預燃室射流點火裝置的設計與性能研究?

王博遠，齊運亮，王穎迪，王 志，2，王建昕

（1.清華大學，汽車安全與節能國家重點實驗室，北京 100084； 2.清華大學燃燒能源中心，北京 100084）

前言

天然氣具有辛烷值高、碳氫比低等物化特性優勢，天然氣發動機具有良好的節能減排應用前景[1]。天然氣發動機的燃燒以點燃方式為主，點燃式發動機單點著火后火焰傳播的燃燒速度緩慢，是其熱效率遜于壓燃式發動機的主要原因之一。而相比于其他燃料，天然氣著火所需的反應活化能更高，導致其著火性差，火核形成時間長，火焰速度更低，對發動機熱效率更為不利[2]。

預燃室式射流點火是一項有潛力改善天然氣發動機燃燒性能的技術途徑，可通過在燃燒室內設計一個體積占比低于3%的預燃室來實現[3]。該預燃室相當于主燃室的點火源，初始火焰仍通過傳統火花塞放電在預燃室內產生，隨后火焰在預燃室內生成并發展，進而通過連接預燃室與主燃室的噴孔產生射流，引燃主燃室內的混合氣。在這種模式下，預燃室結構能夠保障火核的穩定發展，而由噴孔產生的射流為主燃室提供了多個空間分布的點火源，使火焰傳播距離縮短，燃燒速率提升，具有大幅改善燃燒特性的潛力。文獻[4]中進行了火花塞與預燃室的集成設計，利用預燃室壁面充當點火側電極，將其應用至一臺重型6缸天然氣發動機上進行試驗，滯燃期和燃燒持續期最高可縮短30%，且稀燃極限得到小幅拓展；文獻[5]中在一臺小排量天然氣單缸機上試驗研究了若干預燃室設計因素的影響，結果表明選用低熱導率材料，并采用點火位置接近噴孔的預燃室設計可實現更優性能；文獻[6]中在發動機上研究了預燃室式射流點火拓展爆震極限的潛力，發現采用射流點火可以將燃料辛烷值要求降低10～15，相當于能夠將壓縮比提高2～3個單位；文獻[7]中將預燃室式射流點火應用至航空用活塞式發動機，利用辛烷值更低的燃料達到了原機性能。

上述研究已展示出預燃室式射流點火對燃燒特性的改善效果，但各研究采用的預燃室設計不同。目前，預燃室式射流點火方式在發動機上的應用，主要通過對已有發動機小幅改造而實現。文獻[8]中研究了預燃室體積的影響，指出在一定范圍內，燃燒特性隨預燃室體積的增加而得到優化。因此，多數研究的預燃室采用外置方案，即預燃室的全部或部分體積拓展至原有燃燒室空間以外，以保證預燃室達到比較理想的體積，但此類設計存在降低壓縮比等不利影響。相比之下，內置式預燃室占據原有燃燒室的部分空間，不改變點火位置，但受到裝配等方面的限制，預燃室體積占比相對較低。

本文中設計了內置式半球型的預燃室射流點火裝置，采用可視化快速壓縮機對其進行試驗研究，并與傳統火花點火進行對比，以評價此類預燃室設計改善發動機性能的潛力。快速壓縮機能夠提供與發動機相當的溫度與壓力條件，而其燃燒室結構簡單，改造方便，適于新型設計的性能探究，且具備可視化條件，便于對燃燒過程進行觀察與解析。而采用內置式預燃室設計，可不改變點火位置和壓縮比等因素，控制了對比試驗的變量，為兩種點火方式及其燃燒提供了更為直觀的對比與更具參考價值的評價。

1 試驗設備與方法

1.1 試驗系統

基于快速壓縮機的可視化試驗系統如圖1所示，其中快速壓縮機由高壓氣罐、氣壓驅動段、液壓段、壓縮段和燃燒室等5部分組成[9]。燃燒室的直徑為50.8mm，其外側端蓋嵌有相同直徑的石英視窗，以供高速相機對燃燒過程在全視場范圍內進行拍攝。拍攝用高速相機為Photron SA-X2彩色相機，鏡頭為Nikon AF Micro f/4D，相關拍照參數如表1所示，試驗過程中光圈設置保持不變。本研究選用的火花塞為IFR7U-4D，壓力傳感器為Kistler 6125C，電荷放大器為Kistler 5018A。

