1、1引言随着汽车工业的发展，以及人类对环境污染的关注程度的加大，对发动机节能与环保的要求越来越高。发动机未来的发展将着重提高动力性、经济性和低排放性1 2。而缸内燃烧过程的改善是降低排放改善其性能的重要方面，但实际发动机的燃烧、传热、蒸发等过程十分复杂，加上每个循环之间的变动，导致对燃烧条件的有效控制变得困难，得不到理想的试验结果。因此，发动机燃烧的研究大都在模拟装置中进行，目前用于模拟燃烧的设备主要有定容燃烧弹（Constant Volume Combustion Bomb）、快速压缩机（Rapid Compression Machine）、单缸试验机及激波管等类型，这其中又以定容燃烧弹和速压
2、机最为常见3。在燃烧理论不断突破以及新的燃烧方式的提出的情况下，燃烧模拟装置及其测试方法也有了相当大的改进，结构和功能日趋合理，研究范围也不断扩大，各种测试和数据采集设备也随着相关科学的发展而日新月异，研究领域也向着数字化、微观化、可视化的方向深入发展4。2 燃烧模拟装置2.1 定容燃烧装置定容燃烧弹（简称容弹）主要模拟活塞在上止点附近时燃烧室中的燃烧，其特点是结构简单，能够方便地改变热力参数（包括燃空比、残余废气系数、压力和温度）、湍流参数以及点火参数（火花塞位置、电极间隙与点火能量）。研究这些参数中单一参数的变化对燃烧过程的影响，因而成为内燃机燃烧理论基础研究中重要的工具和试验平台5 6。
3、根据试验目的不同，定容燃烧弹的结构形式多种多样。2.1.1 一种可变湍流参数的定容燃烧测试系统图1为此燃烧测试系统的试验装置图，它包括定容燃烧弹湍流发生系统、混合气配制系统、点火系统、燃烧压力测量系统、纹影与高速摄影系统以及时序控制系统共7个子系统7。本试验装置中，容弹中的湍流发生系统是用带有通孔的板（简称孔板）的快速平动来实现的，通过改变孔板的孔径、孔板的拉动速度以及选择不同的点火时刻，便可得到湍流强度和标尺各异的湍流。用热线风速仪来测量容弹中的湍流。根据气体的分压定律来配制混合气。在配制混合气时，先将气体混合箱抽成真空，然后分别将甲烷，氮气和氧气注入混合箱，并且分别测出这3种气体的分压，这
4、样便可确定混合气的总压力、当量燃空比及残余废气系数。在设计点火系统时，主要考虑的是能方便地控制点火时刻，同时能够改变火花塞间隙、点火能量等参数。采用纹影高速摄影及燃烧压力的同步测量来研究容弹中的预混湍流燃烧，并设计了相应的时序控制系统。图2所示为其燃烧弹结构简图。其内腔为正方形，边长为108mm，体积为1.57L，壁厚26mm。有两个相对的面是完全贯通的，为燃烧火焰的纹影成像提供条件。容弹的上表面装有气阀和压力传感器。在容弹中心线上布置有两个电极，位于容弹内的孔板以及与之相连的导杆用于产生湍流，孔板的运动依靠电机转动来实现。2.1.2 模拟研究天然气发动机燃烧特性的定容燃烧试验装置为了使所测试
5、的燃烧场有定量的意义，设计的系统就必须能准确控制模拟装置内介质的各种参数，使他们尽可能与实际发动机相符。图3是定容燃烧弹的主体结构图。为与实际发动机气缸一致，选用圆筒结构作为装置的主体结构，右侧盖板可根据需要嵌入不同形状的燃烧室,同时布置有火花塞、进天然气口、压力传感器孔道等。左侧为组合视窗，选用JGS3远红外光学石英玻璃做观测窗口，容弹设计压力为10 MPa，并预先进行了加压试验8。为模拟发动机点火前的温度和压力，要处理好定容燃烧弹的密封与加热。由于内加热会产生炽热点火现象，故采用外加热，用两组1000W环筒状电阻丝加热器，并用硅酸铝板保温隔热，使容弹在预热20min后达到673 K，并可调
