温度梯度可控燃烧弹的制作方法

本发明属于燃烧试验设备领域，具体设计一种温度梯度可控燃烧弹。定容燃烧弹是一种研究内燃机燃烧机理的实验设备。通过在燃烧弹弹体体外部安装螺距变化的电加热丝对燃烧弹进行加热，具体电加热丝螺距由小增大，实现燃烧弹内轴向温度场的单调递增；通过改变加热丝两端电压来改变加热丝功率最终改变燃烧弹内轴向温度梯度的大小；另外通过外加空气强制冷却的手段进一步调节弹内温度场，使弹内度场变化更趋合理。此种方法结构简单，操作性强，为燃烧的研究提供更准确的温度边界条件。

背景技术：

定容燃烧弹是一种研究燃料燃烧机理的实验装置。燃烧弹内部充满可燃混合气，外围布置加热丝，利用高温引燃的方法使燃烧弹内的可燃混合气燃烧，并通过在燃烧弹上布置的温度压力传感器以及其他测试设备来研究燃烧弹内混合气体的燃烧机理。

现有定容燃烧弹一般是通过外加加热丝的方法对弹内混合气体进行加热，燃烧弹内温度场一般是距离加热丝越近则温度越高，距离越远则温度越低。形成燃烧弹内温度在外围高、中心低的温度场，这对们的实验研究造成了巨大困难。

现有定容燃烧弹的混合气着火方式一般是通过电火花塞引燃或者通过高温使弹内混合气自然来模拟点燃与压燃两种内燃机着火方式。以上着火方式在测量混合气着火极限时遇到困难，不能准确测出混合气着火极限温度。

技术实现要素：

本发明目的是提供一种着火极限准确可测、弹内温度场轴向可控的温度梯度可控燃烧弹，通过燃烧弹外部布置螺距变化的电热丝以及强制空气冷却的手段使定容燃烧弹在轴向上实现温度单调递增，并通过调节加热功率和冷却空气流速来调控燃烧弹轴向上温度的梯度，实现温度场可控。

通过电加热塞加热引燃的手段对弹内混合气进行引燃，并内置温度传感器在加热塞中，以实现弹内混合气引燃温度准确可测。

为实现上述技术特征，本发明采用如下技术方案：

轴向温度可控定容燃烧弹，包括前端盖(13)、燃烧弹弹体(2)、电热塞安装孔(4)、后端盖(1)、电加热丝(7)、燃烧腔(8)、外壳(9)、空气强制冷却腔(6)、进气孔(14)、排气孔(3)、进油孔(12)、电热塞(18)、冷却空气进口(5)或(11)、冷却空气出口(11)或(5)、温度传感器(10)、压力传感器(15)、垫片(16)、电热塞内置温度传感器(17)、电热塞(18)、数据采集系统等组成；所述前端盖(13)开有三个孔，分别为进气孔(14)进油孔(12)压力传感器孔(15)；所述后端盖上开有两个孔，分别为电加热塞孔(4)和排气孔(3)，其中电加热塞孔内安装电加热塞(18)，电加热塞中内置温度传感器(17)；所述燃烧弹弹体上开有均匀分布的八个孔(10)，分别安装温度传感器，燃烧弹弹体外侧安装螺距变化的加热丝(7)，外侧通过台阶定位、螺栓紧固的手段安装外壳(9),燃烧弹弹体(2)与外壳(9)共同组成了空气强制冷却腔(6)；所述前端盖(13)和后端盖(1)都通过螺栓同燃烧弹弹体(2)固定，并通过铜垫片(16)对前端盖、后端盖与弹体的密封；燃烧弹其他部位的密封通过螺纹外加生胶带的方法进行密封；通过在进油孔(12)安装喷油器对弹内喷入燃油，通过进气孔(14)连接高压气体向弹内冲入高压空气，通过调节喷油次数来调节喷入燃烧弹的燃油量，通过调节进气孔(14)处进气压力来调节进入燃烧弹的空气量，从而控制空燃比和燃料体积浓度。燃烧过程的组织是通过加热塞(18)对混合气体进行引燃，当加热塞的温度达到混合气的最低燃烧温度时，混合气开始燃烧并在燃烧腔内从后端往前端传播。燃烧完成后打开排气门(3)排出燃烧后的废气，并打开进气孔(14)通入新鲜空气对燃烧腔(8)进行扫气，扫气完成后，关闭进排气门(14)(3)，通过在强制空气冷却腔(6)通入高速空气流对燃烧弹体进行强制空气冷却，待燃烧弹冷却至常温时，方可进行下一次实验。

本发明的原理是：通过燃烧弹体外布置螺距可变的加热丝对燃烧弹进行加热，使燃烧弹内出现单调递增的温度场，通过改变加热丝两端的电压，改变电加热热流密度，调节燃烧弹内单调递增温度场的梯度；即增大电压，弹内温度场仍然单调递增，同时梯度变大，弹内温度场的跨度也会变大；相反的降低电压，弹内温度梯度减小，同时温度场跨度变小；通过在但燃烧弹弹体外加强制空气冷却，可使弹内温度场更趋合理，具体来说，增加空气流量，燃烧弹内温度会整体下降，当从低温端通入空气流时，弹内温度跨度会变大；当从高温端通入空气流时，弹内温度跨度会变小；通过前端盖上的进油孔和进气孔对燃烧弹内提供所需的空燃比和燃料、空气体积浓度；通过加热塞对弹内混合气体进行引燃，具体来说缓慢提高加热塞的温度，同时通过压力传感器观察弹内气体的压力变化，当弹内气体压力突然升高时，认为弹内混合气体开始燃烧，通过加热塞中内置的温度传感器读取此时加热塞的温度，此温度即认为是此状态下混合气体的可燃温度极限；混合气体起然后，火焰沿燃烧腔向前端传播，火焰所到之处温度传感器示数都会有明显升高，火焰不能传播的地方，温度传感器示数无明显变化，由此和测出火焰的息燃温度极限。

