應用隔板式定容燃燒彈的甲烷-空氣混合氣射流引燃研究

劉昊,張紅光,趙光耀,白小磊,王震,孫娜

（1.北京工業大學環境與能源工程學院,北京 100124；2.北京交通大學機械與電子控制工程學院,北京 100044）

應用隔板式定容燃燒彈的甲烷-空氣混合氣射流引燃研究

劉昊1,張紅光1,趙光耀1,白小磊1,王震1,孫娜2

（1.北京工業大學環境與能源工程學院,北京 100124；2.北京交通大學機械與電子控制工程學院,北京 100044）

在定容燃燒彈內添加帶孔橫隔板實現甲烷-空氣混合氣的射流引燃,可以達到甲烷-空氣混合氣快速燃燒的目的。利用紋影法研究了在不同的初始條件下,隔板位置、隔板孔徑及隔板孔數等不同橫隔板參數,對射流引燃實現甲烷-空氣混合氣快速燃燒的影響。將有隔板與無隔板條件下,單孔隔板與多孔隔板條件下的實驗數據進行對比,結果表明：使用橫隔板后較無隔板情況可以提高甲烷-空氣混合氣的燃燒速率；在文中實驗條件下的隔板式定容燃燒彈中,橫隔板在中間位置時主燃燒室最易發生燃燒現象；甲烷-空氣混合氣的燃燒壓力峰值隨橫隔板孔徑和孔數的增加呈現先增加后減小的趨勢,燃燒壓力峰值出現時刻隨橫隔板孔徑和孔數的增加而提前。

工程熱物理；定容燃燒彈；甲烷-空氣混合氣；橫隔板；射流引燃

0 引言

天然氣中主要成分甲烷的化學反應速率較低,導致其燃燒速率下降,使天然氣發動機的總燃燒期變長,從而氣缸內壓力與溫度上升緩慢,使得發動機動力性能下降。進氣增壓與稀薄燃燒技術的結合是改善天然氣發動機性能的有效途徑之一,而順利實現稀薄燃燒的關鍵在于提高天然氣（甲烷）的火焰傳播速率。很多學者針對提高甲烷燃燒速率問題,從燃燒室形狀的設計[1-3]、采用摻氫技術[4-5]、分層燃燒技術[6-7]等方面做了大量研究工作。

本文通過在定容燃燒彈中的不同位置添加帶有不同孔數和孔徑的橫隔板,實現射流引燃從而提高甲烷-空氣混合氣的燃燒速率。研究了隔板位置、隔板孔徑及隔板孔數等不同隔板參數對射流引燃實現甲烷快速燃燒的影響。

1 實驗裝置與方案

1.1 定容燃燒彈實驗系統

圖1 定容燃燒彈實驗系統Fig.1 Test system for constant volume combustion bomb

圖1為定容燃燒彈實驗系統,主要包括定容燃燒彈、點火系統、混合氣配氣系統、火焰圖像采集系統（包括紋影系統和CCD高速攝影機）、壓力數據采集系統（包括壓力傳感器、電荷放大器及示波器,壓力傳感器安裝在定容燃燒彈正下方）、同步控制器、溫度壓力控制器等。實驗時,先通過混合氣配氣系統,將甲烷-空氣混合氣在預混罐內充分攪拌均勻,之后充入燃燒彈彈體中；利用溫度壓力控制器使實驗溫度保持恒定；由同步控制器控制點火系統、壓力數據采集系統、火焰圖像采集系統；實驗結束后打開真空泵抽真空,進入下一次實驗。

1.2 橫隔板結構

為了在統一式定容燃燒彈的基礎上對燃燒室進行改造,在不同位置安裝帶有不同孔徑和孔數的橫隔板。橫隔板及安裝位置如圖2所示。

通過橫隔板使定容燃燒彈分為預燃室和主燃室,并通過隔板上的孔連通。初始火焰核心形成后,以球面形式在預燃室內傳播。當火焰傳播到噴孔時,由于射流的作用,可以使預燃室和主燃室的紊流程度顯著增強,且主燃室內化學組分濃度產生一定程度的變化,從而達到甲烷-空氣混合氣快速燃燒的目的。圖3為在初始溫度T0=293 K、初始壓力p0=0.25 MPa、當量比為0.8的條件下,火焰通過安裝在位置C的單孔橫隔板和3孔橫隔板時的紋影圖像。