6、。高温条件下容弹的密封采取了以下措施：对容弹材料先热处理后加工，以防高温变形；密封面加工精度较高；选用耐高温的垫片材料和无机密封胶。容弹圆形壳体上留有切向孔道，用于进气涡流的模拟。此燃烧模拟器的系统如图4所示。图4 燃烧模拟器系统图进气系统主要由天然气瓶、标准空气瓶、减压阀、高低压力表、精密压力表等组成。其中精密压力表用来控制混合气的体积空燃比。温控系统由加热器、温控仪、热电偶传感器及二次仪表等组成，可以对定容燃烧器进行预加热和试验温度的调整与显示。点火系统由蓄电池、点火器、高压线圈和火花塞等组成，可以由人工控制进行点火，也可以由微机等发出的电信号点火。通过更换火花塞及点火器，可以测试点火系统
7、参数对燃烧过程的影响。测试系统所设计的定容燃烧测试系统可以进行压力传感器的压力波测试、燃烧图像的高速摄影测试，光电传感器的光信号测试。常见的定容燃烧弹主要包括：燃烧室、燃料供给系统、点火系统、排气系统、测试系统、以及加热系统等几部分。根据不同的试验目的各部分的结构有所不同，但是总的来说，功能与原理是一致的。2.2 多功能燃烧弹试验装置多功能燃烧弹试验装置系统主要由燃烧弹部分、混合气配给系、燃料/空气混合系、气体燃料供给系、喷油系、点火系、控制系统、数据采集和数据分析系统等组成。图5是其原理图。燃烧弹部分结构主要由由动力气缸、光栅尺、缸套、活塞组、燃烧弹体、行程限位机构、气缸供气系统、加热系统、
8、压力、温度、瞬态压力测试传感器等组成。燃烧弹前端设置有石英玻璃观察窗，用以进行光信号的采集测试。燃烧弹前侧端径向布置有对称的两个石英观察窗，用于激光诱导荧光法的激光输人和信号测试采集。前端还设置有燃料喷嘴、温度传感器、静态压力传感器、动态压力传感器、火花塞、进排气系统、安全阀等，如图6所示。活塞直径为135mm，活塞压缩行程为180mm，动力气缸运行速度为400-600mm/s9 10。多功能燃烧弹可以实现燃烧试验的多种各种边界条件以及各种燃烧方式的模拟。（1） 通过加温及压缩过程保证混合气的温度、压力边界条件的有效控制，使燃烧能保证在预设的条件之下。（2） 具有均质压缩着火、燃料喷射着火、点
9、燃着火等功能。（3） 为动态信号、光谱信号及其稳态参数信号采集提供相应的测试手段。（4） 具有定压燃烧过程模拟、多变过程模拟及定容燃烧过程模拟的功能。（5） 可对多种燃料、多种点火方式进行试验研究，包括均质压燃（HCCI）过程、燃料喷射压燃过程、燃料预混合点燃等着火过程的研究11。2.3 快速压缩机试验装置 快速压缩机的本质是依靠外力推动装置活塞运动，只做一次压缩冲程压缩燃烧室内的气体使其燃烧的燃烧模拟试验装置。由于可以准确地控制燃烧室的热力参数，为模拟发动机的压缩和点火过程提供了一个理想的实验手段。其在理论燃烧研究方面的应用也比较广泛12 13 14 15。 根据驱动力的不同，快速压缩机可以
10、分为压缩气体驱动型、爆炸驱动型、重物自由下落驱动型、机械驱动型以及液压驱动型，而多采用的是压缩气体驱动型快速压缩机。 从上个世纪七十年代开始就有了压缩气体驱动型压缩机的研究，随着现代技术的进步，压缩机的设计也在也在以前的基础上有了许多独到的思想。比如威尔士大学的Sinead Nolna提出了一个全新的驱动方式，其结构如图7所示。 该快速压缩机采用双活塞压缩，这种设计减少了压缩行程，通过双侧活塞的相对运动，相当于将活塞压缩时的速度加快了一倍，缩短了压缩时间，从而减少了散热损失16。 图8-a是此快速压缩机实物图，其两侧为驱动活塞的气缸，燃烧室在中间。燃烧室的结构如图8-b所示。 快速压缩机的种类
