發動機進氣溫度對稀薄燃燒穩定性影響的可視化研究

左俊杰，王志剛，薛?亮，張?韌，衛海橋，潘家營

發動機進氣溫度對稀薄燃燒穩定性影響的可視化研究

左俊杰1, 2，王志剛2，薛?亮2，張?韌1，衛海橋1，潘家營1

(1. 天津大學先進內燃動力全國重點實驗室，天津 300072；2. 廣西玉柴機器股份有限公司，玉林 537005)

稀薄燃燒穩定性是先進天然氣發動機穩定高效清潔燃燒的重要指標．為了進一步探索改善天然氣發動機稀薄燃燒性能的方法，本文基于一臺高壓縮比單缸光學發動機，采用高速攝影和瞬態壓力同步測量方法，研究了進氣溫度對天然氣發動機稀薄燃燒特性的影響，量化了火焰發展演變與發動機性能之間的關聯性．研究表明：提高進氣溫度可以提升缸內壓力和放熱率峰值，進氣溫度從25℃到75℃，峰值壓力從3.71MPa提升至4.49MPa，峰值放熱率從57.17J/(°CA)提升至64.36J/(°CA)，并且放熱過程更為集中，同時結合發動機點火時刻，可進一步實現燃燒相位優化，降低傳熱損失；可視化燃燒圖像顯示，高進氣溫度條件下著火延遲期縮短，初始火焰尺寸增大，后期火焰傳播更快，最大火焰傳播速度提升至約10.6m/s，同時火焰前鋒趨于向四周傳播，火焰形態對稱性更好．此外，本文創新性地提出了一種基于可視化圖像來量化的已燃質量分數的經驗準則來評價初期火焰發展特性，發現提升進氣溫度主要影響早期火焰發展規律，高進氣溫度下早期火焰循環變化系數從18.12%降低至7.86%，并且該持續期平均值從13.03°CA降低到了9.25°CA，從而減小了后期燃燒過程的差異，這是天然氣發動機稀薄燃燒穩定性改善的主要原因．

稀薄燃燒；光學發動機；進氣溫度；早期火焰發展；循環變動

近年來，大量化石能源消耗導致能源危機日益加重．天然氣作為最具潛力的低碳燃料，具有儲量大、熱值高以及安全性能好等優點，逐漸成為發動機替代燃料的首選[1]．天然氣主要成分為甲烷，碳氫比高，無碳碳雙鍵；相比于傳統汽油機，天然氣發動機在釋放相同熱量的同時可減少30%的CO2排放[2]．此外，甲烷辛烷值高(RON＝126)、抗爆性好，適用于高壓縮比運行[3-4]．研究表明，天然氣發動機采用稀燃技術后可大幅改善其經濟性、熱效率和排放性[5]．然而，由于甲烷分子結構穩定，發動機采用稀薄燃燒后面臨著火困難、循環變動大、后燃嚴重等問題，影響發動機的經濟性和可靠性[6]．

為解決上述問題，以往研究大多關注于改善發動機火焰傳播特性．Di等[7]基于點燃式發動機研究了摻氫對燃燒性能的影響，發現隨著摻氫量的增加，天然氣發動機燃燒持續期縮短、熱效率提高，可能的原因是氫氣加快了燃燒反應速率．Li等[8]通過可變渦流控制閥強化缸內湍流，顯著提升了火焰傳播速度，改善了發動機燃燒穩定性，進而提升了熱效率. Catapano等[9]和Di等[10]在光學發動機上研究了燃料組分對燃燒性能的影響，發現火焰傳播越快，發動機燃燒越穩定、熱效率越高．上述研究證實了增強湍流和燃料改質對天然氣發動機火焰傳播和穩定燃燒的促進作用．

