一种用于实验室快速压缩机的压缩终点温度调节方法

摘要

本发明公开了一种用于快速压缩机实验的压缩终点温度调节方法，包括：1)确定快速压缩机实验中可燃混合气的组分；2)确定燃烧室内可燃混合气的总压力为P，根据各气体体积分数算出对应分压Pi＝P*Xi；3)抽空混气罐后，按对应气体分压依次充入气体完成可燃混合气配置；4)对该可燃混合气完成一次压缩，记录下燃烧室内的压力变化；5)根据理想气体绝热公式计算得到本次实验的压缩终点温度Tc；6)将稀释气体中部分氩气替换为氮气，重复步骤3)‑5)，得到相较第一次更低的压缩终点温度。本发明在不改变现有实验装置结构的情况下，通过改变混合气中稀释气体成分改变压缩终点温度，从而有效拓宽实验工况范围。

说明书

技术领域

本发明属于内燃机压缩冲程模拟、燃烧学领域，具体涉及一种用于实验室快速压缩机的压缩终点温度调节方法，用以研究燃料压燃着火特性及火焰传播特性的基础实验。

背景技术

快速压缩机实验装置可研究一定组分的可燃混合气在不同工况下的自着火特性，具体则是通过快速压缩可燃气体，使其在短时间内达到指定的初始温度和压力，一定时间后气体将自着火，这段时间即为燃料在这一工况下的着火滞燃期，测量着火滞燃期数据对发展燃料的化学反应动力学模型有极大帮助。而准确的模型对于提高内燃机燃烧效率，研究爆震，结构设计具有重要意义。

快速压缩机的活塞完成一次压缩冲程后达到压缩终点，此时燃烧室内的混合气的热力学状态即为混合气在压缩终点的热力学状态，它主要取决于混合气在压缩前的组分，热力学状态以及实验装置当前的压缩比。

为研究混合气在不同工况下的自着火特性，国际上广泛使用改变压缩比的方式改变混合气在压缩终点的热力学状态。通过这种方式，要达到较低的压缩终点温度就需要较小的压缩比，即增加压缩终点时刻燃烧室的体积，对于一些饱和蒸气压较低的燃料，燃烧室中的混合气压力难以达到很高从而限制了实验工况包括温度、压力范围的拓展。

针对上述问题，有必要设计一种在不改变现有实验装置结构的情况下，有效拓宽实验工况范围的通用方法。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供了一种用于实验室快速压缩机的压缩终点温度调节方法，该方法在不改变现有实验装置结构的情况下，通过改变混合气中稀释气体成分改变压缩终点温度，从而有效拓宽实验工况范围。

