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微小定容腔内喷射正丁烷/空气着火与燃烧特性
2021-10-27 00:33:56· 来源：《内燃机学报》
微小型内燃机由于功率密度高与效率高的特点而备受重视。由于微尺度效应，微小型内燃机内的着火与燃烧对于其可靠运行和性能提升至关重要，因此，开展微小型内燃机
微小型内燃机由于功率密度高与效率高的特点而备受重视。由于微尺度效应，微小型内燃机内的着火与燃烧对于其可靠运行和性能提升至关重要，因此，开展微小型内燃机运行条件下的着火与燃烧特性基础研究具有重要意义。正丁烷易于液化且便携，被认为是微小型内燃机的适用燃料。此外，笔者课题组前期对模拟微小型内燃机启动条件下的微小定容腔内静止正丁烷/空气热着火与燃烧特性进行了研究，但对更接近微小型内燃机连续运行真实情况的喷射进气条件下正丁烷/空气热着火与燃烧基础特性还缺乏相关研究。因此，笔者利用微小定容腔着火与燃烧试验平台继续开展正丁烷/空气在喷射进气时的热着火与燃烧试验，考察了微小定容腔内喷射进气时的着火与燃烧行为，并比较热丝表面温度和当量比对着火与燃烧特性的影响，所得的试验数据和结果对于研发微小型内燃机点火技术具有参考意义。
01、试验装置与方法
1.1 试验装置
试验通过微小定容腔内着火与燃烧试验平台上进行，试验装置示意如图1 所示。其详细试验台架介绍见参考文献[1]。
图1 微小定容腔着火与燃烧试验装置示意
1.2 试验方法
每次试验前对燃烧腔进行扫气并抽真空，随后给热丝通电，待热丝表面温度平衡后，同步信号控制器触发电磁阀开启，使正丁烷/空气预混气喷射进入定容腔，在恒定温度热丝表面完成着火。此外，该同步信号触发数据采集系统并采集燃烧腔内压力、温度等试验数据，同时高速摄像机同步记录预混气的动态着火与燃烧过程。随后关闭热丝电源和信号控制器等装置完成单次试验，并在计算机上存储单次试验数据，每个工况进行6 次平行重复试验以保证结果的准确性。考虑到整体的散热情况，在瞬态着火与燃烧过程中，定容腔附近的金属垫片和盖板温度基本维持稳定。在4 个加热功率下，对当量比为0.7～2.2 的正丁烷/空气预混气分别开展了喷射进气时着火与燃烧特性试验。通过对试验获得的压力数据、温度数据和着火过程图像进行后处理并分析，从而得到热丝表面温度、当量比等因素对微小定容腔内正丁烷/空气预混气喷射进气时动态着火与燃烧基础特性的影响规律。试验中每次喷射进气的初始状态和条件保持相同，着火与燃烧特性差异由预混气和点火源热丝条件共同决定。
02、结果与讨论
图2 为试验条件下喷射进气时正丁烷/空气预混气的典型着火、火焰传播及燃烧过程，图中的 0ms 表示着火初始时刻。每张图片中间的螺旋状黑色轮廓为热丝，8 ms 时刻图中的左、右两个明显亮点为燃腔的进/出气口，上部较大亮点为压力传感器测点，热丝附近的一个明显小亮点为热电偶测点，如图2 红色轮廓标识。由图2 可见，初始阶段预混气喷射进入燃烧腔后在固定的热丝表面着火形成初始火焰，随后初始火焰在燃烧腔内向外传播。初始火焰传播过程中，预混气的喷射进气过程仍在继续，故后续着火不再是在热丝表面发生，而是由已经形成的火焰引燃刚喷射进入燃烧腔的预混气再形成二次火焰向外传播，此后继续形成后续火焰。即随后的着火呈现为多点着火状态，后期典型的多点着火位置如图2橙色轮廓区域所示。所以，火焰传播过程中可以观察到强烈的褶皱状。由于火焰传播和多点着火的同步进行，并结合验的喷射进气速度和火焰传播图片，相比笔者前期研究中的近层流火焰传播状态，可以确定火焰基本呈现湍流状态。此外，火焰传播后期可以观察到火焰重叠现象，重叠现象的出现一部分是由于火焰在相机视线方向的投影叠加，另一部分是已燃烧区域内持续喷射进气造成多点着火形成的重叠。
图2 喷射进气时微小定容腔内正丁烷/空气预混气的典型着火与火焰传播过程
2.1 热丝温度的影响
图3 为热丝温度对不同当量比正丁烷/空气预混气喷射进气条件下着火时间与燃烧过程Δpmax 的影响。图3b 中红色标注的是出现“着火—熄火—再着火”现象的工况。由图3a 可见，着火时间随着热丝温度升高而缩短，热丝温度从1 140 K 升高到1 436 K，着火时间最多缩短了近85%。热丝温度提高，预混气加热过程加快，相同时间下，局部的预混气温度较高，反应速率加快，进而加快着火进程显著缩短了着火时间。此外，热丝温度对着火时间的影响程度还与当量比相关，在接近贫/富燃极限条件下，热丝温度对着火时间的影响程度相对较小，特别是当热丝温度大于1 315 K时，提高表面温度对着火时间影响很小。
