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研究高温燃烧现象的自由活塞快速压缩设备的论证
M.T. Donovan, X.He,B.T. Zigler, T.R. Palmer, M.S. Wooldridge, and A. Atreya
摘要
密歇根大学开发了一种自由活塞快速压缩装置(RCF),用于研究高温燃烧现象,包括气相燃烧合成和均质充量压缩点火系统。该设备设计用于在近乎绝热的过程中快速压缩测试气体混合物。当前可以获得16到 37的压缩比。RCF 产生的高温和高压可维持50ms以上,观察时间比使用激波管增加了一个数量级。该设备用于温度和压力测量以及借助激光和其他光学诊断的光学访问。这篇文章描述了UM的RCF 及其操作,确定了可获得的压力和温度(主要是 N2气体混合物超过1900 kPa和970 K,氩气混合物超过 785 kPa和 2000 K),并证明了UM的RCF 实验的可重复性(峰值压力每次运行变化小于 3%)。用解析等熵模型解释温度和压力时间历程的实验结果,发现等熵预测和实验数据之间的比较显示了极 好的一致性,并支撑了这样的结论：即测试气体的核心区域名义上是均匀的,并且是等熵压缩的。
关键词:快速压缩设备；燃烧；高温
1. 介绍
复杂燃烧化学的研究需要能够再现相关的燃烧环境的实验设备。化学动力学对许多燃烧系统中的重要特性有相当大的影响。例如,点火延迟和粒子成核可以具有长的特征时间[1],其由反应动力学[2]主导。在这两个系统中,化学动力学的研究是全面理解各个燃烧过程的基础。
点火研究在先进内燃机策略的发展中相当重要。尤其引起人关注的是均质充量压缩点火(HCCI)系统,因为这些发动机是压缩点火、稀薄燃烧且没有节流损失,这使得发动机实现了高效率和低氮氧化物排放[3]。在 HCCI 发动机中,燃烧是通过控制反应混合物的温度、压力和成分来实现的,开发控制策略需要对点火的化学动力学有广泛的了解。
颗粒成核过程(颗粒尺寸小于 5-10 mu;m的形成)是燃烧系统中颗粒形成和生长中最难理解的步骤[4]。 控制颗粒生成和生长的方法对于最小化或基本消除颗粒污染至关重要。此外,对粒子成核的进一步理解可用于在分子水平上设计和制造纳米粒子。
用实验燃烧化学设备研究相对长时间燃烧现象需要的理想特性包括高温(和压力)、简单的流场、良好的测量通道和足够的测试时间来测验相关的现象。现有的实验工具具有这些特征。激波管产生高温,没有复杂的流体动力学模型,是研究具有快速特征时间的燃烧现象的理想选择。然而,均匀升高的温度和压力冲击后条件通常持续不到5 ms[5]。但在另一方面,快速压缩设备(RCF)能够利用简化的流体力学产生持续时间(大于10 ms)的高温和高压。
在其最基本的形式中,RCF 可以被描述为一个简单的活塞-气缸装置。外力(通常是压缩气体或加压液体)用于快速加速气缸内的活塞。活塞压缩气缸中的测试气体混合物,这一过程非常像内燃机的压缩冲程,导致压力和温度快速地增加。通过防止活塞回弹,高压和高温条件可持续较长时间(大于10ms)。由于压缩过程的速度,热传递的时间很少,并且大部分测试气体混合物与 RCF 热隔离(即,由于热传递的冷却仅限于在沿着 RCF 边界表面的气体薄层中)。有限热传递的效果是压缩混合物的核心区域内的条件(温度、压力和物质浓度)在空间上(名义上)是均匀的。
各方面的研究人员已经使用RCF来产生高压和高温条件。使用 RCFs 的研究主要集中在点火延迟、 自燃和二阶段点火现象上。
Griffiths和利兹大学的同事们使用气动活塞进行碳氢燃料的自燃研究[6,7]和烷烃的单阶段和两级着火研究[8]。为了支撑他们的实验工作,这个小组研究了温度场的发展[9],进行了计算流体力学建模[10],并对反应化学进行了广泛的动力学建模[2,11]。最近,利兹研究小组利用图像增强的自然光输出表征反应[12]研究了导致 HCCI 爆震 的热动力学相互作用。利兹 RCF压缩比达到了14.6。压缩发生在 22 ms内,最终温度为530 至1000 K,压力达到 2000 kPa。
