用于实验室的快速压缩机实验平台及压缩比的调节方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于实验室的快速压缩机实验平台，包括燃烧室单元、制动缸单元和驱动缸单元；制动缸单元包括制动缸缸体、制动缸后盖和制动活塞，制动活塞与燃烧室活塞之间连有第一连杆，制动活塞的下止点位置由制动缸后盖的位置确定；驱动缸单元包括驱动活塞，驱动活塞与制动活塞之间连有第二连杆；配备有多个可以放置于制动缸后盖与制动缸缸体之间的压缩比调节垫片；压缩比调节垫片由一对抱合的半圆垫片构成，所放置的压缩比调节垫片的总厚度是在保持燃烧室活塞的上止点位置不变的前提下，根据燃烧室活塞的下止点位置来确定。本发明通过在制动缸后盖处加装垫片以改变燃烧室活塞初始位置，同时保证余隙容积不变，以达到压缩比的调节。
【专利说明】
用于实验室的快速压缩机实验平台及压缩比的调节方法
技术领域
[0001]本发明为在一种在快速压缩机实验装置上实现压缩比调节的方式，涉及内燃机燃烧学领域，具体涉及用以研究燃料自燃及火焰传播特性的基础实验装置。
【背景技术】
[0002]人类的运输活动对化石燃料的消耗加剧了能源危机，同时导致的二氧化碳大量排放，也是温室效应的主要原因之一。为满足日益严格的二氧化碳排放法规，汽油机小型强化作为一种新的技术手段，通过增大压缩比以及进气增压来实现发动机效率的提升。然而小型强化会带来发动机爆震问题，在爆震发生时汽油机热效率会下降，伴随强烈的压力波动，严重时造成发动机机械损坏和烧蚀。因此，作为能够为发动机爆震抑制提供理论基础和技术依托的发动机爆震机理，有其研究的必要性和创新性。
[0003]目前的研究表明，发动机爆震主要与末端气体自燃及火焰传播过程中的转变有关。自燃一般由化学动力学控制，发展不同气相燃料的化学动力学模型来准确模拟化学反应过程，可实现自燃时刻的预测。将可燃混合气置于一定初始温度和压力下，则在一定的时间后气体将发生自燃，这段时间叫做点火延迟，不同初始条件下混合气的点火延迟可作为发展化学动力学模型的依据。同时，不同形状活塞及燃烧室加热方式可实现不同的气体温度分布，模拟温度均匀与不均匀条件下的自燃。快速压缩机可以通过快速压缩可燃气体，使其在短时间内达到指定的初始温度和压力，以实现不同初始条件下点火延迟的测量。在火焰传播的燃烧方面，一般通过光学拍摄与缸内各种传感器信号的结合，在可视化燃烧装置中进行研究。光学快速压缩机可通过在可替换燃烧室上安装光学视窗和传感器以实现不同的光学测量手段，如直接拍摄、纹影法和平面激光诱导荧光法(PLIF)等，进而实现火焰传播过程的准确分析。
[0004]快速压缩机中的气体被压缩后的热力学状态主要由气体压的成分、压缩前的状态以及压缩比决定，因此，调节压缩比是快速压缩机实验中的关键环节。
【发明内容】
[0005]针对现有技术，本发明提供一种用于实验室的快速压缩机实验平台，运用于基础燃烧学实验装置-快速压缩机，通过在制动缸后盖处加装垫片以改变燃烧室活塞初始位置，同时保证余隙容积不变，以达到压缩比调节的目的。
[0006]为了解决上述技术问题，本发明提出的一种用于实验室的快速压缩机实验平台，包括自前向后依次布置的燃烧室单元、制动缸单元和驱动缸单元，所述燃烧室单元包括燃烧室顶盖、燃烧室腔体、燃烧室气缸和燃烧室活塞，所述燃烧室腔体的前部设有石英玻璃观察窗;所述制动缸单元包括制动缸缸体、制动缸前端盖、制动缸后盖和制动活塞，所述制动活塞与所述燃烧室活塞之间连接有第一连杆，所述制动活塞的下止点位置由所述制动缸后盖的位置确定;所述驱动缸单元包括驱动活塞，所述驱动活塞与所述制动活塞之间连接有第二连杆;配备有多个压缩比调节垫片，所述压缩比调节垫片用于改变制动缸后盖与制动缸缸体之间的轴向距离，从而调节燃烧室的初始容积;所述压缩比调节垫片由一对抱合的半圆垫片构成，所述制动缸后盖与所述制动缸缸体之间至少放置一个压缩比调节垫片，所放置的压缩比调节垫片的总厚度是在保持燃烧室活塞的上止点位置不变的前提下，根据燃烧室活塞的下止点位置来确定。
