卫海桥, 赵健福, 周 磊

(天津大学 内燃机燃烧学国家重点实验室, 天津 300072)

0 引 言

目前发动机仍主要依靠石油类燃料，而石油资源短缺和石油燃烧导致的温室气体排放和大气污染成为全世界面临的重大问题。这就要求发动机制造商生产研制更低油耗和更低排放的发动机。发动机小型强化技术通过进气增压来降低气缸容积而功率保持不变，或者提高功率和扭矩而不增加气缸容积，同时提高发动机效率，被认为是最有前途的点燃式(Spark Ignition，SI)发动机节能减排技术措施之一[1]。然而，小型强化SI发动机热负荷的增加，导致其在燃烧过程中更容易发生爆震(Knock)[2]、超级爆震(Super-Knock)[3-4]等不正常燃烧现象。这些异常的燃烧现象将导致缸内高频、剧烈的压力振荡，恶化发动机性能，甚至对发动机部件造成不可逆的损伤。因此，爆震和超级爆震等非正常燃烧现象是限制小型强化SI发动机热效率进一步提升的突出瓶颈。

目前爆震产生的机理尚不明确，主要存在2种不同的理论：末端气体自燃和爆轰理论。末端气体自燃理论认为，在主火焰锋面传播至缸壁前，末端气体自燃导致缸内压力突升。自燃理论由于很好地解释了光学实验的结果，因而得到广泛的认可。Bauerle[5]采用激光诱导荧光(Laser Induced Fluorescence，LIF)的方法检测到内燃机末端气体的热点自燃并提出热点的自燃分为诱发、起燃和传播3个阶段。Kawahara[6]在氢气燃料压缩膨胀机上通过高速摄像方法观测到爆震过程中的自燃和压力波，并提出爆震强度与末端气体数量相关。与此不同，超级爆震是由“热点”(Hot spot)先于火花点火自燃诱发的异常燃烧现象。Zahdeh[7]与Zaccardi[8]等通过内窥镜观测到了燃烧室内先于火花点火形成的“热点”，并根据形成位置及分布排除了排气门及火花塞电极等高温表面点火可能。润滑油被认为是形成低速早燃“热点”的可能物质之一，被稀释后的润滑油通过活塞环岸积累并窜入到燃烧室内发生蒸发和氧化，最终在火花点火之前发生自燃[9]，自燃后产生的火焰和压力突变在传播过程中诱导末端未燃混合气再次发生自燃，并产生具有强压力间断的爆轰波[10-11]，引发燃烧峰值压力高达30MPa，压力振荡幅值超过20MPa 的超级爆震[12]。由此可知，自燃是引发非正常燃烧过程的必要条件。综上所述，无论是常规爆震还是超级爆震，本质特征都是未燃混合气发生自燃，自燃后的压力波-湍流火焰相互作用最终导致了剧烈的压力振荡。湍流火焰-压力波相互作用的相关研究是揭示爆震、超级爆震等非正常燃烧现象产生机理的关键。

伴随着现代光学技术、计算机技术和图像处理技术的发展，光学诊断(Optical diagnostics)方法在湍流燃烧试验中得到越来越广泛的应用，高时间/空间分辨率的光学可视化手段被用于探索火焰加速、冲击波形成以及火焰-冲击波的相互作用。但在实际内燃机中观测爆震过程中湍流火焰-冲击波的相互作用过程十分困难，这是因为爆震发生时缸内瞬时高温高压条件对可视化实验条件要求苛刻，同时进排气和活塞运动造成的复杂流动以及火焰在狭小空间内的传播对缸内密度场的扰动，使得压力波的捕捉变得困难。快速压缩机(Rapid Compression Machine，RCM)和定容燃烧弹(Constant Volume Combustion Bomb，CVCB)可以再现不同强度的压力波传播及其与火焰的相互作用过程，因此成为了众多研究者的选择。