Minetti和他在里尔科技大学(UST)的同事们用 RCF 研究了碳氢燃料的自燃[13]和二阶段着火[14-16]。为了支撑他们的实验工作,这个小组研究了他们的 RCF[17,18]内的温度分布,并对他们的 RCF 实验[13,19]进行了动力学建模。UST的RCF 系统采用双活塞设计:空气驱动的驱动活塞通过凸轮与压缩测试气体混合物的第二个活塞相连。凸轮的设计控制压缩活塞的冲程,并防止压缩活塞达到最大伸展时回弹。UST的RCF 能够达到大约 10 的压缩比。最终压力高达 1700 kPa,温度为900 K,使用该设备的压缩时间为 20 到 60 ms。
麻省理工学院的Lee和Hochgreb使用空气驱动的、油阻尼的 RCF 活塞系统[20]来研究氢的自燃[21]。Lee 和 Hochgreb对涡流的抑制进行了详细的建模,涡流是在压缩过程中由该设备中的活塞形成的,并且在麻省理工学院的RCF内[22]重现了热传导。这种模拟工作需要对活塞设计修改,以捕获压缩过程中产生的涡流,从而减少流体运动和随后的测试气体中的热传递。最近,Tanaka等人利用这个RCF研究了燃料结构和添加剂对 HCCI 燃烧的影响[23,24]。使用 MIT 装置获得的最大压力、压缩比和温度分别为 7 MPa、19 和 1200 K。报告称,压缩时间为 10 至 30 ms。
戈尔韦爱尔兰国立大学(NUI)的研究人员Galway利用 RCF 研究了甲烷和丙烷的点火[25,26]。NUI的RCF 是一种新颖的设计,它结合了对置活塞,可以快速压缩测试气体混合物[27]。据报道,使用这种RCF,压缩比高达13.4,峰值压缩压力和温度分别为4 MPa和1060 K。使用这种RCF压缩时间不到20 ms。
图 1：密歇根大学快速压缩设施的示意图和照片。
正如其他研究人员使用RCFs的结果表明,RCF 创造的持续的高温和高压环境为模拟绝热压缩和点火提供了极好的研究工具。这些条件也恰好非常适合于研究粒子成核现象。持续时间较长的高温环境使正在进行中的化学反应的监测得以实现。RCFs中的简化流体力学使研究人员可以相当直接的确定燃烧条件。RCFs提供的良好测量通道还使使用各种光学和物理诊断。
自由活塞快速压缩机,最初由 TRW 设计,用于研究碳氢化合物火焰[28]中的烟灰沉积,现已转移到密歇根大学机械工程系。RCF已经搭建和翻新,用于研究高温燃烧现象。在使用UM的RCF进行燃烧研究之前,设备的性能必须用基准实验为表征。为了正确表征性能,有必要证明 RCF通用实验条件有利于一系列燃烧现象的研究。此外,这些测试条件应该是可重复和可预测的。目前的工作描述了UM的RCF及其运作过程,并提供了UM的RCF 的特性描述研究的结果,包括为预测 RCF 在一系列运行条件下的性能而开发的分析模型。基准实验的结果将证实 RCF 能够重复实现持续高温高压运行条件。
2.实验装置
2.1硬件和仪器
UM的RCF 的示意图和照片如图 1 所示。UM的RCF的关键部件是驱动部分,从动部分,歧管,自由活塞,和液压控制阀组件。UM的RCF使用加压气体来加速自由活塞沿着驱动部分的孔向下。测试气体被加载到从动部分,在自由活塞的前面,在当自由活塞穿过从动部分的长度时被压缩。自由活塞藏在测试歧管中,将一部分压缩气体压在UM的RCF的歧管内。
驱动部分是一根 5.54 m长的碳钢管,内径为154 mm。该部分的一端被封盖,另一端通过直径为101.6 mm的截止阀与从动部分分开。在UM的RCF实验中,驱动段充当压力气体(通常是空气)的储气罐,用来推动自由活塞。
图 2：热电偶歧管的端视图,显示了两个细线热电偶的通常位置。
从动部分是一根 2.74 m长的不锈钢管。内表面镀铬并打磨至 101.2 mm。从动部分一端连接至截止阀,另一端连接至歧管。在UM的RCF 操作之前,将测试气体混合物装入从动部分,在UM的RCF操作期间,从动部分作为自由活塞穿过圆筒。
歧管由四个部分组成:收敛部分、延伸部分、热电偶歧管和仪表测试部分。不锈钢收敛段长度为101.6 mm,将从动段的 101.2 mm孔与其余歧管部件的 50.8 mm孔连接起来。延伸部分是一个不锈钢管(50.8 mm口径),它提供了用于停止自由活塞运动的接触面。有两个部分可供使用(81 或 126 mm长),使控制UM的RCF的整体压缩比。聚碳酸酯热电偶歧管设计用于在歧管的孔中搭建细线热电偶(见图 2)。与歧管中的其他部件一样,热电偶歧管的孔径为 50.8 mm。热电偶歧管的长度因设计而异, 长度为 16.2 或 25.4 mm,这使进一步控制UM的RCF的整体压缩比。该组件是可选的,可以在不需要温度测量或条件不适合使用细导线热电偶的情况下移除。