11、和形式多种多样，但其工作原理都是一致的，即通过巨大的瞬时外力推动活塞运动压缩燃烧室内气体燃烧。只是根据不同试验目的和试验要求在具体的驱动力以及运动转换机构、测试系统等方面有所不同。同时快速压缩机由于本身机构和原理的限制，多用在低速发动机或者发动机低速工况下的燃烧模拟试验中，而高速发动机方面的研究，则由于工作条件相差较大而应用较少。2.4 单缸试验机 单缸试验机具有与实际发动机相同的构造和工作原理，同时又较易于控制各试验参数，因而也被相关研究人员广泛应用于发动机基础研究领域中。其基本结构主要由机体、缸盖、曲柄连杆机构、活塞组件、供油系统、进排气系统、点火系统、供油系统以及润滑系统等组成。同时，根
12、据不同的试验要求，其结构也略有不同17 18。 图9为一个可视化单缸机试验系统结构图。在单缸机上利用纹影、CCD等高速摄影技术可以进行GDI、HCCI等燃烧过程可视化研究。 从图9可以看出，在活塞上开一个石英窗，在连杆底端放置一个反射镜，当燃烧室燃料混合气燃烧后，发出的光经过活塞上的石英窗投射到反射镜，再由侧壁上的一个透光窗反射出来，由光采集系统如高速摄影机，或者CCD感光元件等接收。除了上面介绍的类型以外，还有在缸盖上装一个石英窗，与活塞顶上涂上耐热反光材料，利用活塞顶的反光将燃烧室内的燃烧光经过缸盖石英窗反射出来，由采集系统将反射出来的光接收并进行分析的设计。由于单缸试验机只有一个气缸，在
13、工作过程中存在较大的循环变动和燃烧热力参数等的较大的随机变动，所以在进行发动机的燃烧基础理论研究中更多采用的是可以准确控制各种研究参数的定容燃烧弹等模拟燃烧试验装置19。2.5 激波管 激波管是利用激波原理实现对物质的加热以及获得极高的滞止温度的试验装置。由于在激波管中可以比较容易的在很大范围内研究气体的状态，它的温度范围几乎是从绝对零度到几万度、几十万度；压力则从几个毫米水银柱到上万个大气压；而速度则可以从随便多低的速度到每秒几万米，甚至是几十万米的速度。当然激波管中气体的参数不是一下就达到这么广的范围的，中间是一个渐进的过程。正因为激波管有如此出色的性能，因此被广泛的应用在超声速燃烧与脉冲
14、爆轰研究，燃烧与化学反应动力学，爆炸波与爆炸力学效应，高超声速流体流动理论，以及飞行器气动力学和气动热力学等学科的研究。 激波管在本质上就是一根普通的管子，一端可以是开口的也可以是封闭的，另一端必须是封闭的，其基本结构如图10所示。用膜片将其分为两部分，中间充满不同压力的气体，压力低的一段称为低压段，压力高的一段称为高压段。 开始时膜片完好，低压段和高压段分别维持低压和高压状态，膜片破碎后，激波管内膜片就发生破碎，导致内部气体流动，其中包括高压气体中流动的稀疏波和低压气体中的激波。通常低压段管子是高压段管子长度的10倍，常见激波管的横截面是不变的。 激波管由于可以在极短的时间内实现对物质的加热
15、,因此,在物质燃烧化学动力研究领域有着较为广泛的应用。根据对激波管内燃烧过程的研究，再结合化学动力学的分析，可以比较全面深入的从微观角度研究燃料燃烧的过程，为燃料燃烧的机理研究提供试验依据。从前面的介绍中可以看出，激波管可以在很短的时间内将空气加热到很高的温度，可以很容易的实现物质的电离分解。同时，还能利用膜片破损后的气流运动来实现对高速气流运动的模拟，而且其气流可以达到比风洞气流更高的速度。因此在物质的爆炸研究，物质在高温下的分解过程的化学动力学研究，以及需要较高的滞止温度的高速空气动力学问题和航空航天方面有着非常广泛的应用20 21 22。3 燃烧测试技术3.1 燃烧测试技术发展 上个世纪
