内燃机工作过程

内燃机工作过程的研究方法

摘要：

关键词：

1引言

内燃机是将燃料的化学能转换为机械能，且不断连续运转的机械装置。内燃机的工作过程实质上是

连续复杂的热力循环过程，大致分为三个过程：燃烧放热过程，缸内工质流动及热交换过程，进排

气系统热力学和气体动力学过程。研究内燃机工作过程的目的在于在保证内燃机正常工作的条件下，

如何提高内燃机的热效率，发出最大的功率，同时降低内燃机的油耗和低的污染物排放。因此评价

内燃机的性能指标，主要针对动力性和经济性提出，如平均指示压力、指示热效率、指示燃油热效

率等。上述三个过程都将影响到内燃机的各性能指标，而内燃机工作过程的复杂性增加了研究的难

度，也使得研究方法多样。本文将主要讨论内燃机工作过程的研究方法、所用试验仪器及测试原理、

仪器的使用条件等。

2燃烧模拟装置

内燃机工作过程研究最多属燃烧放热过程，燃烧的好坏直接关系到内燃机的效率、排放等；燃

烧过程也是最复杂的，受到各种边界条件的影响；针对不同边界条件对燃烧性能的影响，试验仪器

主要在定容燃烧弹、快速压缩机、单缸试验机及激波管等。各种测试和数据采集设备也随着相关科

学的发展而日新月异，研究领域也向着数字化、微观化、可视化的方向深入发展。

2.1定容燃烧装置

定容燃烧弹(简称容弹)主要模拟活塞在上止点附近时燃烧室中的燃烧，其特点是结构简单，能够

方便地改变热力参数(包括燃空比、残余废气系数、压力和温度)、湍流参数以及点火参数(火花塞位

置、电极间隙与点火能量)。研究这些参数中单一参数的变化对燃烧过程的影响，因而成为内燃机燃

烧理论基础研究中重要的工具和试验平台[5] [6]。根据试验目的不同，定容燃烧弹的结构形式多种多

样。

2.1.1可变湍流参数的定容燃烧弹

西安交大研制的定容燃烧弹通过带有通孔的板(简称孔板)的快速平动改变燃烧弹内混合气的湍流参数，研究不同湍流强度、尺度对燃烧性能的影响。图1为此燃烧测试系统的试验装置图，它包括定容燃烧弹湍流发生系统、混合气配制系统、点火系统、燃烧压力测量系统、纹影与高速摄影系统以及时序控制系统共7个子系统[7]。

图1 试验装置图

可变湍流的实现，图2所示该装置的

燃烧室内部结构，位于容弹内的孔板以

及与之相连的导杆用于产生湍流，孔板

的运动依靠电机转动来实现。通过改变

孔板的孔径、孔板的拉动速度以及选择

不同的点火时刻，便可得到湍流强度和

标尺各异的湍流。用热线风速仪来测量

容弹中的湍流，热线风速仪的工作原理

是，将一根通电加热的细金属丝（称热

线）置于气流中，热线在气流中的散热

量与流速有关，而散热量导致热线温度

变化而引起电阻变化，流速信号即转变成电信号；从热线输出的电信号，经放

大、补偿和数字化后输入计算机，可提高测量精度，自动完成数据后处理过程，扩大测速功能，如同时完成瞬时值和时均值、合速度和分速度、湍流度和其他湍流参数的测量。

混合气的配置，根据气体的分压定律来配制混合气。在配制混合气时，先将气体混合箱抽成真空，然后分别将甲烷，氮气和氧气注入混合箱，并且分别测出这3种气体的分压，这样便可确定混合气的总压力、当量燃空比及残余废气系数。

燃烧压力测量系统由压电传感器、电荷放大器和动态测试仪构成，通过计算机数据处理程序得到燃烧的压力曲线等。

纹影与高速摄影系统，通过分析

处理火焰的图像照片，能够获取预混

湍流燃烧过程详尽而丰富的时空信

息。纹影仪成像法是研究气流的温度

场、浓度场，由于没有扰动流场的测

试探头，光线对待测的温度场、浓度

场和速度场均无干扰作用，可以研究

动态过程。但其测定的是沿光束传播

方向积分结果，通常适合一维或二维

场的测量。图3为纹影法测量的原理

图，实验段局部区域介质密度不均匀

时,通过该区域的光线产生偏折,偏折角与折射率梯度成正比。刀口平面上形成一个偏离的光源象，屏上相对应区域的照度发生变化。照度的变化与介质中垂直于刀口方向上折射率变化的一阶导数沿光路的积分值成正比。根据气体介质折射率与密度的关系可获得介质的密度梯度。高速摄影机拍摄从容弹的光学玻璃透过的燃烧火焰图片，运用胶片分析仪处理，得到相应的数据。

时序控制系统，当孔板运动到达预定位置时( 通过孔板位置检测电路，可以判断孔板是否到达预定位置)。再经过设定的时间延时量△t ，单片机即控制点火系统实施点火。在实施点火的同时，高速摄影机在胶片上打出点火时的事像标记；动态测试仪也从点火时刻开始采集记录容弹内的湍流燃烧压力。因此，胶片上事像标记所对应的时刻与燃烧压力采集的起始时刻是同一个点火时刻。高速摄影机拍摄 记录湍流燃烧火焰与动态测进仪采集燃烧压力始终是完全同步的。

该实验装置是一种典型的点火式定容燃烧模拟装置，可以模拟燃料在不同边界条件下气缸内燃烧性能，可变气体的湍流参数是本实验装置的最大特点。同时，该装置采用了先进的光学成像技术研究燃烧过程中混合气浓度和温度场的变化。

图2 一种可变湍流参数的容弹结构简图

图3 纹影法测试原理图

2.1.2 定容燃烧喷雾模拟实验装置

定容燃烧弹不仅可以用于预混合气的燃烧