馮鐘輝，周 磊，劉沛林，高 強，李匡迪，衛(wèi)海橋

(天津大學 內(nèi)燃機燃燒學國家重點實驗室，天津 300072)

0 概述

由于氣候和環(huán)境問題備受關注，減少溫室氣體排放刻不容緩，而車輛運輸是重要的溫室氣體排放途徑之一。降低排放成為發(fā)動機研究和發(fā)展的重要方向，天然氣等高效清潔能源作為汽油、柴油的代替燃料越來越受關注[1]。甲烷是天然氣最主要的成分，由于其碳氫比較低且更易與空氣混合使得燃燒更充分，產(chǎn)生的顆粒物和二氧化碳排放較少，相同熱效率工況下二氧化碳排放可減少23%[2-3]。此外，天然氣價格低廉，儲量豐富[4]，抗爆性好，有利于解決點燃式(spark ignition， SI)發(fā)動機爆震問題，提高熱效率。然而天然氣著火溫度高更難點燃，燃燒速度較慢，需要更高的能量來點燃混合氣，使用預燃室射流點火系統(tǒng)(turbulent jet ignition, TJI)是實現(xiàn)天然氣穩(wěn)定著火的有效手段。

TJI不但可以提供更高的點火能量，還可以提高火焰速度促進燃燒。其將發(fā)動機燃燒室分為氣缸內(nèi)的主燃燒室和氣缸蓋上的預燃室兩部分，預燃室通過一個或多個直徑為幾毫米的通道與主燃燒室相連。研究表明，TJI可使燃燒持續(xù)時間縮短，同時TJI還可以擴展稀燃極限[5-6],由于稀薄燃燒的燃燒溫度較低，可以有效減少氮氧化物排放，使其達到接近零的水平[7-8]。此外在中負荷工況下，稀燃可以在降低廢氣排放的同時保持較低油耗，并獲得更高的效率[9]。然而，稀薄燃燒較低的燃燒速度使燃燒過程變得更長且不完全，導致發(fā)動機燃燒不穩(wěn)定[10]。TJI與傳統(tǒng)SI點火相比，在化學計量和稀燃條件下有明顯優(yōu)勢，尤其在稀燃情況下，火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤稍黾?～6倍[11]。文獻[12]中在通過湍流射流點火擴展液化石油氣(liquefied petroleum gas, LPG)、壓縮天然氣(compressed natural gas, CNG)及一氧化碳(CO)稀燃極限的試驗中發(fā)現(xiàn)：火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊募涌旒盎瘜W活性燃燒產(chǎn)物的產(chǎn)生都可以改善燃料點火水平，擴展燃料稀薄燃燒極限。文獻[13]中在單缸發(fā)動機上應用TJI系統(tǒng)的試驗結果表明，從λ=1.1開始隨著混合氣變稀，氮氧化物排放迅速降低，在λ=1.8時達到接近零(<10×10-6)的水平。雖然目前天然氣射流點火在少數(shù)天然氣發(fā)動機中有所應用，但對于天然氣射流點火的具體燃燒過程尚不清晰，需要進一步的研究，尤其是不同預燃室結構下天然氣射流火焰的燃燒特性和性能表現(xiàn)。

本文中基于定容燃燒彈，利用預燃室湍流射流點火系統(tǒng)對不同預燃室孔徑和結構下甲烷燃燒特性進行研究。在相同初始壓力、溫度和混合氣濃度下，采用不同孔徑單孔預燃室，以光學試驗方式研究了火焰?zhèn)鞑ニ俣?、火焰面積、燃燒壓力及著火機理隨孔徑大小的變化，提出多級加速預燃室概念，并將光學試驗與單孔預燃室進行比較。本研究結果可為甲烷TJI在實際SI發(fā)動機上的應用提供理論依據(jù)。

