专利名称:一种内燃机缸盖鼻梁区沸腾可视化实验装置制造方法
【专利摘要】本实用新型提供了一种内燃机缸盖鼻梁区沸腾传热可视化实验装置，包括恒温水浴箱、电动水泵、流量计、内燃机机体缸盖组件、可控加热器、内窥镜高速摄像装置和图像采集系统及计算机；恒温水浴箱和内燃机机体缸盖组件之间接有输入管路和输出管路；输入管路上依次设有电动水泵和流量计；恒温水浴箱和电动水泵之间设有第一流量控制阀；内燃机机体缸盖组件包括模拟机体和缸盖；可控加热器与缸盖的底板火力面紧密接触；缸盖鼻梁区附近设有通孔，与通孔密封配合的所述内窥镜高速摄像装置和图像采集系统及计算机相连。本实用新型实现了内燃机缸盖鼻梁区沸腾传热过程的可视化，为建立沸腾传热理论模型和改进冷却水腔结构提供依据。
【专利说明】一种内燃机缸盖鼻梁区沸腾可视化实验装置
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种内燃机缸盖鼻梁区沸腾可视化实验装置，属于内燃机冷却系统沸腾相变强化传热【技术领域】。
【背景技术】
[0002]内燃机冷却系统内“热”与“质”的传递过程直接影响着内燃机热量分配与能量利用，同时又作为燃烧热氛围的边界基础，是燃烧与排放适时性调控的要素。因此，冷却系统内流动与传热行为是内燃机节能减排的关键要素之一。为满足“高效节能与超低排放”的现实渴求，大量先进技术如多气门结构、增压中冷、直喷稀燃、废气再循环、高温冷却等被采用，使得内燃机功率密度越来越高，热负荷越来越大，这引起局部有限空间内(如缸盖鼻梁区)热流密度的急剧提高，给内燃机传热冷却带来前所未有的挑战。
[0003]目前传统的冷却系统是以单相对流换热为冷却传热方式。由于内燃机本体结构极为复杂且热负荷时空分布极不均匀，严重地制约着这种传热模式的冷却效率。更为复杂的是，目前冷却系统冷却量的确定仅是以保证高速大负荷工况下零部件的热可靠性为前提，势必造成在部分负荷工况会出现“冷却过剩”的现象，而在高温环境高负荷工况又会面临过热的风险。而沸腾相变传热是解决高热流密度空间换热最具潜力的途径之一，其呈现出的较小过热度条件下极高的换热性能，给提升内燃机传热冷却效率带来了契机。
[0004]考虑到冷却水腔结构的复杂性和封闭性，以及沸腾现象的随机性和多变性，对内燃机沸腾传热机理与理论模型的研宄具有重大意义。目前用于研宄内燃机沸腾传热的试验装置大多测量诸如温度、热流密度、压力等物理量，这些参数对于研宄水腔内沸腾汽泡的行为特征存在诸多经验性和局限性，例如无法获得水腔内沸腾汽泡尺度、运动情况、成核密度、脱离频率等动力学特征及沸腾状态，导致现有理论和模型简化和假设过多，模型中参数确定过于牵强，适用范围较窄，这极大地制约着沸腾传热在内燃机冷却系统中的研宄与应用。
实用新型内容
[0005]针对现有技术中存在上述不足，本实用新型提供一种内燃机缸盖鼻梁区沸腾可视化实验装置，实现对内燃机不同工况下缸盖鼻梁区冷却水腔内沸腾汽泡演化行为的可视化，通过对图像结果分析，为建立沸腾传热理论模型、进一步改进冷却水腔结构提供事实依据。
[0006]本实用新型是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
[0007]一种内燃机缸盖鼻梁区沸腾传热可视化实验装置，其特征在于，包括恒温水浴箱、电动水泵、流量计、内燃机机体缸盖组件、可控加热器、内窥镜高速摄像装置和图像采集系统及计算机；所述恒温水浴箱和内燃机机体缸盖组件之间接有输入管路和输出管路；输入管路上依次设有电动水泵和流量计；所述恒温水浴箱和电动水泵之间设有第一流量控制阀；所述内燃机机体缸盖组件包括模拟机体和缸盖，所述缸盖位于模拟机体上部且彼此连接；所述可控加热器与缸盖的底板火力面紧密接触；所述缸盖鼻梁区附近设有通孔，与通孔密封配合的所述内窥镜高速摄像装置和图像采集系统及计算机相连。
[0008]进一步的，所述电动水泵和流量计之间设有与恒温水浴箱相连的循环管路，所述循环管路上设有第二流量控制阀。
