内燃机燃烧过程可视化实验研究

作者简介 :王海凤 (1982 - ) ,女 ,山东聊城人 ,山东理工大学交通与车辆工程学院载运工具运用工程专业在读硕士研 究生 ,主要研究方向为内燃机节能与排放控制 。
收稿日期 :2006 - 11 - 10
2007 年第 1 期
王海凤 ,等 :内燃机燃烧过程可视化实验研究浅析
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烧弹或多功能燃烧弹) 上进行 ;有的则通过单缸试验 机 (或称可视化发动机) 进行燃烧研究 。实践证明 , 在燃烧弹上的燃烧研究工作不仅是一种十分重要的 理论分析手段 ,而且对于实际发动机燃烧方式的优 化与创新也具有十分重要的意义 。
2007 年第 1 期
王海凤 ,等 :内燃机燃烧过程可视化实验研究浅析
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20 min 后达到 673 K ,并可调[6] 。 高温条件下容弹的密封采取了以下措施 :对容
弹材料先热处理后加工 ,以防高温变形 ;密封面加工 精度较高 ; 选用耐高温的垫片材料和无机密封胶 。 容弹圆形壳体上留有切向孔道 ,用于进气涡流的模 拟。
为了使所测试的燃烧场具有定量的意义 ,设计 的系统就必须能准确控制模拟装置内介质的各种参 数 ,使它们尽可能与实际发动机相符 。
图 5 定容燃烧弹的结构图
图 3 定容燃烧弹结构剖面图 1. 火花塞 2. 进气阀 3. 排气阀 4. 热电偶 5. 压力传感器 6. 石英玻璃窗
图 4 容弹温度测量系统总体结构框图
WANG Hai - feng ,L IU Yong - qi (School of Automotive and Transportation Engineering , Shandong Univercity of Technology , Zibo 255049 ,China)
Abstract : This paper introduces the simulation test device , the some constant volume combustion bombs and multifunction combustion bombs , and single cylinder testing engines for research of engine combustion process. The working principle , structure and their characteristics are analyzed. It shall give abundant evidences and information to design various experimental devices to study engine combustion process and make an improvement of combustibility.
图 6 示定容燃烧器系统总图 ,从图中可看出 , 其中进气系统主要有天然气瓶 、标准空气瓶 、减压 阀 、高低压力表 、精密压力表等组成 。精密压力表用 来控制混合气的体积空燃比 ;温控系统由加热器 、温 控仪 、热电偶 、传感器及二次仪表等组成 ,可以对定 容燃烧器进行预加热和试验温度的调整与显示 ;点 火系统由蓄电池 、点火器 、高压线圈和火花塞等组 成 ,可由人工控制进行点火 ,也可以由微机等发出的 电信号点火 。通过更换火花塞及点火器 ,可以测试 点火系统参数对燃烧过程的影响 ;测试系统可以进 行压力传感器的压力波测试 、燃烧图像的高速摄影 测试 、光电传感器的光信号测试 。
图 3 所示定容燃烧弹结构剖面图[5] 。用计算机 断层扫描技术对所测量对象进行全方位的扫描 ,所 以辐射传播的通道不能是单个的 ,而是全方位的 。