稀燃條件下發動機燃燒穩定性對關鍵參數更加敏感[11]．Hung等[12]和Chen等[13]研究了兩種進氣渦流條件下發動機燃燒試驗，發現在循環變化較大的工況下，早期著火過程對燃燒穩定性的影響更為關鍵.基于高壓縮比光學發動機，Chen等[14]研究了不同點火能量對天然氣燃燒性能的影響，發現提高點火能量可實現更穩定的初始火核，進而提升了燃燒穩定性和熱效率．然而，提高點火能量往往會影響火花塞壽?命[15]. Pan等[16]基于單缸機性能試驗發現，提升進氣溫度可加快燃燒速率，縮短滯燃期．Klimstra等[17]研究了稀燃條件下進氣歧管溫度對渦輪增壓發動機性能的影響，發現提升進氣溫度可以降低失火率、擴展稀燃極限．上述研究揭示了燃燒邊界條件對天然氣發動機的重要影響，但是受限于熱力學發動機性能試驗，關于進氣溫度對天然氣發動機燃燒穩定性的影響機制尚不明確．

針對上述問題，本文基于高壓縮比光學發動機試驗平臺，采用缸內壓力和高速攝影同步測量方法，研究了稀燃條件下進氣溫度對天然氣發動機燃燒穩定性的影響，深入揭示了熱力學邊界條件對天然氣發動機燃燒穩定性的作用機制，研究結果對于天然氣發動機穩定高效清潔燃燒具有重要指導意義．

1?試驗裝置及研究方法

1.1?試驗裝置

試驗機是一臺由General Motor 2.0T原型機改裝而成的單缸光學發動機，發動機主要參數如表1所示．其中，發動機壓縮比為13∶1，發動機排量0.64L，無氣門重疊角．

表1?光學發動機參數

Tab.1?Optical engine specifications

（a）光學發動機示意

（b）缸蓋示意

圖1?光學發動機及缸蓋示意

Fig.1?Schematic of the optical engine and engine head

1.2?試驗方法及圖像處理

試驗時，發動機由一臺小功率直流電力測功機(DZDC-20S)倒拖，發動機轉速保持在(800±5)r/min. 發動機采用氣道噴射方式，噴射時刻為壓縮上止點前300°CA，此時可以實現缸內均質燃燒狀態．為精確控制過量空氣系數()，通過Bosch寬域后氧傳感器進行閉環控制，測量分辨率0.1%，響應時間0.15s. 通過調節噴射脈寬，使過量空氣系數保持在1.1左右．進氣溫度由一臺GD-3型管式空氣加熱器調節并維持，精度為0.1℃．本文對比研究了3種進氣溫度，分別是25℃、55℃和70℃．采用壓電晶體缸壓傳感器(Kistler 6125A)進行燃燒壓力在線測量，然后利用電荷放大器(Kistler 5018)和采集卡進行數據采集，采集精度0.1MPa．壁面溫度對發動機燃燒性能有重要影響，因此在缸蓋配備了熱電偶溫度傳感器，測量精度±0.1℃．當發動機壁面溫度處于95～100℃之間時進行缸壓和圖像采集．為便于分析，本研究中采用甲烷代替天然氣．

采用Photro SA-Z高速攝影機，拍攝速度為5000幀/s，分辨率為512×512，可以保證較好的曝光率和清晰度．考慮光學發動機的結構強度，每個工況連續拍攝和采集50個燃燒循環，同時對光學視窗進行及時清理．采用光電編碼器來標識曲軸轉角信號，實現對光學系統和缸壓系統的同步觸發．試驗中所用的采集設備的分辨率和測試誤差如表2所示．

