韓義勇 商藝寶 廖升友 羅浩鋒 陳煒?lè)?潘家營(yíng) 衛(wèi)海橋

1.天津大學(xué)內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津，3000722.廣西玉柴機(jī)器股份有限公司，玉林，537005

0 引言

快速壓縮機(jī)是研究發(fā)動(dòng)機(jī)燃料自燃特性和燃燒過(guò)程的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。它利用外力推動(dòng)燃燒室內(nèi)活塞以極快的速度運(yùn)動(dòng)到上止點(diǎn)，然后通過(guò)制動(dòng)裝置維持活塞靜止，使得壓縮混合氣瞬間達(dá)到高溫高壓狀態(tài)，從而模擬發(fā)動(dòng)機(jī)單次燃燒過(guò)程。由于其壓縮時(shí)間極短(一般為20～40 ms)，減少了壓縮過(guò)程中通過(guò)燃燒缸壁面的熱量損失，從而實(shí)現(xiàn)了近似絕熱壓縮的過(guò)程。由于工作相對(duì)柔和，氣壓驅(qū)動(dòng)、液壓制動(dòng)形式的快速壓縮機(jī)目前使用較為廣泛[1]。同時(shí)，與激波管適用于高溫、高壓實(shí)驗(yàn)條件不同，快速壓縮機(jī)更適用于中溫到低溫以及較寬的壓力范圍[2]。

快速壓縮機(jī)的研究有一定的歷史[3-5]，近年來(lái)，在測(cè)定燃料滯燃期、噴霧和燃燒方面發(fā)揮了非常重要的作用[6-8]。

為了獲得預(yù)定燃燒條件和工作環(huán)境，需要不斷調(diào)節(jié)壓縮活塞行程、壓縮比和燃燒室初始?jí)毫Γ焖賶嚎s機(jī)采用氣壓驅(qū)動(dòng)、液壓制動(dòng)方式時(shí)往往存在活塞回彈現(xiàn)象?；钊貜検沟酶變?nèi)混合氣熱力學(xué)狀態(tài)有所降低(甚至往復(fù)波動(dòng))，從而影響燃料自燃滯燃期；同時(shí)，它還影響缸內(nèi)壓力、溫度信號(hào)的信噪比，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差偏大。為了緩解液壓制動(dòng)活塞回彈問(wèn)題，齊運(yùn)亮等[9]對(duì)液壓缸內(nèi)制動(dòng)活塞結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，采用階梯形制動(dòng)活塞來(lái)控制制動(dòng)壓力變化規(guī)律，并重復(fù)開(kāi)展了一系列爆震和超級(jí)爆震機(jī)理研究。但在高壓縮比條件下，液壓缸內(nèi)制動(dòng)活塞反彈問(wèn)題依然存在，使得爆震起點(diǎn)變動(dòng)較大。劉昊[10]對(duì)一臺(tái)快速壓縮機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)架進(jìn)行了壓縮性能實(shí)驗(yàn)；通過(guò)調(diào)整液壓活塞上的T形通孔結(jié)構(gòu)及活塞前端連桿處的一、二級(jí)緩沖，優(yōu)化了快速壓縮機(jī)的壓縮效果。多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,快速壓縮機(jī)壓縮燃燒實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)采集效果及多次實(shí)驗(yàn)結(jié)果的一致性良好。由于不同快速壓縮機(jī)具有不同的結(jié)構(gòu)形式，相同液壓制動(dòng)系統(tǒng)可能存在不同的制動(dòng)效果，而上述研究沒(méi)有從根本上指明氣壓驅(qū)動(dòng)、液壓制動(dòng)活塞反彈問(wèn)題的優(yōu)化方案。

為了解決快速壓縮機(jī)采用氣壓驅(qū)動(dòng)、液壓制動(dòng)方式時(shí)普遍存在的活塞回彈問(wèn)題，本文對(duì)一臺(tái)快速壓縮機(jī)的高壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和液壓緩沖系統(tǒng)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)架介紹