Kawaraha[6]等基于1台氢气燃料点燃式压缩膨胀机通过高速摄影技术观测了爆震过程中末端气体自燃以及压力波的产生和传播过程。王志[13]等基于1台快速压缩机开展了超级爆震过程中的燃烧现象和压力变化的研究，指出引发剧烈压力振荡的爆轰燃烧是由未燃气体中的热点直接引发的。Xiao等[14-15]基于定容燃烧弹开展了郁金香火焰(Tulip flame)动力学的研究，研究表明火焰与压力波的相互作用会导致火焰锋面周期性的振荡以及不同的火焰结构。上述关于湍流火焰-冲击波相互作用的实验研究没有直接捕捉到清晰的湍流火焰-冲击波的相互作用过程，还不足以揭示湍流火焰-冲击波相互作用导致爆震、超级爆震等非正常燃烧现象的机理。

定容燃烧弹主要模拟发动机活塞在上止点附近的燃烧，能够方便地改变燃烧室内的热力学参数(包括当量比、温度和压力)、湍流参数和点火参数(火花塞位置、电极间的距离和点火能量)，在观测喷雾形态[16]和火焰传播[17]等方面得到广泛应用。本课题组基于自行设计开发的可视化定容燃烧弹，通过在燃烧室内加装孔板，以促进火焰加速和冲击波的形成，并通过改变初始热力学条件和孔板规格得到不同强度的湍流火焰和冲击波，对封闭空间中火焰过孔板加速，冲击波的形成、末端气体自燃以及火焰-冲击波相互作用开展了一系列研究。本文分别介绍了可视化定容燃烧弹装置、火焰过孔板加速和冲击波的形成与发展、火焰-冲击波相互作用及其导致的不同燃烧模式和实验得到的主要结论。

1 实验装置

整个实验系统包括定容燃烧弹本体、高速纹影摄像系统、燃烧压力采集系统、温度控制系统、进排气系统、高压点火系统和同步控制系统，如图1所示。定容燃烧弹的燃烧室为圆柱形的腔体，长度为230mm，直径为100mm，燃烧室的容积为2.32L，弹体可承受极限压力为10MPa。在燃烧室的前后壁面分别安装直径80mm的圆形石英玻璃视窗。孔板为3mm厚的钢板，表面分布有不同数量和孔径的圆孔。Kistler 6113B型缸压传感器安装在燃烧室上壁面，缸压采集频率为100kHz。Z字型布置的高速纹影系统用于捕捉火焰和冲击波，高速相机的拍摄速度最高为210000帧/s。定容燃烧弹的上下壁面分别安装有1000W的加热板，使整个弹体加热到373K，防止燃烧产物中的水蒸气冷凝成液滴，影响相机拍摄。

图1 实现火焰-冲击波相互作用的可视化定容燃烧弹(a)观测火焰加速过程；(b)观测末端火焰-冲击波相互作用和自燃

Fig.1Schematicdiagramoftheexperimentalsetupfortheobservationof(a)flameacceleration; (b)flame-shockwaveinteractions

根据不同的实验目的，设计了2种火花塞和孔板布置方式：图1(a)所示用于观测火焰过孔板加速过程，图1(b)所示用于观测燃烧室末端火焰-冲击波的相互作用和末端气体自燃现象。通过更改初始热力学条件(初始压力和当量比)和孔板规格(孔径、孔隙率和位置)，获得不同强度的火焰-冲击波相互作用以及不同的燃烧模式。

在实验过程中，每一项实验工况均重复3次，图2为在相同工况下(孔径2mm，孔隙率12%，初始压力3×105Pa)采集得到的火焰锋面位置随时间的变化关系。其中图2(a)描述的是火焰过孔板过程，(b)描述的是火焰在燃烧室末端的传播情况。从图中可以看出，3次实验得到的结果趋势一致，相对误差不超过6%，证明了实验的可靠性。

(a) 火焰过孔板加速过程

(b) 火焰在燃烧室末端的传播过程

2 火焰加速以及冲击波的形成与发展

近些年，对管道中火焰加速机理有了较为清晰的认识[18-22]。层流火焰燃烧速度主要取决于化学反应动力学、热物理性质以及火焰各组分的输运性质。在预混火焰经历层流燃烧阶段之后，由于火焰的不稳定性、壁面、障碍物或者未燃气体中的湍流，火焰将被扰动而产生蜂窝状或者网状火焰前锋，最终发展为湍流燃烧，火焰燃烧速度显著增加。本研究通过在定容燃烧弹的燃烧室中加装孔板来促进火焰加速并产生冲击波。

