CN104653268A - 一种缸套为石英玻璃的可视化发动机的冷却装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及可视化发动机，具体涉及一种缸套为石英玻璃的可视化发动机的冷却装置和方法，装置包括可视化发动机的支撑壳体，其特征在于：所述支撑壳体的四周固定有包裹在支撑壳体外侧的循环水腔壳体，循环水腔壳体下端开有对称的进水口，循环水腔壳体两侧开有对称的出水口，进水口和出水口处设有电磁阀，循环水腔壳体内部形成水腔，水腔内设有温度传感器，位于循环水腔壳体内的支撑壳体两侧布置有第一散热片，第一散热片与导热管阵列内侧固定连接，导热管阵列外侧与第二散热片固定连接，本装置可用于降低和控制石英玻璃缸套的温度。

Description

一种缸套为石英玻璃的可视化发动机的冷却装置和方法

技术领域

本发明涉及可视化发动机，具体涉及一种缸套为石英玻璃的可视化发动机的冷却装置和方法，用于降低和控制石英玻璃缸套的温度，特别是削弱石英玻璃因为温度快速的变化从而带来的热应力；该冷却装置应用于高效的PLIF技术对缸内的燃烧状况进行数据采集。涉及到光学测量手段，检测技术，热量控制技术以及热量传递手段等多个学科的最新技术。

背景技术

新一代内燃机燃烧理论与技术的发展使得柴油机和汽油机的技术愈来愈接近,发动机可能会跟据混合燃料成分的变化来组织不同的燃烧方式，因此必须充分认识各种混合燃料的喷雾特性和燃烧特性。

光学发动机是可视化发动机的一种类型，它的主要目的是尽最大的可能接近真实发动机的实际运行工况，借助透明的活塞或者缸套，有效地利用激光诱导荧光、激光诱导磷光、超高速摄影、拉曼散射等手段获取缸内混合及燃烧的信息，对于发动机的燃烧设计与优化有指导意义；当前，国外的较多内燃机研究组织和机构都设立有光学发动机可视化测试平台，对发动机的结构设计以及燃烧理论的发展起到了积极有效的作用,国内在这一方面的研究目前处于初级的阶段。

常见的试验中所使用的光学发动机,通常用石英玻璃制成缸套，常常借助这种透明的缸套来测量和观察缸内的一系列燃烧等活动现象，这种有效的直观测量与观察手段，对于实际的发动机的研发和试制提供了有效地依据；燃料在发动机内燃烧时，在其中产生的热量大部分热量传递给了透明石英玻璃材料制作的缸套，实验为了使结果接近实际以及使得缸套可以正常的工作和使用，自然需要对这个透明缸套进行必要地冷却，用以削弱整个缸壁的热梯度和因此而产生的热应力；缸套内壁与最高温度可达2300- 2800K的高温燃气接触，过高的温度和过大的温度梯度将使气缸套产生巨大的热变形，与活塞组的正常间隙被破坏，润滑情况变的恶劣，磨损增大；因为气缸套所传出的热量及其冷却措施决定了气缸套内壁的温度水平和温度场，前者对润滑、磨损、活塞间隙起决定作用，后者决定了气缸套的热应力大小。

发明内容

  本发明的目的在于降低石英缸套的工作温度，增强其有效的机械强度，使得实验运行工况更加接近真实情形，同时尽可能的增大可视化视窗，使得数据测量和采集更加完善。

一种缸套为石英玻璃的可视化发动机的冷却装置，包括可视化发动机的支撑壳体，其特征在于：所述支撑壳体的四周固定有包裹在支撑壳体外侧的循环水腔壳体，循环水腔壳体下端开有对称的进水口，循环水腔壳体两侧开有对称的出水口，进水口和出水口处设有电磁阀，循环水腔壳体内部形成水腔，水腔内设有温度传感器，位于循环水腔壳体内的支撑壳体两侧布置有第一散热片，第一散热片与导热管阵列内侧固定连接，导热管阵列外侧与第二散热片固定连接。

进一步地，支撑壳体的高度为可视化发动机缸套高度的三分之二。

进一步地，所述第一散热片面积为8cm2至12cm2；第一散热片贴在支撑壳体两侧，形成曲面，曲面两端与缸套接触，第一散热片采用防水、防腐蚀处理的金属热板。

进一步地，所述第一散热片贴在支撑壳体两侧，形成曲面具体指：在第一散热片与支撑壳体和缸套接触的面上涂抹硅脂，再将其固定在支撑壳体两侧。

进一步地，所述导热管阵列为5行3列至5行5列，导热管采用扁平状形式的纯铜管，内部采用真空和导热液的组合形式，对称布置在支撑壳体两侧。

进一步地，所述第二散热片的面积为9cm2至14cm2，第二散热片采用防水、防腐蚀处理的金属热板。

进一步地，循环水腔壳体高度占可视化发动机缸套的三分之一至二分之一，与支撑壳体的连接处使用密封环来进行密封。

进一步地，水腔内部二分之一高度的位置，贴近水腔壳体内表面设置有温度感应器。

进一步地，水腔壳体下表面二分之一宽度的地方设置有进水口，水口处设置有电磁阀，同时在其侧面五分之四的高度处设置有出水口，水口处设置有电磁阀，所有的结构相互对称分布，两侧布局完全一致。

