王博遠(yuǎn),齊運(yùn)亮,王穎迪,王 志,2,王建昕
(1.清華大學(xué),汽車安全與節(jié)能國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100084; 2.清華大學(xué)燃燒能源中心,北京 100084)
天然氣具有辛烷值高、碳?xì)浔鹊偷任锘匦詢?yōu)勢(shì),天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)具有良好的節(jié)能減排應(yīng)用前景[1]。天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒以點(diǎn)燃方式為主,點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)單點(diǎn)著火后火焰?zhèn)鞑サ娜紵俣染徛?,是其熱效率遜于壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)的主要原因之一。而相比于其他燃料,天然氣著火所需的反應(yīng)活化能更高,導(dǎo)致其著火性差,火核形成時(shí)間長(zhǎng),火焰速度更低,對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率更為不利[2]。
預(yù)燃室式射流點(diǎn)火是一項(xiàng)有潛力改善天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒性能的技術(shù)途徑,可通過在燃燒室內(nèi)設(shè)計(jì)一個(gè)體積占比低于3%的預(yù)燃室來實(shí)現(xiàn)[3]。該預(yù)燃室相當(dāng)于主燃室的點(diǎn)火源,初始火焰仍通過傳統(tǒng)火花塞放電在預(yù)燃室內(nèi)產(chǎn)生,隨后火焰在預(yù)燃室內(nèi)生成并發(fā)展,進(jìn)而通過連接預(yù)燃室與主燃室的噴孔產(chǎn)生射流,引燃主燃室內(nèi)的混合氣。在這種模式下,預(yù)燃室結(jié)構(gòu)能夠保障火核的穩(wěn)定發(fā)展,而由噴孔產(chǎn)生的射流為主燃室提供了多個(gè)空間分布的點(diǎn)火源,使火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x縮短,燃燒速率提升,具有大幅改善燃燒特性的潛力。文獻(xiàn)[4]中進(jìn)行了火花塞與預(yù)燃室的集成設(shè)計(jì),利用預(yù)燃室壁面充當(dāng)點(diǎn)火側(cè)電極,將其應(yīng)用至一臺(tái)重型6缸天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn),滯燃期和燃燒持續(xù)期最高可縮短30%,且稀燃極限得到小幅拓展;文獻(xiàn)[5]中在一臺(tái)小排量天然氣單缸機(jī)上試驗(yàn)研究了若干預(yù)燃室設(shè)計(jì)因素的影響,結(jié)果表明選用低熱導(dǎo)率材料,并采用點(diǎn)火位置接近噴孔的預(yù)燃室設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)更優(yōu)性能;文獻(xiàn)[6]中在發(fā)動(dòng)機(jī)上研究了預(yù)燃室式射流點(diǎn)火拓展爆震極限的潛力,發(fā)現(xiàn)采用射流點(diǎn)火可以將燃料辛烷值要求降低10~15,相當(dāng)于能夠?qū)嚎s比提高2~3個(gè)單位;文獻(xiàn)[7]中將預(yù)燃室式射流點(diǎn)火應(yīng)用至航空用活塞式發(fā)動(dòng)機(jī),利用辛烷值更低的燃料達(dá)到了原機(jī)性能。