表1 高速相機設置參數

為對比研究預燃室式射流點火與傳統火花點火的特性，分別對這兩種方式進行了試驗研究。圖2示出了燃燒室的剖面圖。進行預燃室式射流點火試驗時，火花塞及預燃室、進排氣通道和壓力傳感器依次周向布置，如圖2(a)所示；進行傳統火花點火試驗時，除預燃室結構被移除外，其余裝置的布置方案完全一致，如圖2(b)所示。

1.2 可燃混合氣

甲烷(CH4)是天然氣中的主要成分，體積占比一般在90%以上[10]。為使試驗結果為相關的天然氣發動機研究提供參考，本試驗選用CH4作為燃料，與氧氣(O2)、氮氣(N2)配成可燃混合氣。試驗選取的可燃混合氣當量比為1，O2和N2的配比與空氣中的實際比例相同，即可燃混合氣中CH4，O2和N2的摩爾比為1∶2∶7.52，在試驗前根據道爾頓分壓定律配制。

圖1 基于快速壓縮機的可視化試驗系統

1.3 預燃室設計

本試驗中，預燃室采用內置式半球型設計，裝配在燃燒室周向邊緣，其對稱軸線與圓柱形主燃燒室的軸線相交。預燃室體積占燃燒室總體積的1.25%，為發揮預燃室式射流點火能產生多束點火射流進而優化燃燒的特點，預燃室通過在預燃室壁面上均勻布置的4個噴孔與主燃燒室連通，孔徑均為1.5mm，開孔方向與預燃室中心軸線呈45°夾角，裝配時使預燃室噴孔對稱于快速壓縮機軸線，如圖3所示。

1.4 試驗方法

試驗中，通過DG645型脈沖發生器與NI數據采集系統(cDAQ-9178和cDAQ-9223)實現火花塞點火、高速相機觸發和壓力信號采集之間的同步控制。其中，高速相機觸發與火花塞點火均由壓力信號進行同步控制，即以點火時刻作為拍攝始點。火花塞點火控制在快速壓縮機壓縮過程完成后進行，試驗結果如圖4所示，以點火時刻作為每組試驗的零時刻(t＝0)。

圖4 燃燒室壓力與點火信號示意圖

快速壓縮機的壓縮比為9.5。在天然氣發動機常用工況范圍內，點火時刻的缸內壓力一般在1.0～2.5MPa之間。本試驗根據天然氣發動機常用工況范圍，選取點火時刻燃燒室壓力 pign為1.1，1.7和2.3MPa分別代表小負荷、中負荷和大負荷工況進行研究。

2 試驗結果與分析

2.1 燃燒特性及其分析

3種負荷條件下，采用預燃室式射流點火和傳統火花點火的燃燒壓力和瞬時放熱率曲線對比如圖5所示。在試驗所選負荷范圍內，預燃室式射流點火均體現出明顯的加速燃燒效果，點火后主燃室內的壓力即迅速增長，在其達到峰值的同一時刻，采用傳統火花點火的燃燒壓力尚處于緩慢上升階段。各負荷條件下，火花點火方式的壓力峰值均出現在15ms以后，而預燃室式射流點火可以將壓力峰值時刻提前至9ms以前。與傳統火花點火相比，預燃室式射流點火在壓力幅值方面同樣具有優勢，各負荷最高壓力均高于火花點火，且這一差距隨負荷增加而有所擴大。由瞬時放熱率曲線可知，預燃室式射流點火的放熱更靠前、更集中，同時能夠達到更高的放熱率。

圖5 兩種點火方式的燃燒壓力與瞬時放熱率

根據燃燒壓力和瞬時放熱率可計算得出有關的燃燒特性參數。將累計放熱率由0增加到10%和由10%增加到90%所經歷的時間分別記為滯燃期tid和燃燒持續期tcd(將點火時刻記為累計放熱率的零時刻)，將最高燃燒壓力記為pmax，最大累計放熱量記為Qmax[11]。試驗工況條件下兩種點火方式的tid，tcd，pmax和Qmax等燃燒特性參數如圖6所示，圖6中同時標明了相比于傳統火花點火，采用預燃室式射流點火后上述參數的變化幅度。

