全可视光学活塞和活塞组件论文和设计-马骁

全文摘要

本实用新型涉及光学发动机领域，提供了一种全可视光学活塞和活塞组件。该活塞第一端的端面用于与缸套和缸盖共同围设成燃烧室、第二端的端面向内凹陷形成弧形面，该活塞的尺寸应当满足：(D1‑D2)\/(2*L)≤tan(α‑β)；D1表示全可视光学活塞第一端端面的直径；D2表示弧形面的直径；L表示全可视光学活塞的高度；α和β分别表示极限光路在弧形面边缘同一点处的折射角和入射角；极限光路为燃烧室内的光束自全可视光学活塞的第一端端面的边缘入射并从弧形面的边缘射出时所沿的路径。本实用新型通过使全可视光学活塞的尺寸满足预设条件就可借助光可逆的原理使燃烧室中任意区域的光源发出的光束经过全可视光学活塞两次折射后均能被观测到。

主设计要求

1.一种全可视光学活塞，其特征在于，所述全可视光学活塞的第一端的端面用于与缸套和缸盖共同围设成燃烧室、第二端的端面向内凹陷形成弧形面，所述全可视光学活塞的尺寸应当满足以下条件：(D1-D2)\/(2*L)≤tan(α-β)；其中，D1表示所述全可视光学活塞的第一端端面的直径；D2表示所述弧形面的直径；L表示所述全可视光学活塞的高度；α和β分别表示极限光路在所述弧形面边缘同一点处的折射角和入射角；所述极限光路为所述燃烧室内的光束自所述全可视光学活塞的第一端端面的边缘入射并从所述弧形面的边缘射出时所沿的路径。

设计方案

1.一种全可视光学活塞，其特征在于，所述全可视光学活塞的第一端的端面用于与缸套和缸盖共同围设成燃烧室、第二端的端面向内凹陷形成弧形面，所述全可视光学活塞的尺寸应当满足以下条件：

(D_{1<\/sub>-D_{2<\/sub>)\/(2*L)≤tan(α-β)；}}

其中，D_{1<\/sub>表示所述全可视光学活塞的第一端端面的直径；D_{2<\/sub>表示所述弧形面的直径；L表示所述全可视光学活塞的高度；α和β分别表示极限光路在所述弧形面边缘同一点处的折射角和入射角；所述极限光路为所述燃烧室内的光束自所述全可视光学活塞的第一端端面的边缘入射并从所述弧形面的边缘射出时所沿的路径。}}

2.根据权利要求1所述的全可视光学活塞，其特征在于，所述全可视光学活塞的第一端的端面开设有凹坑。

3.根据权利要求1或2所述的全可视光学活塞，其特征在于，所述全可视光学活塞第一端的外壁设有向外凸起的第一凸台、第二端的外壁设有向外凸起的第二凸台，所述全可视光学活塞位于所述第一凸台与所述第二凸台之间的外壁自所述第二凸台至所述第一凸台向上倾斜。

4.根据权利要求3所述的全可视光学活塞，其特征在于，所述第二凸台的顶面为斜面。

5.根据权利要求3所述的全可视光学活塞，其特征在于，所述第一凸台的外径大于所述第二凸台的外径。

6.一种活塞组件，其特征在于，包括延长活塞头、延长活塞体、多个夹持件以及如权利要求5所述的全可视光学活塞；所述延长活塞头套设于所述全可视光学活塞的外侧，所述延长活塞头的第一端设于所述第一凸台的下方、第二端与所述延长活塞体连接；所述延长活塞头与所述全可视光学活塞之间设有多个所述夹持件，多个所述夹持件沿所述全可视光学活塞的周向依次设置，每个所述夹持件的第一端设于所述第一凸台的下方、第二端的内壁设有用于嵌设所述第二凸台的限位槽；所述延长活塞体的内部沿所述延长活塞体的轴向开设有光路通道，所述光路通道依次通过所述延长活塞头和所述夹持件与所述全可视光学活塞连通，所述延长活塞体侧壁开设有与所述光路通道连通的窗口。

7.根据权利要求6所述的活塞组件，其特征在于，所述延长活塞头的第二端的内壁设有向内延伸的连接台，所述连接台位于所述夹持件与所述延长活塞体之间，所述连接台与所述夹持件之间设有垫片；所述夹持件的底面开设有用于与紧固螺钉配合的螺纹孔，所述紧固螺钉的一端依次穿过所述延长活塞体、所述连接台和所述垫片后与所述螺纹孔螺纹配合。