表2?測試設備的分辨率和測量精度

Tab.2 Resolutions and uncertainties of measurement equip-ment

為了深入解析發動機燃燒過程，采用瞬態壓力和高速攝影相結合的方法同步分析研究結果．為了量化火焰發展特性，可視化圖像采用MATLAB程序進行后處理．基本步驟主要包括圖像二值化處理、火焰面積識別以及火焰半徑擬合，如圖2所示．首先，基于讀取的火焰圖像得到像素矩陣，然后對火焰圖像進行數學處理，通過定義燃燒室區域，過濾噪聲或反射等干擾信號．需要說明的是，可以采集著火前10幅背景圖像作為參考基準，增強對比度．然后，利用“binarizing-thresholding”技術對RGB圖像進行二值化處理，從而確定火焰基本特性．該技術根據亮度對像素點進行劃分，當像素點強度大于(小于)某閾值時則被定義為未燃(已燃)區域．最后，將處理得到的二值圖像及其矩陣求和，并以此來表征火焰面積大小，同時將火焰面積等效為一個擬合圓；根據火焰面積計算火焰半徑，最終獲得燃燒室燃燒火焰基本規律．

（a）原始圖像???（b）二值化圖像???（c）火焰擬合圓

圖2?火焰圖像邊界和半徑的提取方法

Fig.2 Procedure for extracting the boundary and radius of flame images

2?試驗結果及分析

2.1?進氣溫度對燃燒性能的影響

圖3給出了3種進氣溫度條件下的缸內壓力和瞬時放熱率變化，點火時刻均為上止點前18°CA，過量空氣系數為1.1．可以看到，隨著進氣溫度的增加，缸內最大爆發壓力不斷提升，3種進氣溫度的壓力峰值分別達到3.71MPa、4.15MPa和4.49MPa．同時，缸內最大爆發壓力所對應的曲軸轉角不斷提前，這說明提升進氣溫度可以有效改善稀薄燃燒性能．對于瞬時放熱率而言，其隨進氣溫度的變化規律與缸內壓力相似，隨著進氣溫度的升高，放熱率峰值也顯著提升，同時放熱更為集中，放熱率峰值所對應的時刻也明顯提前．由此可見，進氣溫度的提升使得天然氣稀薄燃燒加快、燃燒相位提前．

圖3?不同進氣溫度下的缸內壓力與放熱率

（a）指示熱效率

（b）COVIMEP

圖4?進氣溫度對燃燒性能的影響

Fig.4 Effects of intake temperature on combustion per-formance

2.2?進氣溫度對著火和火焰傳播的影響

為了更加直觀地討論進氣溫度的影響，圖5給出了不同進氣溫度條件下的著火和火焰傳播過程，每個進氣溫度工況均選取最佳點火時刻．可以看到，當進氣溫度為25℃時，從火花塞跳火后直到3.84°CA時才能看到明顯的火核；而在進氣溫度為55℃和70℃時，在1.92°CA時就可以清楚看到火焰核心的形成．同時，進氣溫度為70℃時，火焰核心的亮度和尺寸均大于進氣溫度55℃工況．不同進氣溫度條件下，火焰發展也有明顯的差異．在點火時刻之后大約9.60°CA，進氣溫度70℃工況下火焰已經達到光學視窗的邊緣，而進氣溫度為25℃工況下的火焰僅圍繞在火花塞周圍．此外，3種進氣溫度工況條件下的火焰亮度和火焰形態也不盡相同．在進氣溫度25℃時，火焰亮度較暗，火焰邊緣也較為平滑；進氣溫度為55℃時，火焰亮度有所提升，火焰邊緣更加褶皺；進一步提升進氣溫度至70℃時，火焰亮度進一步增強，火焰邊緣也更加褶皺．根據文獻[18]可知，火焰邊緣越褶皺，湍流火焰作用越強、火焰傳播速度越快．由此可見，提升進氣溫度可明顯促進天然氣稀薄燃燒性能，改善發動機初始火核形成和火焰傳播．另外，在進氣溫度為25℃時，在火焰發展過程中存在明顯的形態不對稱性，火焰更傾向于向上傳播，可能的原因是排氣門附近周圍混合氣具有相對較高的環境溫度．隨著進氣溫度的升高，上述燃燒趨勢得到了相應改善；當進氣溫度為70℃時，火焰傳播方向趨于向四周發展，并呈現出明顯的對稱性分布，反映出稀薄燃燒穩定性得到了顯著改善．

