續(xù) 晗，蘇曉杰，倪曉冬，翁春生，姚春德，高 健

(1.南京理工大學瞬態(tài)物理國家重點實驗室，南京 210094；2.天津大學內(nèi)燃機燃燒學國家重點實驗室，天津 300072)

內(nèi)燃機作為廣泛使用的能源動力轉(zhuǎn)換裝置，一方面消耗大量能源，另一方面向大氣排放大量廢氣.隨著節(jié)能減排的日益迫切，內(nèi)燃機面臨著進一步的技術(shù)革新來提升熱效率、降低排放.在眾多技術(shù)革新中，內(nèi)燃機小型化的節(jié)能減排逐漸被學術(shù)界和工業(yè)界認可.內(nèi)燃機小型化通過提升壓縮比、增大進氣增壓壓力、缸內(nèi)直噴等技術(shù)來實現(xiàn)缸內(nèi)燃燒強化，使得升功率及熱效率進一步提高，排放進一步降低.但是隨著增壓壓力與壓縮比的不斷提高，缸內(nèi)熱狀態(tài)不斷加劇，致使一種新的異常燃燒現(xiàn)象——“超級爆震”出現(xiàn)[1].“超級爆震”發(fā)生后，其壓力震蕩幅值可超過30 MPa[2]，遠高于常規(guī)爆震[3]，并極具破壞性，能在短時間內(nèi)將燃燒室組件破壞失效[4-5].因此可以認為“超級爆震”是內(nèi)燃機小型化節(jié)能減排道路上的攔路虎，亟需揭示其形成機制，并從根源上抑制其形成.

近年來，國內(nèi)外對“超級爆震”開展了廣泛研究.王志等[6-8]通過可視化快速壓縮機闡明了“早燃”和“超級爆震”的關(guān)系：“超級爆震”是由“早燃”引起的，但是“早燃”的發(fā)生并不總會引起“超級爆震”，而“超級爆震”最終是否產(chǎn)生主要決定于缸內(nèi)是否形成了爆震波.Yu 等[9]通過一維數(shù)值模擬計算證明了“超級爆震”是由爆震波形成所致.Bates 等[10]通過建立ξ/ε燃燒狀態(tài)圖，將不同的自燃模式劃分為不同燃燒區(qū)域，并將“超級爆震”歸為爆震波燃燒[10].本課題組前期在數(shù)值模擬中通過“能量注入法”來探索能量釋放與壓力波的不同耦合方式所導致的不同自燃模式，發(fā)現(xiàn)只有爆震波式的自燃模式才能形成“超級爆震”這樣高幅值的壓力震蕩[11].由此可見，“超級爆震”的本質(zhì)是爆震波的形成.要揭示“超級爆震”的形成機制并找到其抑制方法，就需進一步研究內(nèi)燃機缸內(nèi)爆震波的形成過程及其影響因素.

為了進一步揭示爆震波在封閉有限空間內(nèi)的形成過程及其影響因素，本研究設(shè)計了一套爆震容彈裝置，通過在容彈中心人為引入一個爆燃波來研究缸內(nèi)爆燃轉(zhuǎn)爆震的過程.實驗過程中，通過在容彈不同位置布置多個壓力傳感器來同步采集獲取缸內(nèi)爆震波形成前后的壓力波動規(guī)律，從而探索缸內(nèi)壓力波擾動對爆震波形成的影響.結(jié)合實驗，本研究建立了一套數(shù)值模型來模擬實驗條件下的爆燃轉(zhuǎn)爆震過程.在該過程中，本研究通過人為干涉缸內(nèi)壓力波動的方法來揭示缸內(nèi)壓力波擾動對爆震波形成的影響機制.

1 研究方法

1.1 爆震容彈實驗

爆震容彈實驗用于獲取封閉有限空間內(nèi)爆燃轉(zhuǎn)爆震過程中不同位置處的壓力波動規(guī)律，從而探索缸內(nèi)壓力波擾動對爆震波形成的影響.在本課題組前期工作中，已經(jīng)對該爆震容彈裝置做了詳細介紹，下面只對其進行簡要介紹，詳細信息請參閱文獻[12-13].

