王博远，齐运亮，王颖迪，王 志，2，王建昕

（1.清华大学，汽车安全与节能国家重点实验室，北京 100084； 2.清华大学燃烧能源中心，北京 100084）

前言

天然气具有辛烷值高、碳氢比低等物化特性优势，天然气发动机具有良好的节能减排应用前景[1]。天然气发动机的燃烧以点燃方式为主，点燃式发动机单点着火后火焰传播的燃烧速度缓慢，是其热效率逊于压燃式发动机的主要原因之一。而相比于其他燃料，天然气着火所需的反应活化能更高，导致其着火性差，火核形成时间长，火焰速度更低，对发动机热效率更为不利[2]。

预燃室式射流点火是一项有潜力改善天然气发动机燃烧性能的技术途径，可通过在燃烧室内设计一个体积占比低于3%的预燃室来实现[3]。该预燃室相当于主燃室的点火源，初始火焰仍通过传统火花塞放电在预燃室内产生，随后火焰在预燃室内生成并发展，进而通过连接预燃室与主燃室的喷孔产生射流，引燃主燃室内的混合气。在这种模式下，预燃室结构能够保障火核的稳定发展，而由喷孔产生的射流为主燃室提供了多个空间分布的点火源，使火焰传播距离缩短，燃烧速率提升，具有大幅改善燃烧特性的潜力。文献[4]中进行了火花塞与预燃室的集成设计，利用预燃室壁面充当点火侧电极，将其应用至一台重型6缸天然气发动机上进行试验，滞燃期和燃烧持续期最高可缩短30%，且稀燃极限得到小幅拓展；文献[5]中在一台小排量天然气单缸机上试验研究了若干预燃室设计因素的影响，结果表明选用低热导率材料，并采用点火位置接近喷孔的预燃室设计可实现更优性能；文献[6]中在发动机上研究了预燃室式射流点火拓展爆震极限的潜力，发现采用射流点火可以将燃料辛烷值要求降低10～15，相当于能够将压缩比提高2～3个单位；文献[7]中将预燃室式射流点火应用至航空用活塞式发动机，利用辛烷值更低的燃料达到了原机性能。

上述研究已展示出预燃室式射流点火对燃烧特性的改善效果，但各研究采用的预燃室设计不同。目前，预燃室式射流点火方式在发动机上的应用，主要通过对已有发动机小幅改造而实现。文献[8]中研究了预燃室体积的影响，指出在一定范围内，燃烧特性随预燃室体积的增加而得到优化。因此，多数研究的预燃室采用外置方案，即预燃室的全部或部分体积拓展至原有燃烧室空间以外，以保证预燃室达到比较理想的体积，但此类设计存在降低压缩比等不利影响。相比之下，内置式预燃室占据原有燃烧室的部分空间，不改变点火位置，但受到装配等方面的限制，预燃室体积占比相对较低。

本文中设计了内置式半球型的预燃室射流点火装置，采用可视化快速压缩机对其进行试验研究，并与传统火花点火进行对比，以评价此类预燃室设计改善发动机性能的潜力。快速压缩机能够提供与发动机相当的温度与压力条件，而其燃烧室结构简单，改造方便，适于新型设计的性能探究，且具备可视化条件，便于对燃烧过程进行观察与解析。而采用内置式预燃室设计，可不改变点火位置和压缩比等因素，控制了对比试验的变量，为两种点火方式及其燃烧提供了更为直观的对比与更具参考价值的评价。

1 试验设备与方法

1.1 试验系统

基于快速压缩机的可视化试验系统如图1所示，其中快速压缩机由高压气罐、气压驱动段、液压段、压缩段和燃烧室等5部分组成[9]。燃烧室的直径为50.8mm，其外侧端盖嵌有相同直径的石英视窗，以供高速相机对燃烧过程在全视场范围内进行拍摄。拍摄用高速相机为Photron SA-X2彩色相机，镜头为Nikon AF Micro f/4D，相关拍照参数如表1所示，试验过程中光圈设置保持不变。本研究选用的火花塞为IFR7U-4D，压力传感器为Kistler 6125C，电荷放大器为Kistler 5018A。