1.1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)架

圖1為本文快速壓縮機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)圖?？焖賶嚎s機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要分為主燃燒系統(tǒng)、混合氣供給系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、制動(dòng)機(jī)構(gòu)、加熱系統(tǒng)以及程序控制系統(tǒng)六大部分。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以高壓空氣作為動(dòng)力源，而活塞的減速緩沖則主要由液壓制動(dòng)機(jī)構(gòu)完成。

圖1 快速壓縮機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)圖Fig.1 Diagram of rapid compression machine platform

表1給出了快速壓縮機(jī)主要參數(shù)，燃燒室半徑為70 mm，接近實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室尺寸。壓縮比11～21之間連續(xù)可調(diào)，壓縮時(shí)間在25 ms以內(nèi)，滿足快速壓縮機(jī)燃燒實(shí)驗(yàn)要求。主燃燒室完成混合氣加熱、燃燒及缸壓數(shù)據(jù)采集，其工作過(guò)程需要承受較高的燃?xì)鈮毫蜔嶝?fù)荷，因此其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)具有可靠的強(qiáng)度，同時(shí)還具有良好的保溫性和密封性?？紤]到安全性，采用6個(gè)緊固螺栓將其與燃燒缸頭相連，緊固時(shí)應(yīng)使用扭矩扳手使每條螺栓擰緊扭矩相等。缸頭上布置有壓力傳感器、火花塞以及熱電偶，進(jìn)排氣口也位于缸頭。在缸頭前后端面均留有密封圈安裝孔，以保證壓蓋與缸頭、缸頭與缸體接觸面之間的密封。沿缸頭圓周均布的6顆緊固螺栓連接缸頭與液壓缸。為保證壓縮、燃燒過(guò)程中活塞與缸壁面之間的密封，盡量減少壓縮過(guò)程中可燃混合氣的泄露，此處使用了兩道密封圈。密封圈材質(zhì)為氟橡膠，氟橡膠是含有氟原子的合成橡膠，它不僅具有耐油、耐多種化學(xué)藥品侵蝕、耐高溫的特性，并且具有優(yōu)良的機(jī)械性能?？諝鈮嚎s機(jī)為臺(tái)灣捷豹HET-90風(fēng)冷活塞式空壓機(jī)。此壓縮機(jī)具有高效的中間冷卻緩沖器，提高了壓縮機(jī)效率，同時(shí)降低了排氣溫度，工作壓力為1.2 ～1.4 MPa，排氣量為0.72 m3/min。儲(chǔ)氣罐設(shè)計(jì)壓力為1.2 MPa，其總?cè)莘e為250 L，約為驅(qū)動(dòng)氣缸容積的20倍，這樣可以保證在壓縮過(guò)程，活塞的驅(qū)動(dòng)壓力基本保持恒定，而不至于出現(xiàn)活塞速度的下降。儲(chǔ)氣罐通過(guò)DN150的波紋管與驅(qū)動(dòng)氣缸上的法蘭相連接，并且使用石英橡膠墊進(jìn)行密封。

表1 快速壓縮機(jī)主要參數(shù)

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

當(dāng)活塞位于下止點(diǎn)時(shí)，向液壓缸中通入高壓油，然后將儲(chǔ)氣罐與驅(qū)動(dòng)缸之間的閥門打開(kāi)，使驅(qū)動(dòng)缸與儲(chǔ)氣罐連通，由于高壓油壓力大于驅(qū)動(dòng)氣壓，從而可以阻止活塞向前運(yùn)動(dòng)；然后，將預(yù)混罐中配制好的混合氣通入燃燒缸中進(jìn)行加熱，當(dāng)混合氣溫度達(dá)到預(yù)定溫度時(shí)(一般高于液體燃料的蒸發(fā)溫度)，快速釋放液壓缸內(nèi)油壓，活塞組件在高壓空氣的驅(qū)動(dòng)下迅速向前運(yùn)動(dòng)，并壓縮混合氣；同時(shí)觸發(fā)位移傳感器及缸壓傳感器采集數(shù)據(jù)，當(dāng)活塞接近上止點(diǎn)時(shí)，杯形液壓活塞進(jìn)入液壓缸前蓋的緩沖槽中，由于其配合間隙較小，槽內(nèi)油壓釋放緩慢，從而起到緩沖的作用。

