专利名称：光学发动机的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及汽车或动力机械发动机，特别是涉及一种光学发动机。
背景技术：
近年来在石油资源日益枯竭，汽车排放法规日趋严格的形势下，降低汽车的排放 和改善汽车燃油经济性的迫切性显得格外突出。由于汽油机的燃油经济性比柴油机差，所 以降低汽油机的油耗则显得更为迫切。最新出现的可控自燃着火(CAI)或者说均质充量压燃着火(HCCI)与传统的燃烧 模式相比具有极低的NOx、CO排放和改善燃油经济性的优势和潜力，正在受到国际内燃机 界广泛重视，被认为是未来极具吸引力的汽油机技术之一。CAI/HCCI燃烧模式在理论上可 以通过多种方式实现。但是由国外前期的研究结果表明，利用再循环废气是在汽车发动机 上实现CAI/HCCI燃烧模式最为有效的方法和途径。通过全可变配气机构的相位和升程的 改变可以实现缸内废气再循环(EGR)和进排气道EGR的质量调节。研究的结果从不同侧面揭示了再循环废气的温度分布与燃烧过程之间存在明显 的相关性，通过控制EGR的分布有可能实现对CAI模式着火和燃烧过程的有效控制。但是 各种再循环废气策略废气是如何分布的？怎样分布对控制CAI燃烧过程最有利？影响再 循环废气分布的主要因素有那些？如何控制再循环废气的分布？这些问题还没有系统深 入地进行研究。为了研究这些内容，人们必须准确得知缸内温度场、浓度场及组份等情况，从而了 解在不同EGR策略下新气充量和残余废气在缸内具体的分布情况，了解发动机缸内流动、 燃烧过程的详细情况。燃烧诊断就是对燃烧过程进行测量和分析。但由于发动机燃烧室是用于燃料燃烧 爆炸的一个密封性很好的容器，一般很难得到缸内气体运动和燃烧情况。对于温度、压力、 速度及组份等的测量，以往人们普遍使用热电偶、压电传感器、动静压管及气体分析仪等物 理探针或测试仪器。用压电晶体传感器可以精确测量缸内压力，然后再利用各种分析计算 程序间接地得到缸内的一些基本信息，如用放热率计算程序可得到缸内平均的温度随曲轴 转角变化规律；利用各种物理探针(如热电偶)介入燃烧室内得到某点或截面的流速、温度 等参数，但毕竟其干扰了缸内正常的流场和工作，对高温的耐受力有限、缺乏足够的空间和 时间分辨率。燃烧诊断技术的落后造成各种发动机燃烧流场的物理图像、化学反应机理等至今 并不清楚，成为燃烧机理研究进一步深入的障碍。而燃烧机理研究不足，直接影响到新一代 发动机的研制，例如CAI/HCCI燃烧机理研究的滞后就是CAI/HCCI发动机研制的主要困难之一。国外从上世纪八十年代初期就开始将光学诊断技术尤其是激光光谱诊断技术应 用于发动机缸内气相或气液两相流的参量测量。激光光谱测量的本质是以激光为激励光源，通过光谱仪和增强型电荷耦合器件(ICCD)感受被测对象内部能量分布和能级跃迁相关的电磁场来得到测量信息，具有高灵敏 度、非接触和高时空分辨率等特点。在测量环境恶劣的燃烧流场中，它可以进行温度、浓度 和组份等多参量的测量。目前国内外应用在发动机上的光学诊断技术主要有米氏(Mie)、瑞利 (Rayleigh)和自发拉曼散射(Raman)、相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)、平面激光诱导荧 光(PLIF)、激光诱导白炽光(LII)、化学发光法以及光学示踪剂法等。由于PLIF技术信号强度较高，被广泛应用于发动机中，它可以用于获得定性的浓 度和温度二维(2D)影像，具有出色的空间分辩能力。Mie、Rayleigh散射在很多情况下用于 发动机缸内浓度场的测定；CARS可以同时测量温度和CO2浓度，测量效果好，国外已经进行 了发动机内流场中温度、压力、流速等参数的测量分析；LII用于柴油机排放颗粒的研究； 化学发光法主要通过燃料燃烧时的发光来探测点火时刻与相位的关系；光学示踪剂法主要 用于流场的成像研究。