8.根据权利要求6所述的活塞组件，其特征在于，所述延长活塞头的第一端的端面开设有环形密封槽，所述环形密封槽内嵌设有O形密封圈。

9.根据权利要求6所述的活塞组件，其特征在于，所述延长活塞头第一端的内壁上开设有多个环形缓冲槽，多个所述环形缓冲槽沿所述延长活塞头的轴向依次设置。

10.根据权利要求6所述的活塞组件，其特征在于，所述延长活塞头的第二端的端面设有向外凸起的卡环，所述延长活塞体的端面开设有用于与所述卡环卡接的环形卡槽。

11.根据权利要求6所述的活塞组件，其特征在于，所述延长活塞头的外径大于所述全可视光学活塞的外径。

设计说明书

技术领域

本实用新型涉及光学发动机领域，具体涉及一种全可视光学活塞和活塞组件。

背景技术

汽车发动机是节能环保的重点领域，为了满足排放法规、达到节能减排的目的，人们开始尝试采用新型燃料和新型燃烧方法来提高发动机的效率。而为了更好的了解和改进上述方式这就需要对燃料在发动机缸内的混合过程、火焰传播情况、碳烟生成情况进行观测研究。

目前，一般采用光学发动机对其缸内的环境进行观测。光学活塞是光学发动机的重要组成部分，缸内燃烧图像可经由光学活塞被高速相机等设备采集，光学活塞性能对于光学发动机的测试效果影响重大。燃烧室的边缘是光学测试较为关注的区域，末端混合气自燃现象经常发生在此处。但是现有的光学活塞受到压盖的阻挡而导致观测范围狭小、无法覆盖到燃烧室边缘。

实用新型内容

本实用新型要解决的是现有光学活塞观测范围狭小、无法覆盖到燃烧室边缘的技术问题。

为解决上述问题，本实用新型提供了一种全可视光学活塞，所述全可视光学活塞的第一端的端面用于与缸套和缸盖共同围设成燃烧室、第二端的端面向内凹陷形成弧形面，所述全可视光学活塞的尺寸应当满足以下条件：

(D_{1<\/sub>-D_{2<\/sub>)\/(2*L)≤tan(α-β)；}}

其中，所述全可视光学活塞的第一端的端面开设有凹坑。

其中，所述全可视光学活塞第一端的外壁设有向外凸起的第一凸台、第二端的外壁设有向外凸起的第二凸台，所述全可视光学活塞位于所述第一凸台与所述第二凸台之间的外壁自所述第二凸台至所述第一凸台向上倾斜。

其中，所述第二凸台的顶面为斜面。

其中，所述第一凸台的外径大于所述第二凸台的外径。

为解决上述问题，本实用新型还提供了一种活塞组件，该活塞组件包括延长活塞头、延长活塞体、多个夹持件以及上述所述的全可视光学活塞；所述延长活塞头套设于所述全可视光学活塞的外侧，所述延长活塞头的第一端设于所述第一凸台的下方、第二端与所述延长活塞体连接；所述延长活塞头与所述全可视光学活塞之间设有多个所述夹持件，多个所述夹持件沿所述全可视光学活塞的周向依次设置，每个所述夹持件的第一端设于所述第一凸台的下方、第二端的内壁设有用于嵌设所述第二凸台的限位槽；所述延长活塞体的内部沿所述延长活塞体的轴向开设有光路通道，所述光路通道依次通过所述延长活塞头和所述夹持件与所述全可视光学活塞连通，所述延长活塞体侧壁开设有与所述光路通道连通的窗口。

其中，所述延长活塞头的第二端的内壁设有向内延伸的连接台，所述连接台位于所述夹持件与所述延长活塞体之间，所述连接台与所述夹持件之间设有垫片；所述夹持件的底面开设有用于与紧固螺钉配合的螺纹孔，所述紧固螺钉的一端依次穿过所述延长活塞体、所述连接台和所述垫片后与所述螺纹孔螺纹配合。