圖6 兩種點火方式的燃燒特性參數對比

在3種負荷條件下，傳統火花點火的滯燃期和燃燒持續期的變化不大，分別在6－7和7－8ms區間內，而預燃室式射流點火將這兩項指標均大幅縮短至3－4ms的水平，降低幅度分別超過45%和50%。同時，最高燃燒壓力和最大累計放熱量均有不同幅度的提升。

隨著負荷的提高，燃燒特性參數的變化幅度加大，即預燃室式射流點火改善燃燒性能的效果增強。其中，大負荷工況條件下的滯燃期和燃燒持續期的縮短比例能夠達到55%；而最高燃燒壓力和最大累計放熱量在小負荷提升效果不明顯的情況下，在大負荷時能夠分別提高7%和10%。

對于點燃式發動機，滯燃期和燃燒持續期分別是評價點火性能和燃燒性能的重要指標，試驗結果證明了設計的預燃室射流點火裝置強化點火和加速燃燒的能力。而對于火花點火式天然氣發動機，受制于天然氣較長的火核形成時間和緩慢的燃燒速度，在部分工況范圍內，其滯燃期和燃燒持續期都比汽油機長10°CA[12]。為實現相同的燃燒相位，其點火時刻比汽油機提前最高可達10°CA[12]。較大的點火提前角將導致壓縮行程中負功的增加，而較長的燃燒過程意味著等容度的下降，均對發動機熱效率具有不利影響。研究中預燃室式射流點火能夠彌補上述不足，具有優化燃燒相位、提高燃燒等容度，降低壓縮行程負功等利于發動機熱效率提高的潛在優勢。

此外，燃燒壓力和累計放熱量是與熱效率直接相關的參數，雖然快速壓縮機的工作過程不包括做功行程，與發動機存在差異，但pmax和Qmax等指標仍能夠在一定程度上反映出不同點火與燃燒模式在發動機應用中的熱效率水平[11]。與傳統火花點火相比，預燃室式射流點火在各負荷下均有更高的pmax和Qmax，體現了提高熱效率的潛力。而發動機內的燃燒主要在活塞下行的做功行程中進行，此時氣缸容積逐漸加大，在燃燒等容度更高的情況下，預燃室式射流點火在燃燒壓力和放熱量方面的優勢可能更大。

2.2 燃燒過程的高速攝影

圖7以點火時刻壓力為1.7MPa的中負荷為例，示出了兩種點火方式的燃燒圖像。其中，由于燃燒初始階段火焰亮度較低，兩種點火方式在4.00ms(不含)以前的燃燒圖像均經過了相同程度的提高對比度處理，其它圖像未經處理。

在點火后的一段時間內，射流點火方式的預燃室內部先后經歷了火核生成和火焰發展的過程，此時主燃室內尚無火焰，如0.96ms時的圖像所示。主燃室內首次觀察到射流火焰的時刻是1.92ms，隨后射流火焰由噴孔噴出并快速發展，其速度遠高于傳統火焰傳播。由于預燃室在系統內對稱布置，因此視窗內呈現出兩束基本對稱的射流火焰(另外兩個噴孔產生的射流火焰被遮擋)。可燃混合氣被多束射流火焰迅速引燃，射流火焰的前鋒面在4.00ms前到達主燃室壁面，在6.40ms時高亮度的火焰已經基本覆蓋全部視場，表明此時主燃室內全部范圍均已燃燒，該時刻的累計放熱率已達80%，燃燒壓力接近峰值。

圖7 pign＝1.7MPa條件下兩種點火方式的燃燒圖像

在上述預燃室式射流點火燃燒發展的時間歷程內，采用傳統火花點火的燃燒呈現典型的火焰球面傳播模式，火焰發展較為緩慢。根據燃燒圖像計算可得，在射流點火的火焰已經覆蓋視窗范圍的同一時刻，傳統火花點火的火焰傳播范圍僅為燃燒室容積的30%，累計放熱率僅為10%。

