一种用于定容燃烧弹内部不规则表面的保温装置的制作方法

本发明提出了一种用于定容燃烧弹内部不规则表面的保温装置，属于热力学发动机技术、定容燃烧弹内部保温技术领域。

背景技术：

内燃机的高效清洁燃烧对于整个社会的节能和环保具有重要意义。内燃机工作过程中，活塞将要抵达上止点时，以及此后的一段时间内，内燃机内部类似进行定容燃烧，此阶段也是内燃机整个工作循环过程中最为重要的阶段，因为燃料大部分的雾化和燃烧过程都在此阶段中。定容燃烧弹(以下简称容弹)就是模拟内燃机这一近似定容燃烧过程的实验设备，是内燃机研发的有力工具。内燃机工作时，内部火焰温度达到2000℃以上，压力达到100bar以上，因此容弹内部必须建立高温高压的环境氛围，这会使容弹内部和弹体外部的环境之间形成了巨大温差。为了保持弹体内部的工作温度，弥补散热损失，需要提高加热功率，这会给加热装置带来较大的热负荷，降低使用寿命。而且较大的散热会导致容弹壁面温度上升，弹体机械性能下降，影响设备的安全性能。所以，目前无论是方形容弹、球形容弹、圆柱形容弹、三角形容弹、八角球形容弹等等，都需要采用保温技术，来减少此项热损失。

目前，容弹的保温技术大致可以分成两类——外部保温技术和内部保温技术。所谓外部保温技术就是在容弹外表面处采取的保温措施。如在容弹外表面，包裹石膏或者陶瓷纤维纸作为保温层，减缓温度散失的速度。所谓的内保温就是在容弹内壁表面采取的保温措施。目前，一般使用多层陶瓷纤维纸，圈绕成圆筒形，紧贴容弹内壁放置，以起到保温效果，但一般只能用于内部规则表面。

综合比较，在容弹外部铺设保温层简单宜行，但会造成容弹本体的温度很高，给密封件的寿命和容弹本体强度带来不利的影响。而且，外部保温层的保温效果要远低于内部保温层。容弹内部铺设保温层效果虽然好，但容弹内壁上往往要预留各种传感器的安装孔、加热器的电极孔以及容弹视窗孔，再加上不同形状的容弹内壁上往往存在许多不规则的表面，这些因素都大大增加了内部铺设保温层的难度和成本。目前，绝大多数容弹，为了避免上述困难，都不在传感器的安装孔、加热器的电极孔以及容弹视窗孔处布置保温层，而这些地方的热损失往往能够占到总体的一半以上。因此寻找一种简单有效的容弹内部保温方法对提高容弹性能具有重要意义。

本申请致力于克服上述容弹内保温存在的保温层布置困难以及不同容弹内壁形状之间通用性差的问题，旨在提出一种用于定容燃烧弹内部不规则表面的保温装置。

技术实现要素：

本发明的目的是针对目前容弹内部无法方便有效地布置保温层，容弹的散热损失较大，尤其是在不规则表面、传感器孔以及容弹视窗孔处布置保温层极其困难，无法有效减缓散热的普遍问题，提出一种用于定容燃烧弹内部不规则表面的保温装置。