1 試驗裝置及研究方法

1．1 試驗裝置

本試驗在定容燃燒彈試驗臺架上進行，整個試驗系統(tǒng)由定容燃燒彈主體、預燃室湍流射流點火系統(tǒng)、高速紋影攝像系統(tǒng)、進排氣系統(tǒng)、壓力采集系統(tǒng)和溫度測控系統(tǒng)組成，如圖1所示。燃燒室是一個直徑100 mm、長度230 mm的圓柱體，總容積 2.32 L。前后兩面分別裝有觀察窗，由高質(zhì)量的石英玻璃制成，透光性強。觀察窗長230 mm，寬 80 mm，呈跑道形。主燃燒室壓力信號由裝在定容燃燒彈頂端的KISTLER 6045A壓力傳感器采集，壓力信號被電荷放大器放大，并傳輸給美國國家儀器USB-6361數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄。高速攝像機(Photron FASTCAM SA-Z)拍攝與火花塞點火同時觸發(fā)，以20 000幀/s拍攝和記錄紋影圖像以觀察燃燒彈內(nèi)的火焰。彈體上下壁面分別裝有加熱板，試驗前加熱彈體至353 K，防止燃燒產(chǎn)物冷凝附著在觀察窗玻璃影響拍攝觀察效果。

圖1(b)為本試驗使用的預燃室系統(tǒng)內(nèi)部結構示意圖，預燃室容積為3.6 mL。該預燃室是基于一臺單缸試驗機尺寸設計的，容積約占該發(fā)動機燃燒室容積的5%。預燃室分為單孔預燃室和多級加速預燃室兩種，其中：單孔預燃室只有一個直通孔，如圖 1(c) 所示；多級加速預燃室相比單孔預燃室內(nèi)部增加了兩道孔板，多級加速X-Y-Z預燃室即為孔徑由上至下分別為Xmm、Ymm和Zmm(例如多級加速8-6-4與單孔4 mm預燃室出口孔徑同為4 mm，而內(nèi)部增加兩道帶有直徑為8 mm和 6 mm 圓孔的孔板)，如圖1(d)所示?？扇蓟旌蠚馔ㄟ^孔口進入預燃室內(nèi)，并由火花塞點燃。為保證進入預燃室的混合氣均勻，將甲烷與空氣通過分壓法通入預混罐中，預混罐內(nèi)部設有磁力攪拌轉子，預混均勻后將混合氣通入定容燃燒彈內(nèi)至3×105Pa，關閉所有閥門，點火同時觸發(fā)壓力采集系統(tǒng)和高速攝相機，完成對燃燒壓力和燃燒過程紋影圖像的采集。每次點火后用真空泵將彈體內(nèi)部抽至真空，保證其內(nèi)部無廢氣殘余后，再充入新的混合氣進行下一次試驗。

圖1 試驗裝置及預燃室結構示意圖

在試驗過程中為了使現(xiàn)象明顯便于拍攝，將初始壓力設為0.3 MPa，甲烷/空氣混合氣當量比為1.0，檢驗確認預混罐和定容燃燒彈密封性后即可開始試驗。為了確定出口孔徑對火焰?zhèn)鞑サ挠绊懀尚≈链蟾鼡Q了不同出口孔徑的預燃室(單孔2 mm、單孔3 mm、單孔4 mm、單孔5 mm、單孔6 mm、多級加速式8-6-4及多級加速式8-6-6)，記錄不同的射流火焰?zhèn)鞑ニ俣群椭鹉Ｊ?。每種預燃室規(guī)格的試驗重復3次，如圖2中試驗1、2、3即為在相同條件下(單孔6 mm預燃室，初始壓力0.3 MPa)燃燒壓力及火焰前鋒面位置隨時間的變化關系?？梢钥闯?次試驗得到的結果趨勢一致，證明試驗具有可重復性，試驗數(shù)據(jù)可靠。

