一种能够监测爆轰波作用下活塞材料温度变化的试验装置及方法与流程

技术领域：

本发明涉及定容燃烧弹，具体涉及一种能够监测爆轰波作用下活塞材料温度变化的试验装置及方法。

背景技术：
：

随着内燃机压缩比和功率密度的不断提高，出现了烈性爆震。烈性爆震的威力比常规爆震大很多，一旦发生就会使燃烧室部件破坏失效。烈性爆震已经成为内燃机压缩比和功率密度进一步提高的主要障碍。续晗等人通过定容爆轰燃烧弹实验和数值模拟研究发现，对于锥顶型燃烧室，爆轰波会在活塞中心位置产生汇聚，汇聚压力远远超过缸盖位置采集到的压力。烈性爆震发生时，爆轰波的汇聚作用是活塞破坏失效很重要的一个原因。但同时材料的强度和温度的关系很大，为了进一步揭示烈性爆震发生时活塞破坏失效的机理，需要监测爆轰波作用下活塞材料的温度变化。

在发动机台架实验上，烈性爆震无法稳定产生，并且无法在高速运动的活塞上插装多个温度传感器来监测烈性爆震时爆轰波作用下活塞不同位置的温度变化。

技术实现要素：
：

本发明的试验系统和方法是为了监测烈性爆震时爆轰波作用下活塞材料不同位置的温度变化。为此，本发明设计了这套定容爆轰燃烧弹试验装置。其锥顶型内腔形状与内燃机燃烧室形状基本相同。通过高能火花塞直接点火起爆的方式，强行在燃烧室中间诱导出一道爆轰波，再通过三个布置在活塞上不同位置处的温度传感器来监测烈性爆震时爆轰波作用下活塞不同位置的温度变化。具体技术方案如下：

一种能够监测爆轰波作用下活塞材料温度变化的试验装置，该装置包括：定容爆轰燃烧弹弹体，缸盖、缸套；位于定容爆轰燃烧弹弹体内的金属隔板，金属隔板与缸盖、缸套组成燃烧室；进气系统，用于给容弹定量定态充入可燃混合气，选用乙炔/氧气或者氢气/氧气作为混合气；高能点火系统，包括两部分，分别是控制箱人工点火系统和高能火花塞；温度测量系统，包括：3个温度传感器，测温仪和上位机；所述温度传感器，温度范围-50～250℃，准确度±0.01℃；在金属隔板上取三个温度测点，分别为边缘位置传感器7，四分之一位置传感器8和中心位置传感器9。

在上述试验装置上实现的一种能够监测爆轰波作用下活塞材料温度变化的方法，过程如下：

步骤一：安装好定容爆轰燃烧弹弹体，包括缸盖、金属隔板和缸套，螺栓用力矩扳手紧固；

步骤二：将边缘位置传感器7，四分之一位置传感器8、中心位置传感器9、火花塞10和进气阀门13安装在定容爆轰燃烧弹弹体上；连接温度测量系统、高能点火系统和进气系统；

步骤三：试验前检查定容爆轰燃烧弹气密性；打开进气阀门13，将氧气管通过快插接头18接入进气阀门，利用氧气瓶上的减压器调节气管内压力到5bar，关闭进气阀门13，关闭气瓶上的减压器，断开氧气通路；将另一端封闭的气管接入快速插头18，观察智能单回路测控仪示数是否增大，如果测控仪示数为零不增大，说明进气阀门，13密封性完好；打开进气阀门13，观察测控仪示数是否保持定值不变，如果示数不变，则安装好的弹体气密性良好；

步骤四：设置测温仪为采集状态；

步骤五：洗气，使燃烧室内的空气排出，充满氧气；将氧气管通过快插接头18接入进气气路，关闭泄压球阀17和进气阀门13；利用氧气瓶上的减压器调节气管内压力到3bar，打开进气阀门13，使气体进入，当智能单回路测控仪显示压力示数不变时，关闭进气阀门13，关闭气瓶上的减压器；打开泄压球阀17，断开氧气通路，打开进气阀门13，将气体排出；如此重复三次，完成洗气；