上述研究已展示出預(yù)燃室式射流點(diǎn)火對(duì)燃燒特性的改善效果,但各研究采用的預(yù)燃室設(shè)計(jì)不同。目前,預(yù)燃室式射流點(diǎn)火方式在發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用,主要通過對(duì)已有發(fā)動(dòng)機(jī)小幅改造而實(shí)現(xiàn)。文獻(xiàn)[8]中研究了預(yù)燃室體積的影響,指出在一定范圍內(nèi),燃燒特性隨預(yù)燃室體積的增加而得到優(yōu)化。因此,多數(shù)研究的預(yù)燃室采用外置方案,即預(yù)燃室的全部或部分體積拓展至原有燃燒室空間以外,以保證預(yù)燃室達(dá)到比較理想的體積,但此類設(shè)計(jì)存在降低壓縮比等不利影響。相比之下,內(nèi)置式預(yù)燃室占據(jù)原有燃燒室的部分空間,不改變點(diǎn)火位置,但受到裝配等方面的限制,預(yù)燃室體積占比相對(duì)較低。
本文中設(shè)計(jì)了內(nèi)置式半球型的預(yù)燃室射流點(diǎn)火裝置,采用可視化快速壓縮機(jī)對(duì)其進(jìn)行試驗(yàn)研究,并與傳統(tǒng)火花點(diǎn)火進(jìn)行對(duì)比,以評(píng)價(jià)此類預(yù)燃室設(shè)計(jì)改善發(fā)動(dòng)機(jī)性能的潛力??焖賶嚎s機(jī)能夠提供與發(fā)動(dòng)機(jī)相當(dāng)?shù)臏囟扰c壓力條件,而其燃燒室結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,改造方便,適于新型設(shè)計(jì)的性能探究,且具備可視化條件,便于對(duì)燃燒過程進(jìn)行觀察與解析。而采用內(nèi)置式預(yù)燃室設(shè)計(jì),可不改變點(diǎn)火位置和壓縮比等因素,控制了對(duì)比試驗(yàn)的變量,為兩種點(diǎn)火方式及其燃燒提供了更為直觀的對(duì)比與更具參考價(jià)值的評(píng)價(jià)。
基于快速壓縮機(jī)的可視化試驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示,其中快速壓縮機(jī)由高壓氣罐、氣壓驅(qū)動(dòng)段、液壓段、壓縮段和燃燒室等5部分組成[9]。燃燒室的直徑為50.8mm,其外側(cè)端蓋嵌有相同直徑的石英視窗,以供高速相機(jī)對(duì)燃燒過程在全視場(chǎng)范圍內(nèi)進(jìn)行拍攝。拍攝用高速相機(jī)為Photron SA-X2彩色相機(jī),鏡頭為Nikon AF Micro f/4D,相關(guān)拍照參數(shù)如表1所示,試驗(yàn)過程中光圈設(shè)置保持不變。本研究選用的火花塞為IFR7U-4D,壓力傳感器為Kistler 6125C,電荷放大器為Kistler 5018A。
表1 高速相機(jī)設(shè)置參數(shù)
為對(duì)比研究預(yù)燃室式射流點(diǎn)火與傳統(tǒng)火花點(diǎn)火的特性,分別對(duì)這兩種方式進(jìn)行了試驗(yàn)研究。圖2示出了燃燒室的剖面圖。進(jìn)行預(yù)燃室式射流點(diǎn)火試驗(yàn)時(shí),火花塞及預(yù)燃室、進(jìn)排氣通道和壓力傳感器依次周向布置,如圖2(a)所示;進(jìn)行傳統(tǒng)火花點(diǎn)火試驗(yàn)時(shí),除預(yù)燃室結(jié)構(gòu)被移除外,其余裝置的布置方案完全一致,如圖2(b)所示。