圖2 橫隔板及安裝位置Fig.2 Baffle plates and their mounting positions

圖3 某一初始條件下的紋影圖像Fig.3 Schlieren images under a certain initial condition

1.3 實驗方案

影響甲烷-空氣混合氣著火及燃燒過程的因素很多,本文將初始溫度設定為恒溫,設置橫隔板位置、孔數、孔徑、混合氣初始壓力及當量比為變量。由于本文研究的是稀燃條件下甲烷-空氣混合氣的快速燃燒,故燃空當量比取值小于等于1.部分實驗條件的設置如表1所示。

表1 實驗條件Tab.1 Test condition

2 實驗結果及分析

2.1 主燃室燃燒的判斷方法

本文根據壓力采集系統讀取的燃燒壓力數據結合火焰發展圖像的方法對主燃燒室是否發生燃燒進行判斷。圖4為在橫隔板處于位置C,孔徑D= 3 mm,初始壓力p0=0.25 MPa,初始溫度T0=293 K時,當量比取值1.0與0.6條件下的燃燒壓力曲線。如圖4所示,在當量比為1.0時,燃燒彈體內壓力在0.06 s附近驟然增加,此壓力曲線拐點處即為主燃燒室的著火時刻。而當量比取值為0.6時,燃燒彈體內壓力在整個過程中并無明顯變化。在本文的研究條件下,認為這種情況屬于主燃燒室未發生燃燒。當量比1.0條件下火焰傳播紋影圖像如圖5所示。

圖4 燃燒壓力曲線（D=3 mm）Fig.4 Combustion pressure（D=3 mm）

圖5 火焰傳播紋影圖像（Φ=1.0）Fig.5 Schlieren images of flame propagation and ignition time（Φ=1.0）

2.2 橫隔板位置

橫隔板安裝位置分別為位置U、位置C、位置L.在不同的當量比與初始壓力取值條件下,按照主燃燒室燃燒的判斷方法,研究了橫隔板安裝在3個不同位置時對主燃燒室燃燒情況的影響。由于摻氫可以有效促進甲烷的燃燒,取摻氫比25%和摻氫比40%兩組實驗作為不摻氫時的實驗對照組,以增強實驗結果的可信度。表2所示為在單孔、孔徑D= 2 mm,初始溫度T0=293 K時,隔板的不同安裝位置對主燃燒室燃燒情況影響的實驗結果。

表2 不同隔板位置下的實驗現象Tab.2 Combustion phenomena under different baffle plate positions

由表2中實驗結果可以看出：摻氫比0%,隔板在位置U,當量比為1.0時,在各種初始壓力下主燃室均未發生燃燒,隔板在位置L時主燃室只在1種條件下發生燃燒現象,隔板在位置C時主燃室在8種條件下發生燃燒現象；摻氫比25%,當量比0.8情況下,隔板在位置U時,主燃室未發生燃燒現象,隔板在位置L時主燃室在4種條件下發生燃燒現象,隔板在位置C時主燃室在各種初始壓力條件下全部燃燒；摻氫比40%,當量比為0.6時,隔板在位置U及位置L情況下的主燃室在各種初始壓力條件下均未發生燃燒現象,隔板在位置C時,主燃室在2種初始壓力條件下發生燃燒現象。根據表2分析表明：在本文所涉及的實驗條件下,橫隔板在位置C時主燃室最易發生燃燒現象。故本文以下研究均以橫隔板在位置C時作為實驗條件。

2.3 單孔橫隔板

在本文實驗條件下,單孔、孔徑D=1 mm時,主燃室在各種初始條件下均未發生燃燒,以下討論均忽略孔徑D=1 mm情況。

圖6為當量比1.0,初始壓力0.25 MPa時燃燒壓力隨單孔隔板孔徑的變化規律。與當量比1.0,無隔板時的瞬時壓力曲線進行對比,由于孔徑D=2 mm及以上時,壓力峰值出現時刻相對于無隔板時均有不同程度的提前。可以判斷,添加不同孔徑的單孔橫隔板后,甲烷-空氣混合氣的燃燒速度均有不同程度的提高。孔徑D=2 mm時,壓力峰值出現時刻與無橫隔板時基本一致,但壓力峰值增大。孔徑D=3 mm時的燃燒壓力峰值最大。隨著孔徑的增加,燃燒壓力峰值出現時刻逐漸提前但增速放緩,燃燒壓力峰值呈現先增加后降低的趨勢。

