一種多點點火的多功能定容燃燒實驗裝置

胡前城, 孟 順, 錢葉劍, 王曉東, 陶常法, 莊 遠

(合肥工業大學 汽車與交通工程學院,安徽 合肥 230009)

當前,內燃機的石油消費量占石油消費總量的比例越來越高。全球許多能源機構和權威人士已經表明,本世紀將出現石油短缺現象[1]。同時,內燃機有害排放造成的環境污染也日益嚴重。因此,提高內燃機燃燒質量、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內燃機基礎燃燒的實驗裝置,可以模擬活塞上止點附近的燃燒過程,具有結構簡單、熱力參數(燃空比、殘余廢氣系數、初始壓力、初始溫度)和點火參數(火花塞位置、點火間隙、點火能量)可變的優點。

國內外利用定容燃燒彈對內燃機缸內的燃燒過程和替代燃料的燃燒特性進行了大量研究。文獻[2]通過定容彈裝置研究了層流火焰傳播速度和馬克斯坦長度;文獻[3]利用定容燃燒彈裝置對正癸烷/空氣混合物在高溫、高壓下的層流燃燒速度進行了測量;文獻[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動力學過程;文獻[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定性火核的形成過程;文獻[6]研究設計了一種可變湍流參數的定容燃燒彈試驗裝置;文獻[7]基于定容燃燒彈可視化紋影試驗系統,研究了直噴式天然氣發動機噴霧動態特性的變化規律;文獻[8]利用定容燃燒彈研究了雙火花塞對天然氣定容燃燒的影響。

從已有的研究文獻來看,目前還沒有設計或者研制出能實現多點點火的多功能定容燃燒裝置。多點點火能大幅度改善燃料的效率,提升稀燃極限[9]；在低當量比時,多點點火能夠縮短初燃期,降低發生爆震的幾率[10]。另外,現有的定容燃燒裝置在設計時一般只考慮了燃燒過程的研究需求,不能進行燃料噴霧特性的實驗研究,從而增加了研究成本。因此,設計出一套可以實現多點點火的多功能定容燃燒裝置具有重要的實際應用價值。

1 實驗裝置整體結構介紹

本文設計的定容燃燒裝置可以進行燃料噴霧特性、預混層流火焰以及壁面多點點火等研究。該實驗裝置以定容燃燒彈為主體,與配氣系統、加熱系統、數據采集系統、點火系統、高速攝像以及紋影系統等組成整個實驗系統。定容燃燒彈彈體結構示意圖如圖1所示。

圖1中,定容燃燒彈的內徑為150 mm,內腔長度為280 mm;在彈體中心沿周向均勻分布8個火花塞安裝孔,其中頂置的凸臺通過轉換裝置可以安裝噴油器或火花塞,以便于進行噴霧和預混層流燃燒實驗。

圖1 定容燃燒彈彈體結構示意圖

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行燃料噴霧和層流火焰的研究,由于這2種實驗對觀察視窗的要求不同,實驗裝置配備了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

配氣系統包括氣瓶、壓力表、手動閥、減壓閥、電磁閥、管路、壓力采集系統、數據采集卡和電磁閥控制單元等,如圖2所示。配氣系統利用分壓原理配制符合實驗要求的當量比,并對實驗氣體進行預熱。

配氣操作流程為:首先打開可燃氣(以甲烷為例)氣瓶的手動閥門和干路上的手動閥門,使電磁閥處于開啟狀態；甲烷進入加熱箱后,壓力采集系統實時采集彈體內壓力數據并傳送到數據采集卡,達到甲烷所需的配氣壓力后,由數據采集卡發出信號；關閉控制甲烷的電磁閥并打開氮氣電磁閥；此時手動關閉甲烷手動閥，打開氮氣手動閥門,由壓力采集系統和數據采集卡組成的反饋系統使得氮氣達到其配氣壓力。氧氣的配氣過程與此相同。

