齊　放，　周康泉，　許滄粟，　胡洋洋，　周　旋，　鐘安昊

(浙江大學(xué) 動(dòng)力機(jī)械及車(chē)輛工程研究所， 杭州 310027)

0　引　言

發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架實(shí)驗(yàn)在動(dòng)力工程專(zhuān)業(yè)本科生教學(xué)中是必不可少的內(nèi)容。通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架實(shí)驗(yàn)，學(xué)生能夠了解燃料對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作的宏觀影響，比如動(dòng)力性、排放性、經(jīng)濟(jì)性以及缸內(nèi)壓力變化[1]，然而，卻不能深入了解燃料的具體燃燒過(guò)程。整個(gè)社會(huì)對(duì)汽車(chē)排放要求越來(lái)越高，且化石能源不可再生，因此需要尋找高效、清潔的發(fā)動(dòng)機(jī)工作模式[2-3]，比如汽油機(jī)缸內(nèi)直噴(GDI)[4]、均質(zhì)壓燃(HCCI)[5-6]等，此外，還需要了解燃料的燃燒過(guò)程。

為此，在常規(guī)動(dòng)力工程專(zhuān)業(yè)本科教學(xué)中，在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上增設(shè)定容燃燒彈實(shí)驗(yàn)，以汽油作為樣品燃料，幫助學(xué)生學(xué)習(xí)并理解燃料的燃燒過(guò)程。通過(guò)深入了解這些燃料的燃燒過(guò)程，有助于學(xué)生對(duì)燃料燃燒及其在發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用有一個(gè)新的認(rèn)識(shí)。

1　實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備

我校動(dòng)力工程專(zhuān)業(yè)本科生實(shí)驗(yàn)教學(xué)中發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架實(shí)驗(yàn)設(shè)備如圖 1 所示， 主要由測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)、測(cè)功機(jī)和排放特性測(cè)試設(shè)備等組成。

圖1發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)架[7]

1-油箱; 2-油耗儀; 3-北汽491Q汽油機(jī); 4-聯(lián)軸器; 5-電渦流測(cè)功機(jī); 6-控制臺(tái); 7- 數(shù)據(jù)記錄與分析系統(tǒng); 8-尾氣分析儀; 9-不透光儀； 10-燃燒分析儀

在該實(shí)驗(yàn)臺(tái)架上，能進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、排放特性的測(cè)試，某成品發(fā)動(dòng)機(jī)全負(fù)荷的速度性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖2所示，此外通過(guò)缸壓傳感器能夠得到發(fā)動(dòng)機(jī)在各個(gè)曲軸轉(zhuǎn)角時(shí)刻的缸壓，如圖3所示。

圖2　491Q某成品發(fā)動(dòng)機(jī)全負(fù)荷速度性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖3一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)工況下的缸壓變化

上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果參數(shù)僅可得到燃料應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)上的宏觀表現(xiàn)，并不能清晰表明燃料燃燒過(guò)程，故應(yīng)用定容燃燒彈臺(tái)架幫助學(xué)生理解燃料燃燒過(guò)程，定容燃燒彈實(shí)驗(yàn)臺(tái)架主要包括定容燃燒彈、紋影成像系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)、高速攝影機(jī)、計(jì)算機(jī)、示波器等，如圖4所示。

圖4電火花點(diǎn)火定容燃燒彈臺(tái)架[8-9]

1-定容燃燒彈; 2-對(duì)置鉑金電極絲; 3-電流探頭(Tektronix, TCP2020); 4-電壓探頭(Tektronix, P6015A); 5-高壓線(xiàn)圈; 6-中心電極點(diǎn)火控制模塊; 7-數(shù)字存儲(chǔ)示波器 (Tektronix DPO2024B); 8-延時(shí)觸發(fā)器(SRS DG645); 9、10-紋影儀拋物面反射鏡; 11、12-紋影儀平面反射鏡; 13-紋影儀狹縫; 14-紋影儀成像刀口; 15-紋影儀Xenon燈; 16-高速CCD; 17-計(jì)算機(jī)

2　實(shí)驗(yàn)過(guò)程

實(shí)驗(yàn)具體流程如下：

(1) 實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前，檢查定容燃燒彈氣密性和加熱系統(tǒng)的可靠性，具體操作為：關(guān)閉進(jìn)氣門(mén)，開(kāi)啟真空泵，將定容燃燒彈抽至一定真空度，然后關(guān)閉壓力表后的閥門(mén)，觀察壓力表示數(shù)，2 min示數(shù)不變即認(rèn)為定容燃燒彈氣密性良好。

(2) 調(diào)整電極位置和間距，并檢驗(yàn)點(diǎn)火有效性，具體操作為：電極絲建議間距2 mm，電極絲水平放置，中心無(wú)偏移；點(diǎn)火前調(diào)節(jié)點(diǎn)火單元充電時(shí)間，一般為2 ms充電時(shí)間，觀察電極間隙中火花亮度。

(3) 沖洗定容燃燒彈彈體內(nèi)腔，開(kāi)啟真空泵，并打開(kāi)進(jìn)氣和排氣閥門(mén)，至少?zèng)_洗5 min，然后關(guān)閉真空泵；預(yù)熱定容燃燒彈，打開(kāi)加熱系統(tǒng)穩(wěn)壓直流電源，調(diào)整電壓至24 V。

