基于定容燃燒彈的單孔主動預燃室幾何參數對燃燒特性的影響研究*

劉人赫 劉逸暉 繆新軻 鄧俊 李理光

（同濟大學，上海 201804）

主題詞：主動預燃室 定容燃燒彈 燃燒可視化 燃燒特性

1 前言

中國《內燃機產業高質量發展規劃（2021～2035）》[1]提出：內燃機是交通運輸、工程機械、農業機械、漁業船舶、國防裝備的主導動力設備，在未來相當長時期仍將是這些領域的主導動力。因此，高效汽油機的開發對我國汽車工業具有重要戰略意義。稀薄燃燒技術是提升汽油機熱效率的重要手段[2]，但火焰傳播慢、循環變動率大[3]等問題制約著該技術的發展，急需輔以新型點火方式進行改善，預燃室點火系統就是其中之一。該系統的主體是一個容積不超過主燃室3%的預燃室[4]，點火時由火花塞點燃預燃室內的濃混合氣，火焰通過噴孔形成射流引燃主燃室內的稀混合氣。這種點火方式可以縮短燃燒持續期、降低循環變動率[5]，是實現50%以上熱效率汽油機非常有希望的技術路線之一[6]。

預燃室可分為被動式與主動式兩種[7]。被動預燃室可以直接基于火花塞加工，混合氣在活塞上行時進入預燃室。施佳葉等[8]發現被動預燃室在小負荷、稀燃工況下能顯著降低缸內直噴汽油機的循環變動率。Bozza等[9]發現，在缺乏缸內氣流配合時，受殘余廢氣影響，被動預燃室的稀燃極限甚至不如傳統火花塞，這是其缺點之一。

主動預燃室帶有輔助噴射系統，能直接將燃油或混合氣噴入預燃室。Sens 等[6]研究發現，傳統火花塞和被動預燃室在過量空氣系數λ>1.4 時循環變動率急劇升高，而主動預燃室在λ=2時，循環變動率仍保持在2%以內。Müller 等[10]研究發現，輔助噴射系統可以使主動預燃室中混合氣以化學計量當量比燃燒，在其試驗工況下稀燃極限過量空氣系數λ由傳統火花塞的1.6 提高到2.7，熱效率提高了8%。廖升友等[11]對主動預燃室結構和散熱性能進行了優化，發現減小預燃室容積可以明顯降低指示燃油消耗率和NOx排放量。費圣奕等[12]提出了單孔主動預燃室火焰射流貫穿距隨時間變化的經驗公式，并通過試驗與仿真對其進行了驗證。

由上述研究可知，主動預燃室在拓展稀燃極限、降低污染物排放量和提高熱效率方面均有很大潛力，但目前的研究大多集中在主動預燃室對發動機整機性能的影響上，針對主動預燃室燃燒特性的研究較少。本文基于定容燃燒彈試驗平臺，以燃燒彈內火焰發展、壓力變化等作為評價指標，研究單孔主動預燃室幾何參數對點火特性的影響，以期為主動預燃室的設計提供理論基礎。

2 試驗裝置與方法

2.1 試驗臺架

本文基于高壓定容燃燒彈搭建了試驗臺架，燃燒彈相關參數如表1所示，臺架如圖1所示。

表1 定容燃燒彈參數

主動預燃室點燃彈內的甲烷-空氣混合氣，通過缸壓傳感器獲得燃燒彈內壓力變化情況，通過光學紋影系統記錄射流火焰影像，處理圖像獲得射流火焰面積等相關特征，分析不同預燃室幾何參數對火焰特性的影響。

2.1.1 主動預燃室主結構

本文使用的主動預燃室參考了Schumacher[13-14]的設計方案，直接將飽和汽油蒸氣通入預燃室中，因此屬于預混式主動預燃室，其模型如圖2a 所示?？紤]加工便利性，采用上、下兩部分的分體式設計，如圖2b所示，其結合區域構成預燃室的燃燒區。小尺寸火花塞與混合氣噴管安裝于預燃室上部，噴管內安裝由彈簧及軸承鋼球構成的止回閥，以避免氣體回流；預燃室下部可直接替代傳統火花塞進行安裝，其內部形狀類似于拉瓦爾噴管，主要目的是：控制預燃室的容積，使其保持在一定范圍內；增加火焰和氣流在預燃室內的運動速度，使其能較快抵達噴孔形成火焰射流。

