基于發動機非正常燃燒的湍流火焰-沖擊波相互作用的實驗研究

衛海橋, 趙健福, 周 磊

(天津大學 內燃機燃燒學國家重點實驗室, 天津 300072)

0 引 言

目前發動機仍主要依靠石油類燃料，而石油資源短缺和石油燃燒導致的溫室氣體排放和大氣污染成為全世界面臨的重大問題。這就要求發動機制造商生產研制更低油耗和更低排放的發動機。發動機小型強化技術通過進氣增壓來降低氣缸容積而功率保持不變，或者提高功率和扭矩而不增加氣缸容積，同時提高發動機效率，被認為是最有前途的點燃式(Spark Ignition，SI)發動機節能減排技術措施之一[1]。然而，小型強化SI發動機熱負荷的增加，導致其在燃燒過程中更容易發生爆震(Knock)[2]、超級爆震(Super-Knock)[3-4]等不正常燃燒現象。這些異常的燃燒現象將導致缸內高頻、劇烈的壓力振蕩，惡化發動機性能，甚至對發動機部件造成不可逆的損傷。因此，爆震和超級爆震等非正常燃燒現象是限制小型強化SI發動機熱效率進一步提升的突出瓶頸。

目前爆震產生的機理尚不明確，主要存在2種不同的理論：末端氣體自燃和爆轟理論。末端氣體自燃理論認為，在主火焰鋒面傳播至缸壁前，末端氣體自燃導致缸內壓力突升。自燃理論由于很好地解釋了光學實驗的結果，因而得到廣泛的認可。Bauerle[5]采用激光誘導熒光(Laser Induced Fluorescence，LIF)的方法檢測到內燃機末端氣體的熱點自燃并提出熱點的自燃分為誘發、起燃和傳播3個階段。Kawahara[6]在氫氣燃料壓縮膨脹機上通過高速攝像方法觀測到爆震過程中的自燃和壓力波，并提出爆震強度與末端氣體數量相關。與此不同，超級爆震是由“熱點”(Hot spot)先于火花點火自燃誘發的異常燃燒現象。Zahdeh[7]與Zaccardi[8]等通過內窺鏡觀測到了燃燒室內先于火花點火形成的“熱點”，并根據形成位置及分布排除了排氣門及火花塞電極等高溫表面點火可能。潤滑油被認為是形成低速早燃“熱點”的可能物質之一，被稀釋后的潤滑油通過活塞環岸積累并竄入到燃燒室內發生蒸發和氧化，最終在火花點火之前發生自燃[9]，自燃后產生的火焰和壓力突變在傳播過程中誘導末端未燃混合氣再次發生自燃，并產生具有強壓力間斷的爆轟波[10-11]，引發燃燒峰值壓力高達30MPa，壓力振蕩幅值超過20MPa 的超級爆震[12]。由此可知，自燃是引發非正常燃燒過程的必要條件。綜上所述，無論是常規爆震還是超級爆震，本質特征都是未燃混合氣發生自燃，自燃后的壓力波-湍流火焰相互作用最終導致了劇烈的壓力振蕩。湍流火焰-壓力波相互作用的相關研究是揭示爆震、超級爆震等非正常燃燒現象產生機理的關鍵。

伴隨著現代光學技術、計算機技術和圖像處理技術的發展，光學診斷(Optical diagnostics)方法在湍流燃燒試驗中得到越來越廣泛的應用，高時間/空間分辨率的光學可視化手段被用于探索火焰加速、沖擊波形成以及火焰-沖擊波的相互作用。但在實際內燃機中觀測爆震過程中湍流火焰-沖擊波的相互作用過程十分困難，這是因為爆震發生時缸內瞬時高溫高壓條件對可視化實驗條件要求苛刻，同時進排氣和活塞運動造成的復雜流動以及火焰在狹小空間內的傳播對缸內密度場的擾動，使得壓力波的捕捉變得困難?？焖賶嚎s機(Rapid Compression Machine，RCM)和定容燃燒彈(Constant Volume Combustion Bomb，CVCB)可以再現不同強度的壓力波傳播及其與火焰的相互作用過程，因此成為了眾多研究者的選擇。