為了量化進氣溫度對稀薄燃燒過程的影響，圖6給出了不同進氣溫度條件下平均火焰半徑和對應的火焰傳播速度隨時間的變化．其中，平均火焰半徑是根據圖5中所對應50個循環的可視化圖像獲得的平均值，火焰速度則是火焰半徑曲線的1階導數，然后進行平滑處理所得．需要說明的是，因該發動機光學視窗半徑為31mm，一旦火焰到達該邊界將無法獲得準確的火焰傳播圖像．

可以看到，隨著進氣溫度的提升，火焰核心形成時間明顯縮短．當進氣溫度為55℃和70℃時，火花塞跳火到火焰核心形成之間幾乎沒有著火延遲，同時在整個火焰傳播過程中，進氣溫度的提升也對應著更大的火焰面積．而對于火焰速度而言，不同進氣溫度下燃燒早期階段(即點火后0°CA～5°CA)的火焰速度呈現出較大的差異，而隨著進氣溫度的提升，同一時刻的火焰速度也隨之增加；在點火后5°CA～10°CA階段，進氣溫度55℃與70℃條件下的火焰速度差距縮小，二者與25℃條件下的火焰速度差距更加明顯．在進氣溫度為25℃時，火焰速度在約12.48°CA附近達到最大值9.3m/s；在進氣溫度55℃時，火焰速度約在11.52°CA附近達到最大值10.2m/s；在70℃時，火焰速度約在10.56°CA附近達到最大值10.6m/s．由此可見，提高進氣溫度可以縮短著火延遲，同時也促進火焰傳播．需要說明的是，由于光學窗口的限制，半徑大于31mm的燃燒區域被覆蓋，其數值沒有直接的相關性．

（a）3種進氣溫度下的平均火焰半徑

（b）3種進氣溫度下的火焰傳播速度

圖6?不同進氣溫度條件下的火焰半徑及火焰傳播速度

Fig.6 Flame radius and flame propagation speed under different intake temperatures

2.3?燃燒穩定性改善的機理分析

如前文所述，提升進氣溫度對天然氣發動機火焰核心形成和火焰發展具有重要的影響，但稀燃條件下燃燒過程的改善對發動機燃燒穩定性的深層次影響機制尚不清楚．為了揭示瞬態燃燒放熱與可視化火焰圖像之間的相關性，圖7進一步給出了火焰半徑與已燃質量分數(burned mass fraction，BMF)的關系. 可以看到，已燃質量分數與初始火焰核心半徑之間呈現很好的正相關性，隨著已燃質量分數的增加，火焰核心半徑單調增加．根據文獻[19]，初始火焰核心形成(也就是已燃質量分數0～5%)和早期火焰發展的循環變化，往往是造成發動機燃燒不穩定(即圖4中IMEP循環變化)的主要原因．在本試驗中，當火焰半徑達到10mm時，已燃質量分數在4.3%～7.8%，因此本文中筆者將點火時刻到火焰半徑達到10mm所需時間來表征早期燃燒．

圖7?已燃質量分數與火焰半徑的關系

圖8顯示了3種進氣溫度條件下50個循環的早期燃燒階段的離散分布．其中，每個工況均選自圖4中的最佳點火時刻．如圖8所示，隨著進氣溫度的提升，數據點分布的離散度越來越?。谶M氣溫度為25℃時，從點火到火焰半徑達到10mm階段所需時間分布在較大的范圍，即10.1°CA～15.8°CA之間，其循環變化系數和平均值分別為18.12%和13.03°CA；當進氣溫度為55℃時，點火到火焰半徑達到10mm階段所需時間分布在9.6°CA～13.3°CA之間，其循環變化系數和平均值分別為11.25%和11.28°CA；進一步提升進氣溫度到70℃時，此時數據點分布范圍最小，在7.9°CA～10.8°CA之間，循環變化系數和平均值分別為7.86%和9.25°CA．進一步結合圖4(b)，可以發現快速的早期燃燒(即點火時刻到火焰半徑達到10mm階段)可帶來更加穩定的稀薄燃燒性能，從而提升熱效率．因此，提升進氣溫度可以促進早期火焰發展，從而改善天然氣發動機稀薄燃燒穩定性．