圖6 有無隔板時孔徑對燃燒壓力的影響（Φ=1.0, p0=0.25 MPa）Fig.6 Effect of orifice diameter on combustion pressure with and without baffle plates（Φ=1.0, p0=0.25 MPa）

圖7為當量比1.0,孔徑D=3 mm、D=6 mm時,初始壓力對燃燒壓力的影響規律。與當量比1.0,無隔板時的燃燒壓力曲線進行對比。由圖7可以看出,隨著混合氣初始壓力的增加,燃燒壓力峰值逐漸增大,燃燒壓力峰值出現時刻逐漸提前。在本文實驗條件下,孔徑D=2 mm的各個初始壓力下及孔徑D=3 mm、初始壓力p0=0.10 MPa情況下,燃燒壓力曲線峰值出現時刻大于或等于無隔板情況。在其他條件下,燃燒壓力峰值出現時刻較無隔板情況均有不同程度的提前。

圖8為初始壓力p0=0.25 MPa與p0=0.10 MPa時,燃燒壓力隨當量比的變化情況,圖8（a）中孔徑D=3 mm,圖8（b）中孔徑D=6 mm.由圖8可看出,隨著當量比的增加,燃燒壓力峰值逐漸增加,燃燒壓力峰值出現時刻逐漸提前,但峰值出現時刻的提前幅度隨當量比增加而逐漸減小。孔徑較大時,如圖8（b）中孔徑D=6 mm,當量比為1.0時的燃燒壓力峰值出現時刻反而略遲于當量比為0.9時的燃燒壓力峰值出現時刻。

2.4 多孔隔板

圖7 有無隔板時初始壓力對燃燒壓力的影響（Φ=1.0）Fig.7 Effect of initial pressure on combustion pressure with and without baffle plates（Φ=1.0）

圖8 當量比對燃燒壓力的影響Fig.8 Effect of equivalence ratio on combustion pressure

圖9為當量比0.6時,使用帶有直列3孔橫隔板的混合氣燃燒壓力隨混合氣初始壓力的變化規律。由圖9可以看出,在孔徑保持不變時,燃燒壓力峰值隨初始壓力增加而增加,燃燒壓力峰值出現時刻均隨初始壓力增加而提前。

圖10為孔徑D=3 mm,使用帶有直列3孔橫隔板的混合氣燃燒壓力隨當量比的變化規律。由圖10可以看出,在孔徑及初始壓力保持不變時,混合氣燃燒壓力峰值出現時刻均隨當量比增加而提前,當量比由0.5變化到0.6時,燃燒壓力峰值出現時刻的提前幅度最大。混合氣燃燒壓力峰值隨當量比的變化有一定波動,但基本保持在一定范圍內,即此情況下,當量比對燃燒壓力峰值影響不大。

圖9 初始壓力對燃燒壓力的影響（Φ=0.6,孔數為3）Fig.9 Effect of initial pressure on combustion pressure （Φ=0.6,3 orifices）

圖10 當量比對燃燒壓力的影響（D=3 mm,孔數為3）Fig.10 Effect of equivalence ratio on combustion pressure（D=3 mm,3 orifices）

圖11為當量比為0.8時,使用3孔橫隔板與單孔橫隔板在不同孔徑與不同初始壓力下的混合氣燃燒壓力對比。其中圖11（a）中隔板孔徑D=2 mm,初始壓力為p0=0.25 MPa與p0=0.20 MPa.圖11（b）中隔板孔徑D=3 mm,初始壓力為p0=0.25 MPa與p0=0.10 MPa.如圖11所示,可以明顯看出,使用3孔隔板后,混合氣燃燒壓力峰值出現時刻較單孔隔板有較大幅度的提前,即使用多孔隔板較單孔隔板可以進一步提高甲烷-空氣混合氣的燃燒速率。

進一步將直列3孔橫隔板變換為3×3式9孔橫隔板與5×5式25孔橫隔板。圖12（a）、圖12（b）分別為使用9孔與25孔橫隔板后,混合氣燃燒壓力隨當量比與初始壓力的變化規律,二者孔徑均為D=2 mm.