圖2 單孔孔徑6 mm預燃室在初始壓力0.3 MPa下試驗重復性驗證

2 結果與討論

已有研究表明更高的點火能量及較低的火焰?zhèn)鞑ニ俣仁窍”∪紵媾R的主要問題[14]，本研究中使用多級加速式預燃室可以加快火焰?zhèn)鞑ニ俣?，提高放熱率峰值，具有提高燃燒速率、縮短燃燒持續(xù)期的潛力。下文中將對單孔及多級加速式預燃室對燃燒特性的影響進行比較并討論分析。

2.1 不同預燃室的火焰?zhèn)鞑D像

圖3為傳統(tǒng)SI點火與單孔TJI點火火焰在定容燃燒室中傳播的高速紋影圖片?；鸹ㄈc預燃室裝在定容燃燒彈的右側，火焰由火花塞點燃或從預燃室內(nèi)射出向左側傳播。預燃室結構及點火形式不同使火焰?zhèn)鞑テ鹗紩r間不完全相同，故將火焰在同一起始位置時對應的時刻定義為初始時刻t0，火焰發(fā)展間隔時間Δt=0.7 ms。SI點火時，火焰前鋒面光滑，是傳統(tǒng)的預混層流火焰。在TJI系統(tǒng)中，火焰在預燃室中點燃，由于節(jié)流效應和K-H不穩(wěn)定性的存在，火焰從預燃室射出，形成具有較高傳播速度的湍流火焰。隨著預燃室孔徑的減小，射流作用增強，火焰?zhèn)鞑ニ俣纫搽S之增強。分析發(fā)現(xiàn)，在4倍Δt時間內(nèi)，3 mm單孔TJI火焰已經(jīng)傳播至畫面最左端，且射流孔徑越大TJI火焰的傳播距離越短。此外，傳統(tǒng)SI火焰的傳播距離遠遠小于TJI火焰。

圖3 SI與單孔TJI在定容燃燒室中火焰?zhèn)鞑D像

圖4為定容燃燒彈中單孔與多級加速預燃室TJI火焰?zhèn)鞑サ母咚偌y影圖像。從圖中可以看出，在t=t0+Δt時，單孔預燃室火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x要大于多級加速預燃室，而隨著火焰發(fā)展逐漸被反超。在t=t0+2Δt時，多級8-6-6預燃室火焰前鋒面已經(jīng)與單孔6 mm平齊，并在t=t0+3Δt實現(xiàn)了反超。該現(xiàn)象表明相對于多級8-6-6，單孔6 mm預燃室具有更高的出口速度和更大的速度衰減率。同樣的結果在單孔 4 mm 方案也可以看到。4 mm單孔預燃室火焰?zhèn)鞑ニ俣雀?，速度衰減至與多級加速預燃室相同所需時間更長，但總體趨勢相同。并且從圖中可以看出，單孔預燃室火焰射出后會在向前傳播的同時向四周擴散，而多級加速預燃室火焰更多的只是沿射流的方向傳播，向垂直方向的縱向擴散更少，故單孔射流火焰速度衰減更快，在更高的出口速度情況下平均火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊陀诙嗉壖铀兕A燃室。綜上，多級加速預燃室火焰速度在出口后短時間內(nèi)低于單孔預燃室，但隨后會反超，整體速度略高于單孔預燃室。

