快速压缩机试验台架的设计开题报告

1、目的及意义（含国内外的研究现状分析）

1.1研究背景

RCM^[1]全称为快速压缩机（Rapid compression machine），是研究发动机燃料自燃特性和燃烧过程的基础实验平台。本课题需要学习RCM的结构和原理，力求对RCM进行全面的综述，借鉴国内外的RCM结构，选择合适的设计结构和尺寸，通过计算对设计的RCM进行强度校核，基于SOILDWORKS软件绘制装配图，完成快速压缩机的设计。

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,其由反应动力学主导。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。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^[2]。

激波管是进行燃烧相关机理研究的重要手段，这种设备可以产生高温,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。但同为研究燃烧过程实验设备的快速压缩设备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，观察时间可以比使用激波管多一个数量级，快速压缩机以其边界条件可控、重复性好等优点，成为基础研究中重要的模拟燃烧装置^[3]。

快速压缩机本质就是利用外力推动活塞运动，只作一次压缩冲程压缩燃烧室内的气体使之燃烧的模拟试验装置^[4]。由于其压缩时间极短（一般为20 ~ 40 ms），减少了压缩过程中通过燃烧缸壁面的热量损失，从而实现了近似绝热压缩的过程。由于工作相对柔和，因此气压驱动、液压制动形式的RCM目前使用较为广泛^[5]。

1.2国内外的研究现状

汽车是大气污染物和温室气体的主要来源之一。自从第一台内燃机开发以来，研究人员一直致力于提高发动机性能，同时减少有毒排放^[6]，如何改进内燃机燃烧效率及降低内燃机燃烧排放污染物等问题已成为当今众多学者关注的焦点。发动机缸内燃烧过程是一个涉及传热传质、流体流动、燃料氧化还原反应的

多尺度、多参数影响的复杂过程，而且发动机的工作过程还伴随着循环波动，因

此，很难精确的控制其所有边界条件，进行单一参数对缸内燃烧影响的研究^[7]。为了更好地了解各种燃料的着火与燃烧特性，学者们设计了定容燃烧弹、激波管、单缸试验机、快速压缩机等多种燃烧试验装置^[8]。其中，快速压缩机由于可应用在较宽范围内的燃料与氧气的组分浓度，以及可以达到较长的实验测量时间，相比其他燃烧试验装置有了自己的优势。早在1906-1907年，学者K.G.FALK就关于H₂-O₂混合物的燃烧及着火温度的测量问题^[9]，开展了基于快速压缩装置的燃烧实验。最初的快速压缩机采用重物下落作为驱动压缩方式，实验误差很大。为了更好的模拟绝热压缩过程，获取实验参数，研究人员需要将设备的压缩时间缩短，并及时制止活塞。为此，Pignot设计的装置采用锁紧机构防止活塞的回退，麻省理工学院采用了气压作为驱动力，液压作为制动力的模式。1986年，W.Jost 将气压作为驱动力，制动采用铁块与弹簧的弹性撞击方式。这些设计思路也被广泛应用到后来的开发中。

如今，全世界的快速压缩机从相似的原理出发，于具体结构上发展出了各自的特点。Bellenoue 等人在法国普瓦捷大学^[10]搭建的快速压缩机与日本九州大学^[11]的快速压缩机都采用了使用凸轮型线带动压缩活塞上行的结构。美国桑迪亚国家实验室（Sandia National Laboratory）开发的快速压缩膨胀机，采用自由活塞式的结构。巴西里约天主教大学的快速压缩机在驱动连杆与缸体间安装平衡块，保证装置的自平衡及减小振动。

国内关于快速压缩机的研究开展得较晚。1983年，首次有一台快速压缩膨胀一次喷射燃烧装置在国内亮相^[12]。近年来，我国也在这片领域有了很大的进步。2005年，同济大学的常国锋等与吉林大学合作自主研发的快速压缩装置，以压缩空气作为动力源，采用机械挡块进行活塞的制动与限位。压缩时间约140 ms。上海交通大学吕兴才等开发快速压缩机结构^[13]，采用冲击气缸内的高压空气作为动力源，机械臂与挡块的组合作为启动与制动装置。

近年来，快速压缩机在测定燃料滞燃期、喷雾和燃烧方面发挥了非常重要的作用^[14-16]。模拟活塞式内燃机内部的压缩和着火过程是快速压缩机最主要的功能。它可以结合发动机实验、模拟计算等手段对燃烧过程进行全面的研究分析。相对于诸如定容燃烧弹等静态燃烧模拟装置，快速压缩机可以更真实的模拟实际情况。

本课题任务为设计快速压缩机实验台架，由主燃烧系统、驱动系统、加热系统 、数据采集和控制系统共五大系统组成^[17]。采集系统硬件又包括数据采集卡，工作缸内动态压力传感器和电荷放大器，光栅传感器^[18]。需要绘制RCM的装配图、部分零件图和附属的系统图。

2、基本内容和技术方案

2.1基本内容

1.方法学习：查阅资料和文献，了解快速压缩机的基本结构和工作原理，学习快速压缩机实验的基本流程。学习SOILDWORKS软件的使用方法。参考国内外RCM的结构和特点，设计快速压缩机实验台架。

2.研究内容：根据要求完成快速压缩机实验台架的设计，基于SOLIDWORKS软件绘制装配图纸，具体内容如下：

（1）查阅快速压缩机文献，掌握快速压缩机的工作原理和结构；

（2）比较国内外快速压缩机，选择合适的设计结构和尺寸，并通过计算对设计的RCM进行强度校核；

（3）基于SOLIDWORKS软件绘制所设计快速压缩机装配图纸。

本课题研究的目标：掌握快速压缩机的工作原理和结构；进行快速压缩机的结构设计，并对设计的尺寸进行校核；基于SOILDWORKS绘制快速压缩机的装配图和部分零件图及其附属系统的系统图；完成快速压缩机的设计。

2.2技术方案

拟采用的技术方案：见附件。

3、进度安排

第1周（2月17日~2月24日）：完成外文文献翻译初稿，查阅文献，撰写文献综述和开题报告；

第2~3周（2月25日~3月6日）：完成文献翻译终稿，完成开题报告初稿；

第4周（3月7日~3月13日）：制作PPT，进行开题报告汇报；

第5-7周（3月14日~4月3日）：撰写周记，进行中期检查；

第8-9周（4月4日~4月17日）：完成阶段性报告，进行阶段性汇报；

第10-12周（4月18日~5月8日）：完成大论文初稿，撰写小论文，进行预答辩；

第13-14周（5月9日~5月22日）：完成大论文终稿，提交小论文，以及进行学校答辩并收取周记批阅。