基于單缸機(jī)的快速壓縮膨脹裝置設(shè)計與仿真研究*

王欣然，李 鐵,2*，黃 帥

(1.上海交通大學(xué) 海洋工程國家重點實驗室，上海 200240； 2.高新船舶與深海開發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心，上海 200240)

0 引 言

發(fā)動機(jī)實驗室常使用各種實驗裝置模擬內(nèi)燃機(jī)的燃燒。由于實驗?zāi)康牟煌?，用來進(jìn)行燃燒研究的實驗裝置種類眾多。目前，噴霧燃燒實驗裝置主要有：可視容彈、光學(xué)發(fā)動機(jī)、快速壓縮裝置等[1，2]。

可視容彈，是一種容積恒定的燃燒裝置。通過改變?nèi)輳梼?nèi)的環(huán)境參數(shù)，可以模擬發(fā)動機(jī)活塞處于上止點時的燃燒室環(huán)境?？梢暼輳椊Y(jié)構(gòu)簡單，可方便改變實驗過程中的熱力學(xué)參數(shù)[3，4]。但它容積固定，難以模擬發(fā)動機(jī)缸內(nèi)流場和產(chǎn)生較高容彈內(nèi)流速。

光學(xué)發(fā)動機(jī)由普通實驗發(fā)動機(jī)改造出光學(xué)通道而來?？稍诠鈱W(xué)發(fā)動機(jī)上利用光學(xué)測試技術(shù)進(jìn)行缸內(nèi)直噴、均質(zhì)充量壓燃、廢氣再循環(huán)等研究，但光學(xué)發(fā)動機(jī)可視化自由度受結(jié)構(gòu)限制較多[5]。

快速壓縮裝置(以下簡稱快壓機(jī))可使用簡化的壓縮沖程模擬內(nèi)燃機(jī)中活塞的壓縮過程。根據(jù)活塞到達(dá)上止點后是否保持位置不變，快壓機(jī)可分為快速壓縮裝置和快速壓縮膨脹裝置[6-8]?？靿簷C(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單，可方便布置光學(xué)窗口，并可靈活地改變實驗參數(shù)等特點[9]，因而被國內(nèi)外科研人員廣泛用于燃燒實驗。國外西班牙瓦倫西亞理工大學(xué)的快壓機(jī)由實驗區(qū)域和驅(qū)動區(qū)域組成：實驗區(qū)域由燃燒室組成，而驅(qū)動區(qū)域由4個不同的活塞組成；其推動活塞為氣體驅(qū)動，它與驅(qū)動活塞為液壓耦合；驅(qū)動活塞直接與燃燒室相連，位置活塞為液壓驅(qū)動，可以調(diào)控壓縮沖程；空氣活塞則包含驅(qū)動機(jī)器運轉(zhuǎn)的壓縮空氣[10]。瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院研究人員將活塞和氣缸蓋改裝成光學(xué)窗口，制成快速壓縮膨脹裝置，其以單周期模式(壓縮和部分膨脹)運行，由壓縮空氣通過液壓油驅(qū)動活塞運動[11]。日本大分大學(xué)的快壓機(jī)由壓縮空氣帶動連桿操縱活塞運動，此裝置的特點是其燃燒室由1個主燃燒室和1個預(yù)燃燒室組成，可以進(jìn)行預(yù)燃燒室燃燒特性研究[12]。國內(nèi)清華大學(xué)研制的快壓機(jī)由燃燒室、壓縮段、液壓段、氣壓驅(qū)動段和高壓氣罐等5個部分組成，通過氣壓驅(qū)動段和液壓段的壓力變化，推動活塞快速運動到上止點，實現(xiàn)壓縮過程，進(jìn)行點火過程的研究[13，14]。

本文的快速壓縮裝置為快速壓縮膨脹裝置，基于單缸機(jī)進(jìn)行設(shè)計，將缸頭換成可視容彈，利用電機(jī)帶動曲軸實現(xiàn)活塞快速運動；通過更改壓縮裝置和可視化裝置之間的氣道形狀，可在可視容彈內(nèi)形成不同形式的流場。

1 快壓機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計

快壓機(jī)的功能是利用活塞的往復(fù)運動在機(jī)內(nèi)產(chǎn)生類似發(fā)動機(jī)工作時的流場，通過可視化窗口研究噴霧燃燒。根據(jù)這一功能，快壓機(jī)在設(shè)計時必須綜合考慮活塞的運動、預(yù)混氣體的進(jìn)入與廢氣的排出、壓力傳感器與溫度傳感器的布置、火花塞的安裝、光學(xué)通道的布置等，在滿足快壓機(jī)功能性的前提下，保證快壓機(jī)的安全性。