Kawaraha[6]等基于1臺氫氣燃料點燃式壓縮膨脹機通過高速攝影技術觀測了爆震過程中末端氣體自燃以及壓力波的產生和傳播過程。王志[13]等基于1臺快速壓縮機開展了超級爆震過程中的燃燒現象和壓力變化的研究，指出引發劇烈壓力振蕩的爆轟燃燒是由未燃氣體中的熱點直接引發的。Xiao等[14-15]基于定容燃燒彈開展了郁金香火焰(Tulip flame)動力學的研究，研究表明火焰與壓力波的相互作用會導致火焰鋒面周期性的振蕩以及不同的火焰結構。上述關于湍流火焰-沖擊波相互作用的實驗研究沒有直接捕捉到清晰的湍流火焰-沖擊波的相互作用過程，還不足以揭示湍流火焰-沖擊波相互作用導致爆震、超級爆震等非正常燃燒現象的機理。

定容燃燒彈主要模擬發動機活塞在上止點附近的燃燒，能夠方便地改變燃燒室內的熱力學參數(包括當量比、溫度和壓力)、湍流參數和點火參數(火花塞位置、電極間的距離和點火能量)，在觀測噴霧形態[16]和火焰傳播[17]等方面得到廣泛應用。本課題組基于自行設計開發的可視化定容燃燒彈，通過在燃燒室內加裝孔板，以促進火焰加速和沖擊波的形成，并通過改變初始熱力學條件和孔板規格得到不同強度的湍流火焰和沖擊波，對封閉空間中火焰過孔板加速，沖擊波的形成、末端氣體自燃以及火焰-沖擊波相互作用開展了一系列研究。本文分別介紹了可視化定容燃燒彈裝置、火焰過孔板加速和沖擊波的形成與發展、火焰-沖擊波相互作用及其導致的不同燃燒模式和實驗得到的主要結論。

1 實驗裝置

整個實驗系統包括定容燃燒彈本體、高速紋影攝像系統、燃燒壓力采集系統、溫度控制系統、進排氣系統、高壓點火系統和同步控制系統，如圖1所示。定容燃燒彈的燃燒室為圓柱形的腔體，長度為230mm，直徑為100mm，燃燒室的容積為2.32L，彈體可承受極限壓力為10MPa。在燃燒室的前后壁面分別安裝直徑80mm的圓形石英玻璃視窗?？装鍨?mm厚的鋼板，表面分布有不同數量和孔徑的圓孔。Kistler 6113B型缸壓傳感器安裝在燃燒室上壁面，缸壓采集頻率為100kHz。Z字型布置的高速紋影系統用于捕捉火焰和沖擊波，高速相機的拍攝速度最高為210000幀/s。定容燃燒彈的上下壁面分別安裝有1000W的加熱板，使整個彈體加熱到373K，防止燃燒產物中的水蒸氣冷凝成液滴，影響相機拍攝。

圖1 實現火焰-沖擊波相互作用的可視化定容燃燒彈(a)觀測火焰加速過程；(b)觀測末端火焰-沖擊波相互作用和自燃

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

根據不同的實驗目的，設計了2種火花塞和孔板布置方式：圖1(a)所示用于觀測火焰過孔板加速過程，圖1(b)所示用于觀測燃燒室末端火焰-沖擊波的相互作用和末端氣體自燃現象。通過更改初始熱力學條件(初始壓力和當量比)和孔板規格(孔徑、孔隙率和位置)，獲得不同強度的火焰-沖擊波相互作用以及不同的燃燒模式。

在實驗過程中，每一項實驗工況均重復3次，圖2為在相同工況下(孔徑2mm，孔隙率12%，初始壓力3×105Pa)采集得到的火焰鋒面位置隨時間的變化關系。其中圖2(a)描述的是火焰過孔板過程，(b)描述的是火焰在燃燒室末端的傳播情況。從圖中可以看出，3次實驗得到的結果趨勢一致，相對誤差不超過6%，證明了實驗的可靠性。

(a) 火焰過孔板加速過程

(b) 火焰在燃燒室末端的傳播過程

2 火焰加速以及沖擊波的形成與發展

近些年，對管道中火焰加速機理有了較為清晰的認識[18-22]。層流火焰燃燒速度主要取決于化學反應動力學、熱物理性質以及火焰各組分的輸運性質。在預混火焰經歷層流燃燒階段之后，由于火焰的不穩定性、壁面、障礙物或者未燃氣體中的湍流，火焰將被擾動而產生蜂窩狀或者網狀火焰前鋒，最終發展為湍流燃燒，火焰燃燒速度顯著增加。本研究通過在定容燃燒彈的燃燒室中加裝孔板來促進火焰加速并產生沖擊波。

