冯钟辉，周 磊，刘沛林，高 强，李匡迪，卫海桥

(天津大学 内燃机燃烧学国家重点实验室，天津 300072)

0 概述

由于气候和环境问题备受关注，减少温室气体排放刻不容缓，而车辆运输是重要的温室气体排放途径之一。降低排放成为发动机研究和发展的重要方向，天然气等高效清洁能源作为汽油、柴油的代替燃料越来越受关注[1]。甲烷是天然气最主要的成分，由于其碳氢比较低且更易与空气混合使得燃烧更充分，产生的颗粒物和二氧化碳排放较少，相同热效率工况下二氧化碳排放可减少23%[2-3]。此外，天然气价格低廉，储量丰富[4]，抗爆性好，有利于解决点燃式(spark ignition， SI)发动机爆震问题，提高热效率。然而天然气着火温度高更难点燃，燃烧速度较慢，需要更高的能量来点燃混合气，使用预燃室射流点火系统(turbulent jet ignition, TJI)是实现天然气稳定着火的有效手段。

TJI不但可以提供更高的点火能量，还可以提高火焰速度促进燃烧。其将发动机燃烧室分为气缸内的主燃烧室和气缸盖上的预燃室两部分，预燃室通过一个或多个直径为几毫米的通道与主燃烧室相连。研究表明，TJI可使燃烧持续时间缩短，同时TJI还可以扩展稀燃极限[5-6],由于稀薄燃烧的燃烧温度较低，可以有效减少氮氧化物排放，使其达到接近零的水平[7-8]。此外在中负荷工况下，稀燃可以在降低废气排放的同时保持较低油耗，并获得更高的效率[9]。然而，稀薄燃烧较低的燃烧速度使燃烧过程变得更长且不完全，导致发动机燃烧不稳定[10]。TJI与传统SI点火相比，在化学计量和稀燃条件下有明显优势，尤其在稀燃情况下，火焰传播速度可增加5～6倍[11]。文献[12]中在通过湍流射流点火扩展液化石油气(liquefied petroleum gas, LPG)、压缩天然气(compressed natural gas, CNG)及一氧化碳(CO)稀燃极限的试验中发现：火焰传播速度的加快及化学活性燃烧产物的产生都可以改善燃料点火水平，扩展燃料稀薄燃烧极限。文献[13]中在单缸发动机上应用TJI系统的试验结果表明，从λ=1.1开始随着混合气变稀，氮氧化物排放迅速降低，在λ=1.8时达到接近零(<10×10-6)的水平。虽然目前天然气射流点火在少数天然气发动机中有所应用，但对于天然气射流点火的具体燃烧过程尚不清晰，需要进一步的研究，尤其是不同预燃室结构下天然气射流火焰的燃烧特性和性能表现。

本文中基于定容燃烧弹，利用预燃室湍流射流点火系统对不同预燃室孔径和结构下甲烷燃烧特性进行研究。在相同初始压力、温度和混合气浓度下，采用不同孔径单孔预燃室，以光学试验方式研究了火焰传播速度、火焰面积、燃烧压力及着火机理随孔径大小的变化，提出多级加速预燃室概念，并将光学试验与单孔预燃室进行比较。本研究结果可为甲烷TJI在实际SI发动机上的应用提供理论依据。

1 试验装置及研究方法

1．1 试验装置

本试验在定容燃烧弹试验台架上进行，整个试验系统由定容燃烧弹主体、预燃室湍流射流点火系统、高速纹影摄像系统、进排气系统、压力采集系统和温度测控系统组成，如图1所示。燃烧室是一个直径100 mm、长度230 mm的圆柱体，总容积 2.32 L。前后两面分别装有观察窗，由高质量的石英玻璃制成，透光性强。观察窗长230 mm，宽 80 mm，呈跑道形。主燃烧室压力信号由装在定容燃烧弹顶端的KISTLER 6045A压力传感器采集，压力信号被电荷放大器放大，并传输给美国国家仪器USB-6361数据采集系统记录。高速摄像机(Photron FASTCAM SA-Z)拍摄与火花塞点火同时触发，以20 000帧/s拍摄和记录纹影图像以观察燃烧弹内的火焰。弹体上下壁面分别装有加热板，试验前加热弹体至353 K，防止燃烧产物冷凝附着在观察窗玻璃影响拍摄观察效果。