[0009]进一步的，所述流量计和内燃机机体缸盖组件之间还设有分水器组件，所述分水器组件包括设有分水孔的分水盘、设有进水口的分水盖和分水接头；所述分水盘与分水盖连接；所述分水接头一端与分水孔相连，另一端与模拟机体的模拟机体上水孔相连。
[0010]进一步的，所述分水孔在分水盘上呈同心圆分布，其总数至少与模拟机体上水孔的数目相同。
[0011]进一步的，位于相邻两同心圆上的分水孔相互错开，且分水孔内表面设有螺纹。
[0012]进一步的，两个所述分水接头分别与分水孔和模拟机体上水孔相连的一端均设有分水接头螺纹，且两个分水接头之间通过软橡胶管相连、卡箍固定。
[0013]进一步的，所述分水盘内圆面上设有分水盘内螺纹，所述分水盖外圆面上设有与分水盘内螺纹配合的分水盖外螺纹，且分水盘与分水盖之间设有密封圈。
[0014]进一步的，所述鼻梁区附近通孔为鼻梁区螺纹孔；所述内窥镜高速摄像装置包括内窥镜高速摄像仪和下部透明的内窥镜安装固定套筒，所述内窥镜安装固定套筒外侧设有与鼻梁区螺纹孔配合连接的固定套筒外螺纹；所述内窥镜高速摄像仪位于内窥镜安装固定套筒内。
[0015]进一步的，所述内窥镜高速摄像装置还包括下部透明的镜头保护套筒，所述镜头保护套筒内部开设阶梯孔，与所述内窥镜高速摄像仪的定位台阶形成密封面；所述内窥镜安装固定套筒内管壁下部设有固定套筒内螺纹，且与所述镜头保护套筒下部所设保护套筒外螺纹配合连接。
[0016]进一步的，所述内窥镜高速摄像仪头部带有LED照明光源。
[0017]本实用新型的有益效果:
[0018](I)通过设置内窥镜高速摄像装置和图像采集系统及计算机，实现内燃机缸盖鼻梁区沸腾传热过程的可视化；采用可控加热器提供机体缸盖组件火力面模拟热源，响应速度快；通过设置恒温水浴箱、流量计、控制阀等部件，实现进水流量和温度的可控；为研宄内燃机不同工况下沸腾汽泡演化行为、建立沸腾传热理论模型和进一步改进冷却水腔结构提供事实依据。
[0019](2)通过设置分水器组件，实现对机体缸盖组件每一个上水孔流量的精确可调。
[0020](3)内窥镜高速摄像装置通过设置镜头保护套筒螺纹和内窥镜安装固定套筒螺纹实现两级调节螺纹(粗调和微调)，从而获得一个最佳的内窥镜镜头离沸腾气泡产生区域的观测距离。
[0021](4)整个实验装置集密封与可视化一体，结构简单，加工方便，操作灵活。
【附图说明】
[0022]图1为内燃机缸盖鼻梁区沸腾可视化实验装置的组成示意图。
[0023]图2为分水盘结构示意图。
[0024]图3为图2的A-A剖视图。
[0025]图4为分水盖结构示意图。
[0026]图5为图4的B-B剖视图。
[0027]图6为分水接头结构示意图。
[0028]图7为模拟机体结构示意图。
[0029]图8为缸盖鼻梁区附近设置内窥镜高速摄像装置示意图。
[0030]图9为内窥镜高速摄像装置。
[0031]图10为镜头保护套筒示意图。
[0032]图11为内窥镜安装固定套筒示意图。
[0033]附图标记说明如下:
[0034]1-恒温水浴箱，2-第一流量控制阀，3-电动水泵，4-流量计，5-分水器组件，6-内燃机机体缸盖组件，7-可控加热器，8-内窥镜高速摄像装置，9-图像采集系统及计算机，10-第二流量控制阀，51-分水盘，512-分水孔，514-分水盘内螺纹，52-分水盖，522-进水口，524-分水盖外螺纹，53-分水接头，532-分水接头螺纹，61-模拟机体，612-缸盖螺纹孔，614-模拟机体上水孔，62-缸盖，622-鼻梁区螺纹孔，81-内窥镜高速摄像仪，82-镜头保护套筒，83-内窥镜安装固定套筒，812-定位台阶，822-阶梯孔，824-保护套筒外螺纹，832-固定套筒外螺纹，834-固定套筒内螺纹。
【具体实施方式】
[0035]下面结合附图以及具体实施例对本实用新型作进一步的说明，但本实用新型的保护范围并不限于此。