基于激光的自发拉曼散射光谱技术可以对发动机缸内主要物质(CO、 CO2, 02、N2, H2O和燃料)进行实时、同步、多点测量，并且有很好的时空间分辨力，还可以通 过计算得出缸内温度、浓度及压力的变化规律。目前，国内外有许多实验室和研究所(中心)拥有光学发动机。著名的有美国的 圣地亚国家实验室、威斯康星大学的发动机研究中心和通用汽车公司，以及瑞典隆德大学 燃烧物理研究所、英国布鲁内尔大学机械工程部、中国天津大学内燃机燃烧学国家重点实
验室等。通常，发动机的燃烧室由缸盖内壁、缸套和活塞顶围成。因此，有三种方法获得光 学通路到燃烧室。使用一个或几个光学通路再结合不同的光学技术可以应用于不同型式发 动机的不同研究领域。1.穿过气缸盖的光学通路一般对于两冲程发动机具有侧置气门，即在缸盖上缺少气阀系统，允许安装光学 通路，可从上面观察燃烧室。1969年，Scott在一台两冲程单缸柴油机上实现了缸盖上的光 学通路，获得了完全的燃料喷射和燃烧的可视化；上世纪八十年代，美国普林斯顿大学研制 了一台火花点火(Si)单缸两冲程光学发动机，至今为止，完成了大量的光学实验。早期四冲程SI发动机具有侧置气门，尤其是L型缸盖发动机。1938年，G. M.(通 用汽车)公司的Withrow和Rassweiler替换部分或全部缸盖为透明窗口实现了燃烧的可 视化；1979年，Johnston在美国Sandia(圣地亚)国家实验室，在缸盖和活塞上使用透明窗 口提供了燃烧室完全可视化的区域，他们使用了一台CW激光拉曼系统在火花点火(Si)发 动机中测量了空燃比并研究了分层燃烧过程。现代发动机具有顶置气门机构，严重限制了从上部实现光学通路的空间。1991年， Spicher等人在一台IDI柴油机上特殊设计了带有光学通路的两气阀缸盖，分别在预混燃 烧室和浴盆形主燃烧室用高速摄影和纹影法观察到了自燃和爆震燃烧。英国布鲁内尔大学机械工程部在一台IDI柴油机上经过改造实现了在发动机侧 面和顶面观察燃烧室，借助于影像图、消光和双色法去研究柴油的喷雾、雾化、燃烧和碳烟 的形成。在相对大型的DI (直喷)柴油机中，可以将两个排气阀之一用光学窗口替代。1991 年，Dec等人用这种方法观察到了完全的喷雾羽流及其燃烧。[0020]总之，穿过气缸盖光学通路的这种方法，主要适用于侧置气门，两冲程发动机。对 于现代四冲程发动机需要复杂的改造，并影响了原始的流动和燃烧状态。2.穿过侧壁的光学通路在缸盖和缸体之间安装透明圆环窗口或用部分和完全的透明缸套替换原金属缸 套(无冷却水套)，使得从发动机侧面可视化。这种方法特别适用于能够时空分辨的基于激 光的缸内光学诊断技术。1988年，Bates用蓝宝石缸套实现了光学发动机的制造。威斯康 星大学的发动机研究中心、瑞典隆德大学燃烧物理研究所都利用这种方法进行了大量的缸 内光学诊断和研究。但这种方法要求活塞与透明体之间要有很好的中心线和润滑、一般要使用价格昂 贵的蓝宝石作为透明体。另外由于透明体表面为曲面形状，造成观察的图像存在扭曲现象， 需要较复杂的修正。3.穿过活塞的光学通路1961年，美国G.M.公司的Bowditch首先开发了将平顶透明体安装到活塞顶上，并 采用加长活塞和下置45度反光镜，实现从活塞底部观察燃烧室的情况。这对于使用了顶置 气门的现代发动机非常实用，它可以基本保持原燃烧室形状。目前，国内外大多数光学发动机都采用了这种光学通路，并结合其他的光学通路 来实现使用不同光学诊断技术的发动机缸内各种物理化学变化方面的深入研究。