表1 高速相机设置参数

为对比研究预燃室式射流点火与传统火花点火的特性，分别对这两种方式进行了试验研究。图2示出了燃烧室的剖面图。进行预燃室式射流点火试验时，火花塞及预燃室、进排气通道和压力传感器依次周向布置，如图2(a)所示；进行传统火花点火试验时，除预燃室结构被移除外，其余装置的布置方案完全一致，如图2(b)所示。

1.2 可燃混合气

甲烷(CH4)是天然气中的主要成分，体积占比一般在90%以上[10]。为使试验结果为相关的天然气发动机研究提供参考，本试验选用CH4作为燃料，与氧气(O2)、氮气(N2)配成可燃混合气。试验选取的可燃混合气当量比为1，O2和N2的配比与空气中的实际比例相同，即可燃混合气中CH4，O2和N2的摩尔比为1∶2∶7.52，在试验前根据道尔顿分压定律配制。

图1 基于快速压缩机的可视化试验系统

1.3 预燃室设计

本试验中，预燃室采用内置式半球型设计，装配在燃烧室周向边缘，其对称轴线与圆柱形主燃烧室的轴线相交。预燃室体积占燃烧室总体积的1.25%，为发挥预燃室式射流点火能产生多束点火射流进而优化燃烧的特点，预燃室通过在预燃室壁面上均匀布置的4个喷孔与主燃烧室连通，孔径均为1.5mm，开孔方向与预燃室中心轴线呈45°夹角，装配时使预燃室喷孔对称于快速压缩机轴线，如图3所示。

1.4 试验方法

试验中，通过DG645型脉冲发生器与NI数据采集系统(cDAQ-9178和cDAQ-9223)实现火花塞点火、高速相机触发和压力信号采集之间的同步控制。其中，高速相机触发与火花塞点火均由压力信号进行同步控制，即以点火时刻作为拍摄始点。火花塞点火控制在快速压缩机压缩过程完成后进行，试验结果如图4所示，以点火时刻作为每组试验的零时刻(t＝0)。

图4 燃烧室压力与点火信号示意图

快速压缩机的压缩比为9.5。在天然气发动机常用工况范围内，点火时刻的缸内压力一般在1.0～2.5MPa之间。本试验根据天然气发动机常用工况范围，选取点火时刻燃烧室压力 pign为1.1，1.7和2.3MPa分别代表小负荷、中负荷和大负荷工况进行研究。

2 试验结果与分析

2.1 燃烧特性及其分析

3种负荷条件下，采用预燃室式射流点火和传统火花点火的燃烧压力和瞬时放热率曲线对比如图5所示。在试验所选负荷范围内，预燃室式射流点火均体现出明显的加速燃烧效果，点火后主燃室内的压力即迅速增长，在其达到峰值的同一时刻，采用传统火花点火的燃烧压力尚处于缓慢上升阶段。各负荷条件下，火花点火方式的压力峰值均出现在15ms以后，而预燃室式射流点火可以将压力峰值时刻提前至9ms以前。与传统火花点火相比，预燃室式射流点火在压力幅值方面同样具有优势，各负荷最高压力均高于火花点火，且这一差距随负荷增加而有所扩大。由瞬时放热率曲线可知，预燃室式射流点火的放热更靠前、更集中，同时能够达到更高的放热率。

图5 两种点火方式的燃烧压力与瞬时放热率

根据燃烧压力和瞬时放热率可计算得出有关的燃烧特性参数。将累计放热率由0增加到10%和由10%增加到90%所经历的时间分别记为滞燃期tid和燃烧持续期tcd(将点火时刻记为累计放热率的零时刻)，将最高燃烧压力记为pmax，最大累计放热量记为Qmax[11]。试验工况条件下两种点火方式的tid，tcd，pmax和Qmax等燃烧特性参数如图6所示，图6中同时标明了相比于传统火花点火，采用预燃室式射流点火后上述参数的变化幅度。

