胡前城, 孟 順, 錢葉劍, 王曉東, 陶常法, 莊 遠(yuǎn)

(合肥工業(yè)大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院,安徽 合肥 230009)

當(dāng)前,內(nèi)燃機(jī)的石油消費(fèi)量占石油消費(fèi)總量的比例越來(lái)越高。全球許多能源機(jī)構(gòu)和權(quán)威人士已經(jīng)表明,本世紀(jì)將出現(xiàn)石油短缺現(xiàn)象[1]。同時(shí),內(nèi)燃機(jī)有害排放造成的環(huán)境污染也日益嚴(yán)重。因此,提高內(nèi)燃機(jī)燃燒質(zhì)量、減少其有害排放具有重要的意義。

定容燃燒裝置作為一種研究?jī)?nèi)燃機(jī)基礎(chǔ)燃燒的實(shí)驗(yàn)裝置,可以模擬活塞上止點(diǎn)附近的燃燒過(guò)程,具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、熱力參數(shù)(燃空比、殘余廢氣系數(shù)、初始?jí)毫?、初始溫?和點(diǎn)火參數(shù)(火花塞位置、點(diǎn)火間隙、點(diǎn)火能量)可變的優(yōu)點(diǎn)。

國(guó)內(nèi)外利用定容燃燒彈對(duì)內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)的燃燒過(guò)程和替代燃料的燃燒特性進(jìn)行了大量研究。文獻(xiàn)[2]通過(guò)定容彈裝置研究了層流火焰?zhèn)鞑ニ俣群婉R克斯坦長(zhǎng)度;文獻(xiàn)[3]利用定容燃燒彈裝置對(duì)正癸烷/空氣混合物在高溫、高壓下的層流燃燒速度進(jìn)行了測(cè)量;文獻(xiàn)[4]使用定容燃燒彈研究了氫和合成混合氣在高壓下氧化的化學(xué)動(dòng)力學(xué)過(guò)程;文獻(xiàn)[5]利用定容燃燒彈研究了在升高壓力的情況下,甲烷-氫-空氣的層流燃燒速度和不穩(wěn)定性火核的形成過(guò)程;文獻(xiàn)[6]研究設(shè)計(jì)了一種可變湍流參數(shù)的定容燃燒彈試驗(yàn)裝置;文獻(xiàn)[7]基于定容燃燒彈可視化紋影試驗(yàn)系統(tǒng),研究了直噴式天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)噴霧動(dòng)態(tài)特性的變化規(guī)律;文獻(xiàn)[8]利用定容燃燒彈研究了雙火花塞對(duì)天然氣定容燃燒的影響。

從已有的研究文獻(xiàn)來(lái)看,目前還沒有設(shè)計(jì)或者研制出能實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)點(diǎn)火的多功能定容燃燒裝置。多點(diǎn)點(diǎn)火能大幅度改善燃料的效率,提升稀燃極限[9]；在低當(dāng)量比時(shí),多點(diǎn)點(diǎn)火能夠縮短初燃期,降低發(fā)生爆震的幾率[10]。另外,現(xiàn)有的定容燃燒裝置在設(shè)計(jì)時(shí)一般只考慮了燃燒過(guò)程的研究需求,不能進(jìn)行燃料噴霧特性的實(shí)驗(yàn)研究,從而增加了研究成本。因此,設(shè)計(jì)出一套可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)點(diǎn)火的多功能定容燃燒裝置具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

1 實(shí)驗(yàn)裝置整體結(jié)構(gòu)介紹

本文設(shè)計(jì)的定容燃燒裝置可以進(jìn)行燃料噴霧特性、預(yù)混層流火焰以及壁面多點(diǎn)點(diǎn)火等研究。該實(shí)驗(yàn)裝置以定容燃燒彈為主體,與配氣系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)、高速攝像以及紋影系統(tǒng)等組成整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。定容燃燒彈彈體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1中,定容燃燒彈的內(nèi)徑為150 mm,內(nèi)腔長(zhǎng)度為280 mm;在彈體中心沿周向均勻分布8個(gè)火花塞安裝孔,其中頂置的凸臺(tái)通過(guò)轉(zhuǎn)換裝置可以安裝噴油器或火花塞,以便于進(jìn)行噴霧和預(yù)混層流燃燒實(shí)驗(yàn)。

圖1 定容燃燒彈彈體結(jié)構(gòu)示意圖

在彈體的前面或頂面的外表面上布置有少量的安裝孔,其中頂置的安裝孔用于安裝安全閥;前面的安裝孔分別安裝進(jìn)排氣管、溫度傳感器和壓力傳感器。多功能定容燃燒裝置彈可以進(jìn)行燃料噴霧和層流火焰的研究,由于這2種實(shí)驗(yàn)對(duì)觀察視窗的要求不同,實(shí)驗(yàn)裝置配備了2套石英玻璃和緊固法蘭。2套石英玻璃的直徑分別為180 、110 mm,有效視窗直徑分別為150、80 mm。

