本发明涉及压缩膨胀装置领域，具体地，涉及压缩膨胀装置及操作方法；尤其涉及用于点火和燃烧过程可视化研究的快速压缩膨胀装置及操作方法。
背景技术：
发动机的点火和燃烧过程对发动机的热效率、排放等性能有重要影响，开展对发动机的点火以及燃烧过程的研究十分重要，快速压缩膨胀装置是一种用于研究发动机内部工作过程的可视化实验装置，能够模拟发动机在不同工作状况下的流场，基于快压机可以利用高速相机通过光学窗口观察并研究燃烧室内部的点火和燃烧过程，因此快压机被广泛使用于发动机研究中。
中国专利cn110905764a公布了一种基于电磁控制的小型快速压缩机，主要由主燃烧室系统、动力系统和电磁控制电路组成。此发明配置了专门的电磁控制电路，需要用专门的转换开关改变电流方向以控制活塞的运动趋势，需要借助滑动变阻器改变电流大小来改变电磁力的大小以控制活塞运动速度，还需要配备专门的激光测距传感器以测量活塞的位置，组成复杂，控制过程较为繁琐。
专利文献cn102066710b涉及往复运动式流体工作装置，包括内燃机、压缩机和泵。其中介绍了用于非传统构造的活塞和气缸的一系列设置，主要用于在无冷却条件下工作的内燃机。其中设置了环形燃烧室或工作室，一些具有流经环形核心的流体，还设置了在一对工作室之间往复运动的单个活塞、张紧阀促动、活塞和曲轴之间的张紧连接件、能量吸收式活塞曲柄连接件、支撑于气体轴承上的曲轴、在壳体内旋转的气缸、具有在燃料传输期间往复运动或旋转的部件的喷射器。
技术实现要素：
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种压缩膨胀装置及操作方法。
根据本发明提供的一种压缩膨胀装置，包括：单缸发动机、可视化定容燃烧弹、电机和皮带；
所述单缸发动机通过所述皮带连接所述电机，所述可视化定容燃烧弹安装在所述单缸发动机上；
所述可视化定容燃烧弹安装多个窗口适配器，所述窗口适配器安装光学玻璃。
优选地，所述可视化定容燃烧弹还包括：火花塞、顶部端盖和燃烧室；
所述火花塞安装在所述窗口适配器处，所述顶部端盖安装在所述可视化定容燃烧弹顶部，所述可视化定容燃烧弹内部设置燃烧室。
优选地，所述单缸发动机内部设置第一空腔和第二空腔，所述第一空腔连通所述第二空腔，所述第二空腔设置为圆柱状，所述燃烧室和所述第二空腔之间通过连接气道连通；
所述连接气道设置为切向型气道，所述切向型气道有助于在所述燃烧室内形成滚流，所述连接气道根据不同实验需要更换或设置不同形状。
优选地，所述第一空腔内安装曲轴，所述第二空腔内安装活塞，所述曲轴通过连杆连接所述活塞；
所述活塞通过所述曲轴沿所述第二空腔轴向方向做活塞运动。
优选地，所述单缸发动机外侧连接第一转轴，所述第一转轴连接所述曲轴，所述电机侧面安装第二转轴，所述第二转轴通过所述皮带带动所述第一转轴转动。
优选地，所述可视化定容燃烧弹设置为六面体，所述六面体侧面安装四个所述窗口适配器，所述六面体顶部安装所述顶部端盖；
四个所述窗口适配器相同并具有可拆卸性。
优选地，所述顶部端盖设置有多个气道，所述气道通过单向阀控制进气和排气。
优选地，所述顶部端盖安装缸压传感器，所述缸压传感器用于压力监测。
优选地，所述活塞通过所述电机调整运动速度，所述燃烧室通过所述活塞运动建立高压环境；
所述活塞通过传动连接所述电机实现在所述电机启动后1s内达到设定运动速度并稳定运作，所述燃烧室通过所述活塞在所述电机启动后1s内达到设定运动速度并稳定运作实现在所述电机启动后1s内达到实验压力，本装置达到快速压缩膨胀效果。
本发明还提供一种压缩膨胀装置的操作方法，包括以下步骤：
步骤s1，先向所述可视化定容燃烧弹内充入指定量预先配好的预混气，使所述活塞落至下止点；
步骤s2，所述电机通过所述皮带按照指定转速带动所述曲轴转动，所述曲轴带动所述活塞运动，根据传动比和所述电机转速计算所述活塞位置；
步骤s3，所述缸压传感器实时监测缸内压力，当监测缸内压力达到目标压力范围且所述活塞运动达到所述曲轴转角范围时，所述火花塞点火。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、燃烧室与单缸发动机第二空腔相连通，通过电机带动活塞快速运动在可视化定容燃烧弹内营造不同的流场环境，用于研究点火和燃烧过程；