图6 两种点火方式的燃烧特性参数对比

在3种负荷条件下，传统火花点火的滞燃期和燃烧持续期的变化不大，分别在6－7和7－8ms区间内，而预燃室式射流点火将这两项指标均大幅缩短至3－4ms的水平，降低幅度分别超过45%和50%。同时，最高燃烧压力和最大累计放热量均有不同幅度的提升。

随着负荷的提高，燃烧特性参数的变化幅度加大，即预燃室式射流点火改善燃烧性能的效果增强。其中，大负荷工况条件下的滞燃期和燃烧持续期的缩短比例能够达到55%；而最高燃烧压力和最大累计放热量在小负荷提升效果不明显的情况下，在大负荷时能够分别提高7%和10%。

对于点燃式发动机，滞燃期和燃烧持续期分别是评价点火性能和燃烧性能的重要指标，试验结果证明了设计的预燃室射流点火装置强化点火和加速燃烧的能力。而对于火花点火式天然气发动机，受制于天然气较长的火核形成时间和缓慢的燃烧速度，在部分工况范围内，其滞燃期和燃烧持续期都比汽油机长10°CA[12]。为实现相同的燃烧相位，其点火时刻比汽油机提前最高可达10°CA[12]。较大的点火提前角将导致压缩行程中负功的增加，而较长的燃烧过程意味着等容度的下降，均对发动机热效率具有不利影响。研究中预燃室式射流点火能够弥补上述不足，具有优化燃烧相位、提高燃烧等容度，降低压缩行程负功等利于发动机热效率提高的潜在优势。

此外，燃烧压力和累计放热量是与热效率直接相关的参数，虽然快速压缩机的工作过程不包括做功行程，与发动机存在差异，但pmax和Qmax等指标仍能够在一定程度上反映出不同点火与燃烧模式在发动机应用中的热效率水平[11]。与传统火花点火相比，预燃室式射流点火在各负荷下均有更高的pmax和Qmax，体现了提高热效率的潜力。而发动机内的燃烧主要在活塞下行的做功行程中进行，此时气缸容积逐渐加大，在燃烧等容度更高的情况下，预燃室式射流点火在燃烧压力和放热量方面的优势可能更大。

2.2 燃烧过程的高速摄影

图7以点火时刻压力为1.7MPa的中负荷为例，示出了两种点火方式的燃烧图像。其中，由于燃烧初始阶段火焰亮度较低，两种点火方式在4.00ms(不含)以前的燃烧图像均经过了相同程度的提高对比度处理，其它图像未经处理。

在点火后的一段时间内，射流点火方式的预燃室内部先后经历了火核生成和火焰发展的过程，此时主燃室内尚无火焰，如0.96ms时的图像所示。主燃室内首次观察到射流火焰的时刻是1.92ms，随后射流火焰由喷孔喷出并快速发展，其速度远高于传统火焰传播。由于预燃室在系统内对称布置，因此视窗内呈现出两束基本对称的射流火焰(另外两个喷孔产生的射流火焰被遮挡)。可燃混合气被多束射流火焰迅速引燃，射流火焰的前锋面在4.00ms前到达主燃室壁面，在6.40ms时高亮度的火焰已经基本覆盖全部视场，表明此时主燃室内全部范围均已燃烧，该时刻的累计放热率已达80%，燃烧压力接近峰值。

图7 pign＝1.7MPa条件下两种点火方式的燃烧图像

在上述预燃室式射流点火燃烧发展的时间历程内，采用传统火花点火的燃烧呈现典型的火焰球面传播模式，火焰发展较为缓慢。根据燃烧图像计算可得，在射流点火的火焰已经覆盖视窗范围的同一时刻，传统火花点火的火焰传播范围仅为燃烧室容积的30%，累计放热率仅为10%。