甲烷(CH4)是天然氣中的主要成分,體積占比一般在90%以上[10]。為使試驗(yàn)結(jié)果為相關(guān)的天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)研究提供參考,本試驗(yàn)選用CH4作為燃料,與氧氣(O2)、氮?dú)?N2)配成可燃混合氣。試驗(yàn)選取的可燃混合氣當(dāng)量比為1,O2和N2的配比與空氣中的實(shí)際比例相同,即可燃混合氣中CH4,O2和N2的摩爾比為1∶2∶7.52,在試驗(yàn)前根據(jù)道爾頓分壓定律配制。
圖1 基于快速壓縮機(jī)的可視化試驗(yàn)系統(tǒng)
本試驗(yàn)中,預(yù)燃室采用內(nèi)置式半球型設(shè)計(jì),裝配在燃燒室周向邊緣,其對(duì)稱軸線與圓柱形主燃燒室的軸線相交。預(yù)燃室體積占燃燒室總體積的1.25%,為發(fā)揮預(yù)燃室式射流點(diǎn)火能產(chǎn)生多束點(diǎn)火射流進(jìn)而優(yōu)化燃燒的特點(diǎn),預(yù)燃室通過在預(yù)燃室壁面上均勻布置的4個(gè)噴孔與主燃燒室連通,孔徑均為1.5mm,開孔方向與預(yù)燃室中心軸線呈45°夾角,裝配時(shí)使預(yù)燃室噴孔對(duì)稱于快速壓縮機(jī)軸線,如圖3所示。
試驗(yàn)中,通過DG645型脈沖發(fā)生器與NI數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(cDAQ-9178和cDAQ-9223)實(shí)現(xiàn)火花塞點(diǎn)火、高速相機(jī)觸發(fā)和壓力信號(hào)采集之間的同步控制。其中,高速相機(jī)觸發(fā)與火花塞點(diǎn)火均由壓力信號(hào)進(jìn)行同步控制,即以點(diǎn)火時(shí)刻作為拍攝始點(diǎn)。火花塞點(diǎn)火控制在快速壓縮機(jī)壓縮過程完成后進(jìn)行,試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示,以點(diǎn)火時(shí)刻作為每組試驗(yàn)的零時(shí)刻(t=0)。
圖4 燃燒室壓力與點(diǎn)火信號(hào)示意圖
快速壓縮機(jī)的壓縮比為9.5。在天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)常用工況范圍內(nèi),點(diǎn)火時(shí)刻的缸內(nèi)壓力一般在1.0~2.5MPa之間。本試驗(yàn)根據(jù)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)常用工況范圍,選取點(diǎn)火時(shí)刻燃燒室壓力 pign為1.1,1.7和2.3MPa分別代表小負(fù)荷、中負(fù)荷和大負(fù)荷工況進(jìn)行研究。
3種負(fù)荷條件下,采用預(yù)燃室式射流點(diǎn)火和傳統(tǒng)火花點(diǎn)火的燃燒壓力和瞬時(shí)放熱率曲線對(duì)比如圖5所示。在試驗(yàn)所選負(fù)荷范圍內(nèi),預(yù)燃室式射流點(diǎn)火均體現(xiàn)出明顯的加速燃燒效果,點(diǎn)火后主燃室內(nèi)的壓力即迅速增長(zhǎng),在其達(dá)到峰值的同一時(shí)刻,采用傳統(tǒng)火花點(diǎn)火的燃燒壓力尚處于緩慢上升階段。各負(fù)荷條件下,火花點(diǎn)火方式的壓力峰值均出現(xiàn)在15ms以后,而預(yù)燃室式射流點(diǎn)火可以將壓力峰值時(shí)刻提前至9ms以前。與傳統(tǒng)火花點(diǎn)火相比,預(yù)燃室式射流點(diǎn)火在壓力幅值方面同樣具有優(yōu)勢(shì),各負(fù)荷最高壓力均高于火花點(diǎn)火,且這一差距隨負(fù)荷增加而有所擴(kuò)大。由瞬時(shí)放熱率曲線可知,預(yù)燃室式射流點(diǎn)火的放熱更靠前、更集中,同時(shí)能夠達(dá)到更高的放熱率。
圖5 兩種點(diǎn)火方式的燃燒壓力與瞬時(shí)放熱率
