動(dòng)，以免過多的運(yùn)轉(zhuǎn)造成光學(xué)玻璃的污染及加長(zhǎng)部分的損壞。由于缸蓋301與原缸 體305之間加長(zhǎng)了一段距離，因此加長(zhǎng)缸體302應(yīng)具有一定的強(qiáng)度，設(shè)計(jì)了加強(qiáng)筋，保證發(fā) 動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)加長(zhǎng)缸體302不會(huì)因?yàn)榕まD(zhuǎn)力矩發(fā)生斷裂現(xiàn)象。反射鏡 在原缸體305上安裝固定有一個(gè)與活塞軸線成45°傾角的支架，支架上安裝有反 射鏡304。反射鏡304為鍍鋁膜全反射鏡，它可以增強(qiáng)散射光的反射能力。原發(fā)動(dòng)機(jī)的改造由于在原活塞306上增加了加長(zhǎng)活塞203，因此增加了重量，造成了曲軸的不平 衡，為了解決這個(gè)問題對(duì)原曲軸平衡塊進(jìn)行了計(jì)算和改造，使得在增加的重量的情況下曲 軸具有良好的平衡。加長(zhǎng)缸體302和原缸體305之間的連接應(yīng)保證很好的定位，避免加長(zhǎng) 活塞203與缸套303之間不正常的碰撞。激光透明窗口 102和燃燒室透明窗口 202在較長(zhǎng) 時(shí)間的爆發(fā)壓力工作條件下會(huì)損壞，燃?xì)夂蜐櫥偷挠偷螘?huì)污染石英玻璃造成光學(xué)信號(hào)的 失真，因此由電噴控制系統(tǒng)15任意控制燃油噴油器14的噴油時(shí)刻，從而控制發(fā)動(dòng)機(jī)工作循 環(huán)次數(shù)?？煽刂茙讉€(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)工作，幾個(gè)循環(huán)不工作，以排除廢氣，盡可能減少其對(duì)石英 玻璃的污染。角標(biāo)器角標(biāo)器5安裝到光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸307上，產(chǎn)生同步觸發(fā)信號(hào)和曲軸轉(zhuǎn)角信號(hào)，經(jīng) 過脈沖信號(hào)處理模塊6后分別輸入到圖4的1、2、3、13中，通過硬件和軟件結(jié)合達(dá)到與光學(xué) 發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)同步和按光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸轉(zhuǎn)角位置采集的目的。經(jīng)過標(biāo)定，該同步觸發(fā)信號(hào)與 發(fā)動(dòng)機(jī)的上止點(diǎn)位置相對(duì)應(yīng)，這樣該應(yīng)用例可以在上止點(diǎn)前后不同的曲軸轉(zhuǎn)角下同步采集信號(hào)。光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)具體實(shí)施例首先用循環(huán)冷卻水箱16將加長(zhǎng)缸套303中的循環(huán)水加熱到80士5°C，之后啟動(dòng)光 學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)，由測(cè)功機(jī)系統(tǒng)17、18、19控制光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷，由配氣相位機(jī)構(gòu)308調(diào)整配氣 相位和升程，由電噴控制系統(tǒng)15和燃油噴射器14向進(jìn)氣道內(nèi)定時(shí)噴射燃油。當(dāng)將光學(xué)發(fā) 動(dòng)機(jī)調(diào)整到需要研究的工況(如CAI燃燒模式下)時(shí)，由計(jì)算機(jī)及數(shù)據(jù)采集和控制單元1控制激光器2發(fā)射激光，然后用光譜儀4和增強(qiáng)式電荷耦合器件(ICCD)3采集光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī) 缸內(nèi)燃燒和流動(dòng)過程中的光信號(hào)，同時(shí)計(jì)算機(jī)及高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)13采集記錄下由氣缸 壓力石英傳感器7和電荷放大器8得到的氣缸壓力信號(hào)，由氣門升程電感傳感器9和載波 放大器10得到的進(jìn)排氣門升程和位移信號(hào)，由溫度傳感器11和溫度信號(hào)調(diào)理模塊12得到 的冷卻水溫、機(jī)油溫度和排氣溫度。通過角標(biāo)器5和脈沖信號(hào)處理模塊6，使得所有的測(cè)量 都是基于光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸轉(zhuǎn)角的，并由上止點(diǎn)信號(hào)區(qū)分開每個(gè)實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)工作循環(huán)。為了 避免損壞和污染激光透明窗口 102和燃燒室透明窗口 202，光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)工況被控制在低轉(zhuǎn) 速(1200r/min及以下)，間歇工作，連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間一般少于10分鐘。 本實(shí)用新型于將原金屬單缸發(fā)動(dòng)機(jī)改造成光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)，而且適用于將多缸發(fā)動(dòng)機(jī) 改造成一缸或多缸光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)的場(chǎng)合。