到達(dá)上止點(diǎn)后，由于驅(qū)動(dòng)氣壓大于最大燃燒壓力，從而阻止燃燒過(guò)程中活塞回退，形成定容燃燒過(guò)程。利用Kistler 6045A缸壓傳感器測(cè)試缸內(nèi)混合氣燃燒過(guò)程的瞬時(shí)壓力信號(hào)，壓力信號(hào)經(jīng)Kistler 2852A12電荷放大器放大后，利用NI采集卡采集放大后的壓力信號(hào)，并保存至計(jì)算機(jī)。缸壓采樣頻率可調(diào)，實(shí)驗(yàn)中選擇100 kHz的采樣頻率。

燃燒完成后，關(guān)閉驅(qū)動(dòng)缸與儲(chǔ)氣缸之間的閥門，向驅(qū)動(dòng)缸前部通入氣體使活塞回到初始位置，為下次實(shí)驗(yàn)做準(zhǔn)備。

在本文中，缸內(nèi)混合氣采用純空氣/氫氣預(yù)混合氣體進(jìn)行冷場(chǎng)和燃燒條件下的實(shí)驗(yàn)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 液壓制動(dòng)活塞反彈現(xiàn)象

圖2 快速壓縮機(jī)燃燒室內(nèi)壓力變化Fig.2 The pressure track in combustion chamber of rapid compression machine

圖2給出了一組典型的快速壓縮機(jī)液壓制動(dòng)活塞回彈條件下的壓力變化曲線。從t=0(此時(shí)對(duì)應(yīng)曲線上的O點(diǎn))時(shí)刻開(kāi)始，液壓腔開(kāi)始泄壓；在高壓氣體驅(qū)動(dòng)活塞的帶動(dòng)下，壓縮活塞壓縮缸內(nèi)混合氣，且壓縮活塞速度呈現(xiàn)先加速后減速的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，如圖2中O-A-B線所示。實(shí)驗(yàn)測(cè)得壓縮活塞最大運(yùn)動(dòng)速度在十幾米每秒。當(dāng)t=20 ms(即B點(diǎn))時(shí)，壓縮活塞到達(dá)上止點(diǎn)位置，此時(shí)缸內(nèi)壓力達(dá)到最高值pmax=4.5 MPa。然而，液壓制動(dòng)活塞并沒(méi)有維持在壓縮終了位置，而是帶動(dòng)壓縮活塞向高壓驅(qū)動(dòng)側(cè)回彈，缸內(nèi)壓力隨之出現(xiàn)了明顯降低，如圖2中B-C線所示。此后，由于高壓氣體驅(qū)動(dòng)側(cè)壓力仍然高于液壓制動(dòng)系統(tǒng)壓力，壓縮活塞慢慢返回至上止點(diǎn)位置，使得缸內(nèi)壓力出現(xiàn)了回升，如圖2中C-D線所示。缸內(nèi)預(yù)混合氣體在上止點(diǎn)高溫高壓條件下會(huì)迅速發(fā)生自燃化學(xué)反應(yīng)，而液壓制動(dòng)活塞回彈問(wèn)題會(huì)顯著影響缸內(nèi)混合氣熱力學(xué)狀態(tài)，進(jìn)而影響燃燒反應(yīng)進(jìn)程，使得實(shí)驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)偏差。為此，有必要通過(guò)優(yōu)化快速壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)、制動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)解決制動(dòng)活塞回彈現(xiàn)象。

