一种多点点火的多功能定容燃烧实验装置

胡前城, 孟 顺, 钱叶剑, 王晓东, 陶常法, 庄 远

(合肥工业大学 汽车与交通工程学院,安徽 合肥 230009)

当前,内燃机的石油消费量占石油消费总量的比例越来越高。全球许多能源机构和权威人士已经表明,本世纪将出现石油短缺现象[1]。同时,内燃机有害排放造成的环境污染也日益严重。因此,提高内燃机燃烧质量、减少其有害排放具有重要的意义。

定容燃烧装置作为一种研究内燃机基础燃烧的实验装置,可以模拟活塞上止点附近的燃烧过程,具有结构简单、热力参数(燃空比、残余废气系数、初始压力、初始温度)和点火参数(火花塞位置、点火间隙、点火能量)可变的优点。

国内外利用定容燃烧弹对内燃机缸内的燃烧过程和替代燃料的燃烧特性进行了大量研究。文献[2]通过定容弹装置研究了层流火焰传播速度和马克斯坦长度;文献[3]利用定容燃烧弹装置对正癸烷/空气混合物在高温、高压下的层流燃烧速度进行了测量;文献[4]使用定容燃烧弹研究了氢和合成混合气在高压下氧化的化学动力学过程;文献[5]利用定容燃烧弹研究了在升高压力的情况下,甲烷-氢-空气的层流燃烧速度和不稳定性火核的形成过程;文献[6]研究设计了一种可变湍流参数的定容燃烧弹试验装置;文献[7]基于定容燃烧弹可视化纹影试验系统,研究了直喷式天然气发动机喷雾动态特性的变化规律;文献[8]利用定容燃烧弹研究了双火花塞对天然气定容燃烧的影响。

从已有的研究文献来看,目前还没有设计或者研制出能实现多点点火的多功能定容燃烧装置。多点点火能大幅度改善燃料的效率,提升稀燃极限[9]；在低当量比时,多点点火能够缩短初燃期,降低发生爆震的几率[10]。另外,现有的定容燃烧装置在设计时一般只考虑了燃烧过程的研究需求,不能进行燃料喷雾特性的实验研究,从而增加了研究成本。因此,设计出一套可以实现多点点火的多功能定容燃烧装置具有重要的实际应用价值。

1 实验装置整体结构介绍

本文设计的定容燃烧装置可以进行燃料喷雾特性、预混层流火焰以及壁面多点点火等研究。该实验装置以定容燃烧弹为主体,与配气系统、加热系统、数据采集系统、点火系统、高速摄像以及纹影系统等组成整个实验系统。定容燃烧弹弹体结构示意图如图1所示。

图1中,定容燃烧弹的内径为150 mm,内腔长度为280 mm;在弹体中心沿周向均匀分布8个火花塞安装孔,其中顶置的凸台通过转换装置可以安装喷油器或火花塞,以便于进行喷雾和预混层流燃烧实验。

图1 定容燃烧弹弹体结构示意图

在弹体的前面或顶面的外表面上布置有少量的安装孔,其中顶置的安装孔用于安装安全阀;前面的安装孔分别安装进排气管、温度传感器和压力传感器。多功能定容燃烧装置弹可以进行燃料喷雾和层流火焰的研究,由于这2种实验对观察视窗的要求不同,实验装置配备了2套石英玻璃和紧固法兰。2套石英玻璃的直径分别为180 、110 mm,有效视窗直径分别为150、80 mm。

1.1 配气系统

配气系统包括气瓶、压力表、手动阀、减压阀、电磁阀、管路、压力采集系统、数据采集卡和电磁阀控制单元等,如图2所示。配气系统利用分压原理配制符合实验要求的当量比,并对实验气体进行预热。

配气操作流程为:首先打开可燃气(以甲烷为例)气瓶的手动阀门和干路上的手动阀门,使电磁阀处于开启状态；甲烷进入加热箱后,压力采集系统实时采集弹体内压力数据并传送到数据采集卡,达到甲烷所需的配气压力后,由数据采集卡发出信号；关闭控制甲烷的电磁阀并打开氮气电磁阀；此时手动关闭甲烷手动阀，打开氮气手动阀门,由压力采集系统和数据采集卡组成的反馈系统使得氮气达到其配气压力。氧气的配气过程与此相同。