圖2 預燃室模型示意

2.1.2 光學紋影系統

光學紋影系統是用于記錄火焰影像的關鍵裝置，見圖1。其工作過程為：光源發出的光穿過狹縫，經過反射鏡1反射后到達凹面鏡1，并形成一束平行光，平行光穿過燃燒彈的視窗后到達另一側的凹面鏡2，再經反射鏡2反射后在刀口處聚焦，最后由Phantom V7.3型高速攝影機接收，該高速攝影機的分辨率為256×256、拍攝幀率為10 000幀/s、曝光時間為5 μs。

2.2 試驗方法

2.2.1 油氣混合氣制備

采用油氣預混系統制備油氣混合氣，如圖3所示。

圖3 油氣預混系統示意

混合氣在預混罐中配制完成，通過氣軌進入預燃室。計算得到不同過量空氣系數條件下飽和汽油蒸氣中空氣與汽油蒸氣的壓力如表2所示，此時環境溫度為27 ℃。

表2 不同過量空氣系數下飽和汽油蒸氣中空氣充氣壓力

2.2.2 火焰圖像處理

圖4展示了圖像處理的具體步驟，先對高速攝影機拍攝的原始圖片進行二值化處理，獲得火焰二值化圖像，其中黑色部分為火焰，白色部分為未燃區域。計算火焰面積的方法是在獲得二值圖后，利用MATLAB 中的坎尼算子（Canny Operator）對火焰進行邊緣檢測，將火焰和未燃區域的輪廓分別勾勒出來，劃分已燃區域和未燃區域，計算未燃區域的面積，再用總面積減去未燃區域的面積獲得已燃區域的面積，即為火焰的面積。同時，在經過邊緣檢測后的圖像中也可以測量出不同時刻的火焰射流長度。

圖4 火焰圖像處理步驟

2.2.3 試驗方案

本文試驗邊界條件如表3所示，為盡可能保證試驗的可重復性，每個工況點的試驗重復進行3 次，以點火時刻作為開始時刻，對比每一次試驗的火焰面積曲線和試驗采集的定容燃燒彈內壓力曲線。圖5 所示為預燃室的相關幾何參數，其中D為預燃室通道內徑，d為噴孔孔徑，α為預燃室下端開口角角度。預燃室初始幾何參數設置為d=3.0 mm、D=5.0 mm、α=60°。

圖5 預燃室幾何參數

表3 試驗邊界條件

3 結果與分析

3.1 噴孔孔徑

本研究設計了2.0 mm、2.5 mm、3.0 mm、3.5 mm 和4.0 mm共5種尺寸噴孔的主動預燃室，狹窄通道內徑與下端開口角度均保持初始結構不變，試驗得到的火焰圖像如圖6所示。由圖6可知：2.0 mm孔徑的預燃室雖有火焰射流噴出，但未能點燃定容燃燒彈中的混合氣，因而在后續的燃燒特性圖中不再展示；2.5～4.0 mm 4種孔徑的預燃室均能點燃燃燒彈中的混合氣。

圖6 不同噴孔孔徑對應的火焰圖像

圖7 所示為不同孔徑預燃室對應的燃燒彈內的火焰面積變化曲線和濾波后的燃燒壓力變化曲線?；鹧婷娣e與燃燒壓力的增長規律基本保持一致，預燃室孔徑越大，火焰面積和燃燒壓力增長越快。

圖7 不同噴孔孔徑對應的燃燒彈內燃燒特性

結合火焰圖像和燃燒特性曲線可以發現：由于燃燒彈內的徑向尺寸有限，從計時開始到火焰充滿整個可視窗口的過程時間很短，且燃燒壓力幾乎沒有變化，可認為是定壓燃燒過程，對應燃燒前期的特性，同時也能體現不同主動預燃室的點火效果差異；而在火焰充滿整個燃燒彈后，燃燒成為定容燃燒過程，此時燃燒壓力的變化則能較好地對應燃燒中后期的特性。