2.1 火焰加速過程

圖3(a)為通過高速紋影法得到的火焰過孔板過程的系列圖片，(b)為火焰傳播速度的發展歷程示意圖[23]。實驗條件為：當量比1，初始壓力2×105Pa，初始溫度(373±2) K，孔板孔徑2 mm，孔隙率12%。

圖3 過孔板加速過程(a)高速紋影系列圖像；(b)火焰傳播速度歷程示意圖

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

根據火焰的形態和傳播速度，將火焰過孔板過程分為層流火焰、射流火焰和湍流火焰3個階段。在層流燃燒階段，火焰傳播速度較低，約為20m/s左右，表現為先上升后下降的趨勢：由于受到水力學不穩定性(Darrieus-Landau instability)[24-25]和熱-擴散不穩定性(Thermal-diffusion instability)[26]的影響，光滑的球形層流火焰鋒面轉變為胞狀結構，從而增加了火焰表面積，層流火焰傳播速度略微上升；而后期火焰傳播速度下降是由于燃燒膨脹流場受到孔板阻礙作用。

火焰穿過孔板之后，火焰鋒面被分割成數股射流火焰，并伴隨傳播速度的驟增，增加1個數量級。過孔板加速過程中火焰和氣流發展如圖4所示[27]，需說明的是，紋影技術只能拍攝到密度梯度變化明顯的射流邊界。如圖4(a)～(h)所示，在火焰未穿過孔板之前，層流火焰的平均傳播速度大約為19m/s，膨脹流場過孔板后的平均速度約為15m/s。穿過孔板之后，火焰傳播速度急劇增加，而氣流速度也小幅增長，圖4(i)～(k)時刻，射流火焰平均速度約為98m/s，射流的平均速度約為30m/s。

圖4 過孔板加速過程中火焰和氣流發展高速紋影系列

Fig.4Chronologicalschlierenimagesofflameaccelerationandflowwhenpassingthroughtheperforatedplates

根據Bychkov[28]的理論，在火焰過孔板加速的過程中，膨脹流場過孔板產生的射流驅動了火焰的加速；在圖4(l)時刻之后，射流火焰鋒面超過膨脹流場的射流前鋒，其形狀也由與氣流鋒面類似的圓弧面變為豎直面，說明該時刻之后射流對火焰傳播的影響變小。除了氣體動力學的影響，火焰過孔板加速過程也同時受到化學動力學的影響?；鹧娲┻^孔板時，層流火焰被孔板分割成多束細小的火焰，使得火焰表面積增加，化學反應速率加快；另外當火焰在障礙物空間傳播時，Rayleigh-Taylor不穩定性和Kelvin-Helmoltz不穩定性[21, 29]使得火焰表面褶皺更加劇烈，表面分裂為更小的胞狀結構，促進燃燒速率的加快[8, 30]。

射流火焰遠離孔板的過程，由于受到氣體動力學的影響，其傳播速度逐漸下降。隨后多股射流火焰匯聚成一束湍流火焰并自加速傳播[31]。

2.2 沖擊波形成過程

層流火焰過孔板后，火焰傳播速度急劇增加，若火焰傳播速度足夠大，則會在燃燒室末端的觀測區域產生沖擊波，如圖5所示。根據氣體動力學[32]分析沖擊波的形成過程，如圖5(a)所示。燃燒室內的火焰經孔板加速向右傳播，它將首先壓縮靠近火焰鋒面右側的那一層氣體，在燃燒室內形成一道以當地聲速C向前傳播的微弱擾動波，在擾動波的作用下，未燃氣體的壓力和溫度均較之前略有升高。由于火焰持續加速，因此火焰鋒面之前會產生多層擾動波C1，C2，C3…，由于后面的擾動波是在更高溫度和壓力下產生的，其傳播速度更快。隨著時間的發展，擾動波之間的距離逐漸減小，后面的擾動波逐漸追上前面的擾動波，并不斷疊加，最終形成清晰的沖擊波。如圖5(b)所示，可以清晰地觀察到未燃氣體中沖擊波的疊加增強過程。實驗條件為：當量比1.25，初始壓力5×105Pa，初始溫度(373±2)K，孔板孔徑2mm，孔隙率12%。從圖5(b)-1中可以看出，在火焰的推動下，未燃氣體中形成了2條顏色較淡的弱沖擊波S1和S2，隨著火焰繼續向前發展，沖擊波的顏色逐漸加深，并且后方的沖擊波S2逐漸追趕上前方的沖擊波S1，2條沖擊波疊加在一起形成1條顏色較深的強沖擊波。