本发明提出的一种用于定容燃烧弹内部不规则表面的保温装置所依托的容弹包括喷油器，并配有传感器孔、容弹视窗孔和保温陶瓷纤维圈；

其中，所依托的容弹可以是方形容弹、球形容弹、圆柱形容弹、三角形容弹、八角球形容弹；配有的传感器孔是为安装各种容弹加热器的电极或者温度、压力传感器而预留的安装孔；

一种用于定容燃烧弹内部不规则表面的保温装置，简称本装置包括空腔气室、气压平衡孔、预留传感器拼接孔、预留视窗拼接孔和拼接焊缝；

其中，空腔气室可以为A型空腔气室、B型空腔气室；

其中，所述的空腔气室可以用薄铁片制成，空腔气室由左侧面、右侧面、上端面、下端面、主视面五个基本面以及视窗孔隔断曲面和传感器孔隔断曲面两个辅助面组成；

左侧面、右侧面、上端面、下端面的一条边分别与主视面外缘相接并且折成一定的角度，分别为α_左侧、α_右侧、β_上端、β_下端，取值范围均为0°～180°，且左侧面、右侧面、上端面、下端面都位于主视面的同一侧；所述空腔气室的左侧面、右侧面、上端面、下端面的另一条边，分别贴合容弹内壁，并焊接固定在容弹内壁上面；空腔气室中上端面、下端面，与水平面的夹角大小为β’，β’与β互补，上端面位置最高，下端面位置最低；左侧面和右侧面所在的平面都通过容弹的竖直中心线；空腔气室的每个面依据容弹内部的曲面结构和壁面形状，制成与之相匹配的形状：其中，主视面的形状与空腔气室所包围的容弹内壁面相似，且正对着容弹内部；主视面与其所覆盖的容弹内壁的距离为r，容弹内壁距容弹中心线的距离为R，距离比其中的取值范围为0～0.75；

其中，下端面中心处开设有一个通孔，称为气压平衡孔，此气压平衡孔贯穿下端面，使得空腔气室和容弹内部相通；气压平衡孔的形状不受限制，可以是圆孔也可是方孔等多边形孔口；气压平衡孔的面积为m，下端面的面积为M，面积比C_t＝m/M，其中C_t的取值范围为0～0.45；

其中，预留传感器拼接孔和预留视窗拼接孔均位于两个空腔气室的连接处，分别依据传感器孔和容弹视窗孔的大小和形状由两个相邻空腔气室的左右侧面向内凹陷，分别形成与传感器孔和容弹视窗孔曲率相似的传感器孔隔断曲面和视窗孔隔断曲面；两相邻空腔气室拼接在一起后，各自侧面上的视窗孔隔断曲面位置相对应，从而拼出与视窗孔同轴心，且直径略大的预留视窗拼接孔；与此同时，各自侧面上的传感器孔隔断曲面位置也相对应，从而拼出与传感器孔同轴心，且直径略大的预留传感器拼接孔；进一步，焊接相邻气室的连接处和气室与容弹内壁的相接处，形成拼接焊缝；

所述的五个基本面可以事先用薄铁片分别切割，然后焊接在一起；或者由一块薄铁片裁剪出气室的展开形状再折叠，形成各个气室面；最后统一焊接于容弹内壁上；容弹内壁可以由多个空腔气室焊接成一层保温铠甲，此多个空腔气室通过逐一焊接，在容弹内部形成类似铠甲状的气室保温层；相邻气室之间的空隙处，可以用于布置各种传感器孔和容弹视窗孔；

多个空腔气室之间依据传感器孔和容弹视窗孔的数量和形状，预留相应的内陷的空间，为形成预留传感器拼接孔、预留视窗拼接孔做准备；且内陷所形成的视窗孔隔断曲面和传感器孔隔断曲面要与容弹内壁紧密焊接固定；

其中，空腔气室数量的选取原则为：1)每个空腔气室所覆盖的容弹内表面尽量大；2)相邻空腔气室间的间隙尽量小；3)不能遮挡传感器孔与容弹视窗口的光学通路，构建尽量少的空腔气室；

一种用于定容燃烧弹内部不规则表面的保温装置的连接关系如下：

空腔气室的左侧面直接与上端面和下端面相连，与右侧面相对；右侧面与上端面和下端面直接相连；其中空腔气室的上端面、下端面、右侧面、左侧面上远离主视面的那条边分别焊接于容弹内壁面上，而实现空腔气室除主视面之外其他各组成面的密封与固定；

一种用于定容燃烧弹内部不规则表面的保温装置中气压平衡孔的功能是为了实现空腔气室和容弹内部高温气体的相对平衡，从而在空腔气室中形成近似静止的气体层以及保持空腔气室的结构稳定，具体体现在：

一方面，空腔气室的各个组成面阻止了容弹内的高温气体进入空腔气室中，与空腔气室所覆盖的容弹内壁面形成对流换热。而气压平衡孔的存在，空腔气室内外压力相同，从而阻止容弹内高温气体进一步流入空腔气室中，使空腔气室内形成近似于静止的气体层，而这些气体层又将阻止容弹内的热量向外散失，从而起到气体保温层的功能；