2002年S. Pischinger等人用Nd: YAG激光器激发的光的散射应用于CAI/HCCI发 动机的数值计算和EGR策略研究；2006年Zhaohua等人给出了基于532nm Nd: YAG在部分 工况下测量CAI发动机中的主要组份和空燃比。但是，目前国内在发动机缸内光学诊断上的技术不足在于1.目前还没有可以更换不同的发动机燃烧室，并能使用激光诊断的方法去研究缸 内燃烧过程的光学发动机。2.目前还没有一台这样的光学发动机，它可以通过全可变配气机构的不同相位和 升程的策略的组合可以达到EGR量的合理调节，用各种光学手段分析和研究，达到控制着 火始点和寻找时空分辨的缸内温度、速度、浓度和压力场等的分布规律，从而实现CAI/HCCI 燃烧并拓展其工作区域。
发明内容为了实现发动机在CAI/HCCI模式下的燃烧及控制，综合背景技术中提到的两 种光学通路的方法，并克服现有技术的不足，本实用新型的目的是提供一种光学发动机， 以提供发动机在燃用不同燃料和在不同燃烧室下的不同燃烧方式如均质充量压缩点燃 (HCCI)或可控自动点燃(CAI)情况下的缸内温度场、浓度场、压力场和组份成分等参数随 发动机曲轴转角变化规律。并将取得的结果与三维仿真软件Star-CD的计算模拟结果进行 对比和验证，进而揭示基于废气再循环(EGR)的CAI发动机再循环废气分布对CAI燃烧过 程和有害排放物生成的影响规律及影响再循环废气分布的因素。为基于废气再循环的CAI 燃烧过程优化控制，运行区域的拓展，提供理论依据和技术储备。本实用新型的上述目的通过以下技术方案实现，结合附图说明如下一种光学发动机，主要由原缸体305、加长缸体302、缸盖301、原活塞306、加长活塞203、曲轴307和配气相位机构308组成，在原缸体(305)和缸盖301之间加装了加长缸 体302、加长缸套303、加长活塞203和环垫101，在缸盖301上装配有配气相位机构308，加 长活塞203的下部与原活塞306的上部定位固定连接，加长缸体302与原缸体305定位固 定连接，在加长活塞203上部安装有环形铝合金压块201和燃烧室透明窗口 202，在加长活 塞203和加长缸体302下部两侧同方向上开有长方形孔501，其作用是当加长活塞上下运动 时，不干涉到安装在原缸体(305)上的反射镜304 ；在加长活塞203下部沿轴线开有横截面 为长方形孔501，孔宽大于反射镜304宽度，反射镜304与活塞轴线成45°斜置在孔内，反 射镜304镜架下端固定在原缸体305上，加长缸体302内有冷却水套，通过可控温度的循环 冷却水16向循环水套内提供热水；进气道上装备有燃油喷射器14 ；发动机曲轴307上设置 有角标器5 ；缸盖301上装备有气缸压力石英传感器7 ；配气相位机构308上装备有气门升 程电感传感器9。所述的环垫101外缘在其互相垂直的方向上对称安装有能进入激光束的四个激 光透明窗口 102，其作用是在两个互相垂直的方向上将激光射入缸内，去激发缸内工质。所述加长活塞203上部的环形铝合金压块201为能更换的且具有不同燃烧室形 状的环形铝合金压块201，它和下面的燃烧室透明窗口 202 —起构成了尽可能大且具有一 定形状的燃烧室，从燃烧室透明窗口 202的下方通过各种光学方法对燃烧室内的工质流动 和燃烧过程进行观测，在环形铝合金压块201的径向两个相对位置的边缘上开有狭缝，使 在一定的光学发动机曲轴转角下，激光束从一侧的激光透明窗口 102穿过狭缝进入到燃烧 室，并从另一侧的狭缝和激光透明窗口 102中射出。本实用新型的技术效果是通过上述试验方法取得的结果与三维仿真软件 Star-CD计算结果进行对比验证，进而揭示基于废气再循环(EGR)的CAI发动机再循环废气 分布对CAI燃烧过程和有害排放物生成的影响规律及影响再循环废气分布的因素。为基于 废气再循环的CAI燃烧过程优化控制，运行区域的拓展，提供理论依据和技术储备。