爆震容彈系統(tǒng)由4 部分組成，分別是爆震容彈本體、進排氣系統(tǒng)、高能點火系統(tǒng)以及信號同步采集系統(tǒng).爆震容彈本體如圖1 所示，其缸徑為83 mm，缸蓋錐角為140°，實驗所采用的余隙為0 mm，以模擬活塞行進到上止點位置.高能火花塞(GDH-12)安裝于燃燒室中心位置，以便從中心位置引燃一個爆燃波，從而模擬內(nèi)燃機中由早燃引起的爆燃轉(zhuǎn)爆震過程[8].通過在爆震容彈4 個不同位置平齊安裝4 個壓電式傳感器(PCB 119B11)和4 個電荷放大器(PCB 402A03)來監(jiān)測由爆燃火焰面所形成的壓力波行為以及隨后的爆震波起爆過程.該套壓電式傳感器的共振頻率大于400 kHz，上升時間小于2μs，其獲取的信號由DLM2000 示波器進行同步采集并記錄，其采集頻率為625 MHz.如此高頻率的信號同步采集系統(tǒng)可以完整捕捉到封閉有限空間內(nèi)的壓力波動行為及爆震波形成過程.

圖1 爆震容彈示意[13]Fig.1 Schematic of detonation bomb[13]

實驗所用燃料為氫氣，一方面氫氣的詳細化學反應(yīng)動力學機理已經(jīng)研究得相對透徹，且其所包含的基元反應(yīng)數(shù)量相對較少，嵌入數(shù)值模擬中，其計算量可以接受；另一方面，氫氣作為替代燃料也被廣泛應(yīng)用于新型發(fā)動機中，然而氫燃料發(fā)動機在大負荷情況下同樣會遇到類似于“超級爆震”這樣烈性的爆震現(xiàn)象，阻礙其在全工況范圍內(nèi)的應(yīng)用.因此本研究采用H2/O2為可燃混合氣，其中氫氣為高純氫氣(＞99.999%)，氧氣也為高純氧氣(＞99.999%)，以避免雜質(zhì)對實驗結(jié)果重復性的影響.兩種氣體通過控制分壓的方法充入爆震容彈中，以實現(xiàn)對當量比的控制.本實驗中所用H2/O2混合氣的當量比為1，初始溫度為298 K，初始壓強為0.3 MPa.

1.2 數(shù)值模型

數(shù)值模型基于爆震容彈實驗建立，其邊界條件和初始條件同爆震容彈的實驗條件保持一致.由于爆震容彈的幾何形狀是軸對稱的，且所研究的物理現(xiàn)象也是軸對稱的，因此數(shù)值模型采用軸對稱模型，如圖2 所示.

圖2 爆震容彈數(shù)值模型Fig.2 Numerical model of detonation bomb

由于整個實驗過程用時極短，從火花塞點火到爆震波形成大概用時150μs，這個過程中熱量來不及向壁面?zhèn)鬟f，因此壁面邊界條件采用絕熱條件.值得注意的是，在壓力波的震蕩作用下，壁面邊界層會被破壞，從而壁面?zhèn)鳠釙鰪?，因此本文所用的絕熱條件只是一個假設(shè)，在該短時間內(nèi)，有多少熱量向壁面?zhèn)鳠徇€值得進一步研究.但是該壁面?zhèn)鳠岵⒉挥绊懕疚膶毫Σ〝_動致使爆震波形成的定性研究，為了計算簡便，仍然采用絕熱邊界條件.為了和實驗做對比驗證，數(shù)值模型中置入了4 根“線監(jiān)測”，如圖2 所示，其位置與實驗中4 個傳感器的位置相同(如圖1所示).“線監(jiān)測”所獲取的壓強數(shù)據(jù)為整根線上所有節(jié)點壓強的平均值，這種獲取方式與實際實驗中壓力傳感器獲取壓強的方式相似：壓力傳感器上所獲取的壓強值也是傳感器受壓面上的平均值.由于119B11 傳感器的傳感面為直徑6 mm 的圓形面，因此“監(jiān)測線”的線長取該傳感面內(nèi)切正方形的邊長，為4.24 mm.

