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发动机燃烧过程模拟研究综述
林辉
(青岛大学机电工程学院,山东青岛 266071)
摘要:本文介绍了各种燃烧模拟装置的工作原理、结构特点及各种测试方法的发展现状。主要综述了定容燃烧装置、多功能燃烧装置、快速压缩机、单缸试验机以及激波管在燃烧模拟研究上的应用以及各种可视化燃烧测试方法和数据采集系统在燃烧试验的数据采集处理方面的应用。分析说明了定容燃烧弹及数据采集系统在燃烧理论基础研究上的优点。
关键词:燃烧模拟;定容燃烧弹;可视化;数据采集
Research on the Simulation bustion Process of Internal Engine
Abstract:This paper contains a variety bustion simulation devices and their working principles, structure and some test methods. A summary of the constant bustion device, bustion bomb, pression machine, single-cylinder testing engine, and shock tube bustion simulation was presented. bustion testing methods and data acquisition technology bustion test were also introduced. The good points of constant bustion bomb and data acquisition system on the study bustion were analyzed.
Key bustion simulation ; Constant bustion Bomb; visualization ; data acquisition
1引言
随着汽车工业的发展,以及人类对环境污染的关注程度的加大,对发动机节能与环保的要求越来越高。发动机未来的发展将着重提高动力性、经济性和低排放性[1] [2]。而缸内燃烧过程的改善是降低排放改善其性能的重要方面,但实际发动机的燃烧、传热、蒸发等过程十分复杂,加上每个循环之间的变动,导致对燃烧条件的有效控制变得困难,得不到理想的试验结果。因此,发动机燃烧的研究大都在模拟装置中进行,目前用于模拟燃烧的设备主要有定容燃烧弹(Constant bustion Bomb)、快速压缩机(pression Machine)、单缸试验机及激波管等类型,这其中又以定容燃烧弹和速压机最为常见[3]。
在燃烧理论不断突破以及新的燃烧方式的提出的情况下,燃烧模拟装置及其测试方法也有了相当大的改进,结构和功能日趋合理,研究范围也不断扩大,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[4]。
2 燃烧模拟装置
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。
一种可变湍流参数的定容燃烧测试系统
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]。
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。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,并设计了相应的时序控制系统。
图1 试验装置图
图2所示为其燃烧弹结构简图。其内腔为正方形,边长为108mm,,壁厚26mm。有两个相对的面是完全贯通的,为燃烧火焰的纹影成像提供条件。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两个电