[0036]如图1所示，一种内燃机缸盖鼻梁区沸腾传热可视化实验装置，包括恒温水浴箱1、电动水泵3、流量计4、分水器组件5、内燃机机体缸盖组件6、可控加热器7、内窥镜高速摄像装置8和图像采集系统及计算机9 ;所述恒温水浴箱I通过输入管路与分水器组件5的进水口 522相连，恒温水浴箱I与分水器组件5之间依次设有第一控制阀2、电动水泵3和流量计4，在电动水泵3和流量计4之间设有与恒温水浴箱I相连的循环管路，循环管路上设置有第二流量控制阀10，通过调节以模拟实际工况中的水流状况；所述分水器组件5后接内燃机机体缸盖组件6，所述内燃机机体缸盖组件6通过输出管路与恒温水浴箱I相连；所述可控加热器7与内燃机机体缸盖组件6的缸盖62底板火力面紧密接触，以模拟热源；从恒温水浴箱I中流出的冷却工质流经第一流量控制阀2、电动水泵3后，一部分通过第二流量控制阀10流回恒温水浴箱I，另一部分则经流量计4、分水器组件5、内燃机机体缸盖组件6流回至恒温水浴箱I ;所述冷却工质可以是自来水，也可是冷却液；所述内窥镜高速摄像装置8与图像采集系统及计算机9相连。
[0037]如图7所示，所述内燃机机体缸盖组件6包括模拟机体61和缸盖62，所述模拟机体61上开设有与所述缸盖62上的螺栓孔相对应的缸盖螺纹孔612，并通过缸盖螺栓与缸盖62相连；所述模拟机体61上同时设有与缸盖62的上水孔相对应的带螺纹的模拟机体上水孔614，其与分水接头53螺纹相接，形成冷却通路。
[0038]所述分水器组件5包括分水盘51、分水盖52和分水接头53 ;如图2、图3所示，所述分水盘51内表面设有分水盘内螺纹514，且与设有分水盖外螺纹524的分水盖52连接，为进一步保证密封，可使用密封圈；所述分水盘51上呈同心圆分布有内表面设有螺纹的分水孔512，其数目与模拟机体上水孔614相同，位于相邻两同心圆上的分水孔512相互错开，便于安装(见图4、图5);所述分水盖52的进水口 522通过输入管路与流量计4输出口连接；
[0039]如图6所示，两个分水接头53分别与分水孔512和模拟机体上水孔614相连的一端均设有分水接头螺纹532，且两个分水接头53之间用软橡胶管连接，卡箍固定；根据实际模拟机体上水孔614的直径确定不同分水接头53的内孔直径尺寸d ;
[0040]如图8所示，所述缸盖62鼻梁区附近设有鼻梁区螺纹孔622，其内螺纹连接有下部透明的内窥镜安装固定套筒83，所述内窥镜安装固定套筒83内管壁下部设有固定套筒内螺纹834，外管壁中部设有固定套筒外螺纹832 (见图11)，所述固定套筒内螺纹834与镜头保护套筒82中开设的保护套筒外螺纹824配合连接；所述镜头保护套筒82内部开设阶梯孔822，与内窥镜高速摄像仪81的定位台阶812形成密封面；所述内窥镜高速摄像仪81，其头部带有LED照明光源。本实用新型适用于研宄内燃机冷却系统内沸腾强化传热气泡演化行为和传热机理。
[0041]利用本实用新型装置的具体实验步骤如下:
[0042](I)实验前，将冷却工质装满恒温水浴箱1，安装并检查好内燃机缸盖鼻梁区沸腾传热可视化实验装置，检查整个可视化实验系统的密封性，检查图像采集系统及计算机9 ;
[0043](2)启动实验装置，首先将电动水泵3调到一个固定转速，通过调整第一流量控制阀2和第二流量控制阀10，使得此时流量计4显示一个数值；同时调整恒温水浴箱I的温度，使进入内燃机机体缸盖组件6的冷却工质入口温度为某一定值；启动可控加热器7，设定一个加热功率，逐步使其在某一固定运行工况下稳定运行；
[0044](3)启动内窥镜高速摄像装置8以及图像采集系统及计算机9 ;当步骤⑵工况运行稳定时，利用内窥镜高速摄像仪81对缸盖鼻梁区附近观测区域进行拍摄，同时调节固定套筒外螺纹832在鼻梁区螺纹孔622的位置(粗调)和保护套筒外螺纹824在内窥镜安装固定套筒83的位置(微调)，最终获得一个最佳的内窥镜镜头离沸腾气泡产生区域的观测距离L。
[0045](4)变换流量计4的流量、恒温水浴箱I的温度、电动水泵3的转速、可控加热器7的功率等参数，重复上述实验步骤，以实现不同运行工况下沸腾传热的可视化。
