魏若男，周蓉芳，周竹杰，劉杰，高忠權(quán)，吳筱敏

（1.西安科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，710054，西安；2.西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，710049，西安）

發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒特性、動(dòng)力性、工作穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性及排放性具有著重要影響。發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)均質(zhì)混合氣點(diǎn)火方式分為多點(diǎn)點(diǎn)火和多次點(diǎn)火，其中多點(diǎn)點(diǎn)火又分多點(diǎn)同時(shí)點(diǎn)火和多點(diǎn)間隔點(diǎn)火。研究發(fā)現(xiàn)：多點(diǎn)點(diǎn)火方式能促進(jìn)混合氣大面積燃燒，接近定容燃燒過(guò)程，使發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率大幅提升，在稀薄混合氣中燃燒可以有效降低NOx排放和燃燒粗暴性［1］；多次點(diǎn)火能提高點(diǎn)火可靠性。雙火花塞發(fā)動(dòng)機(jī)的平均有效壓力、最高爆發(fā)壓力、熱效率均高于單火花塞發(fā)動(dòng)機(jī)［2-3］；雙火花塞點(diǎn)火有利于火焰快速發(fā)展，燃燒速率和燃燒稀限提高［4］，有助于在汽油機(jī)冷起動(dòng)工況下快速點(diǎn)燃，以改善電噴汽油機(jī)冷起動(dòng)及冷態(tài)怠速過(guò)程的排放特性［5］；多次點(diǎn)火能防止發(fā)動(dòng)機(jī)在怠速、稀燃或是空燃比不當(dāng)時(shí)出現(xiàn)失火現(xiàn)象［6］。

上述內(nèi)容多集中在單點(diǎn)點(diǎn)火與多點(diǎn)點(diǎn)火的比較，以及多點(diǎn)同時(shí)點(diǎn)火或者單點(diǎn)多次點(diǎn)火方面，相應(yīng)實(shí)驗(yàn)均在發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行。實(shí)際中，受循環(huán)變動(dòng)的影響，循環(huán)燃燒與傳熱過(guò)程的條件很難控制［7］，實(shí)時(shí)觀察發(fā)動(dòng)機(jī)火焰的發(fā)展變化比較困難。定容燃燒彈是研究火花點(diǎn)火均質(zhì)預(yù)混燃燒的一種基礎(chǔ)和重要的裝置，借助它能夠方便地研究單一參數(shù)的變化對(duì)燃燒過(guò)程的影響，是對(duì)燃燒過(guò)程進(jìn)行基礎(chǔ)研究的常用方法［8］。因此，本文借助高速紋影攝像裝置，在定容燃燒彈中對(duì)雙電極點(diǎn)火進(jìn)行了研究，并基于準(zhǔn)維雙區(qū)模型［8］對(duì)點(diǎn)火時(shí)間間隔與天然氣-空氣預(yù)混合氣層流燃燒參數(shù)的關(guān)系進(jìn)行了分析。

1 試驗(yàn)裝置及方案

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置如圖1所示，其由定容燃燒彈、點(diǎn)火控制系統(tǒng)、配氣系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。定容燃燒彈內(nèi)部是直徑為130mm、長(zhǎng)為130mm的圓柱體。點(diǎn)火控制系統(tǒng)由蓄電池、點(diǎn)火開(kāi)關(guān)、點(diǎn)火線圈、兩對(duì)點(diǎn)火電極和時(shí)序控制電路組成，用于控制雙電極的點(diǎn)火時(shí)刻和間隔。配氣系統(tǒng)包括壓縮空氣、壓縮天然氣、調(diào)壓閥、U型管壓力計(jì)和真空泵，用于可燃混合氣的配比。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要包括壓力傳感器、數(shù)據(jù)采集儀和高速攝像機(jī)，其中：壓力傳感器是Kistler生產(chǎn)的7061B型低壓絕對(duì)壓力傳感器，采集頻率為20kHz，測(cè)壓范圍為0～25MPa，誤差小于±0.3%；數(shù)據(jù)采集儀為Yokogawa公司生產(chǎn)的DL750型采集儀，采樣頻率為10MHz；攝像機(jī)是美國(guó)Redlake公司生產(chǎn)的HG-100K型高速攝像機(jī)，拍攝頻率為10kHz。

點(diǎn)火電極的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。兩對(duì)電極布置在容彈中心位置，兩電極之間距離為2mm。