由圖12可以看出,使用9孔與25孔橫隔板后,混合氣燃燒壓力隨初始壓力及當量比的變化規律與使用3孔隔板時基本一致,燃燒壓力峰值隨初始壓力的升高而增大,燃燒壓力峰值出現時刻隨當量比的增加而提前。

圖11 使用3孔與單孔隔板下的燃燒壓力對比Fig.11 Comparion of combustion pressures with single and three-orifice baffle plates

圖12 初始壓力及當量比對燃燒壓力的影響Fig.12 Effects of initial pressure and equivalence ratio on combustion pressure

將使用不同孔數隔板條件下燃燒壓力的變化進行對比,結果如圖13所示。隨著孔數由單孔增加到3孔以上時,燃燒壓力峰值出現時刻有了明顯的提前。對比孔數為3、9、25時的燃燒壓力,隨著孔數的增加,燃燒壓力峰值出現時刻略有提前,燃燒壓力峰值呈現先增加后降低的趨勢。當孔數進一步增加時,橫隔板效果會逐步削弱,燃燒壓力峰值應趨同無隔板情況下的燃燒壓力峰值。

圖13 燃燒壓力隨隔板孔數的變化（D=2 mm, Φ=0.8,p0=0.25 MPa）Fig.13 Effect of orifice number on combustion pressure （D=2 mm,Φ=0.8,p0=0.25 MPa）

在孔徑D=2 mm,當量比為0.8,初始壓力p0= 0.25 MPa條件下,使用孔數分別為1、3、9、25孔隔板時對應的混合氣燃燒紋影圖像如圖14所示。

圖14 使用不同孔數隔板下的燃燒紋影圖像對比（D=2 mm,Φ=0.8,p0=0.25 MPa）Fig.14 Comparison of schlieren images of combustion with different orifice numbers（D=2 mm, Φ=0.8,p0=0.25 MPa）

3 結論

1）在統一式定容燃燒彈不同位置安裝帶有不同孔徑和孔數的橫隔板后,由于射流引燃的作用,可以提高甲烷-空氣混合氣的燃燒速率。

2）在本文實驗條件下,橫隔板安裝在位置C時主燃室最易發生燃燒現象,位置C為隔板式定容燃燒彈3種橫隔板位置中的最佳位置。

3）在本文實驗條件下,甲烷-空氣混合氣的燃燒壓力峰值隨孔徑和孔數的增加呈現先增加后減小的趨勢。燃燒壓力峰值出現時刻隨孔徑和孔數的增加而提前。

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Study of Jet Ignition of Methane in a Divided Constant Volume Combustion Bomb

LIU Hao1,ZHANG Hong-guang1,ZHAO Guang-yao1,BAI Xiao-lei1,WANG Zhen1,SUN Na2
（1.College of Environmental and Energy Engineering,Beijing University of technology,Beijing 100124,China； 2.School of Mechanical,Electronic and Control Engineering,Beijing Jiaotong University,Beijing 100044,China）

In order to improve the methane-air mixture combustion rate,the experiment of a divided constant volume combustion bomb is carried out for fast burning of methane-air mixture by jet ignition.The effects of baffle plate parameters,such as location,orifice diameter and orifice number,on fast burning of methane-air mixture by jet ignition under various initial conditions are studied by means of schlieren method.The experimental data of constant volume combustion bombs with and without single and plural orificed baffle plates are compared.The results show that the combustion rate is improved by an orificed baffle plate.The location C in the constant volume combustion bomb is the best place since the main combustion chamber is easy to burn under certain experimental conditions.The peak combustion pressure of the methane-air mixture increases first and then decreases with the increase in the diameter and number of orifices.

engineering thermophysics；constant volume combustion bomb；methane-air mixture；trans-verse daptor parameter；jet ignition

TK46

A

1000-1093（2014）10-1667-07

10.3969/j.issn.1000-1093.2014.10.022

2014-01-06

國家自然科學基金項目（51376011）；北京工業大學第十二屆研究生科技基金項目（ykj-2013-9302）；北京市自然科學基金項目和北京市教育委員會科技計劃重點項目（KZ201410005003）

劉昊（1987—）,男,碩士研究生。E-mail：liuhao_0225@163.com；張紅光（1970—）,男,教授,博士生導師。E-mail：zhg5912@263.net