其中，所述延长活塞头的第一端的端面开设有环形密封槽，所述环形密封槽内嵌设有O形密封圈。

其中，所述延长活塞头第一端的内壁上开设有多个环形缓冲槽，多个所述环形缓冲槽沿所述延长活塞头的轴向依次设置。

其中，所述延长活塞头的第二端的端面设有向外凸起的卡环，所述延长活塞体的端面开设有用于与所述卡环卡接的环形卡槽。

其中，所述延长活塞头的外径大于所述全可视光学活塞的外径。

本实用新型结构简单、安装便捷，通过使全可视光学活塞的尺寸满足以下条件：(D_{1<\/sub>-D_{2<\/sub>)\/(2*L)≤tan(α-β)，就可借助光可逆的原理使燃烧室中任意区域的光源发出的光束经过全可视光学活塞两次折射后均能被放置在指定位置的图像采集设备接收，大幅提高了观测范围。其中，D_{1<\/sub>表示所述全可视光学活塞的第一端端面的直径；D_{2<\/sub>表示所述弧形面的直径；L表示所述全可视光学活塞的高度；α和β分别表示极限光路在所述弧形面边缘同一点处的折射角和入射角；所述极限光路为所述燃烧室内的光束自所述全可视光学活塞的第一端端面的边缘入射并从所述弧形面的边缘射出时所沿的路径。}}}}

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型实施例1中的一种全可视光学活塞的纵向剖视图；

图2是本实用新型实施例1中的一种全可视光学活塞的立体图；

图3是本实用新型实施例2中的一种活塞组件的纵向剖视图；

图4是图3在A处的放大图；

图5是本实用新型实施例2中的一种延长活塞头的立体图；

图6是本实用新型实施例2中的一种活塞组件的爆炸示意图。

附图标记：

1、全可视光学活塞；1-1、弧形面；1-2、凹坑；1-3、第一凸台；1-4、第二凸台；2、夹持件；2-1、限位槽；3、延长活塞头；3-1、连接台；3-2、环形密封槽；3-3、环形缓冲槽；3-4、环槽；3-5、卡环；4、延长活塞体；4-1、光路通道；4-2、窗口；5、垫片。

具体实施方式

为使实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合实用新型中的附图，对实用新型中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，除非另有说明，术语“上”、“下”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的系统或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在实用新型中的具体含义。

实施例1

如图1和图2所示，本实施例提供了一种提供了一种全可视光学活塞1，全可视光学活塞1的第一端的端面用于与缸套和缸盖共同围设成燃烧室、第二端的端面向内凹陷形成弧形面1-1，全可视光学活塞1的尺寸应当满足以下条件：

(D_{1<\/sub>-D_{2<\/sub>)\/(2*L)≤tan(α-β)；}}

其中，D_{1<\/sub>表示全可视光学活塞1的第一端端面的直径；D_{2<\/sub>表示弧形面1-1的直径；L表示全可视光学活塞1的高度；α和β分别表示极限光路在弧形面1-1边缘同一点处的折射角和入射角；极限光路为燃烧室内的光束自全可视光学活塞1的第一端端面的边缘入射并从弧形面1-1的边缘射出时所沿的路径。}}

由上可知，整个全可视光学活塞1相当于一个凹面镜。燃烧室中任意区域的光源发出的光束穿过全可视活塞时会在全可视光学活塞1的第一端的端面和弧形面1-1处分别发生一次折射，光源发出的光束经过全可视光学活塞1这两次折射后均能被放置在指定位置的图像采集设备接收。由于光路的可逆性，当平行于全可视光学活塞1的主光轴进行观测时，燃烧室中任意区域都在视场范围内。需要说明的是，实际使用时弧形面1-1既可以设置为球面镜，也可以设置为非球面镜。

进一步地，全可视光学活塞1的第一端的端面开设有凹坑1-2。这样设置的好处在于，既可以更接近实机活塞的结构，提高实验结果的真实性和可靠性，又可以通过调节凹坑1-2的深度来改变发动机的压缩比。其中，凹坑1-2的横截面形状可以但不限于是矩形、圆形、椭圆形或W形。由于全可视光学活塞1会在发动机的缸内做高速往复运动，因此全可视光学活塞1第一端的端面即凹坑1-2外围的环形面A、凹坑1-2的底面B和凹坑1-2的侧壁D在缸内高压气体的冲击下会产生交变压应力和拉应力，而这些面的交汇处是应力集中的区域，在交变压应力和拉应力作用下，这些应力集中区域存在的微裂缝容易发展扩大。为了提高全可视光学活塞1的强度、延长使用寿命，凹坑1-2外围的环形面A与凹坑1-2的侧壁D的交汇处、凹坑1-2的侧壁D和凹坑1-2的底面B交汇处均可圆滑过渡，即全可视光学活塞1第一端的端面的棱角处进行倒圆角处理。