[0007]本发明的用于实验室的快速压缩机实验平台中，多个压缩比调节垫片的厚度可以不同。
[0008]使用本发明用于实验室的快速压缩机实验平台实现压缩比的调节过程是，在一次试验后，排空燃烧室中的残余废气，并卸去驱动活塞后方中的气压和制动缸中的油压;旋下制动缸后盖与制动缸缸体之间的连接螺钉;若减小压缩比，则根据选择的压缩比，去除多余的压缩比调节垫片保留合适厚度的压缩比调节垫片，根据保留下来的压缩比调节垫片的厚度匹配合适长度的连接螺钉，将连接螺钉自穿过制动缸后盖和压缩比调节垫片并旋入制动缸缸体中，向前推动制动缸后盖压紧压缩比调节垫片与制动缸缸体，旋紧所有连接螺钉;若增大压缩比，则将对角位置处的两个连接螺栓旋入穿过制动缸后盖和压缩比调节垫片并旋入制动缸缸体中；然后，在驱动活塞的前方充入压缩空气作为驱动气压，使制动活塞与驱动活塞之间的第二连杆拉动制动活塞至与制动缸后盖的前端接触的位置，并压紧制动缸后盖，逐渐增大驱动活塞前方压缩空气的气压，使制动活塞推动制动缸后盖逐渐脱出至连接螺钉处;卸除驱动气压，旋下连接螺钉，将构成压缩比调节垫片的一对或多对半圆垫片卡在制动缸后盖前部的外圆上，匹配合适长度的连接螺栓，先预拧上两个连接螺钉，调节制动缸后盖的位置并将制动缸后盖的前部敲入制动缸缸体内，压紧压缩比调节垫片和制动缸缸体，旋紧所有连接螺钉;压缩比调节完成后，进行后续试验即可。
[0009]与现有技术相比，本发明的有益效果是:
[0010](I)本发明可实现余隙容积(或活塞行程)不变情况下的压缩比调节，通过调整垫片的总厚度实现多种压缩后热力学状态。
[0011](2)由于液压缸油压较高，必须实现制动缸后盖与制动缸缸体的紧密配合，因此导致制动缸后盖的拆装极为困难。本发明可以在液压辅助下实现制动缸后盖免拆卸下的压缩比调节，垫片可自由拆装，避免了制动缸后盖拆装所带来的体力与时间消耗。
【附图说明】
[0012]图1本发明中快速压缩机燃烧室与制动缸单元部分示意图；
[0013]图2是本发明中制动缸单元部分的结构分解示意图。
[0014]图中:
[0015]1-燃烧室顶盖 2-燃烧室腔体3-燃烧室气缸
[0016]4-燃烧室活塞 5-第一连杆6-制动缸前端盖
[0017]7-液压连接口 8-制动活塞9-制动缸缸体
[0018]10-压缩比调节垫片 11-制动缸后盖12-制动缸后盖密封盖
[0019]13-第二连杆 14-制动活塞的后部15-石英玻璃观察窗
【具体实施方式】
[0020]下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述，所描述的具体实施例仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。
[0021]如图1所示，本发明提出的一种用于实验室的快速压缩机实验平台，用于压缩比的调节，以实现压缩后不同的气体温度与压力，该快速压缩机实验平台包括自前向后依次布置的燃烧室单元、制动缸单元和驱动缸单元，所述燃烧室单元包括燃烧室顶盖1、燃烧室腔体2、燃烧室气缸3和燃烧室活塞4，所述燃烧室腔体2的前部设有石英玻璃观察窗15;所述制动缸单元包括制动缸缸体9、制动缸前端盖6、制动活塞8、制动缸后盖11和制动缸后盖密封盖12，制动缸缸体9上设有液压连接口 7，所述燃烧室活塞4通过第一连杆5与所述制动活塞8的前部相连，制动活塞8的下止点位置由制动缸后盖11的位置确定，通过改变制动缸后盖11与制动缸缸体9间的轴向距离，可以起到调整燃烧室活塞4的下止点位置，同时保持其上止点位置不变，由此起到压缩比调节的作用。所述驱动缸单元包括驱动活塞，所述驱动活塞与所述制动活塞后部14之间连接有第二连杆13，图1中省略了后侧与第二连杆13相连的驱动缸部分。