2.3 點火與燃燒過程的穩定性分析

對于點燃式發動機，點火和燃燒過程的穩定性是影響其性能優劣的重要因素之一。預燃室式射流點火及其隨后的燃燒歷經預燃室內火花放電、火核生成并長大、火焰發展至壁面、火焰經過噴孔形成射流和主燃室內快速燃燒等多個階段。而在此之前的壓縮過程中，混合氣經過多個噴孔壓入預燃室，使點火時預燃室內的流動強度較高。一方面，一定的流動有利于火核的初始生長；另一方面，如果流動過強，則會對火核造成不利影響[13]。因此，與傳統火花點火相比，預燃室式射流點火在一個循環內所經歷的過程更為復雜，雖然其具有燃燒速度等方面的明顯優勢，但若對這一優勢加以利用，首先要對其點火和燃燒的穩定性進行考察。

與發動機相比，快速壓縮機的進氣組分與進氣壓力控制精確，且內部流動環境相對簡單，因此在快速壓縮機上進行重復試驗，循環間的變化因素較少，更能體現點火與燃燒過程本質的穩定性。本文中在快速壓縮機上對預燃室式射流點火進行了重復試驗，以探究該方式在點火和燃燒過程中的穩定性，同時對傳統火花點火進行同條件下的試驗作為參照。試驗選取點火時刻壓力1.5MPa這一中低負荷作為試驗工況，每種點火方式在相同條件下進行8組重復試驗，各組試驗的燃燒壓力曲線如圖8所示。

圖8 pign＝1.5MPa條件下兩種點火方式重復試驗的燃燒壓力曲線

圖9 示出了滯燃期tid、燃燒持續期tcd、最高燃燒壓力pmax和最大累計放熱量Qmax等燃燒特性參數的平均值及其波動范圍。

滯燃期方面，預燃室式射流點火的tid波動范圍極小，優于傳統火花點火，表明壓縮過程中通過噴孔在預燃室內部產生的強湍流對火核的生成與發展起到了積極作用，且隨后預燃室內部的火焰發展和在主燃室內形成射流的過程具有較高的穩定性。而燃燒持續期方面，兩種點火方式的波動范圍基本處于相同水平。

圖9 pign＝1.5MPa條件下兩種點火方式燃燒特性參數的平均值及其波動范圍

最高燃燒壓力和循環放熱量是表示發動機輸出能力的重要參數，預燃室式射流點火在這兩項指標上的波動極小，遠勝于傳統火花點火。

3 結論

本文中設計了內置式半球型四孔預燃室，并在全燃燒場可視的快速壓縮機(RCM)上，采用同步壓力傳感和高速攝影進行了試驗，同時與相同條件下的傳統火花點火進行對比，主要結論如下:

(1)與傳統火花點火方式相比，預燃室式射流點火能夠顯著強化點火、加速燃燒，具有提高點燃式天然氣發動機熱效率的潛力，滯燃期tid、燃燒持續期tcd分別大幅縮短45%和50%以上，最高燃燒壓力pmax、最大累計放熱量Qmax有所提升，且燃燒特性參數的改善程度隨負荷加大而提高，在大負荷條件下改善效果更為明顯，tid和tcd的縮短比例均達到55%，pmax和Qmax分別增加7%和10%；

(2)高速攝影結果表明，預燃室式射流點火系統在主燃室內快速產生射流火焰，可燃混合氣被多束射流火焰迅速引燃，6.40ms時火焰已充滿整個燃燒室，累計放熱率達80%；相同時間內，采用火花點火方式的燃燒呈現傳統的火焰球面傳播模式，燃燒速度緩慢，6.40ms時火焰傳播范圍僅為燃燒室容積的30%，累計放熱率僅為10%；

(3)預燃室式射流點火方式的點火與燃燒穩定性高，滯燃期tid、最高燃燒壓力pmax和最大累計放熱量Qmax的波動范圍極低，顯著優于傳統火花點火。

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