图1(b)为本试验使用的预燃室系统内部结构示意图，预燃室容积为3.6 mL。该预燃室是基于一台单缸试验机尺寸设计的，容积约占该发动机燃烧室容积的5%。预燃室分为单孔预燃室和多级加速预燃室两种，其中：单孔预燃室只有一个直通孔，如图 1(c) 所示；多级加速预燃室相比单孔预燃室内部增加了两道孔板，多级加速X-Y-Z预燃室即为孔径由上至下分别为Xmm、Ymm和Zmm(例如多级加速8-6-4与单孔4 mm预燃室出口孔径同为4 mm，而内部增加两道带有直径为8 mm和 6 mm 圆孔的孔板)，如图1(d)所示。可燃混合气通过孔口进入预燃室内，并由火花塞点燃。为保证进入预燃室的混合气均匀，将甲烷与空气通过分压法通入预混罐中，预混罐内部设有磁力搅拌转子，预混均匀后将混合气通入定容燃烧弹内至3×105Pa，关闭所有阀门，点火同时触发压力采集系统和高速摄相机，完成对燃烧压力和燃烧过程纹影图像的采集。每次点火后用真空泵将弹体内部抽至真空，保证其内部无废气残余后，再充入新的混合气进行下一次试验。

图1 试验装置及预燃室结构示意图

在试验过程中为了使现象明显便于拍摄，将初始压力设为0.3 MPa，甲烷/空气混合气当量比为1.0，检验确认预混罐和定容燃烧弹密封性后即可开始试验。为了确定出口孔径对火焰传播的影响，由小至大更换了不同出口孔径的预燃室(单孔2 mm、单孔3 mm、单孔4 mm、单孔5 mm、单孔6 mm、多级加速式8-6-4及多级加速式8-6-6)，记录不同的射流火焰传播速度和着火模式。每种预燃室规格的试验重复3次，如图2中试验1、2、3即为在相同条件下(单孔6 mm预燃室，初始压力0.3 MPa)燃烧压力及火焰前锋面位置随时间的变化关系。可以看出3次试验得到的结果趋势一致，证明试验具有可重复性，试验数据可靠。

图2 单孔孔径6 mm预燃室在初始压力0.3 MPa下试验重复性验证

2 结果与讨论

已有研究表明更高的点火能量及较低的火焰传播速度是稀薄燃烧面临的主要问题[14]，本研究中使用多级加速式预燃室可以加快火焰传播速度，提高放热率峰值，具有提高燃烧速率、缩短燃烧持续期的潜力。下文中将对单孔及多级加速式预燃室对燃烧特性的影响进行比较并讨论分析。

2.1 不同预燃室的火焰传播图像

图3为传统SI点火与单孔TJI点火火焰在定容燃烧室中传播的高速纹影图片。火花塞与预燃室装在定容燃烧弹的右侧，火焰由火花塞点燃或从预燃室内射出向左侧传播。预燃室结构及点火形式不同使火焰传播起始时间不完全相同，故将火焰在同一起始位置时对应的时刻定义为初始时刻t0，火焰发展间隔时间Δt=0.7 ms。SI点火时，火焰前锋面光滑，是传统的预混层流火焰。在TJI系统中，火焰在预燃室中点燃，由于节流效应和K-H不稳定性的存在，火焰从预燃室射出，形成具有较高传播速度的湍流火焰。随着预燃室孔径的减小，射流作用增强，火焰传播速度也随之增强。分析发现，在4倍Δt时间内，3 mm单孔TJI火焰已经传播至画面最左端，且射流孔径越大TJI火焰的传播距离越短。此外，传统SI火焰的传播距离远远小于TJI火焰。