   整个冷却系统各种装置的设定高度有明确的意义，支撑壳体的高度为可视化发动机缸套高度的三分之二，首先是为了留给光学发动机活塞上部改装和操作的空间，同时有效的固定了整个机体，使得运行过程更加平稳，减小了因为实验操作带来的不安全因素；循环水腔壳体高度占可视化发动机缸套的三分之一至二分之一，首先水腔壳体不易过大目的是为了节约实验改装的成本，较少不必要的浪费，其次，冷却的主要部位在于石英材质，故集中对这一部位进行换热，所以高度不适宜过高，也不可以太低，使得散热效率下降；水腔内部二分之一高度的位置，贴近水腔壳体内表面设置有温度感应器，首先温度传感器不易在水腔拐角或者太低的位置及太高的位置，因为无法准确反映水体的平均真实温度，给后面的电磁阀开度的调节带来错误指令，其次在此位置水温平均，不易因为过热等极端条件损坏温度传感器；水腔壳体下表面二分之一宽度的地方设置有进水口，水口处设置有电磁阀，同时在其侧面五分之四的高度处设置有出水口，首先进水口不可以设置在水腔壳体下表面的随意位置，这样会使得水流流动不均匀，形成部分区域换热强，部分区域换热弱的不利情况，其次出水口不可以设置在较低的位置，那样会导致水腔存水量较小，不可以有效利用水大比热容的优点，达不到换热的有效速率；整个系统结构采用对称式的安装结构，避免了因为温度分布不均匀而造成的实验结果测量不住精确和对光学发动机的损坏，减小了因为冷却带来的附加不利因素。

附图说明

图1为可视化发动机冷却系统正视图。

图2为可视化发动机冷却系统俯视图。

1、电磁阀；2、进水口；3、水腔；4、温度感应器；5、出水口；6、导热管；7、支撑壳体；8、侧面立柱；9、油环 ；10、激光穿过的横断面；11、示踪剂喷射阀；12、缸盖视窗；13、激光；14、燃料喷射器；15、观测窗；16、蓝宝石环；17、缸套；18、反光镜；19、水腔壳体；20、第一散热片；21、第二散热片；22、缸套。

具体实施方式

  1、如附图1、2所示，将第一散热片20安装于支撑壳体7两侧，呈现圆弧状、涂抹硅脂，使得第一散热片20与支撑壳体7和缸套17可以较好的贴合与紧密接触；第一散热片20表面焊接有导热管阵列，根据光学发动机的大小和形状，在第一散热片20上焊接由15-25根6mm铜质扁平导热管6水平并排排列组成的导热管阵列。

  2、在导热管阵列的另一侧焊接有第二散热片21，表面经过防腐蚀处理，由于考虑到外侧水腔3不易过大，故采用表面积大于第一散热片20的的板翅式散热片，增加与水的接触面积，加强换热。

  3、水腔壳体19与发动机支撑壳体7通过密封环有效地接合，在水腔3内部设置有温度感应器4，具体放置在水腔3内部二分之一的高度位置，按照对称性原理，此时只需设置一个温度感应器4即可，在另一侧不需要另外设置；此温度感应器4连接外部的信号采集系统，在水腔壳体19设置有“下进上出”的进水口2和出水口5，进水口2和出水口5内设有电磁阀1，由下至上进行水流交换，加强换热循环；同时根据不同水温的反馈信息，控制电磁阀1的开度来及时调节水流速度和流量，快速地将热量转移。

 4、根据对称原理，在以缸盖竖直轴线对称的另一侧同样设置相同的第一散热片20与第二散热片21，导热管阵列，以及水腔壳体19，电磁阀1以及相同位置的进水口2和出水口5；同时，根据不同的光学发动机可视化窗口的不同，也可以在除了侧面可视化开口之外，其余都可以设置相同的结构来围绕外侧降温，达到更加好的实验效果。

系统运行过程：

1、光学发动机开启，准备暖机；在此之前先将水腔内注入部分水，检查水腔壳体与支撑壳体的密封性，若有出现漏水的现象，及时关机进行检查，直到不出现滴漏为之，再进行焊接固定；同时检查光学发动机壳体支撑的稳定性，确保实验顺利进行。

2、光学发动机开始工作，循环水开始在水腔内流动，下进水口进水，上出水口出水，由水腔内的温度感应器采集的数据传输给外侧的信号采集系统，由此开始控制进水口和出水口的电磁阀的开度，当温度不断升高，进水口的开度不断变大，出水口仍就保持一定的开度不变，使得水腔内有较大的水体积，充分的吸收来自导热管以及散热片传递出的热量；当光学发动机运行到稳定工况时，不断加大出水口电磁阀的开度，这样不断加快水循环的速度，及时的将热量通过水的较大的比热容传递出去。