另一方面，气压平衡孔使得空腔气室内与容弹内部的大空间相连通，使得空腔气室内部压力与容弹内部压力相等，实现压力平衡，从而使空腔气室的结构不被破坏；

此外，由于气压平衡孔开在空腔气室下端面上，远离喷油器，从而可以避免气压平衡孔被污油堵塞。

有益效果

本发明提出了一种用于定容燃烧弹内部不规则表面的保温装置，与现有技术相比，具有如下有益效果：

(1)本发明一种用于定容燃烧弹内部不规则表面的保温装置，方便布置于容弹内部，尤其适合布置在传感器孔以及容弹视窗孔等传统保温层难以布置的位置；

(2)本发明一种用于定容燃烧弹内部不规则表面的保温装置的隔热保温方式与传统隔热保温方式相比，本发明提出的隔热装置原理新颖，具体为：本发明采用的空腔气室起到了隔热保温效果，使得同样的气体和容弹内壁面上传递热量方式为导热，而此种导热方式的热传导系数要远远低于传统的对流换热方式，即：由于空腔气室内部的气体近似静止，使得空腔气室内部与容弹内部的热量传递方式为导热，而导热方式传递的热量要比没有布置空腔气室的对流换热方式，在同等条件下，传递的热量要少的多。最终使从容弹内部到容弹外部环境这一完整传热路径上的传热量很小，从而起到了良好的保温作用；

(3)本发明一种用于定容燃烧弹内部不规则表面的保温装置中的多个空腔气室的选取避免了相邻空腔气室间的空隙处散热过多的问题；具体通过如下选取原则实现：1)每个空腔气室所覆盖的容弹内表面尽量大；2)相邻空腔气室间的间隙尽量小；3)不影响传感器孔与容弹视窗口的光学通路，构建尽量少的空腔气室；

(4)本发明一种用于定容燃烧弹内部不规则表面的保温装置的空腔气室内和容弹大环境之间可以形成一种动态压力和温度平衡，从而实现持续保温效果，具体体现为：

由理想气体状态方程pv＝nRT可知，如果空腔气室内的高温气体的温度值由于容弹壁的导热而降低，则容弹内的压力也会同时降低，从而使容弹内大环境中新鲜的高温气体重新涌入替换，空腔气室内和容弹大环境之间形成了一种动态的温度平衡，而由于每一时刻空腔气室内气体的替换相对量极少，保证了空腔气室内的高温气体始终近似于静止，从而实现持续的保温效果；

(5)本发明一种用于定容燃烧弹内部不规则表面的保温装置，可以使用下脚料的薄铁皮作为主要材料，一方面大大降低了制作容弹保温层所要花费的费用，另一方面，还充分利用了一些废弃资源，避免了资源的浪费。

附图说明

图1为本发明“一种用于定容燃烧弹内部不规则表面的保温装置”中，布置内保温气室的圆柱形容弹135度剖视图；

图2为本发明“一种用于定容燃烧弹内部不规则表面的保温装置”中，A型和B型空腔气室在容弹内部的拼接阵列图；

图3为本发明“一种用于定容燃烧弹内部不规则表面的保温装置”中，A型和B型空腔气室在容弹视窗孔处的拼接图；

图4为本发明“一种用于定容燃烧弹内部不规则表面的保温装置”中，空腔气室背面图；

图5为本发明“一种用于定容燃烧弹内部不规则表面的保温装置”中，保温陶瓷纤维圈结构图；

其中，1、容弹视窗孔；2、A型空腔气室；3、喷油器；4、预留传感器拼接孔；5、传感器孔；6、B型空腔气室；7、气压平衡孔；8、保温陶瓷纤维圈；9、传感器孔隔断曲面；10、拼接焊缝；11、预留视窗拼接孔；12、空腔气室主视面；13、空腔气室左侧面；14、空腔气室上端面；15、视窗孔隔断曲面；16、空腔气室右侧面；17、空腔气室下端面。

具体实施方式

下面根据附图及具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

应当指出，本申请的实施并不局限于下面的实施例，对本申请所做的任何形式上的变通或改变将落入本发明保护范围。

实施例1

如图1所示，其中1、容弹视窗孔；2、A型空腔气室；3、喷油器；4、预留传感器拼接孔；5、传感器孔；6、B型空腔气室；7、气压平衡孔；8、保温陶瓷纤维圈；圆柱形容弹，整体呈圆柱形，内部中空，竖直放置于水平面上；圆柱容弹的上、下端盖和侧壁紧密连接，一般使用法兰固定。容弹侧壁面上，开有4个用于观察的尺寸较大的圆形视窗通孔，相邻容弹视窗孔1的轴线都互相垂直。四个容弹视窗孔1的轴线位于一个水平面上，且均相交于一点，且这个点也位于容弹的轴线上。上述这个共有点，将四个容弹视窗孔1的轴线分割成四个射线。过这个共有点，在四个容弹视窗孔1的轴线所确定的平面上，作两条均分相邻射线间90度角的45度线。在过这些45度线并垂直与水平面而形成的平面上，与容弹相交的地方，沿竖直方向，分布着若干传感器孔5。本实施例中每个方向的传感器孔数取值为2。此外，圆柱形容弹内表面的下部，一般比较规整，没有太多的孔口和特殊需要的部件。