步骤六：利用分压法计算试验所需的纯氧和乙炔的压力；关闭泄压球阀17和进气阀门13，将乙炔管通过快插接头18接入进气阀门，利用乙炔气瓶上的减压器将进气压力调整到需要的数值；打开进气阀门13，使乙炔充入燃烧室，关闭进气阀门13，关闭乙炔减压器，打开泄压球阀17，断开乙炔气路；

步骤七：将氧气管通过快插接头18接入气路，关闭泄压球阀17，利用氧气气瓶上的减压器将进气压力调整到需要的数值；打开进气阀门13，当测控仪上的示数不变时，关闭进气阀门13，关闭减压器，打开泄压球阀17，断开氧气气路；

步骤八：手动触发高能点火系统控制箱上的开关，高能火花塞放电，燃烧室内混合气直接爆轰；

步骤九：连续五次重复步骤五到步骤八，连续监测温度变化，保存实验数据；

步骤十：分析实验数据，得到金属隔板上三个位置的温度曲线，从而分析活塞破坏的机理。

作为优选方案之一，所述温度传感器选用铂电阻温度传感器。作为优选方案之一的进一步优选方案，所述铂电阻温度传感器采用直接安装的方式，铂电阻保护套穿过端盖，并在金属隔板背面打孔，孔内涂上了导热硅脂，使温度传感器的感温段插入到孔中，温度传感器的感温段长度为5～6mm，温度采集周期为1s。

作为优选方案之二，金属隔板的材质选用铝合金。

作为优选方案之三，所述定容爆轰燃烧弹弹体的燃烧室缸径为75～85mm，锥角为120°～180°，燃烧室余隙用缸套调整，从0～32mm可变。作为优选方案之三的进一步优选方案，所述定容爆轰燃烧弹弹体的材料为不锈钢1cr18ni9ti。

作为优选方案之四，所述进气系统中，气体组分及当量比通过分压来控制。作为优选方案之四的进一步优选方案，定容爆轰燃烧弹弹体上有进气孔，进气孔孔径1～3mm，进气阀门采用内螺纹针型截止阀j13w-350pdn6，外部采用压力变送器确定混合气各组分的分压。

作为优选方案之五，所述控制箱人工点火系统输出电压为2500v，点火能量大于10j。

本发明的有益效果是：

(一)发动机在运转过程中，其活塞的温度变化是无法测量的。本发明利用定容爆轰燃烧弹系统，可以稳定产生爆轰，同时金属隔板代替活塞，可以在金属隔板上安装温度传感器。

(二)本发明在金属隔板上的三个不同位置安装了温度传感器，可以测量试件的温度场分布。

附图说明：

图1是本发明定容爆轰燃烧弹的示意图；1代表燃烧室，2代表缸盖，3代表端盖，4代表金属隔板，5代表缸套一，6代表缸套二，7代表边缘位置传感器，8代表四分之一位置传感器，9代表中心位置传感器，10代表高能火花塞，11代表进气孔，12代表螺栓孔。

图2是本发明定容爆轰燃烧弹进气气路的示意图；13代表进气阀门，14代表压力变送器，15代表三通一，16代表三通二，17代表泄压球阀18代表快速接头。

图3是金属隔板的结构剖面示意图。

具体实施方式：

实施例：

下面通过具体的实施例对本发明作进一步详细描述，以下具体的实施例仅对本发明进行解释说明，并不以任何形式限制本发明。

本发明的定容爆轰燃烧弹系统包括：定容爆轰燃烧弹弹体，进气系统，高能点火系统和温度测量系统。下面阐述具体组成部分：

所述定容爆轰燃烧弹弹体，弹体由不锈钢材料1cr18ni9ti制成。其燃烧室形状可变，1为锥顶型燃烧室，内腔形状与内燃机燃烧室形状基本相同，燃烧室缸径为75～85mm，锥角为120°～180°，余隙通过缸套5的长短来改变，从0mm～32mm可变。铝合金材质的金属隔板4固定在容弹燃烧室内。缸盖2、缸套5和铝合金材质的金属隔板4组成了燃烧室，将铝合金材质的金属隔板视为活塞。在铝合金材质的金属隔板上取三个温度测点，分别为边缘位置传感器7，活塞直径四分之一位置传感器8和中心位置传感器9；

