摘 要

由于环境和能源问题，各国近年来对内燃机油耗和排放的标准有了越发严格的要求。为此需要深入的研究缸内燃烧以提高其热效率，达到节能减排的目的。

作者通过查阅文献，深入了解了国内外各大机构的快速压缩机的结构与特点。在进行比较分析之后，设计出了自己的快速压缩机结构，并借助三维建模软件Solidworks进行建模。本文主要介绍了燃烧与采集系统、气压驱动系统和液压制动系统，并对配气系统和加热系统有比较细致的描述。

关键词：快速压缩机；实验台架；燃烧

Abstract

Due to environmental and energy problems, countries in recent years to internal combustion engine fuel consumption and emissions standards have become more stringent requirements.Therefore, it is necessary to further study the in-cylinder combustion to improve its thermal efficiency and achieve the goal of energy saving and emission reduction.

Through consulting the literature, the author has a deep understanding of the structure and characteristics of the rapid compression machine in various domestic and foreign organizations.After the comparison and analysis, I designed my own rapid compression machine structure, and used 3d modeling software Solidworks for modeling.This paper mainly introduces the combustion and acquisition system, the pneumatic drive system and the hydraulic brake system, and gives a detailed description of the valve distribution system and the heating system.

Key Words:Rapid compression machine;experimental bench;Combustion of engin

目录

第1章 绪论 1

1.1研究背景 1

1.1.1能源问题 1

1.1.2排放政策 1

1.2常用于研究燃烧的实验装置 2

1.2.1定容燃烧弹 2

1.2.2激波管 3

1.2.3快速压缩机 3

1.3本文主要研究方向 4

第2章 国内外快速压缩机的发展历程和结构分析 5

2.1快速压缩机的发展历程 5

2.2不同RCM对应结构的性能差别分析 5

2.2.1驱动方式 5

2.2.2传动方式 7

2.2.3制动方式 9

2.2.4台架布置方式 10

2.2.5压缩方向 11

2.3本章小结 12

第3章 快速压缩机实验台架的设计 12

3.1快速压缩机实验台架的结构 13

3.1.1气压驱动系统 14

3.1.2液压控制系统 15

3.1.3燃烧与采集系统 16

3.1.4配气系统 17

3.1.5加热系统 18

3.2本章小结 18

第4章 总结 20

4.1全文工作总结 20

4.2未来工作展望 20

参考文献 21

第1章 绪论

1.1研究背景

1.1.1能源问题

卡尔·本茨在1886年成功为自己设计的三轮汽车申请了专利，后来人们将那一天定为现代汽车诞生日，这标志着一种对人类意义重大的新型交通工具的诞生。自此以后，传统意义上的汽油车和柴油车快速发展，内燃机的制造工艺不断完善，已经变得相当成熟。但是随着能源短缺日益严重，传统汽车的发展受到了冲击^[1]。

能源作为发展的动力，也制约着经济的发展，是经济发展过程中不可忽视的一个要素，关系着国家的经济安全^[2]。我国国土面积大，各类矿藏资源丰富，在能源生产和消费两方面都处于世界第二。可由于中国有着庞大的人口基数，因此相比于世界平均水平，能源资源的人均指标还是处于很低的水平。像煤炭和水力这样的传统能源，每个中国人拥有的仅仅为世界人均水平的一半。而关键的石油资源，人均持有水平还不足世界平均水平的十分之一。而且由于耕地面积少的问题，本国农作物无法大量用于制造燃料，而生物质能源的开发也因为原料问题很大程度上被束缚住了。自20 世纪 90 年代开始，我国对石油进口的依赖度日益增加，中国原油消费量增速达到了年均 5.77%，而同期国内原油供应增速仅为 1.67%，供需缺口逐年拉大^[3]。石油作为现代工业的血液，在工业生产上有着非常重要的地位。我国日益增长的石油需求，以及石油越发依赖进口的现状，已经对国家能源安全提出了挑战。

根据目前已有的报告来看，世界石油的储量还会在75年后采光，天然气储量能够供人们开采95年，煤炭储量还够人们消耗200年。这说明能源消耗殆尽并不是毫无根据的猜测。现在，如果人类无法正确对待这个问题，尽快完成从传统化石能源到新能源的过渡，能源危机必定会成为严重影响人类社会的重大问题。

在当前形势下，摆脱对传统石油资源的依赖，坚持发展可再生的新能源，又或是对现有发动机进行深入的研究和改造从而实现环保和高效略，是当下发动机研究的重要目标。

1.1.2排放政策

为了控制排放，改善城市空气环境，我国不断提高排放政策的标准。按照2016年发布的《轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）》的文件（简称“国六标准”），相对宽松的国六A排放标准将于2020年7月1日实施，而较为严苛的国六b^[4]阶段排放标准将于2023年7月1日才正式施行^[5]。相较于国五a标准，汽油车对一氧化碳的排放指标在国六b中下降了50%，仅为 500mg/km，并且第一次规定了PN的限值。

表1.1 国五、国六阶段汽油车排放限值（第一类车）

（mg/km）

新标准的出台也促使着发动机的更新换代，研究人员不断研究燃烧过程的特点以期得到更高效、环保、稳定的设计方案。当下提高发动机的热效率的主要思路包括增大压缩比，缸内直喷等方式。但过大的压缩比会直接导致爆震和早燃，引发其它问题。为了进一步提高内燃机的经济性，研究人员需要加深对燃烧过程的了解。

1.2常用于研究燃烧的实验装置

内燃机中燃料燃烧有着非常复杂的混合气形成、燃烧、传热过程。为了提高优化内燃机结构，提高内燃机正常的工作效率，尽可能解决排放问题，研究着火过程是非常重要的。但由于内燃机工作过程非常复杂，有着高温高压、振动大、空间小等特点，想实现对燃烧的边界条件的控制就显得十分困难，无法得到可重复的实验结果，增大了研究的困难。为此，研究人员们在能够模拟与实际燃烧装置条件的燃烧环境的实验设备上，投入了巨大精力^[6]。常用实验装置包括定容燃烧弹（constantvolume combustion bomb，CVCB）、激波管（shock tube，ST）、快速压缩机（rapid compression machine，RCM）^[7]等几种类型。这些实验装置各有各的优缺点，这与可进行的实验范围和特征时间、数据处理和建模的复杂性有关。整体而言，这些不同的实验设备各自适用的研究条件范围互补，增大了研究人员可观测量的温度和压力范围。

1.2.1定容燃烧弹

定容燃烧弹^[8]，简称容弹，拥有固定的容积，主要用于模拟发动机活塞在压缩终点时的燃烧过程。简单的结构消除了活塞运动对缸内边界条件产生的影响，且研究人员也得以准确的对燃烧过程中涉及的热力学参数、点火和湍流参数都进行控制，所以可以使用控制变量法，通过改变单一参数研究其对燃烧过程产生的影响。