[0046]所述实施例为本实用新型的优选的实施方式，但本实用新型并不限于上述实施方式，在不背离本实用新型的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本实用新型的保护范围。
【权利要求】
1.一种内燃机缸盖鼻梁区沸腾传热可视化实验装置，其特征在于，包括恒温水浴箱(I)、电动水泵(3)、流量计(4)、内燃机机体缸盖组件(6)、可控加热器(7)、内窥镜高速摄像装置(8)和图像采集系统及计算机(9);所述恒温水浴箱(I)和内燃机机体缸盖组件(6)之间接有输入管路和输出管路；输入管路上依次设有电动水泵(3)和流量计(4);所述恒温水浴箱(I)和电动水泵(3)之间设有第一流量控制阀(2);所述内燃机机体缸盖组件(6)包括模拟机体￠1)和缸盖(62)，所述缸盖￠2)位于模拟机体￠1)上部且彼此连接；所述可控加热器(7)与缸盖￠2)的底板火力面紧密接触；所述缸盖￠2)鼻梁区附近设有通孔，与通孔密封配合的所述内窥镜高速摄像装置(8)和图像采集系统及计算机(9)相连。2.根据权利要求1所述的内燃机缸盖鼻梁区沸腾传热可视化实验装置，其特征在于，所述电动水泵(3)和流量计(4)之间设有与恒温水浴箱(I)相连的循环管路，所述循环管路上设有第二流量控制阀(10)。3.根据权利要求1或2所述的内燃机缸盖鼻梁区沸腾传热可视化实验装置，其特征在于，所述流量计(4)和内燃机机体缸盖组件(6)之间还设有分水器组件(5)，所述分水器组件(5)包括设有分水孔(512)的分水盘(51)、设有进水口(522)的分水盖(52)和分水接头(53);所述分水盘(51)与分水盖(52)连接；所述分水接头(53) —端与分水孔(512)相连，另一端与模拟机体(61)的模拟机体上水孔(614)相连。4.根据权利要求3所述的内燃机缸盖鼻梁区沸腾传热可视化实验装置，其特征在于，所述分水孔(512)在分水盘(51)上呈同心圆分布，其总数至少与模拟机体上水孔(614)的数目相同。5.根据权利要求4所述的内燃机缸盖鼻梁区沸腾传热可视化实验装置，其特征在于，位于相邻两同心圆上的分水孔(512)相互错开，且分水孔(512)内表面设有螺纹。6.根据权利要求5所述的内燃机缸盖鼻梁区沸腾传热可视化实验装置，其特征在于，两个所述分水接头(53)分别与分水孔(512)和模拟机体上水孔(614)相连的一端均设有分水接头螺纹(532)，且两个分水接头(53)之间通过软橡胶管相连、卡箍固定。7.根据权利要求3所述的内燃机缸盖鼻梁区沸腾传热可视化实验装置，其特征在于，所述分水盘(51)内圆面上设有分水盘内螺纹(514)，所述分水盖(52)外圆面上设有与分水盘内螺纹(514)配合的分水盖外螺纹(524)，且分水盘(51)与分水盖(52)之间设有密封圈。8.根据权利要求1所述的内燃机缸盖鼻梁区沸腾传热可视化实验装置，其特征在于，所述鼻梁区附近通孔为鼻梁区螺纹孔￠22);所述内窥镜高速摄像装置(8)包括内窥镜高速摄像仪(81)和下部透明的内窥镜安装固定套筒(83)，所述内窥镜安装固定套筒(83)外侧设有与鼻梁区螺纹孔(622)配合连接的固定套筒外螺纹(832);所述内窥镜高速摄像仪(81)位于内窥镜安装固定套筒(83)内。9.根据权利要求8所述的内燃机缸盖鼻梁区沸腾传热可视化实验装置，其特征在于，所述内窥镜高速摄像装置(8)还包括下部透明的镜头保护套筒(82)，所述镜头保护套筒(82)内部开设阶梯孔(822)，与所述内窥镜高速摄像仪(81)的定位台阶(812)形成密封面；所述内窥镜安装固定套筒(83)内管壁下部设有固定套筒内螺纹(834)，且与所述镜头保护套筒(82)下部所设保护套筒外螺纹(824)配合连接。10.根据权利要求8或9所述的内燃机缸盖鼻梁区沸腾传热可视化实验装置，其特征在于，所述内窥镜高速摄像仪(81)头部带有LED照明光源。
【文档编号】G01M15-04GK204286803SQ201420713539
【发明者】董非, 尹必峰, 贾和坤, 龚伟, 赵高岩 [申请人]江苏大学