圖1 試驗(yàn)裝置

圖2 點(diǎn)火電極的結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)中時(shí)序控制電路通過(guò)控制兩對(duì)電極的點(diǎn)火時(shí)刻和點(diǎn)火順序來(lái)實(shí)現(xiàn)雙電極點(diǎn)火。本文將電極1和電極2同時(shí)跳火稱(chēng)為同時(shí)點(diǎn)火，將電極1先跳火、電極2后跳火稱(chēng)為間隔點(diǎn)火。試驗(yàn)中分別對(duì)同時(shí)點(diǎn)火和間隔點(diǎn)火進(jìn)行了模擬，其中間隔點(diǎn)火時(shí)間分別為1、2、3ms。

兩對(duì)電極點(diǎn)火時(shí)序示意圖如圖3所示，圖中上升沿為點(diǎn)火線圈充電時(shí)刻，下降沿為充電結(jié)束、火花點(diǎn)火時(shí)刻，充電時(shí)間均為5ms。為保證兩組點(diǎn)火系統(tǒng)具有相同的點(diǎn)火能量，兩系統(tǒng)選擇了相同型號(hào)的電子器件、點(diǎn)火線圈、電極和充電時(shí)間。試驗(yàn)工況分為兩組：保持預(yù)混壓力（缸內(nèi)混合氣的初始?jí)毫Γ㏄為100kPa，過(guò)量空氣系數(shù)λ從0.7變化到1.3；保持λ為1.0不變，預(yù)混壓力從40kPa變化到100kPa。

圖3 點(diǎn)火時(shí)序示意圖

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)的紋影照片

圖4 火焰?zhèn)鞑ゼy影照片

預(yù)混壓力為100kPa、λ為1.3，4種點(diǎn)火方式下相對(duì)同時(shí)點(diǎn)火的火焰?zhèn)鞑r(shí)間分別為1、2、3、23、43、63ms時(shí)由試驗(yàn)拍攝到的典型火核發(fā)展過(guò)程的紋影照片如圖4所示。從圖4可以看出，電極1和電極2跳火后，2個(gè)火核分別呈向外擴(kuò)展的球形，當(dāng)2個(gè)火核重疊后，整個(gè)火核也近似呈向外擴(kuò)展的球形。由圖4還可以看出，在同一時(shí)刻的4種點(diǎn)火條件下，近似球形的火焰?zhèn)鞑グ霃綇男〉酱笠来螢椋和瑫r(shí)點(diǎn)火—間隔1ms點(diǎn)火—間隔2ms點(diǎn)火—間隔3ms點(diǎn)火，間隔2ms點(diǎn)火的火核發(fā)展速度最快，半徑最大。雙電極同時(shí)點(diǎn)火時(shí)，火核生成后同時(shí)向未燃區(qū)傳遞，兩相迎火焰前鋒面很快重疊在一起互相干涉，火焰?zhèn)鞑ッ婷娣e縮小，燃燒速度變慢。雙電極間隔點(diǎn)火后，火焰?zhèn)鞑コ跗?個(gè)火核形成的火焰面相對(duì)獨(dú)立，相迎火焰前鋒面重疊面積較小，互相干擾較小，火焰?zhèn)鞑ニ俣容^快，直到點(diǎn)火間隔2ms時(shí)達(dá)到最快。雙電極間隔點(diǎn)火下，進(jìn)一步增加點(diǎn)火時(shí)間間隔，第2次點(diǎn)火的火核在還未充分發(fā)展就已經(jīng)與第1次點(diǎn)火火焰前鋒面相遇，對(duì)火焰?zhèn)鞑グl(fā)展的促進(jìn)作用降低，效果接近單次點(diǎn)火，由此火焰?zhèn)鞑ニ俣冉档汀?/p>

2.2 雙電極點(diǎn)火對(duì)燃燒的影響

2.2.1 雙電極點(diǎn)火對(duì)燃燒壓力的影響 預(yù)混壓力為100kPa、λ為1.3，4種點(diǎn)火方式下雙電極點(diǎn)火時(shí)的燃燒壓力曲線如圖5所示。從圖5可以看出，4種點(diǎn)火方式下的曲線形狀及趨勢(shì)大致相同。