實驗過程中，由高能火花塞在容彈中心位置引燃一個爆燃波.該爆燃波由一個前導激波和一個化學反應(yīng)面組成.由于前導激波的傳播速度大于化學反應(yīng)面的燃燒速度，因此燃燒火焰面在傳到末端之前，該前導激波會在燃燒室內(nèi)進行多次反射震蕩.與該實驗過程相同，數(shù)值模型的初始條件如圖2 所示.在燃燒室的中心有一個半徑3.5 mm 的已燃區(qū)域，該區(qū)域溫度和壓力都比周圍高，具體初始條件如表1 所示.數(shù)值模擬開始后，已燃區(qū)域的高溫促使燃燒火焰面向外發(fā)展；另一方面，由于已燃區(qū)域的壓力比周圍高，因此會形成一個壓力波向外傳播.這樣就形成了實驗中的爆燃波.隨著火焰面逐漸向四周傳播，前導激波在缸內(nèi)進行了多次反射震蕩，并對末端混合氣進行了多次壓縮，直至末端出現(xiàn)自燃甚至是爆震波現(xiàn)象.該過程同內(nèi)燃機“超級爆震”中“早燃”引起“爆燃”，再由“爆燃”引起“爆震波”過程基本相同[14].

表1 數(shù)值模擬初始條件設(shè)置(物質(zhì)組分的數(shù)值為質(zhì)量分數(shù))Tab.1 Setting of initial conditions of numerical simulation(the values of mixture components are their mass fractions)

由于該模擬對象是壓力波或是爆震波這種具有強間斷的流場，因此采用基于密度方法的可壓流體進行瞬態(tài)模擬.這種具有強間斷的流場的慣性力遠大于黏性力，因此模擬采用無黏的歐拉方法.為了更好地分辨強間斷面，采用AUSM(Advection Upstream Splitting Method)的矢通量格式[15].空間離散采用混合了中心差分及二階迎風差分的MUSCL(Monotone Upstream-Centered Schemes for Conservation Laws)格式[16].該數(shù)值模擬采用Marcus O Conaire 等開發(fā)的H2/O2詳細化學反應(yīng)機理.該機理包含21 個基元反應(yīng)和9 種物質(zhì)，并且在較寬的溫度、壓力及當量比范圍內(nèi)得到了實驗驗證[17].本課題組前期研究已對該數(shù)值模型已經(jīng)進行了多次驗證，因此用其來模擬壓力波擾動促使爆震波形成過程具有較好的基礎(chǔ)[4-5,12-13,18].

2 結(jié)果及討論

2.1 實驗與數(shù)值結(jié)果的對比驗證

爆震容彈不同位置處壓強曲線的實驗結(jié)果及數(shù)值結(jié)果如圖3 所示，其相應(yīng)位置可分別參見圖1 和圖2.由圖3 可以看出，模擬結(jié)果和實驗結(jié)果吻合得較好，主要體現(xiàn)在以下兩個方面.首先，不論是實驗結(jié)果還是數(shù)值結(jié)果，在活塞邊緣處都出現(xiàn)了極高的壓強峰值.實驗結(jié)果的壓強峰值為25.1 MPa，數(shù)值結(jié)果的壓強峰值為28.9 MPa，兩個結(jié)果都表明爆震波在末端形成.其次，數(shù)值模擬中4 個位置處的壓強震蕩幅值及特征與實驗結(jié)果中4 個位置處的震蕩幅值及特征基本吻合.通過上述對比驗證說明，采用該數(shù)值模擬可以合理解釋爆震容彈的實驗結(jié)果.

下面簡要分析容彈中爆震波的形成過程.如圖3(a)所示，當高能火花塞點火后，會在活塞中心產(chǎn)生一個爆燃波，爆燃波的前導激波作用在活塞中心上形成了3.7 MPa 的壓強峰值.隨后該前導激波由活塞中心向邊緣傳播開去，如圖3(a)中紅色虛線所示，依次經(jīng)過活塞一半處、活塞邊緣處，并依次在相應(yīng)位置產(chǎn)生了一道壓強峰值.隨后，該前導激波在傳播到邊緣處后，遇壁面向中心反射，以此在燃燒室內(nèi)不斷震蕩.因此，在爆燃火焰面還未傳播到邊緣時，該前導激波已在燃燒室不同位置處引起了多個壓強震蕩峰值，并對末端混合氣進行多次壓縮.最終，該前導激波在對末端混合氣的某次壓縮過程中引起了末端混合氣的強烈自燃，從而誘發(fā)爆震波形成，產(chǎn)生了超過20 MPa 的壓強峰值.