图2 多功能定容燃烧弹实验装置流程

1.2 加热系统

加热系统主要包括温度采集系统、数据采集卡、电控加热单元以及加热箱。加热系统的作用是对加热箱和弹体进行加热,并通过温度采集系统、数据采集卡和电控加热单元组成的温度反馈控制系统,将加热箱和定容弹燃烧温度维持在设定的温度。

1.3 数据采集系统

数据采集系统主要包括压力采集系统、温度采集系统、数据采集卡和计算机,它保证了混合气当量比和温度控制的精确性,能实现实验数据和图像的采集和储存。

1.4 点火系统

点火系统主要包括点火控制单元、点火电极和点火电路等,预混气体充入弹体并完成预热保温后方可进行点火实验。进行预混合层流火焰实验时,在初始温度和压力稳定后,手动操作点火开关对定容燃烧弹弹体内预混合气进行点火。

多点点火实验则由多点点火系统控制火花塞点火。

1.5 高速纹影系统

高速纹影系统主要包括纹影仪和高速摄像机,用来记录实验过程中弹体内火焰发展过程,以便进行实验分析。纹影系统主要提供高速相机记录实验照片所需的光学通路。高速相机与点火开关同步打开,记录预混合气燃烧过程中火核的形成过程及其结构。

2 弹体结构介绍

燃料喷雾特性、多点点火和预混层流火焰等实验的实验要求和研究对象不同,对弹体的结构要求也不一样。燃料喷雾特性实验由于需要观察喷雾形态变化过程,石英玻璃视窗的有效直径应等于或略大于弹体内径;部分多点点火实验由于属于火花塞壁面点火,观察范围与燃料喷雾特性实验差不多,采用的石英玻璃视窗与喷雾特性实验的相同;预混层流火焰燃烧实验由于研究球形火焰的传播过程,一般来说石英玻璃视窗的有效直径不需要大于或等于弹体内径,总结已有的研究结果,视窗有效直径设置为80 mm,小于弹体内径150 mm。2套定制的视窗通过中间法兰与弹体连接。

2.1 喷雾实验与多点点火可视化视窗

燃料喷雾和多点点火实验的定容燃烧装置弹体结构简图如图3所示。

从图3可以看出,由于喷雾实验和多点点火实验对光学玻璃视窗的要求相同,采用的是同一套光学玻璃视窗法兰结构。这套可拆卸的光学玻璃视窗法兰结构主要有压紧法兰端盖、光学石英玻璃、石英玻璃座和密封垫片4个部分。该套可拆卸石英玻璃视窗通过8个M20×1.5螺柱和16个M20×1.5螺母连接中间法兰,中间法兰则通过螺纹与弹体相连。

喷雾与多点点火石英视窗如图4所示。石英玻璃直径为180 mm,厚度为40 mm,有效视窗直径为150 mm;密封垫片采用纯石墨垫片,内径为150 mm,外径为181 mm,厚度为3 mm,可耐550 ℃左右的温度。

1.定容燃烧弹主体结构 2.法兰组合图3 喷雾特性与多点点火实验弹体结构

图4 喷雾与多点点火石英视窗

2.2 预混层流火焰燃烧可视化视窗

预混层流火焰燃烧实验研究的是球形火焰传播过程,其通过中心电极点火,球形火焰半径的最大值无需与弹体内径相同。

本文设计的定容燃烧装置简图如图5所示。图5与图3的最大区别在于光学玻璃视窗法兰结构不同。

预混层流石英视窗如图6所示。图6显示该套可拆卸的光学玻璃视窗法兰结构主要有石英玻璃座、石英玻璃和压紧法兰端盖。其中,石英玻璃直径为110 mm,厚度为40 mm,有效视窗直径为80 mm;密封垫片使用纯石墨垫片,内径为80 mm,外径为111 mm,厚度为3 mm。压紧法兰端盖通过6个M16×1.5螺柱、6个M16×1.5螺母与石英玻璃底座连接,石英玻璃两侧与法兰和底座相接触的部分都需要使用纯石墨垫片进行密封。石英玻璃座与中间法兰的连接采用8个M20×1.5的螺柱和16个M20×1.5的螺母连接,其接触的地方采用纯石墨垫片密封,该垫片内径为150 mm,外径为185 mm,厚度为3 mm。