圖4 單孔與多級加速預燃室TJI火焰?zhèn)鞑Ρ葓D像

2.2 著火機理

通過試驗探究不同預燃室孔徑對火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊?，發(fā)現(xiàn)射流引燃定容燃燒彈內(nèi)混合氣存在兩種不同的著火機理。第一種出現(xiàn)在大孔徑時，帶有火焰的射流直接從預燃室中射出，點燃外部的混合氣，如圖3和圖4所示。當孔徑減小到2 mm時，第二種點火機理出現(xiàn)，射流射出后并未直接引燃定容彈中混合氣，而是在射出一段時間后混合氣才開始燃燒，如圖5所示。這是由于熱量損失和高拉伸率使火焰在通過孔口時已經(jīng)熄滅，活性射流中只剩下火焰的不完全燃燒產(chǎn)物[15]。這種情況下著火時刻會發(fā)生推遲，同樣在t0的初始時刻下，經(jīng)過 7.85 ms 才發(fā)生著火，且在著火后4.5 ms達到圖像最左端。這兩種著火機理分別為火焰點火(通過反應射流中火焰點火)和噴射點火(通過反應射流中熱燃燒產(chǎn)物點火)。噴射點火出現(xiàn)在預燃室出口孔徑小的情況，隨著孔徑增大，噴射點火轉變?yōu)榛鹧纥c火。

圖5 單孔2 mm預燃室的不同著火模式

2.3 不同預燃室結構對火焰?zhèn)鞑ニ俣群突鹧婷娣e的影響

圖6為SI與單孔TJI火焰?zhèn)鞑ニ俣群突鹧婷娣e發(fā)展的比較。從圖6中可以看出，TJI的火焰出口速度遠高于SI。其中，3 mm單孔預燃室出口火焰速度可達240 m/s，迅速下降至相對較低速度后趨于平穩(wěn)。相比之下，SI火焰?zhèn)鞑ニ俣热套兓淮蟮w速度慢。這是因為TJI火焰發(fā)展存在層流火焰、射流火焰和湍流火焰3個明顯的階段。由于燃燒氣體的膨脹，未燃氣在火焰下游形成了氣流。氣流過孔后由于節(jié)流效應產(chǎn)生高速射流，火焰在穿過孔板的快速射流中。在射流的驅(qū)動下，火焰過孔后迅速加速[16]。此外，在TJI點火工況下，火焰出口速度隨孔徑減小而增大，3 mm時達到最大，這與圖3中對火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x圖像的比較結果一致。當單孔孔徑減小到2 mm時，著火機理發(fā)生變化，著火發(fā)生延遲且初始火焰速度較慢，與圖5中規(guī)律一致。

圖6 SI及單孔TJI對火焰速度和火焰面積發(fā)展影響

圖7為單孔TJI及多級加速預燃室火焰速度、火焰面積與時間關系曲線。圖6(b)和圖7(b)中0時刻為點火時刻，曲線開始出現(xiàn)上升時為火焰出現(xiàn)時刻。從 圖6(b) 中可以看出火焰面積與火焰?zhèn)鞑ニ俣扔泻艽箨P聯(lián)，隨著孔徑減小，火焰?zhèn)鞑ニ俣燃涌欤鹧婷娣e增大的也越快，而速度較慢的SI點火面積增大速度也遠低于TJI。TJI火焰面積并非從0時刻開始上升，而是在SI火焰?zhèn)鞑チ艘欢螘r間后才出現(xiàn)火焰。這是由于火焰在預燃室中形成需要一段時間，與SI火焰形成過程不同。此外，單孔3 mm預燃室射流在出口時更傾向于噴射點火機理的氣流，只不過隨后迅速被后面追趕上來的火焰引燃，所以火焰出現(xiàn)時刻和火焰面積上升速度先低于其他孔徑，隨后著火后迅速上升達到最快。單孔2 mm預燃室由于著火機理為噴射點火，引燃主燃燒室時間較晚，火焰出現(xiàn)較晚，但由于其火焰發(fā)展穩(wěn)定后，火焰?zhèn)鞑ニ俣葍H次于單孔3 mm預燃室，因此火焰面積增大速度也僅次于3 mm預燃室。