快壓機(jī)主體由下方的單缸發(fā)動機(jī)和上方的小型可視容彈組成。

其中原單缸機(jī)參數(shù)表如表1所示。

表1 原單缸機(jī)參數(shù)表

可視容彈參數(shù)表如表2所示。

表2 可視容彈參數(shù)表

快壓機(jī)總體參數(shù)表如表3所示。

表3 快壓機(jī)總體參數(shù)表

快壓機(jī)三維結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 快壓機(jī)三維結(jié)構(gòu)圖

圖1中，容彈上方端蓋設(shè)有進(jìn)、排氣口，壓力傳感器、溫度傳感器、火花塞裝于容彈側(cè)面。

快壓機(jī)與其附屬裝置布置圖如圖2所示。

圖2 快壓機(jī)與其附屬裝置布置圖

圖2中，快壓機(jī)利用舵機(jī)驅(qū)動進(jìn)、排氣閥開啟和關(guān)閉，利用電機(jī)帶動單缸機(jī)運轉(zhuǎn)，電機(jī)與單缸機(jī)的轉(zhuǎn)速比為1 ∶2。

2 快壓機(jī)系統(tǒng)

快壓機(jī)系統(tǒng)圖如圖3所示。

圖3 快壓機(jī)系統(tǒng)框圖

由圖3可知，快壓機(jī)系統(tǒng)由配氣系統(tǒng)、光學(xué)系統(tǒng)、電控系統(tǒng)及上位機(jī)4個系統(tǒng)組成。

2.1 配氣系統(tǒng)

需要設(shè)計一個預(yù)混容器以配置快壓機(jī)的預(yù)混氣體，并在其內(nèi)部安裝攪拌風(fēng)扇來加速預(yù)混氣體的均勻混合。

實驗通過充入特定配比、特定量的甲烷和高純空氣(高純空氣由固定比例的氧氣和氮氣組成)，用來模擬不同空燃比、不同初始壓力的燃燒情況。

預(yù)混合氣體在快壓機(jī)內(nèi)部燃燒的化學(xué)式為：

xCH4+yO2→aCO2+bH2O+cO2

(1)

式中：x，y，a，b，c—各成分的化學(xué)計量數(shù)(不同的實驗?zāi)繕?biāo)空燃比決定不同的x，y，a，b，c)。

2.2 控制系統(tǒng)

快壓機(jī)控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 快壓機(jī)控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

預(yù)混容器和快壓機(jī)的壓力傳感器可以分別實時檢測各自的壓力，并反饋給cRIO，顯示于上位機(jī)?？靿簷C(jī)轉(zhuǎn)速信號反饋給NI 9361，容彈壓力信號反饋給NI 9223，預(yù)混容器壓力信號反饋給NI 9208。通過上位機(jī)，利用cRIO給出電磁閥信號向預(yù)混容器或快壓機(jī)充氣，給舵機(jī)信號以控制進(jìn)、排氣閥，給電機(jī)信號以控制快壓機(jī)轉(zhuǎn)速，給相機(jī)觸發(fā)信號和火花塞點火信號。其中，NI 9474控制各電磁閥工作，NI 9265控制電機(jī)，NI 9401控制舵機(jī)、點火和相機(jī)拍攝。

快壓機(jī)工作流程為：根據(jù)實驗需求，先向預(yù)混容器充入特定比例的氣體配置預(yù)混氣；再用舵機(jī)開啟進(jìn)氣閥，向快壓機(jī)充入特定量的預(yù)混氣，關(guān)閉氣閥；再用電機(jī)帶動曲軸控制活塞運動，當(dāng)檢測到活塞運動接近目標(biāo)曲軸轉(zhuǎn)角，同時壓力達(dá)到目標(biāo)壓力，火花塞點火；通過光學(xué)窗口拍攝，研究快壓機(jī)內(nèi)部燃燒情況；實驗完畢，用舵機(jī)開啟排氣閥排氣。

2.3 壓力測試

對快壓機(jī)進(jìn)行壓力測試，其步驟為：向快壓機(jī)充氣，利用電機(jī)控制活塞往復(fù)運動使燃燒室內(nèi)壓力上升到點火目標(biāo)壓力。實驗參數(shù)：轉(zhuǎn)速600 r/min；時間起點：充氣結(jié)束。