2、可以安装单向阀，与外部气源和大气相连，进行进气或排气工作；可以根据需要通入不同配比的预混合气，用于研究不同当量比的点火实验；
3、缸压传感器可以控制可视化定容燃烧弹内的充气以控制可视化定容燃烧弹内环境密度；
4、窗口适配器可根据实验需要更换光学玻璃或安装不同类型的火花塞；
5、可以通过调节电机转速调节活塞运动速度，以产生不同的流场环境；
6、本装置结构简单、成本低廉、方便维护；
7、连接气道设置成切向型气道有助于在燃烧室内形成滚流，同时也可根据不同实验需要更换或设置不同形状的连接气道。
8、通过控制电机的转速带动活塞高速运动，在燃烧室内部快速建立高压环境，活塞实际运动速度可根据具体实验需要调整，在大部分实验需求下，活塞可在电机启动后1s内达到设定转速并稳定运作，燃烧室内部压力可在电机启动后1s内达到指定实验压力。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为压缩膨胀装置的立体结构示意图；
图2为单缸发动机和可视化定容燃烧弹立体结构示意图；
图3为单缸发动机和可视化定容燃烧弹剖视图；
图中所示：
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1
如图1所示，一种压缩膨胀装置，包括：单缸发动机1、可视化定容燃烧弹2、电机5和皮带6；单缸发动机1通过皮带6连接电机5，可视化定容燃烧弹2安装在单缸发动机1上；可视化定容燃烧弹2安装多个窗口适配器4，窗口适配器4安装光学玻璃9。
如图1至图3所示，可视化定容燃烧弹2还包括：火花塞、顶部端盖3和燃烧室11；火花塞安装在窗口适配器4处，顶部端盖3安装在可视化定容燃烧弹2顶部，可视化定容燃烧弹2内部设置燃烧室11；单缸发动机1内部设置第一空腔14和第二空腔15，第一空腔14连通第二空腔15，第二空腔15设置为圆柱状，燃烧室11和第二空腔15之间通过连接气道12连通；第一空腔14内安装曲轴16，第二空腔15内安装活塞13，曲轴16通过连杆17连接活塞13；活塞13通过曲轴16沿第二空腔15轴向方向做活塞运动；单缸发动机1外侧连接第一转轴7，第一转轴7连接曲轴16，电机5侧面安装第二转轴8，第二转轴8通过皮带6带动第一转轴7转动；可视化定容燃烧弹2设置为六面体，六面体侧面安装四个窗口适配器4，六面体顶部安装顶部端盖3；四个窗口适配器4相同并具有可拆卸性。顶部端盖3设置有多个气道10，气道10通过单向阀控制进气和排气；顶部端盖3安装缸压传感器，缸压传感器用于压力监测；连接气道12设置为切向型气道。
活塞13通过电机5调整运动速度，燃烧室11通过活塞13运动建立高压环境；活塞13通过传动连接电机5实现在电机5启动后1s内达到设定运动速度并稳定运作，燃烧室11通过活塞13在电机5启动后1s内达到设定运动速度并稳定运作实现在电机5启动后1s内达到实验压力，本装置达到快速压缩膨胀效果。
本发明还提供压缩膨胀装置的操作方法，包括以下步骤：
步骤s1，先向可视化定容燃烧弹2内充入指定量预先配好的预混气，使活塞13落至下止点；
步骤s2，电机5通过皮带6按照指定转速带动曲轴16转动，曲轴16带动活塞13运动，根据传动比和电机5转速计算活塞13位置；
步骤s3，缸压传感器实时监测缸内压力，当监测缸内压力达到目标压力范围且活塞13运动达到曲轴16转角范围时，火花塞点火。
实施例2作为实施例1的优选例。
实施例2
一种压缩膨胀装置，包括单缸发动机1、可视化定容燃烧弹2，电机5环绕皮带6；顶部端盖3开有气道10并安装单向阀和缸压传感器，用于控制进气、排气和压力监测；通过窗口适配器4进行光学玻璃9、火花塞等安装，四个窗口适配器4外形尺寸一致，形成可视化定容燃烧弹2侧面四个面之间完全可互换性，提高压缩膨胀装置的实用性；窗口适配器4安装在可视化定容燃烧弹2上，可以拆卸，方便燃烧室11的清洗；电机5布置在单缸发动机1旁，借助皮带6带动单缸发动机1工作。