1.1 配氣系統(tǒng)

配氣系統(tǒng)包括氣瓶、壓力表、手動(dòng)閥、減壓閥、電磁閥、管路、壓力采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集卡和電磁閥控制單元等,如圖2所示。配氣系統(tǒng)利用分壓原理配制符合實(shí)驗(yàn)要求的當(dāng)量比,并對(duì)實(shí)驗(yàn)氣體進(jìn)行預(yù)熱。

配氣操作流程為:首先打開可燃?xì)?以甲烷為例)氣瓶的手動(dòng)閥門和干路上的手動(dòng)閥門,使電磁閥處于開啟狀態(tài)；甲烷進(jìn)入加熱箱后,壓力采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集彈體內(nèi)壓力數(shù)據(jù)并傳送到數(shù)據(jù)采集卡,達(dá)到甲烷所需的配氣壓力后,由數(shù)據(jù)采集卡發(fā)出信號(hào)；關(guān)閉控制甲烷的電磁閥并打開氮?dú)怆姶砰y；此時(shí)手動(dòng)關(guān)閉甲烷手動(dòng)閥，打開氮?dú)馐謩?dòng)閥門,由壓力采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集卡組成的反饋系統(tǒng)使得氮?dú)膺_(dá)到其配氣壓力。氧氣的配氣過(guò)程與此相同。

圖2 多功能定容燃燒彈實(shí)驗(yàn)裝置流程

1.2 加熱系統(tǒng)

加熱系統(tǒng)主要包括溫度采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集卡、電控加熱單元以及加熱箱。加熱系統(tǒng)的作用是對(duì)加熱箱和彈體進(jìn)行加熱,并通過(guò)溫度采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集卡和電控加熱單元組成的溫度反饋控制系統(tǒng),將加熱箱和定容彈燃燒溫度維持在設(shè)定的溫度。

1.3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要包括壓力采集系統(tǒng)、溫度采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī),它保證了混合氣當(dāng)量比和溫度控制的精確性,能實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和圖像的采集和儲(chǔ)存。

1.4 點(diǎn)火系統(tǒng)

點(diǎn)火系統(tǒng)主要包括點(diǎn)火控制單元、點(diǎn)火電極和點(diǎn)火電路等,預(yù)混氣體充入彈體并完成預(yù)熱保溫后方可進(jìn)行點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)。進(jìn)行預(yù)混合層流火焰實(shí)驗(yàn)時(shí),在初始溫度和壓力穩(wěn)定后,手動(dòng)操作點(diǎn)火開關(guān)對(duì)定容燃燒彈彈體內(nèi)預(yù)混合氣進(jìn)行點(diǎn)火。

多點(diǎn)點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)則由多點(diǎn)點(diǎn)火系統(tǒng)控制火花塞點(diǎn)火。

1.5 高速紋影系統(tǒng)

高速紋影系統(tǒng)主要包括紋影儀和高速攝像機(jī),用來(lái)記錄實(shí)驗(yàn)過(guò)程中彈體內(nèi)火焰發(fā)展過(guò)程,以便進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。紋影系統(tǒng)主要提供高速相機(jī)記錄實(shí)驗(yàn)照片所需的光學(xué)通路。高速相機(jī)與點(diǎn)火開關(guān)同步打開,記錄預(yù)混合氣燃燒過(guò)程中火核的形成過(guò)程及其結(jié)構(gòu)。

2 彈體結(jié)構(gòu)介紹

燃料噴霧特性、多點(diǎn)點(diǎn)火和預(yù)混層流火焰等實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)要求和研究對(duì)象不同,對(duì)彈體的結(jié)構(gòu)要求也不一樣。燃料噴霧特性實(shí)驗(yàn)由于需要觀察噴霧形態(tài)變化過(guò)程,石英玻璃視窗的有效直徑應(yīng)等于或略大于彈體內(nèi)徑;部分多點(diǎn)點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)由于屬于火花塞壁面點(diǎn)火,觀察范圍與燃料噴霧特性實(shí)驗(yàn)差不多,采用的石英玻璃視窗與噴霧特性實(shí)驗(yàn)的相同;預(yù)混層流火焰燃燒實(shí)驗(yàn)由于研究球形火焰的傳播過(guò)程,一般來(lái)說(shuō)石英玻璃視窗的有效直徑不需要大于或等于彈體內(nèi)徑,總結(jié)已有的研究結(jié)果,視窗有效直徑設(shè)置為80 mm,小于彈體內(nèi)徑150 mm。2套定制的視窗通過(guò)中間法蘭與彈體連接。