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内燃机与动力装置
2007 年 2 月
为此 ,用一个厚度为 25 mm 的光学 J GS3 熔融石英玻 璃圈 ,构成辐射的传播通路 。应用这种结构后 ,燃烧 弹弹体不得不分为两个独立部分进行加工 ,为了保 证弹体的密封 ,同时也为了安全 ,两部分弹体用 6 个 12 mm 的螺栓 (螺栓孔为 8 个 ,均匀分布) 固定 。这 样的结构安排 ,在数据采集时 ,螺栓杆不会挡住辐 射 。在燃烧弹一端的盖板上安装火花塞 ,通过点火 控制电路控制其点火时刻 ,为了方便研究火花塞在 不同位置对混合气燃烧传播的影响 ,火花塞可以安 装在不同的位置 ,一个位于燃烧弹的轴心 (简称位置 1) ,另一个径向偏离第一个位置 30 mm (简称位置 2) 。实验时 ,不用的火花塞孔用螺栓密封 。新鲜冲 量通过进气阀导入 ,燃烧废气通过气泵由排气阀排 出 。此外 ,为了研究需要 ,燃烧弹外部安装有电热 丝 ,可以实现不同的燃烧初始温度 。它的加热温度 由一个热电偶测量 。
1 定容燃烧弹装置
定容燃烧弹其实就是一个强度很大的开有石英 玻璃观察窗口的“铁盒子”,它没有压缩过程 ,可以得 到更大更清晰的可视化视场 。
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 。根据试验目的的不同 ,定 容燃烧弹的结构形式多种多样 。下面给出了几种目 前常用的容弹实验装置 。 1. 1 研究预混燃烧的定容燃烧测试系统
燃烧弹内的压力可以由一个压力传感器测量 。 数字采集系统将不同的诊断火焰类型 ,在不同的方 位调制后再经过火焰和滤光片的辐射信号转变为电
图 6 定容燃烧器系统总图
图 5 是定容燃烧弹的主体结构图 。为与实际发 动机气缸一致 ,选用圆筒结构作为装置的主体结构 , 右侧盖板可根据需要嵌入不同形状的燃烧室 ,同时 布置有火花塞 、进气口 、压力传感器孔道等 。左侧为 组合视窗 ,选用 J GS3 远红外光学石英玻璃做观测窗 口 ,容弹设计压力为 10 MPa ,并预先进行了加压试 验 。为模拟发动机点火前的温度和压力 ,要处理好 定容燃烧弹的密封与加热 。由于内加热会产生炽热 点火现象 ,故采用外加热 ,用两组 1000 W 环筒状电 阻丝加热器 ,并用硅酸铝板保温隔热 ,使容弹在预热
内燃机火焰温度作为内燃机工作过程最主要热 力参数之一 ,不仅与内燃机经济性和热负荷密切相 关 ,也同 NOx 、HC、CO 等有害排放物的生成密切相 关 。了解内燃机燃烧过程的温度变化和分布规律具 有深远的科学意义 。
由定容燃烧弹及其它一些系统共同建立的火焰 温度 CT(计算机断层扫描摄影) 诊断实验台架 ,能够 测量不同火焰类型的温度分布 ,还能同时测量火焰 组分浓度 ,对火焰进行各个方向的投影 ,以寻找火焰 辐射吸收现象的基本规律 。
信号并将其数字化 ,即完成了数据的采集过程 。 研究燃烧过程中火焰内部每一点温度变化 ,对
于了解燃烧过程的物理化学变化 ,进而开发高效低 污染的燃烧装置具有重要的意义 ,本研究应用 CT 技术 ,利用火焰红外吸收发光原理 ,实现了火焰温度 场测量 。研究火焰温度红外 CT 测量技术 ,不仅对 燃烧技术本身的研究具有重要的意义 ,而且在航空 、 航天 、汽车 、能源 、化工 、医药等领域具有广阔的应用 前景 。例如可以用于测量锅炉炉膛内温度分布 ,并 在此基础上进行改善燃烧条件 ,提高燃烧效率 ,抑制 污染物生成的研究 。 1. 3 模拟研究天然气发动机燃烧特性的定容燃烧 实验装置
图 2 试验装置பைடு நூலகம்图
图 2 所示定容燃烧测试系统试验装置 ,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 序控制系统总共 7 个子系统 。