16、50年代以前，作为参数测量的感受元件多属于机械式传感器，如弹簧压力表、膨胀式温度计等，内燃机燃烧的测试技术也基于这些测试仪表；进入60年代后，开始应用非电量电测技术和相应的二次仪表，使内燃机测试技术上了一个新台阶；70年代，由于测试技术和计算机应用范围的限制，对内燃机的研究很大程度上依赖于数学模型与数值计算；80年代开始应用计算计和智能化仪表，以实现对动态参数的实时检测和处理。90年代以来，随着计算机的广泛应用以及光电测试技术的迅速发展，测试技术开始了一个新的发展阶段，发动机的研究水平提高到了一个崭新的平台。许多新型传感技术的相续出现，诸如激光全息摄影技术、光纤传感技术、红外CT技术、超声波测
17、试技术等高新技术，均已逐步深入到内燃机领域，用于对燃烧过程、流动过程、燃烧产物的浓度和粒度场、传热传质过程等的高速瞬变动态参数的测量，从而使得对内燃机的研究，从宏观过程、稳态过程的研究深入到微观、瞬变过程的研究。现代传感技术，加上智能化的二次仪表和计算机的应用，对内燃机各种过程的内在规律进行深入研究，对一些传统的观念做出了新的解释，并有新的发现，为促进内然机学科的发展起到了及其重要的作用。这些新方法、新技术、新理论在内燃机测试方面的大量使用使内燃机测试和分析技术得到了质的变化。当前内燃机测试学的目的就是要利用现代测试技术，对发动机的工作过程进行深入研究，获得重要参数，为改善发动机性能提供重要依
18、据。内燃机燃烧动态测量的参数主要有：各种压力、位移、温度、应变、烟度等。选择合适的测量仪器与这些动态参数的动态特性相匹配，并使测量的动态误差达到试验允许的范围，成为动态测试技术中的关键性问题。目前燃烧分析手段，是通过对燃烧压力的实时测量，由实测的燃烧压力去求放热规律，由此来解析着火延迟、预混合燃烧气和扩散燃烧气等燃烧特性，进一步结合燃烧可视化技术、燃气采样分析技术和数值计算方法等，来了解放热规律与燃烧火焰形态、火焰形态与生成物的关系。 燃烧过程瞬变的动态参数是内燃机燃烧测试的技术的一个难点，应用计算机数据采集对发动机燃烧过程的动态参数进行实时测量及数值分析和处理，将为内燃机的研究与新产品的开发
19、提供良好的硬件和软件条件，从而提高现有的内燃机研究技术水平。内燃机动态测试系统利用计算机做实时的数据处理，从处理结果中找出各参数之间的相互关系，并修正或仰制动态测试误差。目前这种试验手段已广泛应用，且成为测试技术发展的必然趋向。 用于研究内燃机缸内燃烧现象的激光和可视化技术主要有激光多谱勒测速法（LDV），微粒图像测试法（PIV）、激光荧光法（LIF），干涉法和全息法等。这些技术的应用，使内燃机缸内现象的研究向微观化、定量化和可视化方向发展，使过去一直被认为很难定量测量的瞬态喷雾浓度场、温度场、粒度场和速度场等分布问题的测量取得了较大的进展，为精确分析缸内燃烧现象提供了多种多样的测试手段。日本