快壓機(jī)壓力測試圖如圖5所示(充氣壓力分別為3.3 bar和6.5 bar，分別可實現(xiàn)10 bar和20 bar的點火時刻壓力)。

由圖5可看出：電機(jī)在啟動后經(jīng)過約9個周期轉(zhuǎn)速平穩(wěn)；電機(jī)剛啟動時，單個運行周期內(nèi)壓力最大值并未達(dá)到整個實驗周期的最大值，之后壓力逐漸增加到最大值。但由于活塞環(huán)處無法完全密封，氣體會緩慢泄漏，單個運行周期內(nèi)壓力最大值逐漸下降。

圖5 快壓機(jī)壓力測試圖

3 快壓機(jī)流場仿真及結(jié)果分析

利用Converge軟件對快壓機(jī)仿真計算，主要研究上止點附近、點火前的流場。為提高流速并在缸內(nèi)形成滾流，單缸機(jī)與可視容彈的連接氣道設(shè)計成切向型流道。筆者在SolidWorks軟件中建立快壓機(jī)燃燒室流場模型，并在Converge中進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

快壓機(jī)內(nèi)部氣體建模圖如圖6所示。

圖6 快壓機(jī)內(nèi)部氣體建模圖

其中，圖6(a)為SolidWorks建模圖，圖6(b)為Converge網(wǎng)格圖。

仿真參數(shù)表如表4所示。

表4 仿真參數(shù)表

接下來，筆者要進(jìn)行變轉(zhuǎn)速和變初始壓力的快壓機(jī)流場仿真。其中，仿真邊界類型為law of wall，表明邊界模型傳熱模式為熱傳導(dǎo)，忽略熱輻射和熱對流；初始時間步長為10-7s，最小時間步長為10-8s，最大時間步長為10-4s；基本網(wǎng)格尺寸為dx×dy×dz=1 mm×1 mm×1 mm。

快壓機(jī)的火花塞安裝于可視容彈非光學(xué)窗口中部，仿真主要研究快壓機(jī)中截面(后文稱該平面為仿真截面)及此平面火花塞附近流場。

180°～360°范圍內(nèi)速度分布圖如圖7所示。

圖7 180°～360°范圍仿真截面速度云圖

圖7中，白點為對應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)角仿真截面內(nèi)最大流速位置，因為180°為壓縮沖程起點，此時流速為0。

由圖7可知：活塞運動初期，進(jìn)氣道的流速較高，因為進(jìn)氣道橫截面積較小，此處流速較高；隨著活塞接近上止點，活塞對空氣做功增加，流速增加且在容彈內(nèi)部形成大范圍的渦流；當(dāng)活塞達(dá)到上止點時，容彈內(nèi)部空氣密度最大且空氣流速較高；5種工況下，仿真截面出現(xiàn)最大流速的時刻相近，均在310°左右；轉(zhuǎn)速越高，仿真截面最大流速越高，但初始壓力對其影響不大。

不同工況仿真截面最大流速Vpmax關(guān)于曲軸轉(zhuǎn)角θ的曲線圖如圖8所示。

圖8 不同工況仿真截面最大流速關(guān)于曲軸轉(zhuǎn)角曲線圖

由圖8可知：在整個壓縮過程，仿真截面最大流速約在310°左右達(dá)到最大值，之后會有所下降，在350°左右下降到極小值，然后又小幅上升，到360°左右時再次上升至極大值，之后緩慢下降，隨即在370°左右開始重新上升。

結(jié)合仿真圖以及活塞運動過程，推測壓縮過程初期最大流速增加是因為活塞加速向上運動，對空氣做功，使流速增加，這時最大流速出現(xiàn)在進(jìn)氣道；隨著流場被壓縮，空氣密度增加，空氣阻力增加，同時隨著活塞接近上止點而逐漸減速，最大流速下降。而最大流速在350°～360°范圍內(nèi)有少許上升可能，這是因為在上止點附近時，容彈內(nèi)形成渦流，流速較高，這時仿真截面最大流速位置出現(xiàn)在容彈內(nèi)，因此在350°～360°出現(xiàn)小幅上升；之后短時間內(nèi)下降，可能是因為活塞運動開始反向，容彈內(nèi)部空氣流速開始變向。當(dāng)燃燒室流場完全進(jìn)入膨脹沖程，空氣流速變向完成并達(dá)到極小值后開始加速，便出現(xiàn)370°～390°之間的流速增加。

根據(jù)圖8(a)可知，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為1 000 r/min時，仿真截面最大流速在350°～356°范圍內(nèi)的上升變化最明顯。這可能是因為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速較低時流場流速變化相對平穩(wěn)，當(dāng)轉(zhuǎn)速逐漸上升時，在接近上止點時渦流程度越高，流場的最大流速就越大；但當(dāng)轉(zhuǎn)速進(jìn)一步增加時，由于活塞運動太快，使得燃燒室內(nèi)空氣場流速變向過程發(fā)生迅速，因此轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，在這一段時間內(nèi)最大流速“再上升”不明顯。

