在动力实验中开展燃烧特性测试的实验教学

齐 放, 胡洋洋, 周 旋, 许沧粟

(浙江大学 动力机械与车辆工程研究所, 浙江 杭州 310027)

实验教学研究

在动力实验中开展燃烧特性测试的实验教学

齐 放, 胡洋洋, 周 旋, 许沧粟

(浙江大学 动力机械与车辆工程研究所, 浙江 杭州 310027)

结合动力工程专业本科生实验教学中现有的台架实验只能进行产品发动机的动力性、经济性、常规排放物的测试实验教学,缺少对燃料及代用燃料在发动机中燃用时的基本燃烧特性参数测试的实验装置与设备，开发了高速纹影法记录定容燃烧弹内球形膨胀火焰的测试系统,研究其层流火焰燃烧速度等特性参数。用乙醇开展了实验教学,获得其基本层流火焰特性参数,极大地激发了学生对燃烧研究的兴趣。

动力实验； 层流燃烧； 定容燃烧弹

随着经济的快速发展,各国对能源的需求不断增加,同时,化石燃料作为当今最重要的能源,面临着储量枯竭与环境污染等问题。开发利用可再生的清洁能源是解决这些问题的最佳途径之一。内燃机可使用的代用燃料包括天然气[1]、合成气[2]以及部分生物质燃料[3-4]等,其中,作为可再生能源的生物质燃料是研究的重点。生物质燃料成分复杂,主要有乙醇、丙酮、丁酮、乙酸乙酯、乙醚等成分[5],这些成分是现有产品发动机中很少应用的。本文结合我校动力工程专业发动机动力性实验教学的局限性,探讨在本科生实验教学中开展燃烧特性测试的实验教学。

1 现有动力性实验教学设备

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[6],主要由测试发动机、测功机以及排放特性测试等设备组成。在上述发动机台架上,能进行发动机的动力性、经济性、排放特性的测试。燃油消耗率是发动机研究中最为关注的一个参数,因为燃油消耗率是发动机经济性的直观表现。在一次实验教学中测得的某产品发动机的经济性如图2所示，碳烟排放特性如图3所示。

图1 实验台架示意图

图2 某成品发动机全负荷下的油耗曲线

图3 某成品发动机全负荷下的颗料排放曲线

从实验装置及实验结果分析可知,现有的动力性测试设备,只能用于成品发动机的动力性、经济性、排放特性的测试。代用燃料在传统的发动机台架设备上实验只能进行与汽(柴)油在动力性、经济性、排放特性的对比实验,很难观察到代用燃料的基本燃烧特性,以及燃烧特性对发动机整机性能影响的机理。因此,我们开展了层流燃烧特性参数测量的实验教学。

2 层流燃烧特性测试实验装置与方法

2.1 实验装置

实验装置主要由可视化温控定容燃烧弹(简称容弹)、电极点火系统、点火能量测量系统、实验时序控制系统、高速纹影成像系统等子系统组成。实验系统如图4所示。

图4 高速纹影法测量容弹内球形膨胀火焰的层流燃烧特性的实验装置简图

实验用容弹的外形为最大轮廓尺寸200 mm×200 mm× 200 mm的类正方体。容弹各表面预留有φ105 mm的透明视窗及点火电极固定块的安装孔,透明视窗采用透射性较强的石英玻璃,可用于高速纹影系统的测量[7]。

实验教学中用乙醇进行实验,实验容弹内混合气初始压力为0.1 MPa,初始温度通过加热器及温控系统设定为363 K (1 K)。为减小实验误差,实验室环境温度要求保持298 K,同时,环境湿度为56%。

2.2 火焰图像与火焰前锋

火焰扩展过程前锋面亮度很高,不能直接采用高速摄像机进行拍摄。本实验采用的纹影成像技术依据光在流场中的折射率梯度与气流密度成正比的原理,测量容弹内部火焰扩展过程的密度梯度分布[8],图5为实验中拍摄的火焰扩展图像。

2.3 图像处理与半径提取

火焰半径的检测是本实验数据分析的关键之一。

图5 实验中拍摄的火焰图像

半径检测的准确性直接影响火焰速度的计算,进而影响的燃烧速度、马克斯坦长度等参数的分析准确性。

由于燃烧过程的火焰形状不完全为标准球形,采用对火焰面进行圆拟合的半径提取方法效果欠佳。本文采用基于灰度梯度的夹逼测量法[9],通过旋转火焰边界灰度图消除电极丝影响,再根据所确定圆心的横纵2个方向分别检测图像的灰度梯度最大值像素点,作为圆弧所在位置。如图6夹逼测量法示意图可以看到,程序检测的效果可以获得上下左右4个方向的火焰半径值,分别为R_UP、R_DOWN、R_RIGHT、R_LEFT,为消除检测误差,对上述半径相加后取平均值(R_AVERAGE)作为火焰的纹影半径,即rsch。