圖2 多功能定容燃燒彈實驗裝置流程

1.2 加熱系統

加熱系統主要包括溫度采集系統、數據采集卡、電控加熱單元以及加熱箱。加熱系統的作用是對加熱箱和彈體進行加熱,并通過溫度采集系統、數據采集卡和電控加熱單元組成的溫度反饋控制系統,將加熱箱和定容彈燃燒溫度維持在設定的溫度。

1.3 數據采集系統

數據采集系統主要包括壓力采集系統、溫度采集系統、數據采集卡和計算機,它保證了混合氣當量比和溫度控制的精確性,能實現實驗數據和圖像的采集和儲存。

1.4 點火系統

點火系統主要包括點火控制單元、點火電極和點火電路等,預混氣體充入彈體并完成預熱保溫后方可進行點火實驗。進行預混合層流火焰實驗時,在初始溫度和壓力穩定后,手動操作點火開關對定容燃燒彈彈體內預混合氣進行點火。

多點點火實驗則由多點點火系統控制火花塞點火。

1.5 高速紋影系統

高速紋影系統主要包括紋影儀和高速攝像機,用來記錄實驗過程中彈體內火焰發展過程,以便進行實驗分析。紋影系統主要提供高速相機記錄實驗照片所需的光學通路。高速相機與點火開關同步打開,記錄預混合氣燃燒過程中火核的形成過程及其結構。

2 彈體結構介紹

燃料噴霧特性、多點點火和預混層流火焰等實驗的實驗要求和研究對象不同,對彈體的結構要求也不一樣。燃料噴霧特性實驗由于需要觀察噴霧形態變化過程,石英玻璃視窗的有效直徑應等于或略大于彈體內徑;部分多點點火實驗由于屬于火花塞壁面點火,觀察范圍與燃料噴霧特性實驗差不多,采用的石英玻璃視窗與噴霧特性實驗的相同;預混層流火焰燃燒實驗由于研究球形火焰的傳播過程,一般來說石英玻璃視窗的有效直徑不需要大于或等于彈體內徑,總結已有的研究結果,視窗有效直徑設置為80 mm,小于彈體內徑150 mm。2套定制的視窗通過中間法蘭與彈體連接。

2.1 噴霧實驗與多點點火可視化視窗

燃料噴霧和多點點火實驗的定容燃燒裝置彈體結構簡圖如圖3所示。

從圖3可以看出,由于噴霧實驗和多點點火實驗對光學玻璃視窗的要求相同,采用的是同一套光學玻璃視窗法蘭結構。這套可拆卸的光學玻璃視窗法蘭結構主要有壓緊法蘭端蓋、光學石英玻璃、石英玻璃座和密封墊片4個部分。該套可拆卸石英玻璃視窗通過8個M20×1.5螺柱和16個M20×1.5螺母連接中間法蘭,中間法蘭則通過螺紋與彈體相連。

噴霧與多點點火石英視窗如圖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.定容燃燒彈主體結構 2.法蘭組合圖3 噴霧特性與多點點火實驗彈體結構

圖4 噴霧與多點點火石英視窗

2.2 預混層流火焰燃燒可視化視窗

預混層流火焰燃燒實驗研究的是球形火焰傳播過程,其通過中心電極點火,球形火焰半徑的最大值無需與彈體內徑相同。

本文設計的定容燃燒裝置簡圖如圖5所示。圖5與圖3的最大區別在于光學玻璃視窗法蘭結構不同。

預混層流石英視窗如圖6所示。圖6顯示該套可拆卸的光學玻璃視窗法蘭結構主要有石英玻璃座、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,內徑為80 mm,外徑為111 mm,厚度為3 mm。壓緊法蘭端蓋通過6個M16×1.5螺柱、6個M16×1.5螺母與石英玻璃底座連接,石英玻璃兩側與法蘭和底座相接觸的部分都需要使用純石墨墊片進行密封。石英玻璃座與中間法蘭的連接采用8個M20×1.5的螺柱和16個M20×1.5的螺母連接,其接觸的地方采用純石墨墊片密封,該墊片內徑為150 mm,外徑為185 mm,厚度為3 mm。