2.2 高壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)化

影響液壓制動(dòng)活塞回彈問(wèn)題的主要原因來(lái)自兩個(gè)方面：高壓驅(qū)動(dòng)側(cè)的氣體壓力和液壓制動(dòng)側(cè)液壓油壓力。一般高壓驅(qū)動(dòng)側(cè)的氣體壓力越高，液壓制動(dòng)側(cè)液壓油壓力越小，制動(dòng)效果越差，嚴(yán)重時(shí)甚至出現(xiàn)機(jī)械碰撞現(xiàn)象，此時(shí)液壓制動(dòng)活塞反彈問(wèn)題并不明顯。而在實(shí)驗(yàn)研究中發(fā)現(xiàn)，除了上述影響因素外，高壓驅(qū)動(dòng)腔被驅(qū)動(dòng)側(cè)及時(shí)放氣的過(guò)程對(duì)減小高壓驅(qū)動(dòng)阻力也具有重要作用。由于高壓驅(qū)動(dòng)腔驅(qū)動(dòng)活塞半徑較大(為壓縮活塞半徑的3～5倍)，單個(gè)泄氣閥不能保證背側(cè)氣體及時(shí)放出，進(jìn)而影響活塞壓縮速度。為此在快速壓縮機(jī)原有2個(gè)泄氣閥的基礎(chǔ)上增至5個(gè)泄氣閥，如圖3所示。實(shí)驗(yàn)時(shí)，在液壓油泄壓之前將5個(gè)泄壓閥全部打開(kāi)，將高壓驅(qū)動(dòng)阻力降至最低。

圖3 高壓驅(qū)動(dòng)氣缸被驅(qū)動(dòng)側(cè)泄氣閥改進(jìn)Fig.3 The discharge valve improvement by the drive side in high-pressure driven cylinders

圖4給出了燃燒室內(nèi)壓力曲線隨著泄壓閥數(shù)量的變化規(guī)律。如圖4所示，采用1個(gè)泄氣閥時(shí)，液壓制動(dòng)活塞反彈問(wèn)題十分明顯，缸內(nèi)壓力出現(xiàn)顯著降低再增大的趨勢(shì)；隨著泄氣閥數(shù)量的增加，液壓制動(dòng)活塞反彈現(xiàn)象逐漸衰減，缸內(nèi)最高壓力峰值出現(xiàn)了明顯上升。當(dāng)泄氣閥數(shù)量增加至3個(gè)時(shí)，缸內(nèi)壓力曲線出現(xiàn)單峰現(xiàn)象，液壓制動(dòng)活塞反彈現(xiàn)象消失；繼續(xù)增加泄氣閥數(shù)量缸內(nèi)壓力曲線變化不大。由此可見(jiàn)，存在一個(gè)最佳的泄氣閥數(shù)量滿足高壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)背側(cè)氣體的瞬間釋放過(guò)程。因此，通過(guò)增加泄氣閥數(shù)量來(lái)減小高壓驅(qū)動(dòng)阻力和強(qiáng)化驅(qū)動(dòng)汽缸活塞被驅(qū)動(dòng)側(cè)放氣過(guò)程，初步解決了液壓制動(dòng)活塞反彈問(wèn)題，顯著提高了實(shí)驗(yàn)結(jié)果精度和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的一致性。

圖4 泄氣閥數(shù)量對(duì)燃燒室內(nèi)壓力的影響Fig.4 The number of discharge valves’ influence oncombustion chamber pressure

圖5 不同初始?jí)毫ο碌母變?nèi)壓力曲線Fig.5 The in-cylinder pressure under different initial pressure