圖3 爆震容彈不同位置處壓強曲線的實驗結(jié)果及數(shù)值結(jié)果Fig.3 Curves of pressure at different positions of detonation bomb obtained from experiments and simulations separately

在上述震蕩過程中可以發(fā)現(xiàn)壓力波的一個震蕩特點，那就是壓力波在震蕩過程中，其強度在逐漸增強，直至最后引起爆震波的形成.如圖4 所示是缸蓋處壓強震蕩曲線的實驗結(jié)果.由圖可以看出，初始的爆燃前導激波強度并不高，其在缸內(nèi)來回反射震蕩過程中形成了一些小的壓力波峰，幅值大概在0.5 MPa.隨著該前導激波的來回震蕩，其不斷與火焰面發(fā)生相互作用，致使該前導激波強度得到不斷增強.最終，壓力波增強到2 MPa 后，對末端混合氣的再次壓縮過程中，促使了末端混合氣的強烈自燃，導致爆震波的最終形成.該爆震波的前導激波要遠強于初始爆燃波的前導激波，帶來了后期大幅值的壓力震蕩.該大幅值的壓力震蕩會在短時間內(nèi)將燃燒室組件破壞失效，因此亟需避免.缸內(nèi)壓力波震蕩增強的機理可以參見本課題前期研究[19]，此文不再贅述，僅探討擾動增強的壓力波對超級爆震形成的影響.

圖4 缸蓋處壓強曲線的實驗結(jié)果Fig.4 Curve of pressure in cylinder head region obtained from experiments

除了本研究的爆震容彈實驗觀察到了激波擾動增強促使爆震波形成現(xiàn)象外，在研究“超級爆震”的實際發(fā)動機臺架實驗中，也可以捕捉到該現(xiàn)象.例如，Zhou 等[20]所做的“超級爆震”臺架實驗中，也可從其測得的壓強震蕩曲線中觀察到“超級爆震”發(fā)生之前的激波擾動增強現(xiàn)象，如圖5 所示.因此，可以猜測，壓力擾動對缸內(nèi)末端爆震波形成以及“超級爆震”的形成具有一定的影響作用.為了進一步探究缸內(nèi)壓力擾動對爆震波形成的促進作用，本研究在2.2節(jié)中采用了一組數(shù)值進行實驗對比論證.

圖5 內(nèi)燃機“超級爆震”臺架實驗中壓強震蕩曲線(從文獻[20]中重構(gòu))Fig.5 Curves of pressure oscillations in super knock event of internal combustion engine bench tests(reconstructed from Ref.[20])

2.2 壓力擾動的數(shù)值實驗結(jié)果

如圖6 所示是在實際爆震容彈實驗條件下(見表1)，模擬爆震容彈實驗中爆震波起爆過程的壓力云圖和溫度云圖.可以看到267μs 時，缸內(nèi)的壓力波正在向末端未燃混合氣傳播(如圖6(d)所示).此時的壓力波已經(jīng)在缸內(nèi)來回震蕩多次，并在和火焰面的相互作用中得到了增強，使得該壓力波具有2 MPa 左右的峰值.如圖6(e)所示，268μs 時，壓力波趕上了爆燃火焰面，并進一步向末端未燃混合氣傳播.一方面，由于該增強后的壓力波對末端混合氣進行了再一次的強烈壓縮；另一方面，由于該壓力波和爆燃火焰面的相互作用，導致了爆燃火焰面的化學反應(yīng)速率急速增加，在268.5μs 時，形成了局部爆炸點(如圖6(f)).該局部爆炸點促使了爆燃火焰面和壓力波的耦合，從而促使爆震波的最終形成，該壓力擾動也急劇增強，形成幅值為30 MPa 左右的激波.

圖6 壓力波擾動下的爆震波起爆過程Fig.6 Detonation initiation process affected by pressure wave disturbance

為了進一步探索爆震波形成是否是由增強壓力波擾動引起的，本研究對該數(shù)值過程進行了人為修改.在267μs 時刻，通過對全場壓強統(tǒng)一賦值為此時末端混合氣的壓強值，來消除爆震波形成前的壓力波動.由于 267μs 時末端未燃混合氣的壓強值為1.4 MPa，因此全場壓強值賦值也為1.4 MPa.另一方面，為了和原模擬形成可比性，在燃燒室中心位置同樣賦值了一個壓強幅值為0.2 MPa 的初始小壓力擾動(賦值區(qū)域的壓強為1.6 MPa)，如圖7(d)所示.這樣就可以對比探究在壓力擾動沒有得到增強的情況下，末端是否還會形成爆震波.