图1是环垫及激光透明窗口示意图；图2是环形铝合金压块、燃烧室透明窗口及加长活塞的组合体示意图；图3是本实用新型的整体结构图；图4是本实用新型整体应用结构框图。图5是加长活塞示意图图中101.环垫，102.激光透明窗口，201.环形铝合金压块，202.燃烧室透明窗 口，203.加长活塞，301.缸盖，302.加长缸体，303.加长缸套，304.反射镜，305.原缸体， 306.原活塞，307.曲轴，308.配气相位机构，309.火花塞，501.长方形孔；1.计算机及数据采集和控制单元，2.激光器，3.增强式电荷耦合器件(ICXD)， 4.光谱仪，5.角标器，6.脉冲信号处理模块，7.气缸压力石英传感器，8.电荷放大器，9.气 门升程电感传感器，10.载波放大器，11.温度传感器，12.温度信号调理模块，13.计算机 及高速数据采集系统，14.燃油喷射器，15.电喷控制系统，16.循环冷却水箱，17.联轴器， 18.测功机，19.控制柜；具体实施方式
下面参照附图所示实施例，进一步说明本实用新型的具体内容及其具体实施方 式。本实用新型所述的一种光学发动机，在加长缸体和缸盖之间设置有一环垫，在环 垫径向互相垂直的位置上安装有可进入激光束的四个激光透明窗口 ；在加长活塞上部设 置有尽可能大且具有一定形状燃烧室的，并有可用于观察工质运动和燃烧过程的燃烧室 透明窗口 ；加长活塞和加长缸体下部开有长方形孔，孔内放置有安装在原缸体上的与活塞 轴线成45°倾角的反射镜；加长缸体内具有冷却水套，通过可控温度的循环冷却水箱向冷 却水套内提供热水；缸盖上设置有无凸轮驱动可变相位配气机构；进气道内设置有燃油喷 射器；发动机曲轴上设置有角标器；缸盖中设置有实时采集缸内压力的气缸压力石英传感 器；无凸轮驱动可变相位配气机构上设置有实时采集气门升程的气门升程电感传感器。本 实用新型主要应用于光学发动机的制作。所述光学发动机为配置有进气道燃料喷射的电喷装置的光学发动机。所述环垫采用钢材料，径向互相垂直的位置上安装有可进入激光束的四个透明的 激光透明窗口。所述透明窗口采用石英玻璃材料。所述加长活塞采用铝合金材料，其最上部安装有可构成一定燃烧室形状的并可以 进入激光束的环形铝合金压块，以及燃烧室透明窗口，其下部两侧开有可放置与活塞轴线 成45°倾角的反射镜的长方形孔。所述加长缸体采用铸铁材料，由缸套和加长缸体之间构成冷却水套，下部两侧开 有可放置活塞轴线成45°倾角反射镜的长方形孔。 所述无凸轮驱动可变配气相位机构为由液压控制元件组成，可任意调节进排气门 的升程和相位。所述角标器为光电编码器。通过本实用新型设置的激光透明窗口、燃烧室透明窗口和反射镜，可获得基于废 气再循环的CAI/HCCI燃烧方式下的光学发动机缸内温度场、浓度场、压力场和组份成分等 参数随发动机曲轴转角变化的实验数据。环垫环垫101用钢材料制作。在互相垂直的方向上开有四个圆孔，每个圆孔内安装有 石英玻璃，即激光透明窗口 102，并用螺帽压紧。这样允许在两个方向上分别穿过激光束，去 激发燃烧室内的工质。在安装四个石英玻璃时应注意密封和压紧受力情况。另外也应注意 环垫101与缸盖301和加长缸体302之间的密封。环形铝合金压块、燃烧室透明窗口及加长活塞组合体在原活塞306的基础上安装加长活塞203。加长活塞203由合金铝棒加工而成， 设计时在保证其具有一定强度的基础上，尽量减轻它的重量。加长活塞203上部安装有环 形铝合金压块201，同加长活塞203 —起用固定螺栓将加长活塞203中部的燃烧室透明窗 口 202压紧。环形铝合金压块201环内侧和燃烧室透明窗口 202上部构成了燃烧室，环形 铝合金压块201环内侧的不同形状可构成不同的燃烧室形状。