1.定容燃烧弹主体结构 2.法兰组合图5 预混层流火焰燃烧实验弹体结构

图6 预混层流石英视窗

3 多点点火系统

文献[11]利用快速压缩-膨胀机改装的多火花塞点火试验台架证实了多火花塞点火实现快速燃烧的结论;文献[9]使用12点点火电极板改装的4缸发动机进行实验,发现12点点火能够大幅缩短燃烧期、减少燃油消耗、提高稀燃极限,而且点火数量相同时双侧点火的效果要好于单侧点火;文献[12]采用高速纹影法对微波多点点火的实验研究表明,随着微波多点点火数量的增加,燃烧速度增加,燃烧效率提髙。然而,定容燃烧装置的多点点火实验还未见过相关报道。下面将分别介绍定容燃烧装置多点点火系统的点火时序控制和点火能量调节。

3.1 多点点火的时序控制

本文实验装置的多点点火系统最多可设置8个火花塞(其中1个火花塞利用定制的凸台安装在定容弹上),利用8个通信接口对火花塞控制电路进行点火时序控制。点火时序控制原理图如图7所示。

当弹体内初始压力和温度达到实验预设值后,计算机将点火数量和点火顺序等信号传递到点火控制电路,从而精确控制每个点火电路的通断时刻及持续时间。点火电路由高压包、点火线圈与火花塞组成。需要注意的是,点火控制电路和高速摄像机是同步控制,火花塞点火的同时,高速摄像机开始启动,便于及时拍摄多点点火的点火及燃烧的过程。

图7 点火时序控制原理

3.2 点火能量的调节

点火能量既可以通过控制火花塞点火信号持续时间来进行调节,也可以通过控制点火电压的大小来调节。

首先,对点火能量、点火电压和点火信号持续时间的关系进行标定;然后将标定结果输入计算机内,当弹体内实验环境达到预设值后,依据实验对点火能量和点火时序的要求,进行不同点火能量实验和多点点火的燃烧实验研究。

4 实验验证

为了验证本文多点点火的多功能定容燃烧弹装置的正确性,进行了常温、常压下部分当量比的甲烷空气预混燃烧实验。

甲烷空气预混燃烧实验拍摄的高速纹影图片如图8所示。其中：t为时间间隔；φ为当量比。

图8 常温、常压条件下甲烷空气部分当量比纹影图片

从图8可以看出,球形火焰结构较为规则,可以清晰地看见火焰边界,并且能够区分内部已燃气体和外部未燃气体的密度对比。

火焰传播速度随当量比的变化如图9所示。图9显示了在常温、常压条件下,不同研究的甲烷-空气层流燃烧速度随当量比变化的实验数据。

图9 各甲烷空气层流燃烧速度随当量比变化的实验数据对比

图9中,本文数据为本文定容燃烧弹台架的实验结果,其余数据均参照文献[13]中其他研究的实验结果。

从图9可以看出,常温、常压条件下本文实验的甲烷空气随当量比的变化情况与已有的实验结果较为吻合。这表明本文多点点火的多功能定容燃烧弹实验装置是合理的、成功的。

5 结 论

根据预混层流燃烧、燃料喷雾特性研究以及多点点火的实验要求,本文设计了一种可以实现多点点火的多功能定容燃烧装置。该装置可以实现初始温度、初始压力、预混气体的当量比以及点火参数(火花塞位置、火花塞数量、电极间隙、点火能量)等实验参数的可调。在常温、常压下部分当量比的甲烷空气预混燃烧实验的结果表明,本文多点点火的多功能定容燃烧装置是合理的、适用的。