在動力實驗中開展汽油燃燒過程實驗教學

齊　放，　周康泉，　許滄粟，　胡洋洋，　周　旋，　鐘安昊

(浙江大學 動力機械及車輛工程研究所， 杭州 310027)

0　引　言

發動機臺架實驗在動力工程專業本科生教學中是必不可少的內容。通過發動機臺架實驗，學生能夠了解燃料對發動機工作的宏觀影響，比如動力性、排放性、經濟性以及缸內壓力變化[1]，然而，卻不能深入了解燃料的具體燃燒過程。整個社會對汽車排放要求越來越高，且化石能源不可再生，因此需要尋找高效、清潔的發動機工作模式[2-3]，比如汽油機缸內直噴(GDI)[4]、均質壓燃(HCCI)[5-6]等，此外，還需要了解燃料的燃燒過程。

為此，在常規動力工程專業本科教學中，在發動機臺架實驗的基礎上增設定容燃燒彈實驗，以汽油作為樣品燃料，幫助學生學習并理解燃料的燃燒過程。通過深入了解這些燃料的燃燒過程，有助于學生對燃料燃燒及其在發動機上的應用有一個新的認識。

1　實驗教學設備

我校動力工程專業本科生實驗教學中發動機臺架實驗設備如圖 1 所示， 主要由測試發動機、測功機和排放特性測試設備等組成。

圖1發動機實驗臺架[7]

1-油箱; 2-油耗儀; 3-北汽491Q汽油機; 4-聯軸器; 5-電渦流測功機; 6-控制臺; 7- 數據記錄與分析系統; 8-尾氣分析儀; 9-不透光儀； 10-燃燒分析儀

在該實驗臺架上，能進行發動機的動力性、經濟性、排放特性的測試，某成品發動機全負荷的速度性能試驗數據如圖2所示，此外通過缸壓傳感器能夠得到發動機在各個曲軸轉角時刻的缸壓，如圖3所示。

圖2　491Q某成品發動機全負荷速度性能試驗數據

圖3一個發動機循環工況下的缸壓變化

上述實驗結果參數僅可得到燃料應用于發動機上的宏觀表現，并不能清晰表明燃料燃燒過程，故應用定容燃燒彈臺架幫助學生理解燃料燃燒過程，定容燃燒彈實驗臺架主要包括定容燃燒彈、紋影成像系統、點火系統、高速攝影機、計算機、示波器等，如圖4所示。

圖4電火花點火定容燃燒彈臺架[8-9]

1-定容燃燒彈; 2-對置鉑金電極絲; 3-電流探頭(Tektronix, TCP2020); 4-電壓探頭(Tektronix, P6015A); 5-高壓線圈; 6-中心電極點火控制模塊; 7-數字存儲示波器 (Tektronix DPO2024B); 8-延時觸發器(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-計算機

2　實驗過程

實驗具體流程如下：

(1) 實驗開始前，檢查定容燃燒彈氣密性和加熱系統的可靠性，具體操作為：關閉進氣門，開啟真空泵，將定容燃燒彈抽至一定真空度，然后關閉壓力表后的閥門，觀察壓力表示數，2 min示數不變即認為定容燃燒彈氣密性良好。

(2) 調整電極位置和間距，并檢驗點火有效性，具體操作為：電極絲建議間距2 mm，電極絲水平放置，中心無偏移；點火前調節點火單元充電時間，一般為2 ms充電時間，觀察電極間隙中火花亮度。

(3) 沖洗定容燃燒彈彈體內腔，開啟真空泵，并打開進氣和排氣閥門，至少沖洗5 min，然后關閉真空泵；預熱定容燃燒彈，打開加熱系統穩壓直流電源，調整電壓至24 V。

(4) 預熱及沖洗完成后，利用真空泵抽吸定容燃燒彈內空氣至0.5 kPa壓力，關閉排氣閥門，關閉真空泵。

(5) 注入燃料，注入之后隨即關閉進氣閥門，并靜置3～5 min同時維持實驗所需溫度，保證所加入的燃料完全氣化，然后打開進氣閥門使容彈內部達到正常大氣壓，靜置5 min至可燃混合氣分布均勻。

(6) 點火并記錄實驗數據，如果3次點火不成功調整充電時間。

(7) 重復第3步直至實驗結束。

通過上述實驗，得到點火過程的電壓、電流信號和火焰傳播過程的壓力曲線，接下來對實驗獲得的數據進行處理。

3　實驗數據處理

根據上述實驗過程能夠得到燃燒過程中的壓力曲線、點火瞬間的電流、火焰傳播過程的紋影圖片。根據這些測量參數可以進一步推導出點火能量、壓力升高率和燃燒過程放熱率。

3.1　點火能量

對于電火花點火的能量可根據電壓探頭和電流探頭在數字示波器中得到的點火過程中的電壓、電流變化曲線得到，計算式為[10]:

(1)

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

點火系統提供的能量使小部分可燃混合氣溫度迅速升高被點燃，形成火核，同時初始火核具有相當的傳播速度，火核釋放出的化學能大于向外界的散熱，不被淬熄，那么點火即成功，否則失敗[11]，如圖5所示。

據上計算可得準確的點火能量，改變點火能量，可觀測到可燃混合物所需要的最小點火能量[12-13]。

3.2　火焰傳播過程

成功點火的可燃混合物的火焰傳播過程能夠被高速紋影成像系統記錄下來，如圖6所示。

3.3　壓力曲線

通過數字示波器刻錄的壓力曲線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傳播速度，壓力升高率越大，表明混合氣的燃燒速率和火焰傳播速度越大[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。

圖7　汽油-空氣混合氣燃燒過程壓力曲線

3.4　放熱率

定容燃燒彈內燃燒時放熱量的分析是非常重要的。本文運用熱力學定律對容彈內的放熱量進行了分析，為了簡化計算汽油-空氣混合氣在不同點火方式下的放熱量，假設[15-16]：① 容彈內的混合氣為理想氣體；② 混合氣在容彈內均勻分布；③ 不考慮燃燒產物的影響；④ 不考慮容彈壁面傳熱損失。

根據以上假設，容彈內混合氣燃燒的放熱量為：

(2)

式中：Q為放熱量，t為時間，V為容彈體積，p為壓力，γ為熱容比。在計算時假設γ為常數1.4。在本實驗中容彈體積是不變的，式(2)中的第二項為0，故可簡化為：

(3)

對該式進行積分即可得到混合氣燃燒時的放熱量：

(4)

由于實驗過程中，容彈體積是固定不變的，所以不同當量比的混合氣放熱量快慢取決于壓力曲線。圖8所示為汽油/空氣混合氣不同當量比時凈放熱量與時間的變化關系圖。

圖8　汽油-空氣混合氣燃燒過程放熱量曲線

4　結　語

在發動機臺架實驗的基礎上，利用定容燃燒彈臺架進行的燃料燃燒過程教學， 使學生在實驗過程中對燃料燃燒點火過程、火焰傳播過程和燃料在發動機上的動力性、 經濟性、 排放性有一個全面的認識。

在燃燒實驗中，了解點火能量對點火成功的影響，探索燃料燃燒過程對發動機性能的影響，有利于培養學生探究問題、分析問題和解決問題的能力。

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