图6 夹逼测量法示意图

在数据处理过程中为表述清晰、方便,本文采用当量比0.7条件下的数据单独进行列图配合说明。

层流燃烧速度计算过程中,通常只需处理火焰半径值适中的一段数据,本文为说明数据段选择的合理性,对点火开始直至火焰半径大于视窗的所有数据进行了处理,图7为当量比0.7的乙醇空气混合气的火焰扩展过程火焰半径变化。

图7 火焰扩展过程火焰半径变化图

2.4 拉伸层流火焰速度

拉伸火焰速度Sn的定义即火焰半径的变化率,如以下公式所示:

(1)

式中,ru即未燃气面火焰前锋半径(以下简称火焰半径)。

拉伸火焰速度Sn随火焰半径的变化如图8所示:

图8 火焰扩展过程火焰速度随火焰半径变化图

结合图7、图8可以看出,火焰发展初期火焰速度较大,该阶段为点火能量支持的火焰发展阶段,也可称为火核发展阶段。随着点火能量的消耗火焰速度下降很快,假如点火能量过小,则火焰速度下降直至火核淬熄；当点火能量大于混合气最小点火能量时,火焰速度下降至一个拐点后不断上升,该阶段开始由化学反应支持火焰发展,最小点火能对应的拐点位置半径即所谓临界火焰半径[10],并且点火能量越大,拐点对应的火焰速度越大,即火焰更早地进入火焰发展阶段。

2.5 火焰拉伸率

火焰拉伸率的定义为火焰面微小单元的对数对时间的导数,对与球形火焰而言,火焰拉伸率α可根据以下公式计算:

图9为火焰拉伸率α与火焰半径的关系图。图中可以看到随着火焰半径不断变大,火焰拉伸率α不断减小,且火焰初期拉伸率减小很快。结合图5,不难理解导致这一情况的原因是初期火焰速度很大而火焰半径很小,而后期火焰速度相对稳定,其拉伸率主要受火焰半径增大的影响。

图9 火焰拉伸率α与火焰半径ru变化关系图

2.6 拉伸层流火焰速度

由于容弹法实验在燃烧过程中受到点火能量与容弹弹体的限制,燃烧初期与末期的火焰速度不符合“等压燃烧”条件。在对火焰速度Sn随火焰拉伸率α变化图进行线性拟合时只选用图中的准稳态燃烧段,图10为火焰拉伸率与火焰速度的变化关系图。根据研究,准稳态燃烧段可根据容弹内腔形状等参数确定[11-12]。本实验采用火焰半径大于10 mm,即火焰半径对应于容弹总体积1.6% 的半径区间范围作为准稳态燃烧段,即火焰半径10～19 mm左右的火焰段。

图10 火焰拉伸率α与火焰速度Sn变化关系图

3 结语

通过发动机台架实验与燃料燃烧特性实验相结合教学,使学生在实验过程中对燃料燃烧特性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。在燃烧特性实验中了解层流燃烧的影响因素,探索燃料燃烧对发动机性能的影响,培养学生探究问题、分析问题和解决问题的能力。

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Experimental teaching of carrying out combustion characteristics test in dynamic experiments

Qi Fang, Hu Yangyang, Zhou Xuan, Xu Cangsu

(Institute of Power Machinery and Vehicular Engineering,Zhejiang University,Hangzhou 310027,China)

In previous experimental teaching for the students, whose major is power engineering, the existing test bench is only confined to conduct experimental teaching of engine performance, fuel economy, conventional emissions test. Because of lack experiment setup for fundamental combustion characteristic of fuels, which are used in internal combustion engine or as alternative fuels, a system which aims at studying fuels’ laminar burning velocity was developed. The main procedure includes recording the propagation of the spherical expanding flame in the combustion chamber by high-speed camera and data progressing. In present teaching experiment, ethanol is taken as an example to obtain its key laminar flame parameters.

dynamic experiment； laminar combustion； constant volume chamber

10.16791/j.cnki.sjg.2017.03.041

2016-09-28 修改日期：2016-10-28

国家重点基础研究发展计划(2013CB228106)；浙江省科技厅公益项目(2016C31102)

齐放( 1958—),男,浙江杭州,硕士,高级实验师,主要研究方向为实验室管理及发动机与车辆检测技术

E-mail：qf58@163.com

许沧粟( 1963—),男,浙江杭州,博士,副教授,主要研究方向为柴油机喷雾和燃料燃烧特性.

E-mail：xcs0929@163.com

TK427

B

1002-4956(2017)3-0161-04