所述进气系统，用于给容弹定量定态充入可燃混合气。为了能稳定、方便地引入爆轰波，本实施例选用乙炔/氧气作为混合气。组分及当量比则通过分压来控制。容弹上的进气孔11孔径为1～3mm，进气阀门采用内螺纹针型截止阀j13w-350pdn6。外部采用压力变送器确定混合气各组分的分压，通过智能单回路测控仪显示压力示数。

所述高能点火系统，包括两部分构成，分别是控制箱和高能火花塞10。通过控制箱人工点火，点火系统输出电压为2500v，点火能量大于10j，足以直接点爆乙炔/氧气可燃混合气。

所述温度测量系统，包括铂电阻温度传感器，测温仪和上位机。电阻选用铂电阻温度传感器，温度范围-50～250℃，准确度±0.01℃。根据安装尺寸要求定制铂电阻。为了保证有效的密封，采用直接安装的方式，铂电阻保护套穿过端盖，并在铝合金背面打孔，使温度传感器的感温段插入到孔中，铂电阻感温段长度为5～6mm。为了保证有效传热，孔内涂上了导热硅脂。测温仪测温准确度全量程±0.01℃，采集周期为1s。位机操作可以对实验数进行实时监控存储。

利用本发明的爆轰容弹系统进行活塞材料破坏试验的方法步骤如下：

步骤一：安装好定容爆轰燃烧弹弹体，包括缸盖、铝合金材质的金属隔板、缸套等，螺栓用力矩扳手紧固；

步骤二：将边缘位置传感器7，活塞直径四分之一位置传感器8、中心位置传感器9、火花塞10和进气阀门13安装在弹体上，连接温度测量系统，高能点火系统和进气系统；

步骤三：为了保证试验人员的完全，试验前检查定容爆轰燃烧弹气密性。打开进气阀门13，将氧气管通过快插接头18接入进气阀门，利用氧气瓶上的减压器调节气管内压力到5bar，关闭进气阀门13，关闭气瓶上的减压器，断开氧气通路。将另一端封闭的气管接入快速插头18，观察智能单回路测控仪示数是否增大，如果智能单回路测控仪示数为零不增大，说明气阀13密封性完好。打开气阀13，观察智能单回路测控仪示数是否保持定值不变，如果示数不变，则安装好的弹体气密性良好；

步骤四：设置测温仪为采集状态；

步骤五：洗气，使燃烧室内的空气排出，充满氧气。将氧气管通过快插接头18接入进气气路，关闭泄压球阀17和进气阀门13。利用氧气瓶上的减压器调节气管内压力到3bar，打开进气阀门13，使气体进入，当智能单回路测控仪显示压力示数3bar不变时，关闭进气阀门13，关闭气瓶上的减压器。打开泄压球阀17，断开氧气通路，打开进气阀门13，将气体排出。如此重复三次，完成洗气；

步骤六：利用分压法计算试验所需的纯氧和乙炔的压力。关闭泄压球阀17和进气阀门13，将乙炔管通过快插接头18接入进气阀门，利用乙炔气瓶上的减压器将进气压力调整到需要的数值；打开进气阀门13，使乙炔充入燃烧室，关闭进气阀门13，关闭乙炔减压器，打开泄压球阀17，断开乙炔气路；

步骤七：将氧气管通过快插接头18接入气路，关闭泄压球阀17，利用氧气气瓶上的减压器将进气压力调整到需要的数值；打开进气阀门13，当测控仪上的示数不变时，关闭进气阀门13，关闭减压器，打开泄压球阀17，断开氧气气路；

步骤八：手动触发高能点火系统控制箱上的开关，高能火花塞放电，燃烧室内混合气直接爆轰；

步骤九：重复步骤五到步骤八，连续监测温度变化，保存实验数据到计算机；

步骤十：分析实验数据，得到铝合金材质的金属隔板上三个位置的温度曲线，进而分析活塞破坏的机理。

本实发明并不限于上文所述的具体实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在于为了描述和说明本发明的技术方案，不具有限制性。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。