2.1 噴霧實(shí)驗(yàn)與多點(diǎn)點(diǎn)火可視化視窗

燃料噴霧和多點(diǎn)點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)的定容燃燒裝置彈體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖3所示。

從圖3可以看出,由于噴霧實(shí)驗(yàn)和多點(diǎn)點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)對(duì)光學(xué)玻璃視窗的要求相同,采用的是同一套光學(xué)玻璃視窗法蘭結(jié)構(gòu)。這套可拆卸的光學(xué)玻璃視窗法蘭結(jié)構(gòu)主要有壓緊法蘭端蓋、光學(xué)石英玻璃、石英玻璃座和密封墊片4個(gè)部分。該套可拆卸石英玻璃視窗通過(guò)8個(gè)M20×1.5螺柱和16個(gè)M20×1.5螺母連接中間法蘭,中間法蘭則通過(guò)螺紋與彈體相連。

噴霧與多點(diǎn)點(diǎn)火石英視窗如圖4所示。石英玻璃直徑為180 mm,厚度為40 mm,有效視窗直徑為150 mm;密封墊片采用純石墨墊片,內(nèi)徑為150 mm,外徑為181 mm,厚度為3 mm,可耐550 ℃左右的溫度。

1.定容燃燒彈主體結(jié)構(gòu) 2.法蘭組合圖3 噴霧特性與多點(diǎn)點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)彈體結(jié)構(gòu)

圖4 噴霧與多點(diǎn)點(diǎn)火石英視窗

2.2 預(yù)混層流火焰燃燒可視化視窗

預(yù)混層流火焰燃燒實(shí)驗(yàn)研究的是球形火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程,其通過(guò)中心電極點(diǎn)火,球形火焰半徑的最大值無(wú)需與彈體內(nèi)徑相同。

本文設(shè)計(jì)的定容燃燒裝置簡(jiǎn)圖如圖5所示。圖5與圖3的最大區(qū)別在于光學(xué)玻璃視窗法蘭結(jié)構(gòu)不同。

預(yù)混層流石英視窗如圖6所示。圖6顯示該套可拆卸的光學(xué)玻璃視窗法蘭結(jié)構(gòu)主要有石英玻璃座、石英玻璃和壓緊法蘭端蓋。其中,石英玻璃直徑為110 mm,厚度為40 mm,有效視窗直徑為80 mm;密封墊片使用純石墨墊片,內(nèi)徑為80 mm,外徑為111 mm,厚度為3 mm。壓緊法蘭端蓋通過(guò)6個(gè)M16×1.5螺柱、6個(gè)M16×1.5螺母與石英玻璃底座連接,石英玻璃兩側(cè)與法蘭和底座相接觸的部分都需要使用純石墨墊片進(jìn)行密封。石英玻璃座與中間法蘭的連接采用8個(gè)M20×1.5的螺柱和16個(gè)M20×1.5的螺母連接,其接觸的地方采用純石墨墊片密封,該墊片內(nèi)徑為150 mm,外徑為185 mm,厚度為3 mm。

1.定容燃燒彈主體結(jié)構(gòu) 2.法蘭組合圖5 預(yù)混層流火焰燃燒實(shí)驗(yàn)彈體結(jié)構(gòu)

圖6 預(yù)混層流石英視窗

3 多點(diǎn)點(diǎn)火系統(tǒng)

文獻(xiàn)[11]利用快速壓縮-膨脹機(jī)改裝的多火花塞點(diǎn)火試驗(yàn)臺(tái)架證實(shí)了多火花塞點(diǎn)火實(shí)現(xiàn)快速燃燒的結(jié)論;文獻(xiàn)[9]使用12點(diǎn)點(diǎn)火電極板改裝的4缸發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)12點(diǎn)點(diǎn)火能夠大幅縮短燃燒期、減少燃油消耗、提高稀燃極限,而且點(diǎn)火數(shù)量相同時(shí)雙側(cè)點(diǎn)火的效果要好于單側(cè)點(diǎn)火;文獻(xiàn)[12]采用高速紋影法對(duì)微波多點(diǎn)點(diǎn)火的實(shí)驗(yàn)研究表明,隨著微波多點(diǎn)點(diǎn)火數(shù)量的增加,燃燒速度增加,燃燒效率提髙。然而,定容燃燒裝置的多點(diǎn)點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)還未見過(guò)相關(guān)報(bào)道。下面將分別介紹定容燃燒裝置多點(diǎn)點(diǎn)火系統(tǒng)的點(diǎn)火時(shí)序控制和點(diǎn)火能量調(diào)節(jié)。