進一步，為了避免火焰接觸燃燒彈底部產生的額外影響（如火焰面積突變等），定義從點火開始到火焰面積達到2 500 mm2（約為燃燒彈可視窗口面積的一半）所用的時間為初期火焰發展時間，記作T，作為不同預燃室點火效果的參考指標，T越小，預燃室點火效果越好；定義濾波后的峰值燃燒壓力為Pmax，作為燃燒中后期的參考指標，Pmax越大，中后期燃燒情況越好。表4展示了不同噴孔孔徑下的初期火焰發展時間與峰值燃燒壓力。在本文選取的參數范圍內，孔徑越大，T越小，預燃室點火效果越好，4.0 mm 孔徑下對應的T相比2.5 mm 孔徑下對應的T縮短了9.3 ms；不同噴孔孔徑預燃室的Pmax相差不大，說明預燃室孔徑對燃燒中后期的影響不大。

表4 不同孔徑的初期火焰發展時間與峰值燃燒壓力

圖8 所示為從火焰射流進入主燃室的時刻開始測量的不同孔徑預燃室對應的火焰射流長度及計算得出的射流速度曲線。2.5 mm、3.0 mm、3.5 mm、4.0 mm孔徑對應的射流初速度分別為149.36 m/s、129.36 m/s、105.70 m/s、83.67 m/s?？梢钥闯?，噴孔孔徑越小，火焰射流的初速度越快，但由于燃燒彈內徑向尺寸有限，火焰射流抵達的最終距離均相同，所以不同孔徑預燃室點火的區域大小接近，無法體現出射流速度快對擴大點火區域帶來的優勢。

圖8 不同噴孔孔徑的火焰射流長度與速度隨時間的變化情況

綜合上述結果可知，隨著噴孔孔徑從2.5 mm 增加到4.0 mm，火焰射流的初速度逐漸下降，噴出火焰射流后，大孔徑（4.0 mm）預燃室點火效果更好，但不同孔徑預燃室對燃燒彈內燃燒中后期的影響不大。其反映的規律說明，預燃室的噴孔孔徑對其點火效果有著比較顯著的影響，小孔徑雖然能提高射流速度，但是點火效果反而較差。結合2.0 mm 孔徑對應的失火現象分析，小孔徑可能導致火焰射流溫度下降和攜帶的自由基團較少，從而削弱點火效果甚至無法點燃主燃室的混合氣。

3.2 通道內徑

預燃室較小的通道內徑可能會影響火焰在預燃室內的傳播，改變該內徑會直接改變預燃室的容積。本文設計了3.0～5.5 mm 5種通道內徑的主動預燃室，計算其容積的變化情況，如表5所示。

表5 各通道內徑預燃室的容積變化

圖9所示為5種內徑預燃室點火后在燃燒彈中的火焰圖像對比結果。由圖9可知，3.0 mm內徑的預燃室未能點燃混合氣，因而在后續的燃燒特性圖中不再展示。第4 ms時，4.0 mm內徑的預燃室射流長度較長，是因為內徑較小的預燃室中火焰傳播速度較快，噴射射流時刻較早，射流發展時間更多，4.5 mm 內徑預燃室在點火后，定容燃燒彈內最先著火，火焰面積增長最快。

圖9 不同通道內徑對應的火焰圖像

圖10所示為不同通道內徑預燃室在點火后對應的定容燃燒彈內火焰面積變化和濾波后的燃燒壓力變化情況。表6 展示了不同通道內徑下的初期火焰發展時間與峰值燃燒壓力。隨著通道內徑的增大，T呈現出先減小后增大的趨勢，4.5 mm 通道內徑的T相比4.0 mm通道內徑的T縮短了6.8 ms，較預燃室孔徑變化的影響小。不同通道內徑的Pmax差別較為明顯，說明通道內徑對燃燒中后期的情況也有一定影響。4.5 mm通道內徑在點火效果和燃燒中后期的表現方面均優于其他通道內徑的預燃室。

圖10 不同通道內徑對應的燃燒彈內燃燒特性

表6 不同通道內徑的初期火焰發展時間與峰值燃燒壓力

定義從點火時刻到火焰射流開始進入主燃室所用的時間為火焰射流延遲時間，表7所示為不同通道內徑預燃室的火焰射流延遲時間對比結果，隨著預燃室通道內徑的增大，火焰射流延遲時間呈現增大的趨勢，說明火焰在預燃室內的傳播用了更多的時間。