圖5 4種點(diǎn)火方式下燃燒壓力曲線

圖6 不同λ下燃燒壓力峰值及位置

不同λ和預(yù)混壓力在4種點(diǎn)火方式下，雙電極點(diǎn)火時(shí)的燃燒壓力峰值及其出現(xiàn)時(shí)間如圖6、7所示。從圖6、7可以看出：相同λ和預(yù)混壓力下，燃燒壓力峰值在間隔點(diǎn)火時(shí)比同時(shí)點(diǎn)火時(shí)略有增加，隨著點(diǎn)火間隔的增加，燃燒壓力峰值逐漸增大且提前出現(xiàn)；當(dāng)點(diǎn)火間隔為2ms時(shí)，燃燒壓力峰值最大且最早出現(xiàn)，隨著點(diǎn)火間隔的繼續(xù)增大，壓力峰值下降并推遲出現(xiàn)?？傮w來(lái)看：燃燒壓力峰值在混合氣較稀時(shí)受點(diǎn)火間隔影響較大；燃燒壓力峰值位置在混合氣較稀或預(yù)混壓力比較小時(shí)受點(diǎn)火間隔影響顯著；間隔點(diǎn)火時(shí)燃燒壓力峰值位置比同時(shí)點(diǎn)火時(shí)提前，間隔2ms點(diǎn)火時(shí)提前最多。從圖6、7還可看出：當(dāng)λ為1.3、預(yù)混壓力為100kPa以及λ為1.0、預(yù)混壓力為40kPa時(shí)，間隔2ms點(diǎn)火的壓力峰值出現(xiàn)時(shí)間比同時(shí)點(diǎn)火分別提前了45ms和12ms。

圖7 不同預(yù)混壓力下燃燒壓力峰值及位置

2.2.2 雙電極點(diǎn)火對(duì)已燃區(qū)工質(zhì)溫度的影響 預(yù)混壓力為100kPa、λ為1.3，4種點(diǎn)火方式下由準(zhǔn)維雙區(qū)模型計(jì)算得到的雙電極點(diǎn)火已燃區(qū)工質(zhì)溫度T曲線如圖8所示。從圖8可以看出，不同點(diǎn)火方式下工質(zhì)溫度曲線的形狀及趨勢(shì)基本相同。

圖8 4種火方式下已燃區(qū)工質(zhì)溫度曲線

圖9 不同λ下已燃區(qū)工質(zhì)溫度峰值及位置

圖10 不同預(yù)混壓力下已燃區(qū)工質(zhì)溫度峰值及位置

不同λ和預(yù)混壓力在4種點(diǎn)火方式下，雙電極點(diǎn)火的已燃區(qū)工質(zhì)溫度峰值及其出現(xiàn)時(shí)間如圖9、10所示。從圖9、10可以看出：在相同的λ或預(yù)混壓力下，溫度峰值在間隔點(diǎn)火時(shí)比同時(shí)點(diǎn)火時(shí)略有增加，間隔2ms點(diǎn)火時(shí)達(dá)到最大，但總體來(lái)看，點(diǎn)火間隔對(duì)溫度峰值影響不大，所以不會(huì)增加NOx的排放；點(diǎn)火間隔對(duì)溫度峰值出現(xiàn)的時(shí)間影響較大，間隔點(diǎn)火時(shí)溫度峰值出現(xiàn)的時(shí)間比同時(shí)點(diǎn)火時(shí)提前，在間隔2ms點(diǎn)火時(shí)提前最多。以上規(guī)律在混合氣較稀或預(yù)混壓力較小時(shí)更為顯著。從圖9、10還可以看出：當(dāng)λ為1.3、預(yù)混壓力為100kPa和λ為1.0、預(yù)混壓力為40kPa時(shí)，間隔2ms點(diǎn)火的溫度峰值出現(xiàn)時(shí)間比同時(shí)點(diǎn)火分別提前了39.8ms和11.8ms。這種現(xiàn)象是由于已燃區(qū)工質(zhì)溫度與燃料物化特性、燃燒效率、火焰面積等因素有關(guān)，而試驗(yàn)中除了點(diǎn)火間隔外，工質(zhì)及其配比等其他條件不變，所以已燃區(qū)工質(zhì)溫度峰值大小的變化不明顯，而峰值位置出現(xiàn)的時(shí)間變化較大，特別在混合氣較稀或預(yù)混壓力較低時(shí)，間隔2ms點(diǎn)火對(duì)燃燒的促進(jìn)作用更顯著，從而會(huì)導(dǎo)致這種變化更明顯。