圖5進(jìn)一步給出了不同初始?jí)毫l件下的缸內(nèi)壓力曲線。可以看出，在較低初始?jí)毫l件下(如p0為0.08 MPa、0.10 MPa、0.12 MPa)，缸內(nèi)壓力曲線均呈現(xiàn)單峰現(xiàn)象，沒(méi)有發(fā)生液壓制動(dòng)活塞反彈問(wèn)題；同時(shí)，隨著初始?jí)毫Φ脑龃螅紵易畲蟊l(fā)壓力顯著提升。然而，當(dāng)初始?jí)毫υ鲋羛0= 0.16 MPa時(shí)，缸內(nèi)壓力曲線再次出現(xiàn)雙峰現(xiàn)象，說(shuō)明液壓制動(dòng)活塞再次出現(xiàn)反彈問(wèn)題；隨著初始?jí)毫υ鲋羛0= 0.20 MPa，缸內(nèi)壓力曲線甚至?xí)霈F(xiàn)多峰現(xiàn)象，液壓制動(dòng)活塞反彈十分嚴(yán)重，無(wú)法獲得有效的實(shí)驗(yàn)邊界條件和初始條件。這反映出液壓制動(dòng)活塞反彈問(wèn)題對(duì)初始?jí)毫Ψ浅Ｃ舾校煌瑫r(shí)，說(shuō)明可能存在其他更重要因素影響了液壓制動(dòng)活塞反彈。

2.3 液壓制動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)化

圖6 優(yōu)化前后的液壓活塞結(jié)構(gòu)Fig.6 The hydraulic piston structures before and after optimization

在對(duì)高壓氣體驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)化的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對(duì)液壓緩沖制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了研究。研究發(fā)現(xiàn)，液壓緩沖系統(tǒng)中被驅(qū)動(dòng)側(cè)油壓的迅速建立和釋放是影響活塞反彈問(wèn)題的關(guān)鍵。如果液壓制動(dòng)系統(tǒng)制動(dòng)作用太強(qiáng)，壓縮活塞前進(jìn)速度就會(huì)降低，壓縮時(shí)間變長(zhǎng)，制動(dòng)活塞回彈現(xiàn)象變得明顯。為此，制動(dòng)活塞需要根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件滿足有效制動(dòng)且平穩(wěn)落座的要求。圖6給出了液壓活塞結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后的示意圖。

如圖6所示，盡管在優(yōu)化之前液壓活塞內(nèi)部布有出油孔，但是高壓縮比條件下，右側(cè)的油槽內(nèi)部液壓油積累過(guò)多，使得液壓油無(wú)法及時(shí)從出油孔排出，導(dǎo)致制動(dòng)壓力過(guò)高、制動(dòng)活塞發(fā)生反彈。這反映出當(dāng)前制動(dòng)活塞對(duì)實(shí)驗(yàn)條件的適應(yīng)性較差。為此，本文對(duì)液壓活塞結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，一方面將制動(dòng)活塞右側(cè)接觸面改為楔形，中間通過(guò)密封圈與腔體接觸，不僅滿足密封的效果，而且緩沖作用對(duì)實(shí)驗(yàn)條件的適應(yīng)性更強(qiáng)；另一方面，將泄油孔由原來(lái)3 mm的通孔擴(kuò)大為6 mm的螺紋孔，通過(guò)在螺紋孔中擰入螺柱來(lái)控制泄油流量，從而調(diào)節(jié)液壓緩沖效果。

上述改進(jìn)的基本原理為活塞快速運(yùn)動(dòng)到上止點(diǎn)前，液壓緩沖活塞前部泄油環(huán)插入液壓缸前蓋環(huán)槽后，液壓油由過(guò)活塞泄油環(huán)前端和泄油環(huán)內(nèi)部的泄油孔緩慢排出，此時(shí)由于液壓油的擠壓，在活塞和前蓋中形成一定的液壓，緩沖效果顯著提高。因此，通過(guò)協(xié)同優(yōu)化液壓制動(dòng)活塞結(jié)構(gòu)和出油孔數(shù)量進(jìn)一步對(duì)快速壓縮機(jī)活塞運(yùn)動(dòng)特性的回彈問(wèn)題進(jìn)行了優(yōu)化。