對比圖7(d)和圖6(d)的壓強云圖，可以看到更改后的數(shù)值計算中，消除了多次震蕩增強的壓力波，只留下了中心處的初始小擾動.計算開始1μs 后，由于末端爆燃火焰面繼續(xù)快速放熱，在火焰面前鋒又形成了新的壓力擾動[21]，如圖7(e)所示.該壓力擾動向末端尖角處傳播，并在尖角處匯聚產(chǎn)生了較高的壓強峰值如圖7(f)所示.該尖角匯聚現(xiàn)象已在前期研究中進行了深入分析[4-5,12-13,18]，由于此時的壓力擾動還未得到進一步的震蕩增強，因此該匯聚峰值也較小，不足以引起末端混合氣的自燃或者爆震波現(xiàn)象.隨后，該小擾動和燃燒室中心的初始小擾動在缸內(nèi)進行了多次反射震蕩，在此過程中，爆燃火焰面也逐漸向末端發(fā)展.直至350μs，缸內(nèi)小擾動震蕩增強到0.5 MPa 并在末端混合氣還未燒完前，最后一次追趕上爆燃火焰面并與之相互作用，如圖7(g)和7(j)所示.在該小擾動波的作用下，末端混合氣被爆燃火焰面燃盡，如圖7(h)和7(k)所示.整個過程都沒有出現(xiàn)壓力波的急劇增強以及爆震波的形成，這足以說明，如果小擾動沒有足夠次數(shù)的反射震蕩增強，就不會誘發(fā)末端混合氣的爆震波現(xiàn)象.

圖7 無增強壓力波擾動下的末端混合氣燃燒過程Fig.7 Combustion process of end gas without pressure wave disturbance

為了進一步證明上述說法，對無小擾動增強的數(shù)值模型中不同位置處的壓強震蕩曲線進行了記錄，如圖8 所示.將圖8 與圖3(b)進行對比可知，如果缸內(nèi)沒有增強后的壓力擾動，末端就不會形成爆震波，缸內(nèi)壓強震蕩幅值就會小很多，對應(yīng)于內(nèi)燃機而言，其爆震烈度可從“超級爆震”降為“普通爆震”，其破壞性也會減少很多，有助于發(fā)動機的持續(xù)穩(wěn)定工作.

圖8 消掉增強壓力擾動后的缸內(nèi)不同位置處壓強震蕩曲線Fig.8 Curves of pressure oscillations at different positions in the cylinder without pressure wave disturbance

3 結(jié)論

本研究通過爆震容彈實驗得出了缸內(nèi)爆震波形成前后的壓力波動特征，發(fā)現(xiàn)在爆震波形成前總會出現(xiàn)壓力擾動的增強現(xiàn)象；通過基于爆震容彈實驗的數(shù)值模擬計算，對比有無壓力擾動增強情況下缸內(nèi)的燃燒情況，發(fā)現(xiàn)如果缸內(nèi)的壓力擾動有充足次數(shù)的震蕩增強，致使壓力波增強到某一臨界值，則會促使爆震波的形成，從而產(chǎn)生大幅值的壓強震蕩；如果在爆震波發(fā)生時刻之前，將增強的壓力擾動及時消掉，就不會形成爆震波現(xiàn)象，末端未燃混合氣會逐漸被爆燃火焰面通過傳熱傳質(zhì)的方式燃燒完全.此時產(chǎn)生的壓強震蕩幅值較有爆震波形成的情況下要小很多，其烈度從“超級爆震”降為“普通爆震”，其破壞性也會減少很多.

因此內(nèi)燃機在大負荷運行中，如果缸內(nèi)熱負荷嚴峻，應(yīng)當在爆震波形成前及時消除缸內(nèi)的增強壓力擾動，這樣會降低爆震波形成的幾率，有助于降低內(nèi)燃機的爆震烈度，從而降低其破壞性，使內(nèi)燃機能持續(xù)穩(wěn)定工作.