2.3 点火与燃烧过程的稳定性分析

对于点燃式发动机，点火和燃烧过程的稳定性是影响其性能优劣的重要因素之一。预燃室式射流点火及其随后的燃烧历经预燃室内火花放电、火核生成并长大、火焰发展至壁面、火焰经过喷孔形成射流和主燃室内快速燃烧等多个阶段。而在此之前的压缩过程中，混合气经过多个喷孔压入预燃室，使点火时预燃室内的流动强度较高。一方面，一定的流动有利于火核的初始生长；另一方面，如果流动过强，则会对火核造成不利影响[13]。因此，与传统火花点火相比，预燃室式射流点火在一个循环内所经历的过程更为复杂，虽然其具有燃烧速度等方面的明显优势，但若对这一优势加以利用，首先要对其点火和燃烧的稳定性进行考察。

与发动机相比，快速压缩机的进气组分与进气压力控制精确，且内部流动环境相对简单，因此在快速压缩机上进行重复试验，循环间的变化因素较少，更能体现点火与燃烧过程本质的稳定性。本文中在快速压缩机上对预燃室式射流点火进行了重复试验，以探究该方式在点火和燃烧过程中的稳定性，同时对传统火花点火进行同条件下的试验作为参照。试验选取点火时刻压力1.5MPa这一中低负荷作为试验工况，每种点火方式在相同条件下进行8组重复试验，各组试验的燃烧压力曲线如图8所示。

图8 pign＝1.5MPa条件下两种点火方式重复试验的燃烧压力曲线

图9 示出了滞燃期tid、燃烧持续期tcd、最高燃烧压力pmax和最大累计放热量Qmax等燃烧特性参数的平均值及其波动范围。

滞燃期方面，预燃室式射流点火的tid波动范围极小，优于传统火花点火，表明压缩过程中通过喷孔在预燃室内部产生的强湍流对火核的生成与发展起到了积极作用，且随后预燃室内部的火焰发展和在主燃室内形成射流的过程具有较高的稳定性。而燃烧持续期方面，两种点火方式的波动范围基本处于相同水平。

图9 pign＝1.5MPa条件下两种点火方式燃烧特性参数的平均值及其波动范围

最高燃烧压力和循环放热量是表示发动机输出能力的重要参数，预燃室式射流点火在这两项指标上的波动极小，远胜于传统火花点火。

3 结论

本文中设计了内置式半球型四孔预燃室，并在全燃烧场可视的快速压缩机(RCM)上，采用同步压力传感和高速摄影进行了试验，同时与相同条件下的传统火花点火进行对比，主要结论如下:

(1)与传统火花点火方式相比，预燃室式射流点火能够显著强化点火、加速燃烧，具有提高点燃式天然气发动机热效率的潜力，滞燃期tid、燃烧持续期tcd分别大幅缩短45%和50%以上，最高燃烧压力pmax、最大累计放热量Qmax有所提升，且燃烧特性参数的改善程度随负荷加大而提高，在大负荷条件下改善效果更为明显，tid和tcd的缩短比例均达到55%，pmax和Qmax分别增加7%和10%；

(2)高速摄影结果表明，预燃室式射流点火系统在主燃室内快速产生射流火焰，可燃混合气被多束射流火焰迅速引燃，6.40ms时火焰已充满整个燃烧室，累计放热率达80%；相同时间内，采用火花点火方式的燃烧呈现传统的火焰球面传播模式，燃烧速度缓慢，6.40ms时火焰传播范围仅为燃烧室容积的30%，累计放热率仅为10%；

(3)预燃室式射流点火方式的点火与燃烧稳定性高，滞燃期tid、最高燃烧压力pmax和最大累计放热量Qmax的波动范围极低，显著优于传统火花点火。

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