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3.2. 压缩过程设计
压缩过程是快速压缩机中的重要过程，一般采用纯压缩曲线对压缩效果进行衡量。纯压缩曲线(空载曲线)是指快速压缩机在压缩过程中没有着火燃烧的压缩曲线，是对活塞运动特性分析时的一个标准曲线。
由于本文采用的是液压制动，所以减速齿与减速槽之间的配合尺寸是制动过程的关键，影响着快速压缩机的压缩效果。在早期实验中发现减速齿与减速槽配合的间隙尺寸如果过小，压缩曲线则会出现明显减速折点，导致减速过程过长，压缩时间增加，压缩峰值压力过小等情况，如图5所示。
Figure 5. The deceleration effect is too obvious 图5. 减速效果过于明显
若减速齿与减速槽配合的间隙尺寸如果过大，可能出现减速过程效果减弱，则油塞与减速盘机械碰撞加剧，导致活塞压缩到峰值时，压缩曲线出现回弹现象(甚至往复波动)，从而影响燃烧室内混合气热力学状态，最终影响燃料的着火延迟期，如图6所示。
Figure 6. Slowing effect is too weak 图6. 减速效果太弱
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经过反复试验调整，确定了最佳配合尺寸。使用空气作为实验气体进行快速压缩机压缩性能实验时，燃烧缸内的压力变化情况如图7所示。其中空气的初始压力P0 = 1 atm，初始温度T0 = 285 K。从图中可以看出，大致可将曲线划分为3个阶段：快速压缩阶段、液压缓冲阶段、热量散失压降阶段。当控制液压缸释放液压油后，活塞由下止点开始快速向前运动，经过一段时间后油塞开始进入减速槽，使得活塞开始减速。此后，由于液压缓冲效果的影响，使活塞速度急剧下降，最终活塞移动至上止点位置并制止。活塞到达上止点后，由于热量的快速散失，以及少部分的气体泄漏，使压力逐渐降低。整个压缩过程大约20 ms，其中半程压缩时间thalf = 4.7 ms (半程压缩时间是衡量快速压缩机压缩效果的参数之一，本文取压缩压力上升至一半处的时刻)。
Figure 7. No-load experiment curve 图7. 空载实验曲线
在本次压缩过程中，其压缩速度较快(约20 ms)，缸内温度相对较低，传热损失会较小，可以将此次压缩过程看作是一个绝热过程，其意义是为了便于分析计算而进行的简化和抽象，又是实际过程的一种近似[13]。可以由压缩过程中的压力变化计算出压缩过程的容积变化[2]。
如图8所示为活塞压缩过程中，燃烧室容积随时间的变化曲线。从图中可以明显看出，在快速压缩阶段燃烧室容积迅速减小，但是经过15 ms后，容积变化曲线存在一个明显的折点，这是由于在这个时间点油塞的减速齿开始进入减速槽。此时活塞位置已基本接近上止点，所以液压缓冲阶段燃烧室容积变化很小，用时大约为5 ms，若液压缓冲段的持续时间较长，这对着火延迟期的测量有不利的影响。
Figure 8. Combustion chamber volume change 图8. 燃烧室容积变化
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由缸压曲线图(图7)和容积变化图(图8)不难看出：
1) 总压缩过程约20 ms，半程压缩时间约为4.7 ms (最后4.7 ms内压力上升了约50%)。压缩时间较短，且压力上升迅速，减小了压缩过程发生化学反应的可能性。
2) 液压缓冲阶段(约5 ms)占压缩过程的25%，对着火延迟期的测量影响较小。
4. 小碳氢燃料着火延迟时间的测量分析
本文利用上述搭建的快速压缩机，分别测量了甲烷(CH4)、乙烷(C2H6)、乙烯(C2H4)、丙烯(C3H6)在相同工况下的着火延迟特性。图9为四种气体当量比?均为1时与空气混合，在压缩终点压力为28.5 ± 0.5 bar、压缩终点温度为828 K的工况下测得的着火延迟时间。从图中可以看出，甲烷在此工况下并不着火，乙烷的着火延迟时间为150 ms，乙烯的着火延迟时间为29 ms，丙烯的着火延迟时间为16 ms。不难看出，烯烃的着火延迟时间在相同工况下比烷烃的要短得多，所以烯烃要比烷烃更容易着火。而这四种气体着火的难易程度依次是：甲烷最难着火、乙烷次之、乙烯较为容易着火、丙烯最容易着火。
Figure 9. Fuel ignition delay curve 图9. 燃料着火延迟曲线
5. 结论
本文搭建了一台气压驱动、液压制动型快速压缩机，并对其气密性和压缩性能进行了测试，在此基础上，分别测量了甲烷(CH4)、乙烷(C2H6)、乙烯(C2H4)、丙烯(C3H6)在相同工况下的着火特性。能够得到以下结论：
1) 本文搭建的快速压缩机在压缩终点时，燃烧室的气密性基本合格；压缩性能基本满足准确测量着火延迟时间的前提和要求。
2) 本文补充了小碳氢燃料在低温下的着火延迟时间数据。四种气体当量比?均为1时与空气混合，在压缩终点压力为28.5 ± 0.5 bar、压缩终点温度为828 K的工况下。甲烷并不着火，乙烷的着火延迟时间为150 ms，乙烯的着火延迟时间为29 ms，丙烯的着火延迟时间为16 ms。
烯烃的着火延迟时间在相同工况下比烷烃的要短得多，所以烯烃要比烷烃更容易着火。而这四种气体着火的难易程度依次是：甲烷最难着火、乙烷次之、乙烯较为容易着火、丙烯最容易着火。
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快速压缩机的开发及小碳氢燃料着火延迟特性的分析