图 3 所示的仪表测试部分包含两个光学端口(用于光学诊断)、一个压力传感器端口、一个附加仪表端口和一个气体入口/出口端口。测试段长度为 50.8 mm。端壁密封歧管。通常,端壁是 6.3 mm厚的钢板,尽管它可以被替换为一个 12.7 mm厚的聚碳酸酯板,该板可对歧管提供进行额外的光纤接入。第三种选择是用一个连接到真空膨胀箱的快动阀来代替端壁。阀门和膨胀罐可用于快速冷却实验容积中的气体,使在压缩完成后的预设时间内“冻结”实验条件。
图3：UM的RCF 实验段的横截面图。端口已被移除的光学和仪器端口显示。
自由活塞由两部分组成(图4),一个缩醛树脂(德尔林)主体和一个超高分子量(UHMW)聚乙烯可替换的头锥。 两个弹簧承载的U 形环将自由活塞密封在实验段的孔中,并防止用于加速自由活塞的加压驱动气体泄漏。头锥略微呈锥形,以便用过盈配合将其密封在歧管的延伸部分。自由活塞设计的一个主要优点是,驱动部分的气体并非全部被压缩到测试部分。活塞和气缸壁之间的相对运动产生了搅拌涡流。根据自由活塞和从动段的设计,这种涡流会进入延伸段,增加实验段的气体运动,这是研究过程中不希望的。而且由于冷却,气体运动的增加导致温度的不确定性很大,因此物种浓度和其他相关参数的变化也很大。在边界涡流进入延伸段之前,本研究中使用的自由活塞设计将前锥体密封在延伸段中,减少了气体运动,从而减少了实验段中的冷却。
液压控制阀组件由一个快速作用的球形阀(Fisher V-500)组成,该球形阀由一个定制设计的歧管(肖氏西部 D24330-1)驱动,该歧管与一个伺服阀(Moog 型号 760-103)相连。加压液压油用作液压泵/阀箱系统中的工作流体。伺服阀的控制由可编程伺服控制器提供(美国西部海岸 5C3000C)。该阀门能够在大约 50 ms内循环(完全关闭至完全打开至完全关闭)。正常的实验循环时间约为 60 至 120 ms。
图 4:UM的RCF自由活塞的照片。黑色部分是德尔林体,白色部分是UHMW 可替换头锥。在自由活塞的德尔林部分可以看到两个U 形密封圈。
气体歧管用于调节从动部分和歧管之间的所有气体流量。气体歧管用于抽空和充注 RCF,在充注和抽空期间监测 RCF 内的压力,并准备测试气体混合物。测试气体混合物通常在混合罐中制备。使用三个最大量程为 1.3 kPa、13.3 kPa和 133 kPa的电容式压力计(瓦里安型号 VCMT11T、VCMT12T 和VCMT13T)和最大量程为 410 kPa的波登管压力计(欧m茄 DPG5000-L),通过测量各种气体成分的分压来确定测试气体的混合成分。
以下诊断搭建在UM的 RCF的歧管中。压电传感器(带有 5010B 型电荷放大器的 Kistler 6041AX4)用于记录实验期间的动态压力(时间响应小于10 s,动态范围为0至 5000 kPa)。压力传感器上的隔热涂层(RTV)在一些实验中用于测试热冲击的影响。(结果表明,热冲击对传感器的性能没有影响。)测试期间的温度使用未涂覆的 0.025 mm直径(0.080 mm珠子直径)S 型(铂/铂-10%铑)热电偶(欧米茄工程, P10R-001)记录。通常,两个热电偶搭建在温度测量部分。一个热电偶珠表面上位于腔室的中心(离壁 25.4 mm),第二个热电偶珠位于热电偶歧管的壁附近(在 2 mm以内,见图 2)。热电偶的通常性能特征如下所述。自由活塞位置测量系统由一对二极管激光器(TIM-201-3,3 mW,650 nm)和未放大的硅光电探测器(Hamamatsu S1787-12,3 dB 响应时间lt;10 ms),记录自由活塞接近其行程终点的位置(见图 1)。 自由活塞的通过中断了激光束,记录了自由活塞在被驱动部分的位置。从动段内的自由活塞位置用于研究实验气体的体积时间历程,用于压缩过程的计算模拟。测试部分的光学端口提供吸收和发射光谱的通道。数据 通过高分辨率数字数据采集系统(PXI 国家仪器公司的 NI4472 数据采集板)记录,采样率为 100 kHz,分辨率为 24 位。同时数据采集由高速四通道数字示波器(惠普 Infinium 54845)提供。
2.2.操作
UM的RCF 的操作是从将自由活塞装入截止阀(处于关闭位置)下端的从动部分开始的。设备进行了泄漏测试以保证所有的连接都是
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