另外，为了便于组装固定，全可视光学活塞1第一端的外壁设有向外凸起的第一凸台1-3、第二端的外壁设有向外凸起的第二凸台1-4，全可视光学活塞1位于第一凸台1-3与第二凸台1-4之间的外壁H自第二凸台1-4至第一凸台1-3向上倾斜，也就是说，全可视光学活塞1位于第一凸台1-3与第二凸台1-4之间的外壁H的外径自第二凸台1-4至第一凸台1-3逐渐增大。其中，第二凸台1-4的顶面为斜面，第一凸台1-3的外径大于第二凸台1-4的外径。

进一步地，为了避免极限光路被阻断，影响全可视效果，燃烧室内的光束自全可视光学活塞1的第一端端面的边缘入射后其折射光路位于全可视光学活塞1内，也就是说，燃烧室内的光束自全可视光学活塞1的第一端端面的边缘入射后不会从全可视光学活塞1位于第一凸台1-3与第二凸台1-4之间的外壁H射出。

实施例2

如图3至图6所示，本实施例提供了一种活塞组件，该活塞组件包括延长活塞头3、延长活塞体4、多个夹持件2以及上述所述的全可视光学活塞1；延长活塞头3套设于全可视光学活塞1的外侧，延长活塞头3的第一端设于第一凸台1-3的下方、第二端与延长活塞体4连接；延长活塞头3与全可视光学活塞1之间设有多个夹持件2，多个夹持件2沿全可视光学活塞1的周向依次设置，每个夹持件2的第一端设于第一凸台1-3的下方、第二端的内壁设有用于嵌设第二凸台1-4的限位槽2-1；延长活塞体4的内部沿延长活塞体4的轴向开设有光路通道4-1，光路通道4-1依次通过延长活塞头3和夹持件2与全可视光学活塞1连通，延长活塞体4侧壁开设有与光路通道4-1连通的窗口4-2。本实施例中的全可视光学活塞1的结构与原理与实施例1相同，本实施例不再赘述。

观测前：首先在光路通道4-1内组装反射镜，并使反射镜位于全可视光学活塞1的弧形面1-1的折射光路上；然后，在活塞组件的外侧设置图像采集设备例如高速相机，图像采集设备需设置在反射镜的反射光路上。当然为了便于布置，也可先在活塞组件的外侧设置图像采集设备，然后组装反射镜并通过调整反射镜的组装角度来改变反射镜反射光路的方向。观测时：燃烧室内的光源发出的光束经过全可视光学活塞1两次折射后依次穿过夹持件2和延长活塞头3进入光路通道4-1，直至照射在反射镜上，该光束经反射镜反射后穿过窗口4-2最终照射在图像采集设备上。需要说明的是，在观测过程中全可视光学活塞1凹坑1-2外围的环形面A、凹坑1-2的底面B、弧形面1-1也即C面、凹坑1-2的侧壁D和第一凸台1-3的侧壁E均可作为视窗对发动机缸内情况进行观测。当然，在采用激光诱导测试方法时凹坑1-2的侧壁D和第一凸台1-3的侧壁E也可作为进入激光的通道。

优选地，夹持件2的数量为两个，每个夹持件2均为半圆管结构，两个夹持件2可共同拼接成一个完整的圆管。组装夹持件2时：若夹持件2与全可视光学活塞1的接触面仅为第二凸台1-4的底面F、侧壁和顶面G时，全可视光学活塞1主要受到压应力，其受到的拉应力和弯曲应力较小。但若全可视光学活塞1位于第一凸台1-3与第二凸台1-4之间的外壁H也与夹持件2接触，则夹持件2对全可视光学活塞1施加的拉应力就会增大，并且全可视光学活塞1受到压应力也易转变为弯曲应力。由于光学活塞的材质一般都为石英玻璃，而石英玻璃具有抗压强度大、抗拉强度和弯曲强度小的特点，因此为了减小夹持件2对全可视光学活塞1施加的拉应力和弯曲应力，延长全可视光学活塞1的使用寿命、避免其被损坏，全可视光学活塞1位于第一凸台1-3与第二凸台1-4之间的外壁H与夹持件2之间应具有间隙。更优选地，延长活塞头3的第一端与第一凸台1-3的底面之间以及夹持件2的第一端与第一凸台1-3的底面之间也具有间隙。