最后，對(duì)液壓活塞結(jié)構(gòu)優(yōu)化之后的快速壓縮機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行了燃燒實(shí)驗(yàn)測(cè)試研究。圖7給出了不同初始熱力學(xué)條件下的缸內(nèi)壓力變化曲線。其中，初始?jí)毫0較低，為0.041～0.08 MPa，壓縮比16.4，點(diǎn)火時(shí)刻為上止點(diǎn)后5～20 ms之間。如圖7所示，壓縮活塞到達(dá)上止點(diǎn)之后，缸內(nèi)混合氣熱力學(xué)狀態(tài)一直維持在很高水平，并未出現(xiàn)下降趨勢(shì)，直到火花引燃缸內(nèi)混合氣。同時(shí)，隨著初始?jí)毫Φ奶岣撸變?nèi)混合氣的最大爆發(fā)壓力明顯上升，最高爆發(fā)壓力接近9 MPa。因此，在當(dāng)前工作條件下沒(méi)有出現(xiàn)液壓制動(dòng)活塞反彈現(xiàn)象。

圖7 不同初始條件下的缸內(nèi)壓力曲線Fig.7 The in-cylinder pressure under different initial conditions

圖8 相同初始條件下不同點(diǎn)火時(shí)刻的缸內(nèi)壓力曲線Fig.8 The in-cylinder pressure under identical initialconditions and different ignition timing

圖8給出了相同初始熱力學(xué)條件下缸內(nèi)壓力變化曲線。其中，初始?jí)毫0提升至0.14 MPa，驅(qū)動(dòng)壓力pd提升至1 MPa，壓縮比維持在16.4。如圖8所示，在當(dāng)前高壓縮比(最高缸內(nèi)壓力達(dá)4 MPa以上)條件下，仍然不存在液壓制動(dòng)活塞反彈問(wèn)題，活塞壓縮壓力曲線呈現(xiàn)單峰特征；同時(shí)，在相同初始溫度和壓力條件下，多次實(shí)驗(yàn)獲得的缸內(nèi)壓力曲線(著火前)具有高度一致性，實(shí)驗(yàn)循環(huán)變動(dòng)率較低，進(jìn)而說(shuō)明了該快速壓縮機(jī)平臺(tái)具有良好的穩(wěn)定工作性能。綜上所述，通過(guò)協(xié)同優(yōu)化液壓制動(dòng)活塞結(jié)構(gòu)和出油孔數(shù)量可以從根本上解決快速壓縮機(jī)活塞運(yùn)動(dòng)特性的回彈現(xiàn)象。

3 結(jié)論

(1)驅(qū)動(dòng)汽缸活塞被驅(qū)動(dòng)側(cè)放氣效果顯著影響液壓制動(dòng)活塞反彈問(wèn)題。將單一排氣孔數(shù)量增至3個(gè)及以上來(lái)減小驅(qū)動(dòng)活塞阻力、強(qiáng)化驅(qū)動(dòng)汽缸活塞被驅(qū)動(dòng)側(cè)放氣過(guò)程，可以一定程度上緩解活塞反彈現(xiàn)象。但是，在高壓縮比條件下仍然可能存在液壓制動(dòng)活塞反彈現(xiàn)象。

(2)液壓緩沖系統(tǒng)中被驅(qū)動(dòng)側(cè)油壓的迅速建立和釋放是影響活塞反彈問(wèn)題的關(guān)鍵所在。楔形制動(dòng)活塞結(jié)構(gòu)對(duì)不同實(shí)驗(yàn)條件具有更好的適應(yīng)性；同時(shí)，通過(guò)調(diào)整制動(dòng)活塞泄油孔大小和數(shù)量(如直徑6mm的螺紋孔)，能夠很好地調(diào)節(jié)液壓緩沖效果。因此，通過(guò)協(xié)同優(yōu)化液壓制動(dòng)活塞結(jié)構(gòu)和出油孔數(shù)量可以從根本上解決快速壓縮機(jī)活塞運(yùn)動(dòng)特性的回彈現(xiàn)象。