[0022]本发明中通过配备有多个压缩比调节垫片10，并将所述压缩比调节垫片10固定于制动缸后盖11与制动缸缸体9间，使制动缸后盖11的前端面处于不同的位置，用于改变制动缸后盖11与制动缸缸体9之间的轴向距离，从而调节燃烧室腔体2的初始容积，即燃烧室活塞4的初始位置。为了方便的调节压缩机的压缩比，本发明中的多个压缩比调节垫片10的厚度可以是不同的。所述压缩比调节垫片10由一对抱合的半圆垫片构成，所述压缩比调节垫片10的内径略大于制动缸后盖11前部的外径。
[0023]所述制动缸后盖11与所述制动缸缸体9之间至少放置一个压缩比调节垫片10，所放置的压缩比调节垫片10的总厚度是在保持燃烧室活塞4的上止点位置不变的前提下，根据燃烧室活塞4的下止点位置来确定。
[0024]实验开始前，制动活塞8的后部通过第二连杆13与驱动活塞(未画出)相连，驱动活塞承受驱动缸内较高气压，制动活塞8的前部后端面被液压压紧在制动缸后盖11的前端面。实验开始时，通过卸载液压，驱动活塞通过第二连杆13推动制动活塞8，进而通过第一连杆5推动燃烧室活塞4快速移动，压缩燃烧室腔体2中可燃气体，使之达到高温高压状态并燃烧，以供图像与数据采集。制动活塞8在接近上止点时会进入制动缸前端盖6上的制动槽，通过液压制动，并被高压驱动气体锁死在上止点处，以此实现定容燃烧。由于制动槽位置固定，通过加厚压缩比调节垫片10，可以增大燃烧室活塞行程，进而增大压缩比，反之，则可以减小压缩比。
[0025]使用本发明用于实验室的快速压缩机实验平台，在一次实验结束后，如需调节压缩比，采用下述方法可取得较佳效果:
[0026]在一次试验后，排空燃烧室中的残余废气，并卸去驱动活塞后方中的气压和制动缸中的油压;旋下制动缸后盖11与制动缸缸体9之间的连接螺钉；
[0027]若减小压缩比，则根据选择的压缩比，去除多余的压缩比调节垫片10保留合适厚度的压缩比调节垫片10，根据保留下来的压缩比调节垫片10的厚度匹配合适长度的连接螺钉，将连接螺钉自穿过制动缸后盖11和压缩比调节垫片10并旋入制动缸缸体9中，向前推动制动缸后盖11压紧压缩比调节垫片10与制动缸缸体9，旋紧所有连接螺钉；
[0028]若增大压缩比，则将对角位置处的两个连接螺栓旋入穿过制动缸后盖11和压缩比调节垫片10并旋入制动缸缸体9中；然后，在驱动活塞的前方充入压缩空气作为驱动气压，使制动活塞8与驱动活塞之间的第二连杆13拉动制动活塞8归位到图1所示位置，即拉动制动活塞8至与制动缸后盖11的前端接触的位置，并压紧制动缸后盖11，逐渐增大驱动活塞前方压缩空气的气压，使制动活塞8推动制动缸后盖11逐渐脱出至连接螺钉处；卸除驱动气压，旋下连接螺钉，由于所述压缩比调节垫片10的内径略大于制动缸后盖11前部的外径，因此，可以可方便地将构成压缩比调节垫片10的一对或多对半圆垫片轻轻地卡在制动缸后盖11前部的外圆上，匹配合适长度的连接螺栓，先预拧上两个连接螺钉，调节制动缸后盖11的位置并将制动缸后盖11的前部敲入制动缸缸体9内，压紧压缩比调节垫片10和制动缸缸体9，旋紧所有连接螺钉；
[0029]压缩比调节完成后，进行后续试验即可。
[0030]本发明使用时的注意事项:
[0031 ] 1、制动缸缸体9上如有焊接支架，需要在焊接完成后，再对制动缸缸体9的内壁车内圆，以消除热变形带来的不同轴度，利于配合安装。
[0032]2、制动缸后盖11的前端面上开有燕尾槽，以防止端盖密封圈脱落，并放置与之匹配的密封圈，以实现制动活塞8前后的压力差，保证制动活塞8在实验开始前能保持在下止点位置。
[0033]3、压缩比调节垫片10采用轻质金属材料如铝合金。先加工整个环形垫片，其内圆半径应略大于制动缸后盖前部的外圆半径，保证安装方便，然后从相邻两个通孔之间进行线切割，将其分为两半，并将切割面铣下0.1-0.3mm左右。
[0034]4、安装压缩比调节垫片10时，在增大制动缸内油压前，应先采用两个螺钉略微旋入螺纹孔，以起到限位作用，防止制动缸后盖11完全脱离制动缸缸体9。
