王成官，樓狄明，譚丕強(qiáng)，房 亮

（同濟(jì)大學(xué) 汽車學(xué)院，上海 201804）

柴油機(jī)具有輸出扭矩大、燃油消耗低、可靠性高等優(yōu)點，因而廣泛應(yīng)用于交通運輸、軍事裝備等領(lǐng)域，但是柴油機(jī)在高海拔地區(qū)運行時會出現(xiàn)動力性和經(jīng)濟(jì)性下降、熱負(fù)荷增大等問題［1-3］。世界上高海拔地區(qū)面積廣闊，以中國為例，高海拔地區(qū)面積達(dá)250萬km2，運行在該地區(qū)的車輛超過600萬輛，其中柴油車占了很大一部分［4］；而且我國第六階段排放標(biāo)準(zhǔn)增加了高海拔地區(qū)實際道路駕駛工況的測試［5］。因此，亟需改善柴油機(jī)在高海拔地區(qū)的性能和排放。研究不同海拔條件下的柴油機(jī)燃燒特性是解決上述問題的基礎(chǔ)。Benjumea等［6］比較了柴油機(jī)在海拔500 m和2 400 m的燃燒特性，發(fā)現(xiàn)隨著海拔升高，滯燃期增大，預(yù)混燃燒階段和燃燒持續(xù)期均延長。Wang等［7］使用移動測試臺架實地開展海拔0 m、1 600 m、3 300 m和4 500 m的柴油機(jī)試驗研究，詳細(xì)分析了熱效率隨海拔升高而減小的可能原因。Szedlmayer等［8］開展了模擬海拔0 m、1 524 m、3 048 m和4 572 m的柴油機(jī)性能和燃燒特性試驗，結(jié)果表明，放熱率峰值和當(dāng)量比都隨海拔升高而增大，海拔低于1 524 m時變化不明顯，海拔高于3 048 m后變化顯著。有學(xué)者通過采用含氧燃料［9］、增壓匹配［10-11］、先進(jìn)的噴油策略［12］等措施，改善柴油機(jī)燃燒，提升其變海拔適應(yīng)性。

這些研究大多集中于柴油機(jī)臺架試驗，對不同海拔條件下柴油機(jī)燃燒過程的可視化研究較少。柴油機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以布置光學(xué)視窗，而且柴油機(jī)工作循環(huán)變大，不易精確控制邊界條件。因此，在實際柴油機(jī)上實現(xiàn)對噴霧燃燒過程的直接觀測和分析都十分困難。為此，以美國Sandia國家實驗室預(yù)混燃燒加熱式定容燃燒彈為代表的光學(xué)診斷系統(tǒng)是目前較為成熟、適用工況范圍較廣的內(nèi)燃機(jī)噴霧燃燒模擬裝置，而且Dec［13］在該定容燃燒彈上結(jié)合先進(jìn)的光學(xué)成像技術(shù)開展了一系列的柴油機(jī)噴霧燃燒可視化試驗，提出了柴油機(jī)燃燒概念模型，指出柴油機(jī)的工作過程是一個涉及燃油霧化、蒸發(fā)、油氣混合、著火和燃燒的復(fù)雜過程。需要注意的是，定容燃燒彈的內(nèi)腔體積大于實際柴油機(jī)燃燒室體積，而且燃燒彈內(nèi)難以實現(xiàn)實際柴油機(jī)的缸內(nèi)流場特性，但是在定容燃燒彈上開展可視化研究，可以對實際柴油機(jī)噴霧燃燒過程的主要因素進(jìn)行解耦，聚焦于柴油噴霧燃燒的物理化學(xué)過程本身，以深化對噴霧燃燒過程的認(rèn)識。海拔高度的變化引起柴油機(jī)燃燒室內(nèi)環(huán)境密度的變化，Naber等［14］和Pei等［15］的研究表明，柴油噴霧燃燒過程強(qiáng)烈地依賴于環(huán)境密度，因此有必要在定容燃燒彈內(nèi)開展相關(guān)的可視化研究，以直觀地獲得不同海拔條件下柴油機(jī)燃燒火焰的發(fā)展過程。