根據(jù)燃燒壓力和瞬時(shí)放熱率可計(jì)算得出有關(guān)的燃燒特性參數(shù)。將累計(jì)放熱率由0增加到10%和由10%增加到90%所經(jīng)歷的時(shí)間分別記為滯燃期tid和燃燒持續(xù)期tcd(將點(diǎn)火時(shí)刻記為累計(jì)放熱率的零時(shí)刻),將最高燃燒壓力記為pmax,最大累計(jì)放熱量記為Qmax[11]。試驗(yàn)工況條件下兩種點(diǎn)火方式的tid,tcd,pmax和Qmax等燃燒特性參數(shù)如圖6所示,圖6中同時(shí)標(biāo)明了相比于傳統(tǒng)火花點(diǎn)火,采用預(yù)燃室式射流點(diǎn)火后上述參數(shù)的變化幅度。
圖6 兩種點(diǎn)火方式的燃燒特性參數(shù)對(duì)比
在3種負(fù)荷條件下,傳統(tǒng)火花點(diǎn)火的滯燃期和燃燒持續(xù)期的變化不大,分別在6-7和7-8ms區(qū)間內(nèi),而預(yù)燃室式射流點(diǎn)火將這兩項(xiàng)指標(biāo)均大幅縮短至3-4ms的水平,降低幅度分別超過45%和50%。同時(shí),最高燃燒壓力和最大累計(jì)放熱量均有不同幅度的提升。
隨著負(fù)荷的提高,燃燒特性參數(shù)的變化幅度加大,即預(yù)燃室式射流點(diǎn)火改善燃燒性能的效果增強(qiáng)。其中,大負(fù)荷工況條件下的滯燃期和燃燒持續(xù)期的縮短比例能夠達(dá)到55%;而最高燃燒壓力和最大累計(jì)放熱量在小負(fù)荷提升效果不明顯的情況下,在大負(fù)荷時(shí)能夠分別提高7%和10%。
對(duì)于點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī),滯燃期和燃燒持續(xù)期分別是評(píng)價(jià)點(diǎn)火性能和燃燒性能的重要指標(biāo),試驗(yàn)結(jié)果證明了設(shè)計(jì)的預(yù)燃室射流點(diǎn)火裝置強(qiáng)化點(diǎn)火和加速燃燒的能力。而對(duì)于火花點(diǎn)火式天然氣發(fā)動(dòng)機(jī),受制于天然氣較長(zhǎng)的火核形成時(shí)間和緩慢的燃燒速度,在部分工況范圍內(nèi),其滯燃期和燃燒持續(xù)期都比汽油機(jī)長(zhǎng)10°CA[12]。為實(shí)現(xiàn)相同的燃燒相位,其點(diǎn)火時(shí)刻比汽油機(jī)提前最高可達(dá)10°CA[12]。較大的點(diǎn)火提前角將導(dǎo)致壓縮行程中負(fù)功的增加,而較長(zhǎng)的燃燒過程意味著等容度的下降,均對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率具有不利影響。研究中預(yù)燃室式射流點(diǎn)火能夠彌補(bǔ)上述不足,具有優(yōu)化燃燒相位、提高燃燒等容度,降低壓縮行程負(fù)功等利于發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率提高的潛在優(yōu)勢(shì)。
此外,燃燒壓力和累計(jì)放熱量是與熱效率直接相關(guān)的參數(shù),雖然快速壓縮機(jī)的工作過程不包括做功行程,與發(fā)動(dòng)機(jī)存在差異,但pmax和Qmax等指標(biāo)仍能夠在一定程度上反映出不同點(diǎn)火與燃燒模式在發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用中的熱效率水平[11]。與傳統(tǒng)火花點(diǎn)火相比,預(yù)燃室式射流點(diǎn)火在各負(fù)荷下均有更高的pmax和Qmax,體現(xiàn)了提高熱效率的潛力。而發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的燃燒主要在活塞下行的做功行程中進(jìn)行,此時(shí)氣缸容積逐漸加大,在燃燒等容度更高的情況下,預(yù)燃室式射流點(diǎn)火在燃燒壓力和放熱量方面的優(yōu)勢(shì)可能更大。