[0035]尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的【具体实施方式】，上述的【具体实施方式】仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。
【主权项】
1.一种用于实验室的快速压缩机实验平台，包括自前向后依次布置的燃烧室单元、制动缸单元和驱动缸单元，所述燃烧室单元包括燃烧室顶盖(I)、燃烧室腔体(2)、燃烧室气缸(3)和燃烧室活塞(4)，所述燃烧室腔体(2)的前部设有石英玻璃观察窗(15);所述制动缸单元包括制动缸缸体(9)、制动缸前端盖(6)、制动缸后盖(11)和制动活塞(8)，所述制动活塞(8)与所述燃烧室活塞(4)之间连接有第一连杆(5)，所述制动活塞(5)的下止点位置由所述制动缸后盖(11)的位置确定;所述驱动缸单元包括驱动活塞，所述驱动活塞与所述制动活塞(8)之间连接有第二连杆(13);其特征在于: 配备有多个压缩比调节垫片(10)，所述压缩比调节垫片(10)用于改变制动缸后盖(11)与制动缸缸体(9)之间的轴向距离，从而调节燃烧室腔体(2)的初始容积； 所述压缩比调节垫片(10)由一对抱合的半圆垫片构成;所述制动缸后盖(11)与所述制动缸缸体(9)之间至少放置一个压缩比调节垫片(10)，所放置的压缩比调节垫片(10)的总厚度是在保持燃烧室活塞(4)的上止点位置不变的前提下，根据燃烧室活塞(4)的下止点位置来确定。2.根据权利要求1所述用于实验室的快速压缩机实验平台，其特征在于，多个压缩比调节垫片(10)的厚度不同。3.根据权利要求1所述用于实验室的快速压缩机实验平台，其特征在于，所述压缩比调节垫片(10)的内径小于制动缸后盖(11)前部的外径。4.一种用于实验室的快速压缩机的压缩比调节方法，其特征在于，使用如权利要求1或3任一所述用于实验室的快速压缩机实验平台，在一次试验后，排空燃烧室中的残余废气，并卸去驱动活塞后方中的气压和制动缸中的油压;旋下制动缸后盖(11)与制动缸缸体(9)之间的连接螺钉;压缩比的调节过程如下: 若减小压缩比，则根据选择的压缩比，去除多余的压缩比调节垫片(10)保留合适厚度的压缩比调节垫片(10)，根据保留下来的压缩比调节垫片(10)的厚度匹配合适长度的连接螺钉，将连接螺钉穿过制动缸后盖(I I)和压缩比调节垫片(1)并旋入制动缸缸体(9)中，向前推动制动缸后盖(11)压紧压缩比调节垫片(10)与制动缸缸体(9)，旋紧所有连接螺钉； 若增大压缩比，则将对角位置处的两个连接螺栓旋入穿过制动缸后盖(11)和压缩比调节垫片(10)并旋入制动缸缸体(9)中；然后，在驱动活塞的前方充入压缩空气作为驱动气压，使制动活塞(8)与驱动活塞之间的第二连杆(13)拉动制动活塞(8)至与制动缸后盖(11)的前端接触的位置，并压紧制动缸后盖(11)，逐渐增大驱动活塞前方压缩空气的气压，使制动活塞(8)推动制动缸后盖(11)逐渐脱出至连接螺钉处;卸除驱动气压，旋下连接螺钉，将构成压缩比调节垫片(10)的一对或多对半圆垫片卡在制动缸后盖(11)前部的外圆上，匹配合适长度的连接螺栓，先预拧上两个连接螺钉，调节制动缸后盖(I I)的位置并将制动缸后盖(II)的前部敲入制动缸缸体(9)内，压紧压缩比调节垫片(1)和制动缸缸体(9)，旋紧所有连接螺钉； 压缩比调节完成后，进行后续试验即可。
【文档编号】F04B51/00GK106089676SQ201610645593
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年8月5日 公开号201610645593.6, CN 106089676 A, CN 106089676A, CN 201610645593, CN-A-106089676, CN106089676 A, CN106089676A, CN201610645593, CN201610645593.6
【发明人】卫海桥, 商艺宝, 高东志, 冯登全, 陈策远, 潘明章, 蔡霁蕾
【申请人】天津大学