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(fā)動機臺架實驗在動力工程專業(yè)本科生教學中是必不可少的內容。通過發(fā)動機臺架實驗，學生能夠了解燃料對發(fā)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(fā)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(guī)動力工程專業(yè)本科教學中，在發(fā)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(fā)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(yè)本科生實驗教學中發(fā)動機臺架實驗設備如圖 1 所示， 主要由測試發(fā)動機、測功機和排放特性測試設備等組成。

圖1發(fā)動機實驗臺架[7]

1-油箱; 2-油耗儀; 3-北汽491Q汽油機; 4-聯(lián)軸器; 5-電渦流測功機; 6-控制臺; 7- 數(shù)據記錄與分析系統(tǒng); 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(fā)動機的動力性、經濟性、排放特性的測試，某成品發(fā)動機全負荷的速度性能試驗數(shù)據如圖2所示，此外通過缸壓傳感器能夠得到發(fā)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(fā)動機全負荷速度性能試驗數(shù)據

圖3一個發(fā)動機循環(huán)工況下的缸壓變化

上述實驗結果參數(shù)僅可得到燃料應用于發(fā)動機上的宏觀表現(xiàn)，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(tǒng)、點火系統(tǒng)、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(shù)字存儲示波器 (Tektronix DPO2024B); 8-延時觸發(fā)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(tǒng)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(shù)，2 min示數(shù)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(jié)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(tǒng)穩(wěn)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(shù)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?zhèn)鞑ミ^程的壓力曲線，接下來對實驗獲得的數(shù)據進行處理。

3　實驗數(shù)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?zhèn)鞑ミ^程的紋影圖片。根據這些測量參數(shù)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(shù)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(xù)時間。

點火系統(tǒng)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?shù)膫鞑ニ俣龋鸷酸尫懦龅幕瘜W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?zhèn)鞑ミ^程

成功點火的可燃混合物的火焰?zhèn)鞑ミ^程能夠被高速紋影成像系統(tǒng)記錄下來，如圖6所示。

3.3　壓力曲線

通過數(shù)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?zhèn)鞑ニ俣?，壓力升高率越大，表明混合氣的燃燒速率和火焰?zhèn)鞑ニ俣仍酱骩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?zhèn)鳠釗p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(shù)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(fā)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?zhèn)鞑ミ^程和燃料在發(fā)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(fā)動機性能的影響，有利于培養(yǎng)學生探究問題、分析問題和解決問題的能力。

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