圖7以點(diǎn)火時(shí)刻壓力為1.7MPa的中負(fù)荷為例,示出了兩種點(diǎn)火方式的燃燒圖像。其中,由于燃燒初始階段火焰亮度較低,兩種點(diǎn)火方式在4.00ms(不含)以前的燃燒圖像均經(jīng)過了相同程度的提高對(duì)比度處理,其它圖像未經(jīng)處理。
在點(diǎn)火后的一段時(shí)間內(nèi),射流點(diǎn)火方式的預(yù)燃室內(nèi)部先后經(jīng)歷了火核生成和火焰發(fā)展的過程,此時(shí)主燃室內(nèi)尚無火焰,如0.96ms時(shí)的圖像所示。主燃室內(nèi)首次觀察到射流火焰的時(shí)刻是1.92ms,隨后射流火焰由噴孔噴出并快速發(fā)展,其速度遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)火焰?zhèn)鞑ァS捎陬A(yù)燃室在系統(tǒng)內(nèi)對(duì)稱布置,因此視窗內(nèi)呈現(xiàn)出兩束基本對(duì)稱的射流火焰(另外兩個(gè)噴孔產(chǎn)生的射流火焰被遮擋)。可燃混合氣被多束射流火焰迅速引燃,射流火焰的前鋒面在4.00ms前到達(dá)主燃室壁面,在6.40ms時(shí)高亮度的火焰已經(jīng)基本覆蓋全部視場(chǎng),表明此時(shí)主燃室內(nèi)全部范圍均已燃燒,該時(shí)刻的累計(jì)放熱率已達(dá)80%,燃燒壓力接近峰值。
圖7 pign=1.7MPa條件下兩種點(diǎn)火方式的燃燒圖像
在上述預(yù)燃室式射流點(diǎn)火燃燒發(fā)展的時(shí)間歷程內(nèi),采用傳統(tǒng)火花點(diǎn)火的燃燒呈現(xiàn)典型的火焰球面?zhèn)鞑ツJ?,火焰發(fā)展較為緩慢。根據(jù)燃燒圖像計(jì)算可得,在射流點(diǎn)火的火焰已經(jīng)覆蓋視窗范圍的同一時(shí)刻,傳統(tǒng)火花點(diǎn)火的火焰?zhèn)鞑シ秶鷥H為燃燒室容積的30%,累計(jì)放熱率僅為10%。
對(duì)于點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī),點(diǎn)火和燃燒過程的穩(wěn)定性是影響其性能優(yōu)劣的重要因素之一。預(yù)燃室式射流點(diǎn)火及其隨后的燃燒歷經(jīng)預(yù)燃室內(nèi)火花放電、火核生成并長(zhǎng)大、火焰發(fā)展至壁面、火焰經(jīng)過噴孔形成射流和主燃室內(nèi)快速燃燒等多個(gè)階段。而在此之前的壓縮過程中,混合氣經(jīng)過多個(gè)噴孔壓入預(yù)燃室,使點(diǎn)火時(shí)預(yù)燃室內(nèi)的流動(dòng)強(qiáng)度較高。一方面,一定的流動(dòng)有利于火核的初始生長(zhǎng);另一方面,如果流動(dòng)過強(qiáng),則會(huì)對(duì)火核造成不利影響[13]。因此,與傳統(tǒng)火花點(diǎn)火相比,預(yù)燃室式射流點(diǎn)火在一個(gè)循環(huán)內(nèi)所經(jīng)歷的過程更為復(fù)雜,雖然其具有燃燒速度等方面的明顯優(yōu)勢(shì),但若對(duì)這一優(yōu)勢(shì)加以利用,首先要對(duì)其點(diǎn)火和燃燒的穩(wěn)定性進(jìn)行考察。