表7 各通道內徑預燃室的火焰射流延遲時間

綜上所述，不同通道內徑的預燃室對點火過程的影響體現在兩個方面：第一，影響火焰在預燃室內的傳播，它體現在不同內徑的預燃室火焰射流延遲時間的不同，火焰在內徑較小的預燃室中傳播速度較快，火焰射流延遲時間較短；第二，內徑的改變使預燃室的容積發生變化，預燃室容積與內徑呈正相關，合適的預燃室容積（通道內徑4.5 mm）能加快燃燒彈中混合氣的燃燒，當容積大于或小于一定范圍時都會使燃燒彈中燃燒情況變差，預燃室通道內徑過?。?.0 mm）甚至會發生失火。通道內徑的改變在一定程度上影響了點火效果，但是其顯著程度較預燃室噴孔孔徑小。

3.3 下端開口角度

在初始預燃室結構的基礎上，不改變其他邊界條件，修改下端開口角為45°、60°、75°和0°，圖11 所示為對應的燃燒彈內火焰圖像對比。對比各型預燃室點火后的火焰圖像，各預燃室的火焰射流在其噴射階段的發展情況較為接近，如第4 ms 時射流長度沒有明顯差距。在第10 ms左右，各預燃室對應的燃燒彈內混合氣均被點燃。

圖11 不同下端開口角度對應的火焰圖像

圖12所示為不同下端開口角度預燃室對應的定容燃燒彈中火焰面積和濾波后的燃燒壓力變化情況，火焰面積曲線與圖11 中火焰圖像描述的火焰傳播過程一致。表8 展示了不同下端開口角度下的初期火焰發展時間與峰值燃燒壓力。相比于不同孔徑和不同通道內徑，不同開口角度預燃室的T差異不大，0°開口角的T相比45°開口角的T只縮短了2.9 ms。從燃燒壓力曲線及Pmax來看，不同下端開口角度的預燃室對燃燒中后期的影響也不大。

圖12 不同下端開口角度對應的燃燒彈內燃燒特性

表8 不同下端開口角度的初期火焰發展時間與峰值燃燒壓力

表9所示為火焰圖像中4種預燃室的火焰射流延遲時間?？梢钥闯?，不同的下端開口角度對火焰射流延遲時間影響較小。

表9 不同下端開口角度的火焰射流延遲時間

綜上所述，預燃室不同的下端開口角度未能對燃燒彈內混合氣的燃燒造成明顯影響，在本文所選取的3種幾何參數中，其對主動預燃室點火的影響程度最弱。

4 結束語

本文基于定容燃燒彈試驗平臺，以點火后燃燒彈內火焰面積發展、彈內壓力等作為評價指標，研究了單孔主動預燃室幾何參數對點火特性的影響情況，得出如下結論：

a.對于本文所使用的定容燃燒彈，從計時開始到火焰充滿整個可視窗口的過程時間很短，且燃燒壓力幾乎沒有變化，可認為是定壓燃燒過程，對應的是燃燒前期的特性，同時也能體現不同主動預燃室的點火效果差異。在火焰充滿整個燃燒彈后，燃燒成為定容燃燒過程，此時燃燒壓力的變化則能較好地對應燃燒中后期的特性。

b.主動預燃室的噴孔孔徑對點火效果有著較為顯著的影響，小孔徑可能導致火焰射流溫度下降和攜帶的自由基團較少，從而削弱點火效果，甚至無法點燃主燃室的混合氣，在本文所選范圍內，噴孔孔徑越大，點火效果越好，對燃燒中后期影響不大；預燃室通道內徑對燃燒的影響有兩方面，一是直接影響火焰在預燃室內的傳播速度，內徑較小時火焰的傳播速度快，火焰射流延遲時間短，二是通道內徑與預燃室容積正相關，容積偏大或偏小都會使燃燒彈中燃燒情況變差，過小甚至會發生失火；下端開口角度對燃燒的影響很小，不同下端開口角度對應的火焰射流延遲時間、火焰面積變化及燃燒壓力增長情況基本一致。

c.對比不同幾何參數試驗中初期火焰發展時間的最大差異，噴孔孔徑為9.3 ms，通道內徑為6.8 ms，下端開口角度為2.9 ms；由于主動預燃室的點火效果主要體現在燃燒彈內的燃燒前期，因此對于本文來說，噴孔孔徑是影響主動預燃室點火的最主要因素，其次是通道內徑，而下端開口角度影響最弱。