1.定容燃燒彈主體結構 2.法蘭組合圖5 預混層流火焰燃燒實驗彈體結構

圖6 預混層流石英視窗

3 多點點火系統

文獻[11]利用快速壓縮-膨脹機改裝的多火花塞點火試驗臺架證實了多火花塞點火實現快速燃燒的結論;文獻[9]使用12點點火電極板改裝的4缸發動機進行實驗,發現12點點火能夠大幅縮短燃燒期、減少燃油消耗、提高稀燃極限,而且點火數量相同時雙側點火的效果要好于單側點火;文獻[12]采用高速紋影法對微波多點點火的實驗研究表明,隨著微波多點點火數量的增加,燃燒速度增加,燃燒效率提髙。然而,定容燃燒裝置的多點點火實驗還未見過相關報道。下面將分別介紹定容燃燒裝置多點點火系統的點火時序控制和點火能量調節。

3.1 多點點火的時序控制

本文實驗裝置的多點點火系統最多可設置8個火花塞(其中1個火花塞利用定制的凸臺安裝在定容彈上),利用8個通信接口對火花塞控制電路進行點火時序控制。點火時序控制原理圖如圖7所示。

當彈體內初始壓力和溫度達到實驗預設值后,計算機將點火數量和點火順序等信號傳遞到點火控制電路,從而精確控制每個點火電路的通斷時刻及持續時間。點火電路由高壓包、點火線圈與火花塞組成。需要注意的是,點火控制電路和高速攝像機是同步控制,火花塞點火的同時,高速攝像機開始啟動,便于及時拍攝多點點火的點火及燃燒的過程。

圖7 點火時序控制原理

3.2 點火能量的調節

點火能量既可以通過控制火花塞點火信號持續時間來進行調節,也可以通過控制點火電壓的大小來調節。

首先,對點火能量、點火電壓和點火信號持續時間的關系進行標定;然后將標定結果輸入計算機內,當彈體內實驗環境達到預設值后,依據實驗對點火能量和點火時序的要求,進行不同點火能量實驗和多點點火的燃燒實驗研究。

4 實驗驗證

為了驗證本文多點點火的多功能定容燃燒彈裝置的正確性,進行了常溫、常壓下部分當量比的甲烷空氣預混燃燒實驗。

甲烷空氣預混燃燒實驗拍攝的高速紋影圖片如圖8所示。其中：t為時間間隔；φ為當量比。

圖8 常溫、常壓條件下甲烷空氣部分當量比紋影圖片

從圖8可以看出,球形火焰結構較為規則,可以清晰地看見火焰邊界,并且能夠區分內部已燃氣體和外部未燃氣體的密度對比。

火焰傳播速度隨當量比的變化如圖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量比變化的實驗數據。

圖9 各甲烷空氣層流燃燒速度隨當量比變化的實驗數據對比

圖9中,本文數據為本文定容燃燒彈臺架的實驗結果,其余數據均參照文獻[13]中其他研究的實驗結果。

從圖9可以看出,常溫、常壓條件下本文實驗的甲烷空氣隨當量比的變化情況與已有的實驗結果較為吻合。這表明本文多點點火的多功能定容燃燒彈實驗裝置是合理的、成功的。

5 結 論

根據預混層流燃燒、燃料噴霧特性研究以及多點點火的實驗要求,本文設計了一種可以實現多點點火的多功能定容燃燒裝置。該裝置可以實現初始溫度、初始壓力、預混氣體的當量比以及點火參數(火花塞位置、火花塞數量、電極間隙、點火能量)等實驗參數的可調。在常溫、常壓下部分當量比的甲烷空氣預混燃燒實驗的結果表明,本文多點點火的多功能定容燃燒裝置是合理的、適用的。