2.1 火焰加速过程

图3(a)为通过高速纹影法得到的火焰过孔板过程的系列图片，(b)为火焰传播速度的发展历程示意图[23]。实验条件为：当量比1，初始压力2×105Pa，初始温度(373±2) K，孔板孔径2 mm，孔隙率12%。

图3 过孔板加速过程(a)高速纹影系列图像；(b)火焰传播速度历程示意图

Fig.3(a)Chronologicalschlierenimagesofflameaccelerationpassingthroughtheperforatedplate; (b)evolutionoftheflametipvelocity

根据火焰的形态和传播速度，将火焰过孔板过程分为层流火焰、射流火焰和湍流火焰3个阶段。在层流燃烧阶段，火焰传播速度较低，约为20m/s左右，表现为先上升后下降的趋势：由于受到水力学不稳定性(Darrieus-Landau instability)[24-25]和热-扩散不稳定性(Thermal-diffusion instability)[26]的影响，光滑的球形层流火焰锋面转变为胞状结构，从而增加了火焰表面积，层流火焰传播速度略微上升；而后期火焰传播速度下降是由于燃烧膨胀流场受到孔板阻碍作用。

火焰穿过孔板之后，火焰锋面被分割成数股射流火焰，并伴随传播速度的骤增，增加1个数量级。过孔板加速过程中火焰和气流发展如图4所示[27]，需说明的是，纹影技术只能拍摄到密度梯度变化明显的射流边界。如图4(a)～(h)所示，在火焰未穿过孔板之前，层流火焰的平均传播速度大约为19m/s，膨胀流场过孔板后的平均速度约为15m/s。穿过孔板之后，火焰传播速度急剧增加，而气流速度也小幅增长，图4(i)～(k)时刻，射流火焰平均速度约为98m/s，射流的平均速度约为30m/s。

图4 过孔板加速过程中火焰和气流发展高速纹影系列

Fig.4Chronologicalschlierenimagesofflameaccelerationandflowwhenpassingthroughtheperforatedplates

根据Bychkov[28]的理论，在火焰过孔板加速的过程中，膨胀流场过孔板产生的射流驱动了火焰的加速；在图4(l)时刻之后，射流火焰锋面超过膨胀流场的射流前锋，其形状也由与气流锋面类似的圆弧面变为竖直面，说明该时刻之后射流对火焰传播的影响变小。除了气体动力学的影响，火焰过孔板加速过程也同时受到化学动力学的影响。火焰穿过孔板时，层流火焰被孔板分割成多束细小的火焰，使得火焰表面积增加，化学反应速率加快；另外当火焰在障碍物空间传播时，Rayleigh-Taylor不稳定性和Kelvin-Helmoltz不稳定性[21, 29]使得火焰表面褶皱更加剧烈，表面分裂为更小的胞状结构，促进燃烧速率的加快[8, 30]。

射流火焰远离孔板的过程，由于受到气体动力学的影响，其传播速度逐渐下降。随后多股射流火焰汇聚成一束湍流火焰并自加速传播[31]。

2.2 冲击波形成过程

层流火焰过孔板后，火焰传播速度急剧增加，若火焰传播速度足够大，则会在燃烧室末端的观测区域产生冲击波，如图5所示。根据气体动力学[32]分析冲击波的形成过程，如图5(a)所示。燃烧室内的火焰经孔板加速向右传播，它将首先压缩靠近火焰锋面右侧的那一层气体，在燃烧室内形成一道以当地声速C向前传播的微弱扰动波，在扰动波的作用下，未燃气体的压力和温度均较之前略有升高。由于火焰持续加速，因此火焰锋面之前会产生多层扰动波C1，C2，C3…，由于后面的扰动波是在更高温度和压力下产生的，其传播速度更快。随着时间的发展，扰动波之间的距离逐渐减小，后面的扰动波逐渐追上前面的扰动波，并不断叠加，最终形成清晰的冲击波。如图5(b)所示，可以清晰地观察到未燃气体中冲击波的叠加增强过程。实验条件为：当量比1.25，初始压力5×105Pa，初始温度(373±2)K，孔板孔径2mm，孔隙率12%。从图5(b)-1中可以看出，在火焰的推动下，未燃气体中形成了2条颜色较淡的弱冲击波S1和S2，随着火焰继续向前发展，冲击波的颜色逐渐加深，并且后方的冲击波S2逐渐追赶上前方的冲击波S1，2条冲击波叠加在一起形成1条颜色较深的强冲击波。