为了让激光可以穿过该燃烧 室，在环形铝合金压块201相对的两侧分别开有狭缝；在发动机实际工作时，加长活塞203、环形铝合金压块201及燃烧室透明窗口 202 —起在缸套303中运动，为了使安装在原缸体 305上与活塞轴线成45°倾角的反射镜304不受干扰，在加长活塞203下部的两侧开有长 方形孔501，使得当加长活塞203上下运动时刚好碰不到反射镜304。来自燃烧室中的光信 号首先燃烧室透明窗口 202再通过反射镜304被反射出来，由光学设备检测分析。在装配 过程中，要特别注意燃烧室透明窗口 202与环形铝合金压块201及加长活塞203之间受力 状态、密封等问题。因为激光器发出的激光束波长在260nm 1064nm之间，不同燃料经过 激发后，其波长范围可在200nm 2000nm左右。因此，石英玻璃材料选用紫外光学石英玻 璃JGS2，它是用氢氧熔化的光学石英玻璃，是透过200 2500nm波段的优良材料。加长缸体加长缸体302下部与原缸体305螺栓连接并定位，上部与环垫101和缸盖301用 螺栓连接。加长缸体302和加长活塞203之间为缸套303，加长缸体302和缸套303围成 冷却水套。加长缸体302与循环冷却水箱16用水管连接，循环冷却水箱16可以控制发动 机冷却水温度，发动机运转之前先将循环冷却水加热到一定温度，帮助燃烧室加温，使其能 快速启动，以免过多的运转造成光学玻璃的污染及加长部分的损坏。由于缸盖301与原缸 体305之间加长了一段距离，因此加长缸体302应具有一定的强度，设计了加强筋，保证发 动机运转时加长缸体302不会因为扭转力矩发生断裂现象。反射镜 在原缸体305上安装固定有一个与活塞轴线成45°倾角的支架，支架上安装有反 射镜304。反射镜304为镀铝膜全反射镜，它可以增强散射光的反射能力。原发动机的改造由于在原活塞306上增加了加长活塞203，因此增加了重量，造成了曲轴的不平 衡，为了解决这个问题对原曲轴平衡块进行了计算和改造，使得在增加的重量的情况下曲 轴具有良好的平衡。加长缸体302和原缸体305之间的连接应保证很好的定位，避免加长 活塞203与缸套303之间不正常的碰撞。激光透明窗口 102和燃烧室透明窗口 202在较长 时间的爆发压力工作条件下会损坏，燃气和润滑油的油滴会污染石英玻璃造成光学信号的 失真，因此由电喷控制系统15任意控制燃油喷油器14的喷油时刻，从而控制发动机工作循 环次数。可控制几个发动机循环工作，几个循环不工作，以排除废气，尽可能减少其对石英 玻璃的污染。角标器角标器5安装到光学发动机的曲轴307上，产生同步触发信号和曲轴转角信号，经 过脉冲信号处理模块6后分别输入到图4的1、2、3、13中，通过硬件和软件结合达到与光学 发动机循环同步和按光学发动机曲轴转角位置采集的目的。经过标定，该同步触发信号与 发动机的上止点位置相对应，这样该应用例可以在上止点前后不同的曲轴转角下同步采集信号。光学发动机具体实施例首先用循环冷却水箱16将加长缸套303中的循环水加热到80士5°C，之后启动光 学发动机，由测功机系统17、18、19控制光学发动机的负荷，由配气相位机构308调整配气 相位和升程，由电喷控制系统15和燃油喷射器14向进气道内定时喷射燃油。当将光学发 动机调整到需要研究的工况(如CAI燃烧模式下)时，由计算机及数据采集和控制单元1控制激光器2发射激光，然后用光谱仪4和增强式电荷耦合器件(ICCD)3采集光学发动机 缸内燃烧和流动过程中的光信号，同时计算机及高速数据采集系统13采集记录下由气缸 压力石英传感器7和电荷放大器8得到的气缸压力信号，由气门升程电感传感器9和载波 放大器10得到的进排气门升程和位移信号，由温度传感器11和温度信号调理模块12得到 的冷却水温、机油温度和排气温度。通过角标器5和脉冲信号处理模块6，使得所有的测量 都是基于光学发动机曲轴转角的，并由上止点信号区分开每个实际发动机工作循环。为了 避免损坏和污染激光透明窗口 102和燃烧室透明窗口 202，光学发动机工况被控制在低转 速(1200r/min及以下)，间歇工作，连续运转时间一般少于10分钟。 本实用新型于将原金属单缸发动机改造成光学发动机，而且适用于将多缸发动机 改造成一缸或多缸光学发动机的场合。