图3 SI与单孔TJI在定容燃烧室中火焰传播图像

图4为定容燃烧弹中单孔与多级加速预燃室TJI火焰传播的高速纹影图像。从图中可以看出，在t=t0+Δt时，单孔预燃室火焰传播距离要大于多级加速预燃室，而随着火焰发展逐渐被反超。在t=t0+2Δt时，多级8-6-6预燃室火焰前锋面已经与单孔6 mm平齐，并在t=t0+3Δt实现了反超。该现象表明相对于多级8-6-6，单孔6 mm预燃室具有更高的出口速度和更大的速度衰减率。同样的结果在单孔 4 mm 方案也可以看到。4 mm单孔预燃室火焰传播速度更快，速度衰减至与多级加速预燃室相同所需时间更长，但总体趋势相同。并且从图中可以看出，单孔预燃室火焰射出后会在向前传播的同时向四周扩散，而多级加速预燃室火焰更多的只是沿射流的方向传播，向垂直方向的纵向扩散更少，故单孔射流火焰速度衰减更快，在更高的出口速度情况下平均火焰传播速度低于多级加速预燃室。综上，多级加速预燃室火焰速度在出口后短时间内低于单孔预燃室，但随后会反超，整体速度略高于单孔预燃室。

图4 单孔与多级加速预燃室TJI火焰传播对比图像

2.2 着火机理

通过试验探究不同预燃室孔径对火焰传播速度的影响，发现射流引燃定容燃烧弹内混合气存在两种不同的着火机理。第一种出现在大孔径时，带有火焰的射流直接从预燃室中射出，点燃外部的混合气，如图3和图4所示。当孔径减小到2 mm时，第二种点火机理出现，射流射出后并未直接引燃定容弹中混合气，而是在射出一段时间后混合气才开始燃烧，如图5所示。这是由于热量损失和高拉伸率使火焰在通过孔口时已经熄灭，活性射流中只剩下火焰的不完全燃烧产物[15]。这种情况下着火时刻会发生推迟，同样在t0的初始时刻下，经过 7.85 ms 才发生着火，且在着火后4.5 ms达到图像最左端。这两种着火机理分别为火焰点火(通过反应射流中火焰点火)和喷射点火(通过反应射流中热燃烧产物点火)。喷射点火出现在预燃室出口孔径小的情况，随着孔径增大，喷射点火转变为火焰点火。

图5 单孔2 mm预燃室的不同着火模式

2.3 不同预燃室结构对火焰传播速度和火焰面积的影响

图6为SI与单孔TJI火焰传播速度和火焰面积发展的比较。从图6中可以看出，TJI的火焰出口速度远高于SI。其中，3 mm单孔预燃室出口火焰速度可达240 m/s，迅速下降至相对较低速度后趋于平稳。相比之下，SI火焰传播速度全程变化不大但整体速度慢。这是因为TJI火焰发展存在层流火焰、射流火焰和湍流火焰3个明显的阶段。由于燃烧气体的膨胀，未燃气在火焰下游形成了气流。气流过孔后由于节流效应产生高速射流，火焰在穿过孔板的快速射流中。在射流的驱动下，火焰过孔后迅速加速[16]。此外，在TJI点火工况下，火焰出口速度随孔径减小而增大，3 mm时达到最大，这与图3中对火焰传播距离图像的比较结果一致。当单孔孔径减小到2 mm时，着火机理发生变化，着火发生延迟且初始火焰速度较慢，与图5中规律一致。

图6 SI及单孔TJI对火焰速度和火焰面积发展影响

图7为单孔TJI及多级加速预燃室火焰速度、火焰面积与时间关系曲线。图6(b)和图7(b)中0时刻为点火时刻，曲线开始出现上升时为火焰出现时刻。从 图6(b) 中可以看出火焰面积与火焰传播速度有很大关联，随着孔径减小，火焰传播速度加快，火焰面积增大的也越快，而速度较慢的SI点火面积增大速度也远低于TJI。TJI火焰面积并非从0时刻开始上升，而是在SI火焰传播了一段时间后才出现火焰。这是由于火焰在预燃室中形成需要一段时间，与SI火焰形成过程不同。此外，单孔3 mm预燃室射流在出口时更倾向于喷射点火机理的气流，只不过随后迅速被后面追赶上来的火焰引燃，所以火焰出现时刻和火焰面积上升速度先低于其他孔径，随后着火后迅速上升达到最快。单孔2 mm预燃室由于着火机理为喷射点火，引燃主燃烧室时间较晚，火焰出现较晚，但由于其火焰发展稳定后，火焰传播速度仅次于单孔3 mm预燃室，因此火焰面积增大速度也仅次于3 mm预燃室。