圖8?不同進氣溫度下早期燃燒階段的循環變動

3?結?論

(1) 在天然氣稀薄燃燒條件下，提高進氣溫度可以明顯提高發動機燃燒穩定性，提高發動機的熱效率．相同點火時刻時，提高進氣溫度可以提升缸內壓力峰值，加快燃燒速率，使放熱更為集中．對于最佳點火時刻來說，提升進氣溫度可以使點火相位推遲，優化燃燒相位，從而降低高壓縮比下爆震傾向．

(2) 可視化燃燒圖像表明，提升進氣溫度可促進稀薄燃燒條件下天然氣著火過程，隨著進氣溫度的升高，火焰核心形成時間提前，火焰尺寸增大，從而縮短了著火延遲時間．在火焰傳播過程中，提升進氣溫度對應著更快的火焰傳播，同時火焰前鋒趨于向四周傳播，火焰形態呈現更好的對稱性，有助于天然氣稀薄混合氣充分燃燒．

(3) 結合瞬態壓力和可視化圖像發現，在天然氣稀薄燃燒條件下，通過提升進氣溫度改善發動機燃燒穩定性的主要原因在于早期火焰發展．進氣溫度的提升可以縮短早期火焰發展階段所需時間，同時降低該階段的循環變化，進而在宏觀上減小了后期湍流燃燒過程的差異，最終降低IMEP循環變化系數，同時提升發動機熱效率．

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Optical Investigation of the Effects of Intake Temperature on Lean-Burning Stability of Engine

Zuo Junjie1,2，Wang Zhigang2，Xue Liang2，Zhang Ren1，Wei Haiqiao1，Pan Jiaying1

(1. State Key Laboratory of Engines，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2. Guangxi Yuchai Machinery Group Co.，Ltd.，Yulin 537005，China)

The stability of lean burning is an important indicator of advanced natural gas engines featuring stable，efficient，and clean combustion. A high compression ratio single-cylinder optical engine was used in the experimental research on the effects of intake temperature on the lean-burning characteristics of natural gas engines to improve their lean-burning performance. In-cylinder pressure was measured simultaneously with combustion visualizations，and the correlations between flame development and engine performance were examined. The results indicate that elevating intake temperature can increase the peak value of in-cylinder pressure and heat release rate from 25℃ to 75℃，the peak pressure is increased from 3.71MPa to 4.49MPa，and the peak heat release rate is elevated from 57.17J/(°CA) to 64.36J/(°CA)，resulting in a more concentrated heat release and less heat transfer loss. Additionally，combustion phasing can be improved by combining ignition timing. Visualized flame images show that the ignition delay time is reduced，the initial flame size increases at high intake temperatures，and the maximum flame propagation speed has reached approximately 10.6m/s. Moreover，the flame front spreads faster at the later stage and tends to spread around，which presents better flame-shaped symmetry. Furthermore，an empirical criterion for the burned mass fraction is proposed based on the development of initial flame images to examine the initial combustion process. It was found that increasing intake temperature mainly affects the early flame development stage. The coefficient of variation of IMEP during the early flame development decreased from 18.12% to 7.86%，the average value of this stage also decreased from 13.03°CA to 9.25°CA，and the difference in the later combustion process was alleviated，which reflects the improvement in the lean-burning stability of natural gas engines.

lean-burning；optical engine；intake temperature；early flame development；cyclic variation

TK437

A

0493-2137(2024)04-0355-07

10.11784/tdxbz202302004

2023-02-04；

2023-03-15.

左俊杰（1988—??），男，本科，工程師，zuojunjie@yuchai.com.

潘家營，jypan@tju.edu.cn.

國家自然科學基金資助項目(52222604，52076149).

the National Natural Science Foundation of China(No. 52222604，No. 52076149).

(責任編輯：金順愛)