2.2.3 雙電極點(diǎn)火對(duì)瞬時(shí)放熱率的影響 預(yù)混壓力為100kPa、λ為1.3，4種點(diǎn)火方式下雙電極點(diǎn)火的瞬時(shí)放熱率曲線，以及不同λ和預(yù)混壓力下瞬時(shí)放熱率峰值及其出現(xiàn)時(shí)間如圖11、12、13所示。從圖11～13可以看出，4種點(diǎn)火方式下瞬時(shí)放熱率曲線的形狀及變化趨勢(shì)基本相同，呈單峰形狀，表明容彈內(nèi)以預(yù)混層流燃燒為主［9］。瞬時(shí)放熱率峰值及其位置的變化趨勢(shì)與燃燒壓力及溫度的變化趨勢(shì)類(lèi)似。從圖11～13還可以看出：當(dāng)λ為1.3、預(yù)混壓力為100kPa和λ為1.0、預(yù)混壓力為40kPa時(shí)，間隔2ms點(diǎn)火的瞬時(shí)放熱率峰值比同時(shí)點(diǎn)火分別增加了33.3%和71.2%，峰值出現(xiàn)時(shí)間提前了32.3ms和19.8ms，這也說(shuō)明了雙電極間隔點(diǎn)火對(duì)燃燒有促進(jìn)作用，可以加速燃燒，提高燃燒效率。

圖11 4種點(diǎn)火方式下瞬時(shí)放熱率曲線

圖12 不同λ下瞬時(shí)放熱率峰值及位置

圖13 不同預(yù)混壓力下瞬時(shí)放熱率峰值及位置

2.2.4 雙電極點(diǎn)火對(duì)累積放熱率的影響 預(yù)混壓力為100kPa、λ為1.3，4種點(diǎn)火方式下雙電極點(diǎn)火的累積放熱率曲線如圖14所示。從圖14可以看出，4種點(diǎn)火方式下累積放熱率的曲線形狀及變化趨勢(shì)基本相同。

圖14 4種點(diǎn)火方式下累積放熱率曲線

根據(jù)燃燒學(xué)定義，分別將從點(diǎn)火到10%累積放熱率和從10%到90%累積放熱率所經(jīng)歷的時(shí)間定義為火焰發(fā)展期和快速燃燒期［10］。不同λ和預(yù)混壓力在4種點(diǎn)火方式下的火焰發(fā)展期和快速燃燒期如圖15、16所示。從圖15、16可以看出：當(dāng)λ和預(yù)混壓力一定時(shí)，間隔點(diǎn)火的火焰發(fā)展期和快速燃燒期比同時(shí)點(diǎn)火時(shí)要短，間隔2ms點(diǎn)火時(shí)燃燒速度最快，混合氣越稀或預(yù)混壓力越低時(shí)，這種規(guī)律越明顯。從圖15、16還可以看出：當(dāng)λ為1.3、預(yù)混壓力為100kPa和λ為1.0、預(yù)混壓力為40kPa時(shí)，間隔2ms點(diǎn)火的火焰發(fā)展期比同時(shí)點(diǎn)火時(shí)分別縮短了14.6ms和12ms，快速燃燒期分別縮短了16.6ms和9.8ms，這表明雙電極間隔點(diǎn)火可以削弱2個(gè)火核的相互干擾，提高火焰?zhèn)鞑サ姆€(wěn)定性和發(fā)展速度，加快整個(gè)過(guò)程的燃燒速度。

圖15 不同λ下火焰發(fā)展期和快速燃燒期

圖16 不同預(yù)混壓力下火焰發(fā)展期和快速燃燒期

3 結(jié) 論

（1）雙電極間隔點(diǎn)火可以降低2個(gè)火核之間的相互干擾，提高火焰?zhèn)鞑サ姆€(wěn)定性和燃燒速度，本試驗(yàn)條件下點(diǎn)火間隔為2ms時(shí)火焰?zhèn)鞑ニ俣茸羁臁?/p>

（2）雙電極間隔點(diǎn)火比同時(shí)點(diǎn)火在燃燒壓力峰值、溫度峰值上略有增加，在瞬時(shí)放熱率峰值上明顯增加，在峰值出現(xiàn)位置上提前，間隔2ms點(diǎn)火時(shí)變化最為明顯。

（3）在混合氣較稀或預(yù)混壓力較小等著火、燃燒不穩(wěn)定的情況下，雙電極間隔點(diǎn)火可以促進(jìn)燃燒，加快火焰?zhèn)鞑ニ俣?。在間隔2ms點(diǎn)火時(shí)，λ為1.3、預(yù)混壓力為100kPa和λ為1.0、預(yù)混壓力為40kPa，二者相對(duì)于同時(shí)點(diǎn)火的壓力峰值出現(xiàn)時(shí)間分別提前了45ms和12ms，溫度峰值出現(xiàn)時(shí)間分別提前了39.8ms和11.8ms，瞬時(shí)放熱率峰值分別增加了33.3%和71.2%，且峰值出現(xiàn)時(shí)間提前了32.3ms和19.8ms，火焰發(fā)展期分別縮短了14.6ms和12ms，快速燃燒期分別縮短了16.6ms和9.8ms。

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