根據(jù)圖8(b)可知，在1 bar和5 bar，在330°～360°之間最大流速都出現(xiàn)明顯的極大值，證明只有當(dāng)快壓機(jī)內(nèi)初始壓力(即充氣量)在某一范圍內(nèi)，流場流速才可能在“壓縮—膨脹”過程中較為平穩(wěn)地變化。

火花塞安裝在容彈右側(cè)中心處，需要在仿真中研究火花塞附近流速變化。這里對轉(zhuǎn)速1 000 r/min，初始壓力1 bar工況下火花塞附近一點進(jìn)行仿真，在后文稱其為測速點，測速點位置圖如圖9所示。

圖9 測速點位置圖

測速點及附近流場仿真圖如圖10所示。

圖10 測速點及附近流場云圖

由圖10可知，當(dāng)活塞運動接近上止點時，容彈內(nèi)形成渦流。

不同工況測速點流速Vd關(guān)于曲軸轉(zhuǎn)角θ圖如圖11所示。

圖11 不同工況測速點流速關(guān)于曲軸轉(zhuǎn)角圖

由圖11可以看出：火花塞附近流速較高但與仿真截面最大流速仍有一定差距；測速點流速在312°～316°內(nèi)達(dá)到最大值，隨后緩慢下降，下降期間流速有兩次小幅上升；發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速越大，流速變化越明顯；總體上，初始壓力對測速點流速影響不大，除了在300°～390°內(nèi)，測速點流速隨著初始壓力的增加而增大。

將330°～370°定為點火區(qū)間，這段時間內(nèi)，對于不同轉(zhuǎn)速仿真，500 r/min、1 000 r/min、1 500 r/min的測速點流速范圍分別為5.20 m/s～16.00 m/s、10.75 m/s～29.72 m/s、15.95 m/s～46.25 m/s，上止點流速分別為9.012 m/s、17.97 m/s、26.69 m/s；對于不同初始壓力仿真，1 bar、3 bar、5 bar的測速點流速范圍分別為10.75 m/s～29.72 m/s、14.04 m/s～28.71 m/s、14.15 m/s～29.87 m/s，上止點流速分別為17.98 m/s、15.87 m/s、17.42 m/s。仿真對點火正時有參考價值。

4 快壓機(jī)點火實驗及結(jié)果分析

接下來，筆者要進(jìn)行變轉(zhuǎn)速和變壓力兩種實驗，將點火時刻設(shè)定成上止點，研究ASOI(after start of ignition，點火后時間)不同流場和不同壓力下點火和火焰?zhèn)鞑ミ^程。

快壓機(jī)點火實驗參數(shù)表如表5所示。

快壓機(jī)點火實驗圖如圖12所示(其中陰影區(qū)域為火焰)。

表5 快壓機(jī)點火實驗參數(shù)表

圖12 快壓機(jī)點火實驗圖

由圖12可以看出：該快壓機(jī)基本可以滿足動態(tài)的發(fā)動機(jī)內(nèi)部點火實驗的研究；轉(zhuǎn)速越大，流場速度越快，造成火焰?zhèn)鞑ニ俣仍娇?；不同密度引起的流場速度變化不大?/p>

由此可見，實驗結(jié)果與仿真結(jié)果一致。

5 結(jié)束語

本文基于單缸機(jī)改裝設(shè)計了快速壓縮膨脹裝置，可在燃燒室內(nèi)營造不同流場和壓力環(huán)境，進(jìn)行點火和燃燒過程可視化研究；利用Converge軟件進(jìn)行了仿真。流場仿真結(jié)果表明，控制快壓機(jī)轉(zhuǎn)速和點火正時可實現(xiàn)火花塞附近流速5.20 m/s～46.25 m/s可變，而環(huán)境壓力對速度場影響不大；不同轉(zhuǎn)速仿真中，500 r/min、1 000 r/min、1 500 r/min火花塞附近在上止點時刻流速分別為9.012 m/s、17.97 m/s、26.69 m/s；不同初始壓力仿真中，1 bar、3 bar、5 bar火花塞附近在上止點時刻流速分別為17.98 m/s、15.87 m/s、17.42 m/s。

本研究成功進(jìn)行了不同流速下的點火實驗，實驗結(jié)論與仿真結(jié)論基本一致，表明本裝置可為強(qiáng)湍流稀薄混合氣點火和燃燒過程可視化研究提供重要支撐。