优选地，延长活塞头3的第二端的内壁设有向内延伸的连接台3-1，连接台3-1位于夹持件2与延长活塞体4之间，连接台3-1与夹持件2之间设有垫片5；夹持件2的底面开设有用于与紧固螺钉配合的螺纹孔，紧固螺钉的一端依次穿过延长活塞体4、连接台3-1和垫片5后与螺纹孔螺纹配合，也就是说，延长活塞体4、延长活塞头3的连接台3-1和垫片5上均开设有与螺纹孔一一对应的通孔，紧固螺钉的一端依次穿过延长活塞体4的通孔、连接台3-1的通孔和垫片5的通孔后与夹持件2的螺纹孔螺纹配合。其中，垫片5的材质优选采用耐高温材料例如聚四氟乙烯。在连接台3-1与夹持件2之间设置垫片5的好处在于：一方面、可提高连接台3-1与夹持件2的密封性；另一方面、拧紧紧固螺钉时垫片5可通过自身形变为紧固螺钉提供预紧力。另外，安装时安装人员也可通过选用相应厚度的垫片5来调整全可视光学活塞1与延长活塞头3之间的间隙。

需要说明的是，活塞组件组装过程中全可视光学活塞1与夹持件2之间的间隙内、相邻两个夹持件2之间的间隙内以及夹持件2与延长活塞头3之间的间隙中均要涂抹高温密封胶，以避免燃烧室内的高压气体通过上述间隙发生泄露，进而导致实际压缩机比降低、影响实验结果。

进一步地，夹持件2、延长活塞头3和延长活塞体4的材质均可采用铝合金、以降低活塞组件在发动机缸内往复运动过程中的惯性力。而紧固螺钉的材质优选采用强度较高的钢材。并且，考虑到当紧固螺钉的材质为钢材而夹持件2的材质为铝合金时，紧固螺钉容易磨损、甚至压溃夹持件2的螺纹孔，因此为了提高螺纹孔的疲劳强度和耐磨损性能螺纹孔内可嵌设钢丝螺套。

优选地，延长活塞头3的第一端的端面开设有环形密封槽3-2，环形密封槽3-2内嵌设有O形密封圈、以提高延长活塞头3与全可视光学活塞1之间的密封性。延长活塞头3的外壁开设有多个用于嵌设活塞环的环槽3-4，多个环槽3-4沿延长活塞头3的轴向依次设置。

优选地，延长活塞头3第一端的内壁上开设有多个环形缓冲槽3-3，多个环形缓冲槽3-3沿延长活塞头3的轴向依次设置。由于环形缓冲槽3-3的存在，当燃烧室内的高压气体从第一凸台1-3与延长活塞头3之间的间隙进入延长活塞头3与夹持件2之间的间隙时，高压气体会先进入最邻近第一凸台1-3的环形缓冲槽3-3中。当最邻近第一凸台1-3的环形缓冲槽3-3中充满高压气体后剩余的高压气体才会通过该环形缓冲槽3-3进入次邻近第一凸台1-3的环形缓冲槽3-3中。可见，泄露到延长活塞头3与夹持件2之间的高压气体每流经一个环形缓冲槽3-3后进入下一个环形缓冲槽3-3的流量就会大幅减少，从而经过多个环形缓冲槽3-3依次拦截后泄露到延长活塞头3与夹持件2之间的高压气体便无法到达延长活塞头3的第二端。

优选地，延长活塞头3的第二端的端面设有向外凸起的卡环3-5，延长活塞体4的端面开设有用于与卡环3-5卡接的环形卡槽。组装延长活塞头3与延长活塞体4时，只需将延长活塞头3的卡环3-5插入延长活塞体4的环形卡槽就可保证延长活塞头3和延长活塞体4的同轴度。

另外，考虑到活塞组件在组装过程中存在组装误差以及活塞组件在发动机缸内往复运动过程中光学活塞头在侧向力的作用下可能会发生倾斜，因此为了避免全可视光学活塞1相对延长活塞头3发生偏心而直接接触发动机的缸套被磨损，延长活塞头3的外径应大于全可视光学活塞1的外径。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

设计图

全可视光学活塞和活塞组件论文和设计

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