筆者基于已完成的不同海拔高度對柴油噴霧和油氣卷吸過程影響的研究［16］，繼續(xù)使用噴霧燃燒可視化試驗平臺，結(jié)合減光直拍成像技術(shù)，在定容燃燒彈內(nèi)再現(xiàn)了一款重型柴油機(jī)運行在海拔0 m、3 000 m和4 500 m條件下噴油時刻的缸內(nèi)熱力學(xué)狀態(tài)，開展了柴油燃燒的可視化試驗，分析了不同海拔高度對火焰發(fā)展形態(tài)、著火過程、火焰升舉長度和碳煙生成特性的影響，以期為變海拔柴油機(jī)燃燒機(jī)理的完善和燃燒模型的改進(jìn)提供可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并為變海拔柴油機(jī)燃燒過程的改善提供指導(dǎo)方向。

1 試驗設(shè)備和試驗條件

1.1 可視化試驗臺架

圖1為燃燒可視化試驗臺架示意圖。其主要由預(yù)混燃燒加熱式定容燃燒彈、壓力采集系統(tǒng)、配氣和點火系統(tǒng)、電控共軌噴油系統(tǒng)、同步控制系統(tǒng)和高速成像系統(tǒng)等組成。

圖1 燃燒可視化試驗臺架示意圖Fig.1 Schematic of optical combustion diagnose system

定容燃燒彈用于模擬實際柴油機(jī)噴油時刻的缸內(nèi)熱力學(xué)狀態(tài)，并提供光學(xué)診斷通道。采用預(yù)混合燃燒加熱的方式在定容燃燒彈內(nèi)建立高溫、高壓的試驗環(huán)境，圖2給出了該定容燃燒彈的工作原理。首先，配氣系統(tǒng)調(diào)節(jié)充入乙炔、氮氣、氧氣等組分的總量和比例，點火系統(tǒng)點燃預(yù)混合氣；隨后，定容燃燒彈內(nèi)壓力會因預(yù)混合氣的快速燃燒而上升（對應(yīng)圖中的預(yù)混燃燒階段），彈內(nèi)壓力達(dá)到峰值后，由于彈體壁面的冷卻作用而開始下降（對應(yīng)圖中的燃燒彈冷卻階段）；最后，當(dāng)壓力采集系統(tǒng)監(jiān)測到彈內(nèi)壓力降低至目標(biāo)壓力時，控制系統(tǒng)同步觸發(fā)噴油器噴油和相機(jī)拍攝，保證試驗在預(yù)設(shè)的環(huán)境壓力、環(huán)境溫度等熱力學(xué)狀態(tài)下進(jìn)行。在垂直于噴霧軸線方向的2個對稱的可視化窗口內(nèi)各安裝有1塊可視直徑130 mm、厚度50 mm的JGS3遠(yuǎn)紅外光學(xué)石英玻璃，形成光學(xué)診斷通道。此外，定容燃燒彈外表面覆蓋硅膠加熱板和保溫材料，采用電加熱方式，并在PID（比例-積分-微分）控制器的調(diào)節(jié)下保持彈體溫度穩(wěn)定在（383±1）K，避免彈內(nèi)水蒸氣受冷凝結(jié)在石英玻璃上，以保證良好的光學(xué)觀測。

電控共軌噴油系統(tǒng)通過控制油泵來保持共軌管內(nèi)的油壓恒定。使用BOSCH CRIN2電流驅(qū)動型電控單孔噴油器，噴孔位于噴油器軸線上，用顯微法實測噴孔出口直徑為0.32 mm。噴油持續(xù)期設(shè)定為2.0 ms，確?？梢暬囼炦^程中噴霧和火焰能充分發(fā)展。