Δpmax体现燃烧强度，主要受燃料燃烧产热、整体散热及火焰传播速度的影响。由图3b 可见，在接近贫/富燃极限工况下，热丝温度对Δpmax 的影响很小。文献提及点火源温度对燃烧的影响主要体现在对着火及初期火核形成的影响，而后期燃烧产热的影响更为突出。
综上所述，考虑到预混气喷射进气条件下着火时间和燃烧强度表征量Δpmax之间的关系，实际微小型内燃机设计中需要在着火时间和燃烧过程之间寻找一个平衡点，既要让着火时间短又不能出现“着火—熄火—再着火”现象，这样才能保证燃料的有效利用和发动机的高效运行，因而点火源温度和燃料当量比的控制非常关键。
图3 热丝温度对正丁烷/空气预混气喷射进气条件下着火时间与燃烧过程中Δpmax的影响
2.2 当量比的影响
图4 为当量比对正丁烷/空气预混气喷射进气条件下着火时间的影响。当量比对着火时间的影响与热丝温度有关，热丝温度相对低时，除当量比接近0.7外，着火时间随着当量比增加而延长；热丝温度相对高时，随着当量比增大，着火时间呈现出先缩短后延长的趋势。
图4 不同热丝温度下当量比对正丁烷/空气预混气喷射进气条件下着火时间的影响
当量比对正丁烷/空气预混气喷射燃烧过程中Δpmax 的影响如图5 所示，其中红色标注区域是出现“着火—熄火—再着火”现象的工况。随着当量比增大，Δpmax先增大后减小。当量比为0.8～1.8 时，热丝温度(即点火源因素)对Δpmax 的影响较为明显；在接近贫/富燃极限条件下，热丝温度对Δpmax 的影响程度则小得多。这是由于当量比为0.8～1.8 时，热丝温度会显著促进着火时的进程，此外，热丝温度差异决定“着火—熄火—再着火”现象是否发生，进而影响Δpmax；而在接近贫/富燃极限条件下，均不会发生“着火—熄火—再着火”现象，且此时燃烧过程主要由当量比掌控，热丝温度的影响很小。Δpmax随当量比的变化趋势可以从两个方面来解释，一方面中间当量比接近完全燃烧，燃烧放热量较贫/富燃条件下大很多；另一方面中间当量比的燃烧速度大于两侧当量比，很大程度降低了散热，这两个因素引起Δpmax的升高。
图5 当量比对正丁烷/空气预混气喷射进气条件下燃烧过程中Δpmax的影响
04、结论
对微小定容腔内正丁烷/空气喷射进气时的着火与燃烧特性进行试验研究，得到如下结论：
(1) 火焰在热丝表面形成随后向外传播，传播火焰为强烈的褶皱状，基本呈现湍流状态，后期着火现出多点着火状态；在热丝表面温度较高时，当量比为0.9～1.5 的正丁烷/空气预混气在燃烧过程中出现“着火—熄火—再着火”现象。
(2) 着火时间随着热丝温度增加而缩短，热丝温度从1 140 K 升高到1 436 K，着火时间最多可缩短近85%；在接近贫/富燃极限条件下，热丝温度对Δpmax的影响不明显，其余当量比条件下，Δpmax随着热丝温度升高先增大后减小。
(3) 当量比对着火时间的影响与热丝温度相关，热丝温度相对低时，着火时间随着当量比增大而延长；热丝温度相对高时，着火时间随当量比增大先缩短后延长；随着当量比增大，Δpmax 均呈现先增大后减小的趋势。
(4) 得到的正丁烷/空气预混气喷射进气时着火与燃烧的基本数据对于理解微小型内燃机运行条件下的着火行为有帮助，特别是点火源温度和当量比对着火时间的影响与燃料有效利用之间的联系，对于研发微小型内燃机点火技术具有参考意义。
05、参考文献
[1]周光照,蒋利桥,赵黛青,等.微小定容腔内喷射正丁烷/空气着火与燃烧特性[J].内燃机学报,2021,(05):424-430.
期刊
《内燃机学报》是由中国内燃机学会主办的国家级高级学术刊物，是国务院学位委员会与研究生教育中文重要期刊，是中国科技论文统计用刊，被工程索引(EI)等多个国内外数据库收录，多年来一直位居我国“中文核心期刊要目”能源与动力工程类前列。《内燃机学报》主要刊载内燃机方面有较高学术价值和应用价值的学术性论文，在海内外有广大的读者群，是内燃机工作者的良师益友，欢迎登录《内燃机学报》官方网站（www.transcsice.org.cn）投稿。
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