在动力实验中开展汽油燃烧过程实验教学

齐　放，　周康泉，　许沧粟，　胡洋洋，　周　旋，　钟安昊

(浙江大学 动力机械及车辆工程研究所， 杭州 310027)

0　引　言

发动机台架实验在动力工程专业本科生教学中是必不可少的内容。通过发动机台架实验，学生能够了解燃料对发动机工作的宏观影响，比如动力性、排放性、经济性以及缸内压力变化[1]，然而，却不能深入了解燃料的具体燃烧过程。整个社会对汽车排放要求越来越高，且化石能源不可再生，因此需要寻找高效、清洁的发动机工作模式[2-3]，比如汽油机缸内直喷(GDI)[4]、均质压燃(HCCI)[5-6]等，此外，还需要了解燃料的燃烧过程。

为此，在常规动力工程专业本科教学中，在发动机台架实验的基础上增设定容燃烧弹实验，以汽油作为样品燃料，帮助学生学习并理解燃料的燃烧过程。通过深入了解这些燃料的燃烧过程，有助于学生对燃料燃烧及其在发动机上的应用有一个新的认识。

1　实验教学设备

我校动力工程专业本科生实验教学中发动机台架实验设备如图 1 所示， 主要由测试发动机、测功机和排放特性测试设备等组成。

图1发动机实验台架[7]

1-油箱; 2-油耗仪; 3-北汽491Q汽油机; 4-联轴器; 5-电涡流测功机; 6-控制台; 7- 数据记录与分析系统; 8-尾气分析仪; 9-不透光仪； 10-燃烧分析仪

在该实验台架上，能进行发动机的动力性、经济性、排放特性的测试，某成品发动机全负荷的速度性能试验数据如图2所示，此外通过缸压传感器能够得到发动机在各个曲轴转角时刻的缸压，如图3所示。

图2　491Q某成品发动机全负荷速度性能试验数据

图3一个发动机循环工况下的缸压变化

上述实验结果参数仅可得到燃料应用于发动机上的宏观表现，并不能清晰表明燃料燃烧过程，故应用定容燃烧弹台架帮助学生理解燃料燃烧过程，定容燃烧弹实验台架主要包括定容燃烧弹、纹影成像系统、点火系统、高速摄影机、计算机、示波器等，如图4所示。

图4电火花点火定容燃烧弹台架[8-9]

1-定容燃烧弹; 2-对置铂金电极丝; 3-电流探头(Tektronix, TCP2020); 4-电压探头(Tektronix, P6015A); 5-高压线圈; 6-中心电极点火控制模块; 7-数字存储示波器 (Tektronix DPO2024B); 8-延时触发器(SRS DG645); 9、10-纹影仪抛物面反射镜; 11、12-纹影仪平面反射镜; 13-纹影仪狭缝; 14-纹影仪成像刀口; 15-纹影仪Xenon灯; 16-高速CCD; 17-计算机

2　实验过程

实验具体流程如下：

(1) 实验开始前，检查定容燃烧弹气密性和加热系统的可靠性，具体操作为：关闭进气门，开启真空泵，将定容燃烧弹抽至一定真空度，然后关闭压力表后的阀门，观察压力表示数，2 min示数不变即认为定容燃烧弹气密性良好。

(2) 调整电极位置和间距，并检验点火有效性，具体操作为：电极丝建议间距2 mm，电极丝水平放置，中心无偏移；点火前调节点火单元充电时间，一般为2 ms充电时间，观察电极间隙中火花亮度。

(3) 冲洗定容燃烧弹弹体内腔，开启真空泵，并打开进气和排气阀门，至少冲洗5 min，然后关闭真空泵；预热定容燃烧弹，打开加热系统稳压直流电源，调整电压至24 V。

(4) 预热及冲洗完成后，利用真空泵抽吸定容燃烧弹内空气至0.5 kPa压力，关闭排气阀门，关闭真空泵。

(5) 注入燃料，注入之后随即关闭进气阀门，并静置3～5 min同时维持实验所需温度，保证所加入的燃料完全气化，然后打开进气阀门使容弹内部达到正常大气压，静置5 min至可燃混合气分布均匀。

(6) 点火并记录实验数据，如果3次点火不成功调整充电时间。

(7) 重复第3步直至实验结束。

通过上述实验，得到点火过程的电压、电流信号和火焰传播过程的压力曲线，接下来对实验获得的数据进行处理。

3　实验数据处理

根据上述实验过程能够得到燃烧过程中的压力曲线、点火瞬间的电流、火焰传播过程的纹影图片。根据这些测量参数可以进一步推导出点火能量、压力升高率和燃烧过程放热率。

3.1　点火能量

对于电火花点火的能量可根据电压探头和电流探头在数字示波器中得到的点火过程中的电压、电流变化曲线得到，计算式为[10]:

(1)

式中：u(t)是为放电过程放电电极与接地电极之间的电压；i(t)是放电过程放电回路的电流；t是放电过程的火花持续时间。

点火系统提供的能量使小部分可燃混合气温度迅速升高被点燃，形成火核，同时初始火核具有相当的传播速度，火核释放出的化学能大于向外界的散热，不被淬熄，那么点火即成功，否则失败[11]，如图5所示。

据上计算可得准确的点火能量，改变点火能量，可观测到可燃混合物所需要的最小点火能量[12-13]。

3.2　火焰传播过程

成功点火的可燃混合物的火焰传播过程能够被高速纹影成像系统记录下来，如图6所示。

3.3　压力曲线

通过数字示波器刻录的压力曲线可以推算出压力升高率，压力升高率反映了混合气的燃烧速率和火焰传播速度，压力升高率越大，表明混合气的燃烧速率和火焰传播速度越大[14]。图7所示为初始条件358 K、0.1 MPa情况下定容燃烧弹中汽油燃烧的压力曲线。

图7　汽油-空气混合气燃烧过程压力曲线

3.4　放热率

定容燃烧弹内燃烧时放热量的分析是非常重要的。本文运用热力学定律对容弹内的放热量进行了分析，为了简化计算汽油-空气混合气在不同点火方式下的放热量，假设[15-16]：① 容弹内的混合气为理想气体；② 混合气在容弹内均匀分布；③ 不考虑燃烧产物的影响；④ 不考虑容弹壁面传热损失。

根据以上假设，容弹内混合气燃烧的放热量为：

(2)

式中：Q为放热量，t为时间，V为容弹体积，p为压力，γ为热容比。在计算时假设γ为常数1.4。在本实验中容弹体积是不变的，式(2)中的第二项为0，故可简化为：

(3)

对该式进行积分即可得到混合气燃烧时的放热量：

(4)

由于实验过程中，容弹体积是固定不变的，所以不同当量比的混合气放热量快慢取决于压力曲线。图8所示为汽油/空气混合气不同当量比时净放热量与时间的变化关系图。

图8　汽油-空气混合气燃烧过程放热量曲线

4　结　语

在发动机台架实验的基础上，利用定容燃烧弹台架进行的燃料燃烧过程教学， 使学生在实验过程中对燃料燃烧点火过程、火焰传播过程和燃料在发动机上的动力性、 经济性、 排放性有一个全面的认识。

在燃烧实验中，了解点火能量对点火成功的影响，探索燃料燃烧过程对发动机性能的影响，有利于培养学生探究问题、分析问题和解决问题的能力。

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