20、公司采用夫朗和费衍射法测量喷雾的粒径分布，特别是高温高压下蒸发油滴的平均粒径采用LDV法测量气体流动和未燃气体温度；用层析法测定不对称油；采用位相多谱勒技术（PDPA）同时测量非定常喷雾的平均粒度和液滴速度；用激光光片法和荧光法结合CCD摄像机和数字图像处理技术对油柬内部结构进行可视化研究等方面取得了成功经验。美国威斯康星大学采用瞬态热流传感器及光导纤维辐射热流量传感器应用于缸内过程研究。英国Lucas公司通过光强的变化来识别燃烧始点和终点的敲缸强度。3.2 可视化测试装置3.2.1 光学纹影技术 其试验装置示意图如图11所示。试验是在一个具有光学通道的定容燃烧弹中进行的。燃烧室的结构如图2所
21、示，其内径为90 mm，高144 mm，容积量为1006ml。在两测有直径70 mm 直径的石英玻璃窗。燃烧室顶部装有一个燃料进气电控喷嘴。燃烧室内装有一对针状火塞。同时装有压力传感器，配合记忆存储示波器能实时记录燃烧过程的燃烧压力值23。 采用了由氙（Xe）灯光源，凹面镜（直径200 mm，焦距2000mm，曲率半径4000 mm）及刀口等组成的典型z字形光路的纹影光学测量系统。同时采用了KODAK公司的HS4540型高速摄像机作为图像记录仪其最高记录速度可达40500f/s。试验中采用了9000f/s的摄像速度记录了每次点火燃烧的全过程。 通过激光纹影和摄像技术可以观察分析预混合燃料在定容
22、燃烧室中的火花点火燃烧过程，定性分析燃料燃烧时的火焰形态和变化过程，以及燃烧室内的初始压力和空燃比对火焰传播速度及其燃烧压力的影响，揭示了预混合燃料在定容燃烧室内燃烧时火焰初期紊流产生的机理，及由开始的层梳状火焰发展到湍流状火焰的过程。光学纹影技术和高速摄影法的使用，能够方便、准确地观察和记录燃料在定容燃烧室中的整个燃烧过程，为后期对燃烧过程的分析、研究提供可靠而直观的资料。3.2.2 激光剪切干涉法 激光剪切干涉法测温的基本原理是：准直光通过被测温度场后,温度变化引起折射率变化,从而使光波波面发生变化,经剪切镜将被测光波波面剪切成两部分,然后再叠加在一起,在重叠区域发生干涉,干涉条纹与两波面
23、的光程差对应。由实验测得干涉条纹即可推算出温度场的分布24。剪切干涉原理示意图如图12所示。采用激光干涉法测取了实际火花点火发动机燃烧室内的干涉图像，对获取的图像利用软件进行分析，可以得到缸内二维燃烧温度场，估测火焰传播速度等等。 此种发放抗震性强，光路简单，是内燃机燃烧的一种比较实用的技术，对剪切图像进行处理，能够进行燃烧温度场的定量分析。 各种燃烧可视化方法，都是通过在燃烧模拟设备上预置观察窗口，利用各种不同的原理进行光学信息的采集，或者通过高速摄影设备进行燃烧图像的快速大量的拍摄。再对所得图像进行处理和分析，从而得到燃烧室内各种边界条件以及燃烧温度场、压力等的参数，对发动机燃烧进行分析。
24、发动机燃烧可视化是研究其燃烧过程最先进、最有效的实验手段之一，一方面可以系统、深人地了解燃烧发生、发展的特征规律，进一步加深对柴油机燃烧过程的的理解；另一方面，结合实际柴油机进气组织、喷雾及燃烧室结构来开展这方面的研究，能够为柴油机燃烧系统的评价和改进提供依据。3.3 发动机燃烧测试中数据采集系统的应用随着计算机技术的迅速发展，发动机燃烧模拟测试技术也在不断进步。试验过程中需要记录大量的试验数据，采用人工记录，数据的同步性差，测试精度低，并且后续的试验数据处理和电子文档存储的工作量大，效率低。利用微机进行数据采集和过程控制已成为发动机燃烧模拟试验过程中不可缺少的部分。利用微机进行数据采集具有数