本发明的优点在于：

1、本发明中设计进油和进气系统，能够按照预定要求实现燃油供给量、空燃比的要求；

2、本发明设计加热塞对可燃混合气加热的方法对其进行引燃，并在加热塞内部设计内置的温度传感器，此种设计配合缸内压力传感器，可实现弹内混合气可燃温度极限的测定，方法简单操作性强，为实验提供精确的数据支持；

3、本发明中燃烧弹弹体外设计螺距可变的加热丝对燃烧弹进行加热，实现弹内梯度变化的温度场，并通过改变加热丝功率来改变弹内温度梯度的，实现弹内温度场的调节；

4、本发明中在燃烧弹体外设计强制空气冷却腔，在其中通入冷却空气流对燃烧弹进行冷却，通过调节冷却空气流的速度和流动方向，可实现对弹内已有温度梯度的温度场的微量调节。

本发明最终提供一种弹内温度场梯度可控的管式燃烧弹，能为燃烧试验提供更为准确的边界条件，其结构简单，使用方便，助力科研工作。

附图说明

图1是温度梯度可控燃烧弹设计示意图主视图的剖视图，左侧为后端、右侧为前端；

图2是温度梯度可控燃烧弹设计示意图的左侧视图；

图3使温度梯度可控燃烧弹设计示意图的右侧视图；

图中标记：前端盖(1)、燃烧弹弹体(2)、电热塞安装孔(4)、后端盖(13)、电加热丝(7)、燃烧腔(8)、外壳(9)、空气强制冷却腔(6)、进气孔(14)、排气孔(3)、进油孔(12)、电热塞(18)、冷却空气进口(5)或(11)、冷却空气出口(11)或(5)、温度传感器安装孔(10)、压力传感器(15)、垫片(16)、电热塞内置温度传感器(17)、电热塞(18)。

具体实施方法

以下结合附图对本发明的技术方案作进一步详细阐述：

如图1所示，本发明由前端盖(13)、燃烧弹弹体(2)、电热塞安装孔(4)、后端盖(1)、电加热丝(7)、燃烧腔(8)、外壳(9)、空气强制冷却腔(6)、进气孔(14)、排气孔(3)、进油孔(12)、电热塞(18)、冷却空气进口(5)或(11)、冷却空气出口(11)或(5)、温度传感器安装孔(10)、压力传感器(15)、垫片(16)、电热塞内置温度传感器(17)、电热塞(18)、数据采集系统以及螺栓、螺帽、开关、阀门等组成。

其中，燃烧弹内的燃烧工作过程在如图所示(8)燃烧腔内进行，其构成主要有燃烧弹弹体(2)、前端盖(13)、后端盖(1)三部分构成，前端盖、后端盖和燃烧弹弹体由螺栓进行连接，并用铜垫片(16)进行密封；燃烧弹其他部位的密封通过螺纹外加生胶带的方法进行密封；通过在进油孔(12)安装喷油器对弹内喷入燃油，通过进气孔(14)连接高压气源向弹内冲入高压空气，通过调节喷油次数来调节喷入燃烧弹的燃油量，通过调节进气孔(14)处进气压力来调节进入燃烧弹的空气量，从而控制空燃比和燃料体积浓度；通过加热塞(18)对混合气体进行引燃，混合气开始燃烧并在燃烧腔内从后端往前端传播。实验完成后打开排气门(3)使燃烧后的高温气体排除燃烧弹，并通过打开进气孔(14)通入新鲜空气对燃烧腔(8)进行扫气，扫气完成后，关闭进排气门(14)(3)，通过在强制空气冷却腔(6)通入高速空气流对燃烧弹体进行强制空气冷却，待燃烧弹冷却至常温时，方可进行下一次实验。

通过燃烧弹体(2)外布置螺距可变的加热丝(7)对燃烧弹进行加热，使燃烧弹内出现单调递增的温度场，通过改变加热丝(7)两端的电压，改变加热的热流密度，调节燃烧弹内单调递增的温度场的梯度；即增大电压，弹内温度场仍然单调递增，但梯度变大，弹内温度场的跨度也会变大；相反的降低电压，弹内温度梯度减小，同时温度场跨度变小；通过在燃烧弹弹体外加强制空气冷却腔(6)，通过空气冷却，可使弹内温度场更趋合理，具体来说，增加空气流量，燃烧弹内温度会整体下降，当从低温端通入空气流时，弹内温度跨度会变大；当从高温端通入空气流时，弹内温度跨度会变小，实现弹内温度场调节。

通过加热塞(18)对弹内混合气体进行引燃，具体来说缓慢提高加热塞的温度，同时通过压力传感器(15)观察弹内气体的压力变化，当弹内气体压力突然升高时，认为弹内混合气体开始燃烧，通过加热塞中内置的温度传感器(17)读取此时加热塞的温度，此温度即认为使该状态下混合气体的可燃温度极限；混合气体起燃后，火焰沿燃烧腔向前端传播，火焰所到之处温度传感器(10)示数都会有明显升高，火焰不能传播的地方，温度传感器示数无明显变化，由此可出火焰的息燃温度极限。

本发明利用设计螺距可变加热丝对弹体进行加热和外部强制空气冷却，通过改变加热丝的功率以及改变外部强制空气冷却的强度以及气流方向，实现弹内温度场的调控。