图7 多级加速预燃室对火焰速度和火焰面积的影响

多级加速预燃室在图7中所展现的火焰速度和火焰面积发展趋势与图4中的现象基本一致。图7(a) 中多级加速预燃室火焰速度在出口时略低于单孔预燃室，但速度衰减速率也低于单孔预燃室，在火焰传播一段距离后火焰速度超过单孔预燃室。此外，6 mm比4 mm速度反超发生得更早，总体上呈现多级加速预燃室相比单孔预燃室先慢后快的趋势。

从图7(b)中可以看出，多级加速预燃室仅在出口时火焰面积增长速度要低于单孔预燃室，整体上火焰面积增长速度较快。同时，从图中还可以看出多级加速预燃室的火焰出现时间要早于单孔预燃室火焰，这是由于在多级预燃室中，火焰经历了多次加速，因而到达出口前火焰传播速度快于单孔预燃室中的火焰传播速度。

2.4 不同预燃室结构对燃烧压力的影响

图8(a)为不同孔径单孔TJI及SI点火情况下的定容燃烧弹内压力对比图。压力的发展与放热紧密相关，而放热与火焰传播速度密不可分。相比传统SI点火，TJI可使压力上升更快，相同条件下压力峰值也有所升高。同理，不同孔径的预燃室之间，随着孔径减小，压力更快达到峰值，峰值压力更高，压力升高率更大。其中，单孔2 mm预燃室由于着火机理的不同，着火时刻延后导致压力升高时刻较晚，但由于湍流燃烧的存在，依旧有较高的峰值压力和压力升高率。图8(b)为多级加速预燃室与对应孔径单孔预燃室压力对比。可以看出二者的燃烧峰值压力基本相同，说明燃烧压力受孔径大小影响较大，多级加速预燃室基本不会影响燃烧压力。图中多级加速预燃室压力上升更早，是由于射流火焰更早进入定容燃烧室，且整体燃烧速度也略快于单孔预燃室，因此更早地达到峰值压力。

图8 定容燃烧弹内压力与时间关系曲线

图9为SI及不同规格预燃室对燃烧压力震荡的影响，是对压力曲线进行4 kHz高通滤波得到的。在之前的研究[17]中，改变当量比的试验结果证实火焰尖端速度对燃烧室端部的激波和压力震荡有很大影响，且峰值压力与压力震荡的最大幅度取决于火焰速度。由图9可知，火焰速度最快的单孔3 mm预燃室压力震荡最大，峰值接近0.05 MPa。随着孔径增大，压力震荡迅速减小，单孔5 mm预燃室压力震荡已经基本消失。多级加速预燃室压力震荡幅度小于单孔预燃室，这是由于小孔径单孔预燃室出口射流速度更快，燃烧速率更快，对未燃混合气的压缩更大，从而导致更高的压力震荡。

图9 SI及各种预燃室在高通滤波后的燃烧压力振荡

3 结论

(1) TJI火焰传播速度远高于传统SI点火，且随着预燃室孔径减小，火焰速度加快，火焰面积增长速率加快，燃烧压力峰值随预燃室孔径减小而增大，压力升高率增大。在不同孔径下可观察到火焰点火和喷射点火两种不同的着火机理。预燃室孔径较大时着火机理都为火焰点火；随着孔径缩小，火焰点火转变为喷射点火。

(2) 多级加速预燃室相比单孔预燃室火焰速度先慢后快，射流出口时刻早于单孔预燃室，火焰面积也更早发展到最大值；多级加速预燃室对燃烧压力峰值影响不大，但由于射流出口时刻更早，压力升高时刻更为提前。