圖5 沖擊波形成(a)示意圖；(b)高速紋影系列圖片

Fig.5(a)Schematicand(b)Chronologicalschlierenimagesofformationandenhancementofshockwaves

3 湍流火焰-沖擊波相互作用導致不同的燃燒模式

小型強化汽油機燃燒室為封閉狹小空間，其壓縮上止點條件為高溫高壓(500～800 K，2～40MPa)，燃燒過程中火焰的不穩定性發展使得火焰加速而產生的壓力波以及活塞運動、壓縮階段的湍流輸運和壁面傳熱等引起了未燃區混合氣的熱不均勻性，在L-W積分[33]達到特定值之前逐漸形成熱點，當熱點半徑超過熱膨脹理論的臨界半徑時產生自燃，出現近似于爆燃轉爆轟(Deflagration to Detonation，DDT)的不正常燃燒現象[34-35]。Chen等[36]采用一維數值模擬的方法研究了封閉燃燒室內燃燒模式的轉變，發現依賴于初始溫度、壓力和燃燒室長度，存在正常燃燒、自燃和爆轟3種燃燒模式，并根據壓力振蕩將它們分別對應于實際發動機中的正常燃燒、爆震和超級爆震。

本文在第2部分研究的基礎上，通過改變初始壓力、當量比、孔板孔徑、孔隙率和孔板位置，研究了燃燒室末端火焰和沖擊波傳播的不同規律。根據燃燒室末端火焰傳播形式以及缸內壓力振蕩的強度，總結封閉空間末端存在5種不同的燃燒模式[37]：Mode 1為未受壓力波擾動的正常火焰傳播；Mode 2為聲波引起的火焰周期性減速傳播；Mode 3為沖擊波引起的往復火焰傳播；Mode 4為火焰-沖擊波相互作用導致火焰前鋒自燃并加速傳播；Mode 5為強沖擊波導致末端氣體自燃。5種燃燒模式的實驗條件如表1所示。

表1 不同燃燒模式的實驗條件Table 1 Experimental conditions at different combustion modes

圖6為Mode 4下封閉空間末端火焰和沖擊波從左向右傳播導致火焰前鋒自燃并加速傳播的系列圖。圖中右端黑色的圓柱狀物體為加熱棒和熱電偶，本研究中并沒有使用，因此不進行分析。4.079 ms時，可以看到沖擊波剛好傳播到觀測窗口，在沖擊波之前產生黑色擾動區。隨著沖擊波向前傳播，沖擊波之后火焰鋒面之前的未燃混合氣成為預熱區，如4.139 ms所示。之所以稱作預熱區，是因為這部分未燃混合氣受到兩方面的作用使得其熱力學狀態改變：一是沖擊波傳播過后，使得這部分未燃混合氣瞬間升溫升壓；二是火焰前鋒的熱輻射作用，使其溫度升高。隨著火焰和沖擊波向封閉燃燒室末端傳播，預熱區的溫度和壓力不斷積累，最終使得這部分混合氣在高溫高壓下劇烈燃燒，發生自燃。從4.222～4.255ms圖片可以看出，火焰鋒面之前、沖擊波之后的預熱區發生了自燃，燃燒區域變得越來越明亮。

圖6 Mode 4下火焰、沖擊波傳播紋影系列圖片

Fig.6ChronologicalschlierenimagesofflameandshockwaveatMode4

圖7為Mode 5模式下燃燒室末端火焰和沖擊波的發展以及末端氣體自燃的過程。首先，在4.781ms時，可以看到火焰鋒面之前形成初級沖擊波。初級火焰在4.819ms時進入觀測區域。然后在初級火焰與初級沖擊波之間產生次級火焰。次級火焰導致次級沖擊波的產生，其位于初級沖擊波的前方，傳播速度更快。這是因為次級燃燒是在更高的溫度和壓力下產生的。4.857ms時，次級沖擊波傳播到燃燒室的末端壁面并發生反射。這會使得燃燒室的末端靠近壁面的未燃混合氣受到2次沖擊波的作用，使其溫度、壓力和密度瞬間升高。在4.867ms時，燃燒室末端近壁面處發生自燃，自燃火焰鋒面與反射沖擊波疊加，形成明亮的準爆轟波向外傳播，傳播速度為1700m/s。