通过光学测试技术观察燃烧室11情况以研究点火和燃烧过程，连接气道12为可视化定容燃烧弹2和单缸发动机1之间的通道，设置成切向型气道有助于在燃烧室11内形成滚流，可根据不同实验需要更换或设置不同形状的连接气道12。
工作时，先向可视化定容燃烧弹2内充入指定量的预先配好的预混气，使单缸发动机1的活塞13落至下止点；再用电机5按照指定转速带动活塞13运动，根据传动比和电机5转速可计算活塞13位置；缸压传感器可以实时监测缸内压力，当监测缸内压力达到目标压力范围且活塞13运动达到目标曲轴16转角范围时，火花塞点火；
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置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申请的限制。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
1.一种压缩膨胀装置，其特征在于，包括：单缸发动机(1)、可视化定容燃烧弹(2)、电机(5)和皮带(6)；
所述单缸发动机(1)通过所述皮带(6)连接所述电机(5)，所述可视化定容燃烧弹(2)安装在所述单缸发动机(1)上；
所述可视化定容燃烧弹(2)安装多个窗口适配器(4)，所述窗口适配器(4)安装光学玻璃(9)。
2.根据权利要求1所述压缩膨胀装置，其特征在于，所述可视化定容燃烧弹(2)还包括：火花塞、顶部端盖(3)和燃烧室(11)；
所述火花塞安装在所述窗口适配器(4)处，所述顶部端盖(3)安装在所述可视化定容燃烧弹(2)顶部，所述可视化定容燃烧弹(2)内部设置燃烧室(11)。
3.根据权利要求2所述压缩膨胀装置，其特征在于：所述单缸发动机(1)内部设置第一空腔(14)和第二空腔(15)，所述第一空腔(14)连通所述第二空腔(15)，所述第二空腔(15)设置为圆柱状，所述燃烧室(11)和所述第二空腔(15)之间通过连接气道(12)连通；
所述连接气道(12)设置为切向型气道。
4.根据权利要求3所述压缩膨胀装置，其特征在于：所述第一空腔(14)内安装曲轴(16)，所述第二空腔(15)内安装活塞(13)，所述曲轴(16)通过连杆(17)连接所述活塞(13)；
所述活塞(13)通过所述曲轴(16)沿所述第二空腔(15)轴向方向做活塞运动。
5.根据权利要求4所述压缩膨胀装置，其特征在于：所述单缸发动机(1)外侧连接第一转轴(7)，所述第一转轴(7)连接所述曲轴(16)，所述电机(5)侧面安装第二转轴(8)，所述第二转轴(8)通过所述皮带(6)带动所述第一转轴(7)转动。
6.根据权利要求2所述压缩膨胀装置，其特征在于：所述可视化定容燃烧弹(2)设置为六面体，所述六面体侧面安装四个所述窗口适配器(4)，所述六面体顶部安装所述顶部端盖(3)；
四个所述窗口适配器(4)相同并具有可拆卸性。
7.根据权利要求2所述压缩膨胀装置，其特征在于：所述顶部端盖(3)设置有多个气道(10)，所述气道(10)通过单向阀控制进气和排气。
8.根据权利要求5所述压缩膨胀装置，其特征在于：所述顶部端盖(3)安装缸压传感器，所述缸压传感器用于压力监测。
9.根据权利要求8所述压缩膨胀装置，其特征在于：所述活塞(13)通过所述电机(5)调整运动速度，所述燃烧室(11)通过所述活塞(13)运动建立高压环境。
10.一种权利要求9所述压缩膨胀装置的操作方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤s1，先向所述可视化定容燃烧弹(2)内充入指定量预先配好的预混气，使所述活塞(13)落至下止点；
步骤s2，所述电机(5)通过所述皮带(6)按照指定转速带动所述曲轴(16)转动，所述曲轴(16)带动所述活塞(13)运动，根据传动比和所述电机(5)转速计算所述活塞(13)位置；
步骤s3，所述缸压传感器实时监测缸内压力，当监测缸内压力达到目标压力范围且所述活塞(13)运动达到所述曲轴(16)转角范围时，所述火花塞点火。
技术总结