图5 冲击波形成(a)示意图；(b)高速纹影系列图片

Fig.5(a)Schematicand(b)Chronologicalschlierenimagesofformationandenhancementofshockwaves

3 湍流火焰-冲击波相互作用导致不同的燃烧模式

小型强化汽油机燃烧室为封闭狭小空间，其压缩上止点条件为高温高压(500～800 K，2～40MPa)，燃烧过程中火焰的不稳定性发展使得火焰加速而产生的压力波以及活塞运动、压缩阶段的湍流输运和壁面传热等引起了未燃区混合气的热不均匀性，在L-W积分[33]达到特定值之前逐渐形成热点，当热点半径超过热膨胀理论的临界半径时产生自燃，出现近似于爆燃转爆轰(Deflagration to Detonation，DDT)的不正常燃烧现象[34-35]。Chen等[36]采用一维数值模拟的方法研究了封闭燃烧室内燃烧模式的转变，发现依赖于初始温度、压力和燃烧室长度，存在正常燃烧、自燃和爆轰3种燃烧模式，并根据压力振荡将它们分别对应于实际发动机中的正常燃烧、爆震和超级爆震。

本文在第2部分研究的基础上，通过改变初始压力、当量比、孔板孔径、孔隙率和孔板位置，研究了燃烧室末端火焰和冲击波传播的不同规律。根据燃烧室末端火焰传播形式以及缸内压力振荡的强度，总结封闭空间末端存在5种不同的燃烧模式[37]：Mode 1为未受压力波扰动的正常火焰传播；Mode 2为声波引起的火焰周期性减速传播；Mode 3为冲击波引起的往复火焰传播；Mode 4为火焰-冲击波相互作用导致火焰前锋自燃并加速传播；Mode 5为强冲击波导致末端气体自燃。5种燃烧模式的实验条件如表1所示。

表1 不同燃烧模式的实验条件Table 1 Experimental conditions at different combustion modes

图6为Mode 4下封闭空间末端火焰和冲击波从左向右传播导致火焰前锋自燃并加速传播的系列图。图中右端黑色的圆柱状物体为加热棒和热电偶，本研究中并没有使用，因此不进行分析。4.079 ms时，可以看到冲击波刚好传播到观测窗口，在冲击波之前产生黑色扰动区。随着冲击波向前传播，冲击波之后火焰锋面之前的未燃混合气成为预热区，如4.139 ms所示。之所以称作预热区，是因为这部分未燃混合气受到两方面的作用使得其热力学状态改变：一是冲击波传播过后，使得这部分未燃混合气瞬间升温升压；二是火焰前锋的热辐射作用，使其温度升高。随着火焰和冲击波向封闭燃烧室末端传播，预热区的温度和压力不断积累，最终使得这部分混合气在高温高压下剧烈燃烧，发生自燃。从4.222～4.255ms图片可以看出，火焰锋面之前、冲击波之后的预热区发生了自燃，燃烧区域变得越来越明亮。

图6 Mode 4下火焰、冲击波传播纹影系列图片

Fig.6ChronologicalschlierenimagesofflameandshockwaveatMode4

图7为Mode 5模式下燃烧室末端火焰和冲击波的发展以及末端气体自燃的过程。首先，在4.781ms时，可以看到火焰锋面之前形成初级冲击波。初级火焰在4.819ms时进入观测区域。然后在初级火焰与初级冲击波之间产生次级火焰。次级火焰导致次级冲击波的产生，其位于初级冲击波的前方，传播速度更快。这是因为次级燃烧是在更高的温度和压力下产生的。4.857ms时，次级冲击波传播到燃烧室的末端壁面并发生反射。这会使得燃烧室的末端靠近壁面的未燃混合气受到2次冲击波的作用，使其温度、压力和密度瞬间升高。在4.867ms时，燃烧室末端近壁面处发生自燃，自燃火焰锋面与反射冲击波叠加，形成明亮的准爆轰波向外传播，传播速度为1700m/s。