與發(fā)動(dòng)機(jī)相比,快速壓縮機(jī)的進(jìn)氣組分與進(jìn)氣壓力控制精確,且內(nèi)部流動(dòng)環(huán)境相對(duì)簡(jiǎn)單,因此在快速壓縮機(jī)上進(jìn)行重復(fù)試驗(yàn),循環(huán)間的變化因素較少,更能體現(xiàn)點(diǎn)火與燃燒過程本質(zhì)的穩(wěn)定性。本文中在快速壓縮機(jī)上對(duì)預(yù)燃室式射流點(diǎn)火進(jìn)行了重復(fù)試驗(yàn),以探究該方式在點(diǎn)火和燃燒過程中的穩(wěn)定性,同時(shí)對(duì)傳統(tǒng)火花點(diǎn)火進(jìn)行同條件下的試驗(yàn)作為參照。試驗(yàn)選取點(diǎn)火時(shí)刻壓力1.5MPa這一中低負(fù)荷作為試驗(yàn)工況,每種點(diǎn)火方式在相同條件下進(jìn)行8組重復(fù)試驗(yàn),各組試驗(yàn)的燃燒壓力曲線如圖8所示。
圖8 pign=1.5MPa條件下兩種點(diǎn)火方式重復(fù)試驗(yàn)的燃燒壓力曲線
圖9 示出了滯燃期tid、燃燒持續(xù)期tcd、最高燃燒壓力pmax和最大累計(jì)放熱量Qmax等燃燒特性參數(shù)的平均值及其波動(dòng)范圍。
滯燃期方面,預(yù)燃室式射流點(diǎn)火的tid波動(dòng)范圍極小,優(yōu)于傳統(tǒng)火花點(diǎn)火,表明壓縮過程中通過噴孔在預(yù)燃室內(nèi)部產(chǎn)生的強(qiáng)湍流對(duì)火核的生成與發(fā)展起到了積極作用,且隨后預(yù)燃室內(nèi)部的火焰發(fā)展和在主燃室內(nèi)形成射流的過程具有較高的穩(wěn)定性。而燃燒持續(xù)期方面,兩種點(diǎn)火方式的波動(dòng)范圍基本處于相同水平。
圖9 pign=1.5MPa條件下兩種點(diǎn)火方式燃燒特性參數(shù)的平均值及其波動(dòng)范圍
最高燃燒壓力和循環(huán)放熱量是表示發(fā)動(dòng)機(jī)輸出能力的重要參數(shù),預(yù)燃室式射流點(diǎn)火在這兩項(xiàng)指標(biāo)上的波動(dòng)極小,遠(yuǎn)勝于傳統(tǒng)火花點(diǎn)火。
本文中設(shè)計(jì)了內(nèi)置式半球型四孔預(yù)燃室,并在全燃燒場(chǎng)可視的快速壓縮機(jī)(RCM)上,采用同步壓力傳感和高速攝影進(jìn)行了試驗(yàn),同時(shí)與相同條件下的傳統(tǒng)火花點(diǎn)火進(jìn)行對(duì)比,主要結(jié)論如下:
(1)與傳統(tǒng)火花點(diǎn)火方式相比,預(yù)燃室式射流點(diǎn)火能夠顯著強(qiáng)化點(diǎn)火、加速燃燒,具有提高點(diǎn)燃式天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率的潛力,滯燃期tid、燃燒持續(xù)期tcd分別大幅縮短45%和50%以上,最高燃燒壓力pmax、最大累計(jì)放熱量Qmax有所提升,且燃燒特性參數(shù)的改善程度隨負(fù)荷加大而提高,在大負(fù)荷條件下改善效果更為明顯,tid和tcd的縮短比例均達(dá)到55%,pmax和Qmax分別增加7%和10%;
(2)高速攝影結(jié)果表明,預(yù)燃室式射流點(diǎn)火系統(tǒng)在主燃室內(nèi)快速產(chǎn)生射流火焰,可燃混合氣被多束射流火焰迅速引燃,6.40ms時(shí)火焰已充滿整個(gè)燃燒室,累計(jì)放熱率達(dá)80%;相同時(shí)間內(nèi),采用火花點(diǎn)火方式的燃燒呈現(xiàn)傳統(tǒng)的火焰球面?zhèn)鞑ツJ?,燃燒速度緩慢?.40ms時(shí)火焰?zhèn)鞑シ秶鷥H為燃燒室容積的30%,累計(jì)放熱率僅為10%;
(3)預(yù)燃室式射流點(diǎn)火方式的點(diǎn)火與燃燒穩(wěn)定性高,滯燃期tid、最高燃燒壓力pmax和最大累計(jì)放熱量Qmax的波動(dòng)范圍極低,顯著優(yōu)于傳統(tǒng)火花點(diǎn)火。
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