本试验装置中 ,容弹中的湍流发生系统是用带 有通孔的板 (简称孔板) 的快速平动来实现的 。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 。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[4] 。在设计点火系统时 ,主要考虑的是能方便地 控制点火时刻 ,同时能够改变火花塞间隙 、点火能量 等参数 。采用纹影高速摄影及燃烧压力的同步测量 来研究容弹中的预混湍流燃烧 ,并有相应的时序控 制系统 。 1. 2 研究燃烧过程中火焰温度场的定容燃烧实验 装置
关键词 :燃烧弹 ;燃烧特性 ;结构图 ;装置图 中图分类号 :TK407. 4 文献标识码 :A 文章编号 :1673 - 6397 (2007) 01 - 0010 - 06
Discussion of Experimental Studies for Visualization of Internal Combustion Engine Combustion Process
图 1 所示定容燃烧弹结构简图 。图 1 中 ,定容 燃烧弹内腔为正方体 , 其边长为 108 mm , 容积为 1157 L ,容弹壁厚为 26 mm。在本试验装置中 ,容弹 被固定在一个基座上 。容弹有 2 个相对的面是完全 贯通的 , 这样使得光路能够通过 , 为燃烧火焰的纹 影成像提供必要的条件 。在这两个相对的面上 , 分 别安装了一种采用特殊工艺加工而成的厚度为 15 mm 的高抗冲塑料 (相当于光学玻璃) , 但其强度和 耐冲击性要高出一般光学玻璃许多倍 。高抗冲塑料 与容弹体之间是靠密封橡胶来密封的 。容弹的上表 面装有气阀和压力传感器 , 在容弹中心线上布置有 2 根电极 , 位于容弹内的孔板以及与之相连接的导 杆用于产生湍流 ,孔板的运动依靠电机的转动来实 现 。 [1 ,2 ,3 ]
2007 年第 1 期 (总第 97 期)
内燃机与动力装置 I. C. E & Powerplant
【试验研究】
内燃机燃烧过程可视化实验研究浅析
2007 年 2 月
王海凤 ,刘永启 (山东理工大学 交通与车辆工程学院 ,淄博 255049)
摘要 :介绍了研究发动机燃烧过程的模拟实验装置 (定容燃烧弹和多功能燃烧弹) 及单缸 试验机 ,着重分析它们的工作原理 、结构及特点 。为研究内燃机的燃烧过程从而改善其燃烧特 性所需的各式各样的实验装置的设计提供了有力的依据和信息参考 。
Key Words :Combustion Bomb ;Combustion Characteristics ;Structures Drawing ; Equipment Drawing
引言
内燃机是被广泛使用的一种动力机械 ,尤其是 随着汽车的发明 ,车用内燃机获得了飞速的发展 。 随着人类社会环保和节能意识的增强 ,人们要求内 燃机应同时具有良好的动力性 、经济性和低排放性 。 对发动机而言 ,其性能主要取决于发动机缸内的燃 烧过程 。因此 ,为了从根本上提高发动机的性能 ,使 其能够高效 、低污染地工作 ,我们要对发动机燃烧过 程的燃烧特性进行研究 。所谓内燃机工作过程可视 化方法就是将发动机内部的燃烧过程变成一些可以 利用的光学信息供研究者进行分析 ,以便对缸内的
此定容燃烧弹的特点是结构简单 ,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基础研究中 重要的工具和试验平台 。
图 1 定容燃烧弹结构
各种过程进行研究 。内燃机的燃烧研究常放在各种 各样的模拟燃烧设备上进行 。内燃机燃烧可视化模 拟实验装置主要由燃烧弹与光学测试分析系统组 成。
自上个世纪五六十年代燃烧弹开始应用以来 , 燃烧弹的相关研究几乎从未间断过 ,随着燃烧研究 理论的不断突破以及新的燃烧模式的提出 ,燃烧弹 自身也在不断改进与创新 ,其结构功能日趋合理 ,研 究范围不断扩大 ,而且其应用的测试手段和测试仪 器也随着科技的发展日新月异 。其燃烧实验手段不 断向数字化 、微观化 、可视化的方向发展 ,其研究领 域也日益深化 。有的是在模拟实验装置 (如定容燃