图7 Mode 5下火焰、冲击波传播纹影系列图片

Fig.7ChronologicalschlierenimagesofflameandshockwaveatMode5

5种燃烧模式下燃烧室末端火焰传播速度情况如图8所示。当燃烧室中未出现声波或冲击波时，燃烧室末端火焰受到封闭空间的限制作用，表现出减速燃烧，如图中Mode 1所示，火焰传播速度从200m/s降到20m/s。当燃烧室末端火焰与声波或冲击波相互作用时，火焰在传播方向发生振荡。根据声波或冲击波强度的不同，分为周期性减速传播(Mode 2)和往复火焰传播(Mode 3)。周期性减速传播时，火焰前锋表现为周期性的减速，速度波动的幅值为78m/s左右，火焰锋面并没有出现后退的现象。而往复火焰传播时，由于反射冲击波足够强，燃烧室末端火焰出周期性后退现象。Mode 4中，燃烧室末端火焰与冲击波相互作用，使得火焰锋面之前的预热区发生自燃，火焰持续加速并逐渐超过当地声速，最终达到600m/s以上。Mode 5中，封闭燃烧室末端火焰传播速度较快，大约为370m/s，会导致次级燃烧，速度大约为750m/s(图中仅表示初级火焰的传播曲线)，产生次级冲击波；次级冲击波传播到燃烧室末端壁面发生反射，对靠近末端壁面的未燃混合气产生二次作用，使其热力学状态迅速升高，发生末端气体自燃；自燃火焰与主火焰相对传播，并与反射冲击波耦合形成爆轰波，速度达到1700m/s。

图8 燃烧室末端5种燃烧模式下的火焰传播速度曲线

图9(a)为燃烧室末端5种燃烧模式下的燃烧压力曲线，进行4 kHz高通滤波得到不同模式下的压力振荡情况，如图9(b)所示。没有发生自燃的模式(Mode 1、2和3)下燃烧压力较低，燃烧压力峰值不超过1.5MPa，压力振荡的幅值不超过1MPa。不同于以上3种情况，当燃烧室末端发生自燃时(Mode 4和5)，燃烧压力的峰值和压力振荡幅值较大，燃烧压力的峰值分别为5.8和4.7MPa，压力振荡峰值超过4.5MPa，是未发生自燃燃烧模式的4～40倍。

图9 燃烧室末端5种燃烧模式下(a)燃烧压力；(b)高通滤波后的燃烧压力

Fig.9Evolutionof(a)originaland(b)filteredpressureatdifferentcombustionmodes

5种燃烧模式的火焰、冲击波传播速度以及燃烧压力振荡的情况总结如表2所示。

表2 不同燃烧模式下的火焰、冲击波传播速度和燃烧压力Table 2 Flame tip velocity, shock wave velocity and pressure at different combustion modes

4 结 论

基于加装孔板的光学定容燃烧弹，对封闭空间中火焰过孔板加速、冲击波形成和火焰-冲击波相互作用导致不同的燃烧模式开展了系列研究，得出以下结论：

(1) 由于已燃气体的热膨胀，未燃气体在火焰面的推动下向前传播，膨胀流场率先通过孔板，产生强射流，在射流的驱动下火焰穿过孔板后传播速度发生骤增。除此之外，火焰不稳定性使得火焰表面褶皱更加剧烈，表面分裂为更小的胞状结构，促进燃烧速率的加快。

(2) 通过高速纹影法清晰地观察到，受到加速火焰的影响，在未燃气体中形成一系列弱扰动波，弱扰动波叠加形成一道强压力间断面，即冲击波。

(3) 根据燃烧室末端火焰传播形式以及缸内压力振荡的强度，总结封闭空间末端存在5种不同的燃烧模式：(a) 未受压力波扰动的正常火焰传播；(b) 声波引起的火焰周期性减速传播；(c) 冲击波引起的往复火焰传播；(d) 火焰-冲击波相互作用导致火焰前锋自燃并加速传播；(e) 强冲击波导致末端气体自燃。其中发生自燃燃烧模式的压力振荡幅值是未发生自燃燃烧模式的4～40倍。因此，湍流火焰-冲击波相互作用对燃烧压力振荡具有重要影响。

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