摘要:由于自主研发的快速压缩机进气时间长,缸内混合气与活塞、缸壁、缸盖等进行充分热交换,引起进气温度发生变化,影响燃烧特性分析结果。针对这一情况,作者对快速压缩机燃烧缸进行测温试验。分别测得不同混合气温度和不同混合气压力对燃烧缸温度场的影响,结果表明充气结束20秒后,燃烧缸内温度场与进气温度及进气压力关系不大的结论,并采用最小二乘法拟合出燃烧缸内平均温度与缸盖上测量热电偶读数间的函数关系。采用修正后的进气温度使该设备上进行的发动机模拟实验数据更加真实可靠,提高了燃烧特性分析的精确度和准确度。
关键词:动力机械及工程;快速压缩机;温度场;进气温度
Abstract:There is a great deal of heat exchange between combustible mixture and cylinder walls because of the long time of mixture intake when a self-developed rapid compression machine works. The combustion cylinder temperature field which affects the heat exchange was measured with more than 20 temperature sensors under high temperature mixture intake condition. We concluded that the intake temperature is depended on the combustion cylinder temperature field with preheated air going into the cylinder to make the condition similar to the combustion experiment. The function expression of intake temperature and temperature detected by the cylinder sensor was gained by the least square method.
Key words: power and machinery engineering; rapid compression machine; temperature field; intake temperature
在实际发动机上进行运转实验时,由于残余废气等因素的影响,每一循环中进气温度,初始压缩等试验条件都在发生变化,因此严格的控制每一循环的燃烧条件不仅十分困难,而且几乎是不可能的事情,这给试验研究带来了诸多不便。为避免这一问题,经过国内外诸多学者多年的研究开发,快速压缩机以其边界条件可控,重复性好等优点,成为基础研究中重要的模拟燃烧装置[1-5]。在使用快速压缩机进行均质压燃试验时,往往预先配制一定温度一定过量空气系数的均质混和气,当均质混和气进入燃烧缸后,其温度便受到了燃烧缸温度场的影响。 为了提高进气温度对均质压燃燃烧特性影响分析的准确性,测量燃烧缸温度场的分布情况是十分必要的。
作者针对一种自主研发的快速压缩机,在充入高温高压混合气的状态下对燃烧缸温度场进行了测量分析,总结了充入混合气温度及压力对燃烧缸温度场的影响规律,找到了充气状态下燃烧缸内平均温度(压缩试验时的压缩前温度相当于内燃机试验中的进气温度)与测量热电偶温度间的关系,对使用该压缩机进行试验研究提供了指导意义。 1快速压缩机简介1.1快速压缩机的结构及工作原理
快速压缩机主要由配气系统、驱动系统、进气及排气系统、燃烧系统、控制及数据采集系统组成[6]。其实体外观图如图1所示。工作时,燃料由燃料预混合器加入配气室中形成高压均质混合气,高压均质混合气在配气室中加热到试验所需温度,最后通过压力差由进气管进入快速压缩机燃烧缸中;由储气筒提供高压气源,推动快速压缩机活塞运动,实现压燃着火[7]。压缩终了,在高压气源的推动下,活塞退回到初始位置,完成一个工作循环。快速压缩机活塞运动时由计算机数据采集系统同步采集燃烧缸内压力数据和快速压缩机活塞的位移,同时记录相应的时间[8]。
1 驱动气缸 2 位移传感器 3活塞 4 缸盖 5 配气室 6 真空泵 7 燃料预混合器
图1 快速压缩机结构简图
Fig.1 structure of rapid combustion machine
1.2快速压缩机的主燃烧系统
主燃烧系统是指快速压缩机的燃烧缸及其配套设备,如图2a所示。主燃烧系统主要由活塞、缸套、燃烧系统支架、缸盖与加热保温系统构成。
由于可燃混合气通过压力差充入燃烧缸内,所以燃烧缸内混合气压力高于1个大气压。根据试验总结,停止充气20秒后,燃烧缸内气体恢复到1个大气压。在此期间,充入可燃混合气与缸壁、活塞及缸盖进行了充分的热交换,如果燃烧缸温度低,将使可燃混合气温度降低,直接导致HCCI模式下无法着火。因此,必须对燃烧缸进行加热,才能保证压缩着火的顺利进行[9]。加热元件为超细铠装加热管,紧密的缠绕在燃烧系统支架的筒体上,具有良好的加热均匀性和稳定性。加热管外缚有石棉板,起到保温作用。燃烧缸的加热采用间歇模式,加热2分钟停止2分钟,一方面可以延长加热元件的使用寿命,另一方面可以降低燃烧缸内温度梯度,同时还可以保证其温度场的稳定,便于对燃烧缸温度场进行控制。由于快速压缩机的进气时间较长,所以可燃混合气受燃烧缸温度场影响很大,进而影响到了HCCI燃烧特性的正确分析。 2燃烧缸温度场的测量2.1试验器材及测温点的布置
由于采用间歇性加热,燃烧缸温度场变化缓慢,使用热电偶便能满足其响应时间和灵敏度要求。因此,试验中采用被测空间均布热电偶的方式测量燃烧缸温度场。主要测温设备如表1所示。
表1测温设备
Table1 temperature measuring equipment 名称 型号 温度传感器 K型热电偶 温度多点记仪 横河HR1000 传感器支架 无 测量热电偶 K型热电偶 将活塞运行到下止点,传感器支架置于燃烧缸中,在燃烧缸轴线方向选取4个测温截面,每个测温截面布置5个中心对称的测温点,如图3所示,1、5、9、13、17测温点分布在第一个截面上;2、6、10、14、18测温点分布在第二个截面上;3、7、11、15、19分布在第三个截面上;4、8、12、16、20分布在第四个截面上。这样又在燃烧缸的轴向上同时形成5条测温直线,参见图2。这样布置测温点,既可以得到各截面的温度分布情况,又可以得到沿轴线方向温度的分布规律。
1 燃烧系统支架 2 缸套 3 加热装置 4 活塞
5缸盖 6传感器支架 7测量热电偶
(a)主燃烧系统及传感器支架位置
(b)测温支架上各测温点位置
图2燃烧缸内热电偶支架及测温点布置图
Fig.2 Arrangement of temperature measuring points and thermocouple timber frame 图2a中的测量热电偶安装在缸盖上,压缩试验中,用于监测缸内混合气温度。本实验研究中,测量热电偶读数直接显示在温度表上,并通过串口输入计算机,计算机根据所采集到的数据,通过程控软件控制加热元件,可以使燃烧缸温度稳定在预定的数值。
测量实验中,模拟压缩试验时的工况,严格按照快速压缩机压缩试验中的加热方式进行加热,待测量热电偶温度稳定后,向燃烧缸内充入高温气体,测量出充入高温混合气后的燃烧缸温度场分布情况,使测量结果更具有实际意义。