3、最后随实验的不断进行，进出水口电磁阀开度达到最大，换热强度达到最大的效果，及时有效地降低光学发动机的缸套温度，使得实验测量的数据更加的精确及有效，同时降低了钢套由石英玻璃做成的光学发动机由于热强度不够而造成的实验危险以及测量不准的不利因素。

本发明的有益效果：

 1、采用导热管阵列加散热片的形式，可以比较其它冷却方式尤其是单纯的铜、铝等金属，单位重量的热管可以多传递几个数量级的热量，可以以较小的温差获得较大的热传率，同时此结构简单，由于热管的特有机理，使得热流体间的热交换在管外进行，这样极其方便地进行强化传热。此外热管内部工质极易汽化和凝结，启动非常迅速。

  2、采用涂抹硅脂的方法阻隔第一散热片与缸套之间的空气来保证有效密封和传热，用以保证散热片按包裹的形式和缸套有效地贴合；使得第一散热片可以有效地利用石英玻璃的优良热传导性能，通过热传导的方式将热量迅速的传递给第一散热片；水腔采用“下进上出”的流水方式，高效快速的降低缸套温度，减少因为高温给石英材料带来的致命性损伤，使得实验模拟条件更加接近实际情况，同时通过温度感应器传给控制器来操控电磁阀开度的方式，随时可以保证水流交换速度，使得有较大的温度窗口，有效的扩大试验的温度范围，保证激光测量的准确性。

  3、该冷却装置结构简单，组合方式易于实施，成本较低；同时实验过程易于操作，扁平的导热管阵列可以方便的放置于水腔内，第二散热片使导热管阵列的热量更加快速的转移，其占用的体积较小，节省了实验的空间，而且对于光学发动机不需要做太大的改装，便可以取得较好的冷却效果。

  4、采用专利所述的冷却方式，可以在一定程度上增加透明石英缸套的长度,削弱高温带来的不利因素，以达到视场与机械强度上的兼顾，同时由于石英缸套长度的增加，自然而然适度的增大了光学发动机的可视化窗口，便于较大范围地测量，对实验的改进有较大的帮助。

  5、通过专利所述的实验装置改进，可以有效的降低石英玻璃的温度，经理论和实验数据验证，可以对缸套表面温度在不使用此冷却系统的情况下降低百分之十四至百分之三十六之间。

Claims (9)

1.一种缸套为石英玻璃的可视化发动机的冷却装置，包括可视化发动机的支撑壳体，其特征在于：所述支撑壳体的四周固定有包裹在支撑壳体外侧的循环水腔壳体，循环水腔壳体下端开有对称的进水口，循环水腔壳体两侧开有对称的出水口，进水口和出水口处设有电磁阀，循环水腔壳体内部形成水腔，水腔内设有温度传感器，位于循环水腔壳体内的支撑壳体两侧布置有第一散热片，第一散热片与导热管阵列内侧固定连接，导热管阵列外侧与第二散热片固定连接。

2.如权利要求1所述的一种缸套为石英玻璃的可视化发动机的冷却装置，其特征在于：支撑壳体的高度为可视化发动机缸套高度的三分之二。

3.如权利要求1所述的一种缸套为石英玻璃的可视化发动机的冷却装置，其特征在于：所述第一散热片面积为8cm2至12cm2；第一散热片贴在支撑壳体两侧，形成曲面，曲面两端与缸套接触，第一散热片采用防水、防腐蚀处理的金属热板。

4.如权利要求1所述的一种缸套为石英玻璃的可视化发动机的冷却装置，其特征在于：所述第一散热片贴在支撑壳体两侧，形成曲面具体指：在第一散热片与支撑壳体和缸套接触的面上涂抹硅脂，再将其固定在支撑壳体两侧。

5.如权利要求1所述的一种缸套为石英玻璃的可视化发动机的冷却装置，其特征在于：所述导热管阵列为5行3列至5行5列，导热管采用扁平状形式的纯铜管，内部采用真空和导热液的组合形式，对称布置在支撑壳体两侧。

6.如权利要求1所述的一种缸套为石英玻璃的可视化发动机的冷却装置，其特征在于：所述第二散热片的面积为9cm2至14cm2，第二散热片采用防水、防腐蚀处理的金属热板。

7.如权利要求1所述的一种缸套为石英玻璃的可视化发动机的冷却装置，其特征在于：循环水腔壳体高度占可视化发动机缸套的三分之一至二分之一，与支撑壳体的连接处使用密封环来进行密封。

8.如权利要求1所述的一种缸套为石英玻璃的可视化发动机的冷却装置，其特征在于：水腔内部二分之一高度的位置，贴近水腔壳体内表面设置有温度感应器。

9.如权利要求1所述的一种缸套为石英玻璃的可视化发动机的冷却装置，其特征在于：水腔壳体下表面二分之一宽度的地方设置有进水口，水口处设置有电磁阀，同时在其侧面五分之四的高度处设置有出水口，水口处设置有电磁阀，所有的结构相互对称分布，两侧布局完全一致。