圖7 Mode 5下火焰、沖擊波傳播紋影系列圖片

Fig.7ChronologicalschlierenimagesofflameandshockwaveatMode5

5種燃燒模式下燃燒室末端火焰傳播速度情況如圖8所示。當燃燒室中未出現聲波或沖擊波時，燃燒室末端火焰受到封閉空間的限制作用，表現出減速燃燒，如圖中Mode 1所示，火焰傳播速度從200m/s降到20m/s。當燃燒室末端火焰與聲波或沖擊波相互作用時，火焰在傳播方向發生振蕩。根據聲波或沖擊波強度的不同，分為周期性減速傳播(Mode 2)和往復火焰傳播(Mode 3)。周期性減速傳播時，火焰前鋒表現為周期性的減速，速度波動的幅值為78m/s左右，火焰鋒面并沒有出現后退的現象。而往復火焰傳播時，由于反射沖擊波足夠強，燃燒室末端火焰出周期性后退現象。Mode 4中，燃燒室末端火焰與沖擊波相互作用，使得火焰鋒面之前的預熱區發生自燃，火焰持續加速并逐漸超過當地聲速，最終達到600m/s以上。Mode 5中，封閉燃燒室末端火焰傳播速度較快，大約為370m/s，會導致次級燃燒，速度大約為750m/s(圖中僅表示初級火焰的傳播曲線)，產生次級沖擊波；次級沖擊波傳播到燃燒室末端壁面發生反射，對靠近末端壁面的未燃混合氣產生二次作用，使其熱力學狀態迅速升高，發生末端氣體自燃；自燃火焰與主火焰相對傳播，并與反射沖擊波耦合形成爆轟波，速度達到1700m/s。

圖8 燃燒室末端5種燃燒模式下的火焰傳播速度曲線

圖9(a)為燃燒室末端5種燃燒模式下的燃燒壓力曲線，進行4 kHz高通濾波得到不同模式下的壓力振蕩情況，如圖9(b)所示。沒有發生自燃的模式(Mode 1、2和3)下燃燒壓力較低，燃燒壓力峰值不超過1.5MPa，壓力振蕩的幅值不超過1MPa。不同于以上3種情況，當燃燒室末端發生自燃時(Mode 4和5)，燃燒壓力的峰值和壓力振蕩幅值較大，燃燒壓力的峰值分別為5.8和4.7MPa，壓力振蕩峰值超過4.5MPa，是未發生自燃燃燒模式的4～40倍。

圖9 燃燒室末端5種燃燒模式下(a)燃燒壓力；(b)高通濾波后的燃燒壓力

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

5種燃燒模式的火焰、沖擊波傳播速度以及燃燒壓力振蕩的情況總結如表2所示。

表2 不同燃燒模式下的火焰、沖擊波傳播速度和燃燒壓力Table 2 Flame tip velocity, shock wave velocity and pressure at different combustion modes

4 結 論

基于加裝孔板的光學定容燃燒彈，對封閉空間中火焰過孔板加速、沖擊波形成和火焰-沖擊波相互作用導致不同的燃燒模式開展了系列研究，得出以下結論：

(1) 由于已燃氣體的熱膨脹，未燃氣體在火焰面的推動下向前傳播，膨脹流場率先通過孔板，產生強射流，在射流的驅動下火焰穿過孔板后傳播速度發生驟增。除此之外，火焰不穩定性使得火焰表面褶皺更加劇烈，表面分裂為更小的胞狀結構，促進燃燒速率的加快。

(2) 通過高速紋影法清晰地觀察到，受到加速火焰的影響，在未燃氣體中形成一系列弱擾動波，弱擾動波疊加形成一道強壓力間斷面，即沖擊波。

(3) 根據燃燒室末端火焰傳播形式以及缸內壓力振蕩的強度，總結封閉空間末端存在5種不同的燃燒模式：(a) 未受壓力波擾動的正?；鹧鎮鞑ィ?b) 聲波引起的火焰周期性減速傳播；(c) 沖擊波引起的往復火焰傳播；(d) 火焰-沖擊波相互作用導致火焰前鋒自燃并加速傳播；(e) 強沖擊波導致末端氣體自燃。其中發生自燃燃燒模式的壓力振蕩幅值是未發生自燃燃燒模式的4～40倍。因此，湍流火焰-沖擊波相互作用對燃燒壓力振蕩具有重要影響。

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