(4) 預(yù)熱及沖洗完成后，利用真空泵抽吸定容燃燒彈內(nèi)空氣至0.5 kPa壓力，關(guān)閉排氣閥門(mén)，關(guān)閉真空泵。

(5) 注入燃料，注入之后隨即關(guān)閉進(jìn)氣閥門(mén)，并靜置3～5 min同時(shí)維持實(shí)驗(yàn)所需溫度，保證所加入的燃料完全氣化，然后打開(kāi)進(jìn)氣閥門(mén)使容彈內(nèi)部達(dá)到正常大氣壓，靜置5 min至可燃混合氣分布均勻。

(6) 點(diǎn)火并記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，如果3次點(diǎn)火不成功調(diào)整充電時(shí)間。

(7) 重復(fù)第3步直至實(shí)驗(yàn)結(jié)束。

通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)，得到點(diǎn)火過(guò)程的電壓、電流信號(hào)和火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程的壓力曲線(xiàn)，接下來(lái)對(duì)實(shí)驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

3　實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)過(guò)程能夠得到燃燒過(guò)程中的壓力曲線(xiàn)、點(diǎn)火瞬間的電流、火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程的紋影圖片。根據(jù)這些測(cè)量參數(shù)可以進(jìn)一步推導(dǎo)出點(diǎn)火能量、壓力升高率和燃燒過(guò)程放熱率。

3.1　點(diǎn)火能量

對(duì)于電火花點(diǎn)火的能量可根據(jù)電壓探頭和電流探頭在數(shù)字示波器中得到的點(diǎn)火過(guò)程中的電壓、電流變化曲線(xiàn)得到，計(jì)算式為[10]:

(1)

式中：u(t)是為放電過(guò)程放電電極與接地電極之間的電壓；i(t)是放電過(guò)程放電回路的電流；t是放電過(guò)程的火花持續(xù)時(shí)間。

點(diǎn)火系統(tǒng)提供的能量使小部分可燃混合氣溫度迅速升高被點(diǎn)燃，形成火核，同時(shí)初始火核具有相當(dāng)?shù)膫鞑ニ俣龋鸷酸尫懦龅幕瘜W(xué)能大于向外界的散熱，不被淬熄，那么點(diǎn)火即成功，否則失敗[11]，如圖5所示。

據(jù)上計(jì)算可得準(zhǔn)確的點(diǎn)火能量，改變點(diǎn)火能量，可觀測(cè)到可燃混合物所需要的最小點(diǎn)火能量[12-13]。

3.2　火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程

成功點(diǎn)火的可燃混合物的火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程能夠被高速紋影成像系統(tǒng)記錄下來(lái)，如圖6所示。

3.3　壓力曲線(xiàn)

通過(guò)數(shù)字示波器刻錄的壓力曲線(xiàn)可以推算出壓力升高率，壓力升高率反映了混合氣的燃燒速率和火焰?zhèn)鞑ニ俣?，壓力升高率越大，表明混合氣的燃燒速率和火焰?zhèn)鞑ニ俣仍酱骩14]。圖7所示為初始條件358 K、0.1 MPa情況下定容燃燒彈中汽油燃燒的壓力曲線(xiàn)。

圖7　汽油-空氣混合氣燃燒過(guò)程壓力曲線(xiàn)

3.4　放熱率

定容燃燒彈內(nèi)燃燒時(shí)放熱量的分析是非常重要的。本文運(yùn)用熱力學(xué)定律對(duì)容彈內(nèi)的放熱量進(jìn)行了分析，為了簡(jiǎn)化計(jì)算汽油-空氣混合氣在不同點(diǎn)火方式下的放熱量，假設(shè)[15-16]：① 容彈內(nèi)的混合氣為理想氣體；② 混合氣在容彈內(nèi)均勻分布；③ 不考慮燃燒產(chǎn)物的影響；④ 不考慮容彈壁面?zhèn)鳠釗p失。

根據(jù)以上假設(shè)，容彈內(nèi)混合氣燃燒的放熱量為：

(2)

式中：Q為放熱量，t為時(shí)間，V為容彈體積，p為壓力，γ為熱容比。在計(jì)算時(shí)假設(shè)γ為常數(shù)1.4。在本實(shí)驗(yàn)中容彈體積是不變的，式(2)中的第二項(xiàng)為0，故可簡(jiǎn)化為：

(3)

對(duì)該式進(jìn)行積分即可得到混合氣燃燒時(shí)的放熱量：

(4)

由于實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，容彈體積是固定不變的，所以不同當(dāng)量比的混合氣放熱量快慢取決于壓力曲線(xiàn)。圖8所示為汽油/空氣混合氣不同當(dāng)量比時(shí)凈放熱量與時(shí)間的變化關(guān)系圖。

圖8　汽油-空氣混合氣燃燒過(guò)程放熱量曲線(xiàn)

4　結(jié)　語(yǔ)

在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，利用定容燃燒彈臺(tái)架進(jìn)行的燃料燃燒過(guò)程教學(xué)， 使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中對(duì)燃料燃燒點(diǎn)火過(guò)程、火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程和燃料在發(fā)動(dòng)機(jī)上的動(dòng)力性、 經(jīng)濟(jì)性、 排放性有一個(gè)全面的認(rèn)識(shí)。

在燃燒實(shí)驗(yàn)中，了解點(diǎn)火能量對(duì)點(diǎn)火成功的影響，探索燃料燃燒過(guò)程對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響，有利于培養(yǎng)學(xué)生探究問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。

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