针对上述圆柱形容弹，本实施例将详细介绍如何运用本发明，布置容弹的内部保温层。如图1和图3所示，其中2、A型空腔气室；6、B型空腔气室；7、气压平衡孔；9、传感器孔隔断曲面；10、拼接焊缝；空腔气室分为两种类型，即A型空腔气室2和B型空腔气室6；A型空腔气室2和B型空腔气室6的结构和尺寸均呈镜面对称。

在本实施例中，两者成对存在，在不影响理解的情况下统称空腔气室。其中，空腔气室的相关参数为：α_左侧＝α_右侧＝β_上端＝β_下端＝25°，C_t＝0.1，共计4对A型空腔气室2和B型空腔气室6，也就是8个独立的空腔气室。

首先，如图5所示，其中8、保温陶瓷纤维圈；对于没有通孔以及不会布置其它易受干扰原件的容弹内表面的下部，可以使用传统的保温层布置，也就是使用保温陶瓷纤维圈8。如图1所示，保温陶瓷纤维圈8的中心轴与容弹的中心轴重合，保温陶瓷纤维圈8的外径略小于容弹内径，能够保证保温陶瓷纤维圈8的外壁面能够和容弹内壁紧密贴合即可。

其次，布置容弹视窗孔1所贯穿的容弹内表面处的保温层。如图3所示，将A型空腔气室2的空腔气室右侧面16与B型空腔气室6的空腔气室左侧面13拼接。其中，相似的曲面一一对应，从而使A型空腔气室2和B型空腔气室6之间形成一个向四周凹陷的预留视窗拼接孔11。如图1所示，进一步的，将上述A型空腔气室2和B型空腔气室6所拼接成的组合体，放入圆柱容弹内壁安装。如图3中所示的A型空腔气室2和B型空腔气室6的组合阵列贴合并焊接在容弹内表面上。其中预留视窗拼接孔11的轴线与容弹视窗孔1的轴线重合，A型空腔气室2和B型空腔气室6的气压平衡孔7均位于下方。A型空腔气室2和B型空腔气室6的下端面17均与保温陶瓷纤维圈8的轴向上端面重合，但气压平衡孔7不能被覆盖堵塞。如图4所示，其中7、气压平衡孔；9、传感器孔隔断曲面；12、空腔气室主视面；13、空腔气室左侧面；14、空腔气室上端面；15、视窗孔隔断曲面；16、空腔气室右侧面；17、空腔气室下端面；空腔气室的背面与容弹内表面贴合，进一步，保证A型空腔气室2和B型空腔气室6上的传感器孔隔断曲面9与所对应的传感器孔5能够匹配，既要尽量增大空腔气室的覆盖面积又不能遮挡住传感器孔5的通路。进一步，沿着A型空腔气室2和B型空腔气室6之间的楔形缝隙将两个气室焊接在容弹内壁上，从而形成拼接焊缝10。进一步，将A型空腔气室2和B型空腔气室6的左侧面13、空腔气室上端面14、视窗孔隔断曲面15、空腔气室右侧面16、空腔气室下端面17、传感器孔隔断曲面9与容弹内壁的交接线紧密焊接。最后，将剩余三个容弹视窗孔1内壁面上按照上述方式，依次布置好空腔气室保温层。如图2所示，其中4、预留传感器拼接孔；7、气压平衡孔；9、传感器孔隔断曲面；11、预留视窗拼接孔；最终多个空腔气室的左侧面13和空腔气室右侧面16依次相连，A型空腔气室2和B型空腔气室6成对存在，预留视窗拼接孔11和预留传感器拼接孔相间布置。此外，为了减少对容弹内部原有流场形式的影响，空腔气室沿容弹径向的厚度与保温陶瓷纤维圈8的径向厚度相等。

以上所述为本发明的较佳实施例而已，本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。