25、据采集量大、精度高、便于控制和数据处理、试验数据可以由微机直接加以使用等优点。新开发研制的微机数据采集系统可监测跟踪试验过程中所需要的内燃机性能参数的变化，并能自动存盘及打印输出试验数据和性能曲线，同时可将试验数据自动修正到标准状况下25 26 27。3.3.1 数据采集与处理技术的发展现状 作为微型计算机应用技术的一个重要分支数据采集与处理技术，集传感器、信号采集与转换、计算机等技术于一体，是获取信息的重要工具和手段。计算机技术的飞速发展和普及，使得数据采集系统也迅速地得到发展和应用。在生产过程中，应用数据采集系统可对生产现场的工艺参数进行采集、监视和记录，为提高产品质量，降低成本提供信息和
26、手段；在科学研究中，应用数据采集系统可获得的大量动态信息，是研究瞬间物理过程的有力工具，也是获得科学奥秘的重要手段之一。不论在哪个应用领域，数据采集与处理越及时，工作效率就越高，取得的经济效益就越大。数据采集系统的任务，就是把采集传感器输出的模拟信号转换成计算机能够识别的数字信号，然后送入计算机，根据不同的需要由计算机进行相应的计算和处理，得出所需的数据。同时，将计算机得到的数据进行显示或打印。以便实现对某些物理量的监视，其中一部分数据还将被生产过程中的计算机控制系统用来控制某些物理量。数据采集系统的结构形式如图13所示。 微型计算机数据采集系统有如下优点28 29：（1） 系统结构简单，容易
27、实现，能够满足中小规模的数据采集的要求；（2） 微型计算机对环境的要求不是非常高；（3） 微型计算机的价格低廉，可降低数据采集系统的投资，即使是比较小的系统，也可以采用它；（4） 微型计算机数据采集系统可作为集散型数据采集系统的一个基本组成部分；（5） 微型计算机的各种I/O模板及软件都比较齐全，很容易构成系统，便于使用和维护。3.3.2 数据采集系统在发动机燃烧试验中的应用 在使用微型计算机之前，大量的试验数据都是依靠一次或者二次仪表进行测量，而且需要人工记录各个仪表的数据，手动控制参数变化，然后再手工绘制成曲线或填写表格。采用微型计算机数据采集、处理及控制之后，试验的完成比上述方法要快近百
28、倍，大大缩短了测量时间、测量周期和测量返工次数。减轻了人工处理数据的繁琐和劳动强度，降低了人为误差的引入，节约了试验人员的宝贵时间和精力；同时，采用微型计算机测控系统可以大大缩短开机时间，因而节省大量的人力、物力和燃料，从而使试验成本大大降低。 另外，采用微型计算机测控系统可以边控制边实测。这在内燃机试验研究中对某些因素进行控制的试验有着重大的实际意义，这样可以研究单一因素引起的影响和作用，在这点上，常规仪表是很难满足的30 31。 测录燃烧试验时的压力、温度等参数来研究发动机工作过程成为必不可少的手段。虽然，国外早巳有专用于研究缸内过程的燃烧分析仪，但价格昂贵，使用操作不方便，维修困难。当数
29、据采集系统应用到发动机燃烧测试与分析中后，使得研究发动机工作过程变得非常方便。 图14是数据采集系统在快速压缩机上应用的组成框图。根据快速压缩机的工作原理，在快速压缩机的工作过程中要控制混合气的温度,驱动系统中的电磁阀，采集工作气缸的压力数据和光栅传感器的位移信号。可以把控制系统中所需要处理的量归纳为模拟量和数字量两种形式。模拟量的采集是把模拟量的电压信号直接送入计算机中的多功能数据采集卡，再根据对传感器的标定计算出模拟量数值。电磁阀的控制采用的是多功能数据采集卡上的数字量输出，可以直接控制电磁阀的开与关。系统通过传感器和数据采集卡把信号送入到工业控制计算机。数据的采集、处理、显示、保存等工作由工业控制计算机完成32。图