权利要求一种光学发动机，主要由原缸体(305)、加长缸体(302)、缸盖(301)、原活塞(306)、加长活塞(203)、曲轴(307)和配气相位机构(308)组成，其特征在于，在原缸体(305)和缸盖(301)之间加装了加长缸体(302)、加长缸套(303)、加长活塞(203)和环垫(101)，在缸盖(301)上装配有配气相位机构(308)，加长活塞(203)的下部与原活塞(306)的上部定位固定连接，加长缸体(302)与原缸体(305)定位固定连接，在加长活塞(203)上部安装有环形铝合金压块(201)和燃烧室透明窗口(202)，在加长活塞(203)和加长缸体(302)下部两侧同方向上开有长方形孔(501)，其作用是当加长活塞上下运动时，不干涉到安装在原缸体(305)上的反射镜(304)；在加长活塞(203)下部沿轴线开有横截面为长方形孔(501)，孔宽大于反射镜(304)宽度，反射镜(304)与活塞轴线成45°斜置在孔内，反射镜(304)镜架下端固定在原缸体(305)上，加长缸体(302)内有冷却水套，通过可控温度的循环冷却水(16)向循环水套内提供热水；进气道上装备有燃油喷射器(14)；发动机曲轴(307)上设置有角标器(5)；缸盖(301)上装备有气缸压力石英传感器(7)；配气相位机构(308)上装备有气门升程电感传感器(9)。
2.根据权利要求1所述的一种光学发动机，其特征在于，所述的环垫(101)外缘在其互 相垂直的方向上对称安装有能进入激光束的四个激光透明窗口(102)，其作用是在两个互 相垂直的方向上将激光射入缸内，去激发缸内工质。
3.根据权利要求1所述的一种光学发动机，其特征在于，所述加长活塞(203)上部的 环形铝合金压块(201)为能更换的且具有不同燃烧室形状的环形铝合金压块(201)，它和 下面的燃烧室透明窗口(202) —起构成具有一定形状的燃烧室，从燃烧室透明窗口(202) 的下方通过各种光学方法对燃烧室内的工质流动和燃烧过程进行观测，在环形铝合金压块 (201)的径向两个相对位置的边缘上开有狭缝，使在一定的光学发动机曲轴转角下，激光束 从一侧的激光透明窗口(102)穿过狭缝进入到燃烧室，并从另一侧的狭缝和激光透明窗口 (102)中射出。
专利摘要本实用新型涉及一种光学发动机，以提供发动机在燃用不同燃料和在不同燃烧室下的不同燃烧方式。其特点是，在原缸体(305)和缸盖(301)之间加装了加长缸体(302)、加长缸套(303)、加长活塞(203)和环垫(101)，在缸盖(301)上装配有配气相位机构(308)，在加长活塞(203)上部安装有环形铝合金压块(201)和燃烧室透明窗口(202)，在加长活塞(203)下部斜置有与活塞轴线成45°的反射镜(304)，发动机曲轴(307)上设置有角标器(5)；缸盖(301)上装备有气缸压力石英传感器(7)；配气相位机构(308)上装有气门升程电感传感器(9)。
文档编号F02B77/00GK201687573SQ20102015089
公开日2010年12月29日 申请日期2010年4月7日 优先权日2010年4月7日
发明者刘忠长, 孙万臣, 李华, 李晓冰, 池俊成, 王友坤, 程鹏, 郭英男, 闫冠, 高印寒 申请人:吉林大学