3.1 多點(diǎn)點(diǎn)火的時(shí)序控制

本文實(shí)驗(yàn)裝置的多點(diǎn)點(diǎn)火系統(tǒng)最多可設(shè)置8個(gè)火花塞(其中1個(gè)火花塞利用定制的凸臺(tái)安裝在定容彈上),利用8個(gè)通信接口對(duì)火花塞控制電路進(jìn)行點(diǎn)火時(shí)序控制。點(diǎn)火時(shí)序控制原理圖如圖7所示。

當(dāng)彈體內(nèi)初始?jí)毫蜏囟冗_(dá)到實(shí)驗(yàn)預(yù)設(shè)值后,計(jì)算機(jī)將點(diǎn)火數(shù)量和點(diǎn)火順序等信號(hào)傳遞到點(diǎn)火控制電路,從而精確控制每個(gè)點(diǎn)火電路的通斷時(shí)刻及持續(xù)時(shí)間。點(diǎn)火電路由高壓包、點(diǎn)火線圈與火花塞組成。需要注意的是,點(diǎn)火控制電路和高速攝像機(jī)是同步控制,火花塞點(diǎn)火的同時(shí),高速攝像機(jī)開始啟動(dòng),便于及時(shí)拍攝多點(diǎn)點(diǎn)火的點(diǎn)火及燃燒的過(guò)程。

圖7 點(diǎn)火時(shí)序控制原理

3.2 點(diǎn)火能量的調(diào)節(jié)

點(diǎn)火能量既可以通過(guò)控制火花塞點(diǎn)火信號(hào)持續(xù)時(shí)間來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié),也可以通過(guò)控制點(diǎn)火電壓的大小來(lái)調(diào)節(jié)。

首先,對(duì)點(diǎn)火能量、點(diǎn)火電壓和點(diǎn)火信號(hào)持續(xù)時(shí)間的關(guān)系進(jìn)行標(biāo)定;然后將標(biāo)定結(jié)果輸入計(jì)算機(jī)內(nèi),當(dāng)彈體內(nèi)實(shí)驗(yàn)環(huán)境達(dá)到預(yù)設(shè)值后,依據(jù)實(shí)驗(yàn)對(duì)點(diǎn)火能量和點(diǎn)火時(shí)序的要求,進(jìn)行不同點(diǎn)火能量實(shí)驗(yàn)和多點(diǎn)點(diǎn)火的燃燒實(shí)驗(yàn)研究。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文多點(diǎn)點(diǎn)火的多功能定容燃燒彈裝置的正確性,進(jìn)行了常溫、常壓下部分當(dāng)量比的甲烷空氣預(yù)混燃燒實(shí)驗(yàn)。

甲烷空氣預(yù)混燃燒實(shí)驗(yàn)拍攝的高速紋影圖片如圖8所示。其中：t為時(shí)間間隔；φ為當(dāng)量比。

圖8 常溫、常壓條件下甲烷空氣部分當(dāng)量比紋影圖片

從圖8可以看出,球形火焰結(jié)構(gòu)較為規(guī)則,可以清晰地看見火焰邊界,并且能夠區(qū)分內(nèi)部已燃?xì)怏w和外部未燃?xì)怏w的密度對(duì)比。

火焰?zhèn)鞑ニ俣入S當(dāng)量比的變化如圖9所示。圖9顯示了在常溫、常壓條件下,不同研究的甲烷-空氣層流燃燒速度隨當(dāng)量比變化的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖9 各甲烷空氣層流燃燒速度隨當(dāng)量比變化的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

圖9中,本文數(shù)據(jù)為本文定容燃燒彈臺(tái)架的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,其余數(shù)據(jù)均參照文獻(xiàn)[13]中其他研究的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

從圖9可以看出,常溫、常壓條件下本文實(shí)驗(yàn)的甲烷空氣隨當(dāng)量比的變化情況與已有的實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為吻合。這表明本文多點(diǎn)點(diǎn)火的多功能定容燃燒彈實(shí)驗(yàn)裝置是合理的、成功的。

5 結(jié) 論

根據(jù)預(yù)混層流燃燒、燃料噴霧特性研究以及多點(diǎn)點(diǎn)火的實(shí)驗(yàn)要求,本文設(shè)計(jì)了一種可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)點(diǎn)火的多功能定容燃燒裝置。該裝置可以實(shí)現(xiàn)初始溫度、初始?jí)毫Α㈩A(yù)混氣體的當(dāng)量比以及點(diǎn)火參數(shù)(火花塞位置、火花塞數(shù)量、電極間隙、點(diǎn)火能量)等實(shí)驗(yàn)參數(shù)的可調(diào)。在常溫、常壓下部分當(dāng)量比的甲烷空氣預(yù)混燃燒實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明,本文多點(diǎn)點(diǎn)火的多功能定容燃燒裝置是合理的、適用的。