權(quán)利要求一種光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)，主要由原缸體(305)、加長(zhǎng)缸體(302)、缸蓋(301)、原活塞(306)、加長(zhǎng)活塞(203)、曲軸(307)和配氣相位機(jī)構(gòu)(308)組成，其特征在于，在原缸體(305)和缸蓋(301)之間加裝了加長(zhǎng)缸體(302)、加長(zhǎng)缸套(303)、加長(zhǎng)活塞(203)和環(huán)墊(101)，在缸蓋(301)上裝配有配氣相位機(jī)構(gòu)(308)，加長(zhǎng)活塞(203)的下部與原活塞(306)的上部定位固定連接，加長(zhǎng)缸體(302)與原缸體(305)定位固定連接，在加長(zhǎng)活塞(203)上部安裝有環(huán)形鋁合金壓塊(201)和燃燒室透明窗口(202)，在加長(zhǎng)活塞(203)和加長(zhǎng)缸體(302)下部?jī)蓚?cè)同方向上開有長(zhǎng)方形孔(501)，其作用是當(dāng)加長(zhǎng)活塞上下運(yùn)動(dòng)時(shí)，不干涉到安裝在原缸體(305)上的反射鏡(304)；在加長(zhǎng)活塞(203)下部沿軸線開有橫截面為長(zhǎng)方形孔(501)，孔寬大于反射鏡(304)寬度，反射鏡(304)與活塞軸線成45°斜置在孔內(nèi)，反射鏡(304)鏡架下端固定在原缸體(305)上，加長(zhǎng)缸體(302)內(nèi)有冷卻水套，通過可控溫度的循環(huán)冷卻水(16)向循環(huán)水套內(nèi)提供熱水；進(jìn)氣道上裝備有燃油噴射器(14)；發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸(307)上設(shè)置有角標(biāo)器(5)；缸蓋(301)上裝備有氣缸壓力石英傳感器(7)；配氣相位機(jī)構(gòu)(308)上裝備有氣門升程電感傳感器(9)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于，所述的環(huán)墊(101)外緣在其互 相垂直的方向上對(duì)稱安裝有能進(jìn)入激光束的四個(gè)激光透明窗口(102)，其作用是在兩個(gè)互 相垂直的方向上將激光射入缸內(nèi)，去激發(fā)缸內(nèi)工質(zhì)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于，所述加長(zhǎng)活塞(203)上部的 環(huán)形鋁合金壓塊(201)為能更換的且具有不同燃燒室形狀的環(huán)形鋁合金壓塊(201)，它和 下面的燃燒室透明窗口(202) —起構(gòu)成具有一定形狀的燃燒室，從燃燒室透明窗口(202) 的下方通過各種光學(xué)方法對(duì)燃燒室內(nèi)的工質(zhì)流動(dòng)和燃燒過程進(jìn)行觀測(cè)，在環(huán)形鋁合金壓塊 (201)的徑向兩個(gè)相對(duì)位置的邊緣上開有狹縫，使在一定的光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸轉(zhuǎn)角下，激光束 從一側(cè)的激光透明窗口(102)穿過狹縫進(jìn)入到燃燒室，并從另一側(cè)的狹縫和激光透明窗口 (102)中射出。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)，以提供發(fā)動(dòng)機(jī)在燃用不同燃料和在不同燃燒室下的不同燃燒方式。其特點(diǎn)是，在原缸體(305)和缸蓋(301)之間加裝了加長(zhǎng)缸體(302)、加長(zhǎng)缸套(303)、加長(zhǎng)活塞(203)和環(huán)墊(101)，在缸蓋(301)上裝配有配氣相位機(jī)構(gòu)(308)，在加長(zhǎng)活塞(203)上部安裝有環(huán)形鋁合金壓塊(201)和燃燒室透明窗口(202)，在加長(zhǎng)活塞(203)下部斜置有與活塞軸線成45°的反射鏡(304)，發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸(307)上設(shè)置有角標(biāo)器(5)；缸蓋(301)上裝備有氣缸壓力石英傳感器(7)；配氣相位機(jī)構(gòu)(308)上裝有氣門升程電感傳感器(9)。
文檔編號(hào)F02B77/00GK201687573SQ20102015089
公開日2010年12月29日 申請(qǐng)日期2010年4月7日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月7日
發(fā)明者劉忠長(zhǎng), 孫萬臣, 李華, 李曉冰, 池俊成, 王友坤, 程鵬, 郭英男, 閆冠, 高印寒 申請(qǐng)人:吉林大學(xué)