本发明采用如下技术方案来实现的：

一种用于实验室快速压缩机的压缩终点温度调节方法，包括以下步骤：

1)确定快速压缩机实验中可燃混合气的组分，即确定燃料气体，氧气，稀释气体各自在总可燃混合气的体积分数X1，X2，X3；

2)确定燃烧室内可燃混合气的总压力为P，根据各气体体积分数算出对应分压Pi＝P*Xi，i＝1、2、3；

3)使用真空泵抽空混气罐后，用压力表测量混气罐内压力，记录数值V0，充入燃料气体至压力表示数为V1，使得V1-VO＝P*X1；

4)充入高纯度氧气至压力表示数为V2，使得V2-V1＝P*X2；

5)充入高纯度氩气至压力表示数为V3，使得V3-V2＝P*X3，至此完成第一次可燃混合气配置；

6)使用快速压缩机对该可燃混合气完成一次压缩，并用压力传感器记录下燃烧室内的压力变化；

7)根据理想气体绝热公式计算得到本次实验的压缩终点温度Tc；

8)重复步骤3)-4)后，充入高纯度氮气至压力表示数为V3，使得V3-V2＝P*X3，完成第二次可燃混合气配置；

9)使用快速压缩机对该可燃混合气完成一次压缩，并用压力传感器记录下燃烧室内的压力变化；

10)根据理想气体绝热公式计算得到相较前次实验更低的压缩终点温度。

本发明进一步的改进在于，步骤7)的具体实现方法如下：

701)在物质热力学参数手册上查出燃料气体、氧气、氩气、氮气的比热容比分别为γ₁、γ₂、γ₃、γ₄；

702)根据公式γ＝∑_iγ_iX_i计算得到可燃混合气的比热容比γ；

703)使用温度计测量出实验前可燃混合气所在环境室温Ti；

704)根据压力传感器记录数据得到燃烧室内可燃混合气在压缩前和压缩终点的压力分别为P_i和P_c；

705)根据理想气体绝热压缩公式计算可燃混合气在当前条件下的压缩终点温度Tc。

本发明具有如下有益的技术效果：

本发明通过采用氩气，氮气，等稀释气体的搭配，可在不改变压缩比的条件下有效调节压缩终点混合气的温度。使用此方法可在不改变实验装置压缩比的情况下调节压缩终点温度，避免了实验装置的拆卸，消除了因装置拆装带来的磨损以及实验初始条件的变化，提高了实验重复性与稳定性，并延长了实验装置的使用寿命。此外，在相同压缩终点温度范围内，相比于改变压缩比的调节方法，本方法所需的可燃混合气初始压力更少，这节约了配置可燃混合气的时间，经济成本，也为一些低饱和蒸气压燃料实验的开展提供了可行性。

附图说明

图1为压缩终点温度与稀释气组分的对应关系。

图2为调节压缩比方法与本方法在不同压缩终点温度与所需初始混合气压力的对应关系。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对发明做出进一步的说明。

对于不同的研究对象和实验条件，本方法的改进效果也不尽相同。以下结合具体实例说明，对于由正庚烷，氧气，稀释气体组成的可燃混合气，在当量比1.0，稀释比3.72，压缩终点压力20bar条件下，欲调节可燃混合气压缩终点温度从850K变化至750K。

1)在物质热力学参数手册上查出正庚烷，氧气，氩气，氮气的比热容比分别为γ1，γ2，γ3，γ4。

2)根据当量比与稀释比确定正庚烷，氧气，稀释气体体积在总可燃混合气中的占比分别为X1，X2，Xd。有X1+X2+Xd＝1。

3)稀释气体由氮气和氩气组成，氩气和氮气体积分数分别为X3，X4。有X3+X4＝Xd。

4)使用温度计测量出实验前可燃混合气所在环境室温Ti。

5)当稀释气体为全氩气时，即氮气体积分数X4为0。

6)根据公式γ＝∑_iγ_iX_i计算得到可燃混合气的比热容比γ。

7)使用快速压缩机对可燃混合气完成一次压缩冲程，并用压力传感器记录燃烧室内的压力随时间变化的关系。根据压力传感器记录数据得到可燃混合气在压缩前和压缩终点的压力P_i和P_c。

8)根据理想气体绝热压缩公式计算可燃混合气在当前稀释气组分下的压缩终点温度T_c。

9)当稀释气体为90％氩气和10％氮气时，X3＝0.9*Xd，X4＝0.1*Xd，重复步骤6-8得到可燃混合气在当前稀释气组分下的压缩终点温度T_c。

10)进一步降低氩气在稀释气体中的体积分数，直至稀释气体为全氮气，可得到氩气在稀释气体中的占比从100％按10％递减至0％时对应的压缩终点温度值变化关系，如图1所示。

从图1可得，稀释气体为全氩气时，压缩终点温度为919.65K，稀释气体为全氮气时，压缩终点温度为704.85K，即使用调节稀释气体组分的方法可完全覆盖750-850K的压缩终点温度范围。若使用改变压缩比调节压缩终点温度的方法，将不同压缩终点温度与所需初始混合气压力的对应关系绘制如图2所示，可发现本方法在相同压缩终点温度下所需的可燃混合气初始压力更低，尤其在低温范围，本方法所需的可燃混合气初始压力显著低于改变当量比的调节方法。