圖7 多級加速預燃室對火焰速度和火焰面積的影響

多級加速預燃室在圖7中所展現(xiàn)的火焰速度和火焰面積發(fā)展趨勢與圖4中的現(xiàn)象基本一致。圖7(a) 中多級加速預燃室火焰速度在出口時略低于單孔預燃室，但速度衰減速率也低于單孔預燃室，在火焰?zhèn)鞑ヒ欢尉嚯x后火焰速度超過單孔預燃室。此外，6 mm比4 mm速度反超發(fā)生得更早，總體上呈現(xiàn)多級加速預燃室相比單孔預燃室先慢后快的趨勢。

從圖7(b)中可以看出，多級加速預燃室僅在出口時火焰面積增長速度要低于單孔預燃室，整體上火焰面積增長速度較快。同時，從圖中還可以看出多級加速預燃室的火焰出現(xiàn)時間要早于單孔預燃室火焰，這是由于在多級預燃室中，火焰經(jīng)歷了多次加速，因而到達出口前火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤煊趩慰最A燃室中的火焰?zhèn)鞑ニ俣取?/p>

2.4 不同預燃室結構對燃燒壓力的影響

圖8(a)為不同孔徑單孔TJI及SI點火情況下的定容燃燒彈內(nèi)壓力對比圖。壓力的發(fā)展與放熱緊密相關，而放熱與火焰?zhèn)鞑ニ俣让懿豢煞?。相比傳統(tǒng)SI點火，TJI可使壓力上升更快，相同條件下壓力峰值也有所升高。同理，不同孔徑的預燃室之間，隨著孔徑減小，壓力更快達到峰值，峰值壓力更高，壓力升高率更大。其中，單孔2 mm預燃室由于著火機理的不同，著火時刻延后導致壓力升高時刻較晚，但由于湍流燃燒的存在，依舊有較高的峰值壓力和壓力升高率。圖8(b)為多級加速預燃室與對應孔徑單孔預燃室壓力對比。可以看出二者的燃燒峰值壓力基本相同，說明燃燒壓力受孔徑大小影響較大，多級加速預燃室基本不會影響燃燒壓力。圖中多級加速預燃室壓力上升更早，是由于射流火焰更早進入定容燃燒室，且整體燃燒速度也略快于單孔預燃室，因此更早地達到峰值壓力。

圖8 定容燃燒彈內(nèi)壓力與時間關系曲線

圖9為SI及不同規(guī)格預燃室對燃燒壓力震蕩的影響，是對壓力曲線進行4 kHz高通濾波得到的。在之前的研究[17]中，改變當量比的試驗結果證實火焰尖端速度對燃燒室端部的激波和壓力震蕩有很大影響，且峰值壓力與壓力震蕩的最大幅度取決于火焰速度。由圖9可知，火焰速度最快的單孔3 mm預燃室壓力震蕩最大，峰值接近0.05 MPa。隨著孔徑增大，壓力震蕩迅速減小，單孔5 mm預燃室壓力震蕩已經(jīng)基本消失。多級加速預燃室壓力震蕩幅度小于單孔預燃室，這是由于小孔徑單孔預燃室出口射流速度更快，燃燒速率更快，對未燃混合氣的壓縮更大，從而導致更高的壓力震蕩。

圖9 SI及各種預燃室在高通濾波后的燃燒壓力振蕩

3 結論

(1) TJI火焰?zhèn)鞑ニ俣冗h高于傳統(tǒng)SI點火，且隨著預燃室孔徑減小，火焰速度加快，火焰面積增長速率加快，燃燒壓力峰值隨預燃室孔徑減小而增大，壓力升高率增大。在不同孔徑下可觀察到火焰點火和噴射點火兩種不同的著火機理。預燃室孔徑較大時著火機理都為火焰點火；隨著孔徑縮小，火焰點火轉變?yōu)閲娚潼c火。

(2) 多級加速預燃室相比單孔預燃室火焰速度先慢后快，射流出口時刻早于單孔預燃室，火焰面積也更早發(fā)展到最大值；多級加速預燃室對燃燒壓力峰值影響不大，但由于射流出口時刻更早，壓力升高時刻更為提前。