圖2 預(yù)混燃燒加熱式定容燃燒彈的工作原理Fig.2 Principle of premixed combustion heated constant volume combustion bomb

1.2 可視化成像技術(shù)

本文采用減光直拍成像技術(shù)實現(xiàn)柴油燃燒過程的可視化。表1給出了具體的參數(shù)設(shè)置。

表1 成像技術(shù)設(shè)置Tab.1 Properties of camera

柴油燃燒過程中火焰發(fā)出的亮度主要有化學(xué)發(fā)光和碳煙熾光兩種，而且后者的亮度要遠(yuǎn)高于前者［17-18］。強(qiáng)烈的碳煙熾光不僅損傷高速相機(jī)的感光器件，而且會使火焰圖像過飽和。為此，本文聯(lián)合使用高速彩色相機(jī)和1片ND 8型中性減光鏡直接拍攝燃燒過程中的火焰發(fā)展形態(tài)。圖3給出了光路示意圖。采用該型中性減光鏡可以把拍攝所得圖像中的火焰亮度降低至原始亮度的1/8，此時可以認(rèn)為只有碳煙顆粒熱輻射發(fā)出的強(qiáng)烈熾光被保留在火焰圖像中。

1.3 試驗條件

本文根據(jù)一款低壓縮比增壓中冷重型柴油機(jī)確定試驗條件?；谠摍C(jī)型在高原環(huán)境模擬試驗系統(tǒng)上開展的臺架試驗，選取海拔0 m（平原）、3 000 m和4 500 m條件下該機(jī)型在標(biāo)定工況下噴油時刻的缸內(nèi)壓力和溫度作為定容燃燒彈內(nèi)的熱力學(xué)狀態(tài)，具體的試驗條件見表2。臺架試驗時不同海拔條件下中冷后進(jìn)氣溫度穩(wěn)定在（80±5）℃，使得噴油時刻缸內(nèi)溫度保持在800 K左右。因此，本試驗中海拔的變化通過缸內(nèi)壓力即缸內(nèi)介質(zhì)密度的變化來體現(xiàn)。每次試驗重復(fù)5次并將數(shù)據(jù)平均，以排除隨機(jī)誤差。

圖3 減光直拍成像技術(shù)的光路示意圖Fig.3 Optical arrangement with high speed imaging technique

表2 試驗條件Tab.2 Experimental conditions

2 試驗結(jié)果和分析

2.1 不同海拔高度對火焰形態(tài)的影響

圖4為海拔0 m、3 000 m和4 500 m條件下火焰發(fā)展形態(tài)的時間序列圖像。為便于比較3個海拔高度下的火焰發(fā)展規(guī)律，選取噴油后0.500～5.500 ms之間的火焰圖像進(jìn)行對比。其中，噴油持續(xù)期（2.000 ms）內(nèi)，以噴油開始后1.000 ms為界，前半段（0.500～1.000 ms）火焰圖像的時間間隔為0.125 ms，后半段（1.000～2.000 ms）圖像的時間間隔為0.250 ms；噴油結(jié)束后的主燃階段（2.000～3.500 ms）內(nèi)，圖像的時間間隔為0.500 ms；尾燃階段（3.500～5.500 ms）內(nèi)圖像時間間隔為1.000 ms。

噴油開始后，在噴射動量的驅(qū)動下柴油噴霧向下游貫穿，越來越多的環(huán)境空氣被卷吸進(jìn)入油束內(nèi)部，混合氣當(dāng)量比沿著噴霧軸向逐漸減小［16］，在噴油器下游出現(xiàn)適合著火的混合氣區(qū)域。由于油氣混合質(zhì)量隨海拔升高而降低，著火的物理準(zhǔn)備時間延長，因此火焰出現(xiàn)的時刻明顯滯后；而且隨海拔升高，彈內(nèi)環(huán)境密度減小，噴霧貫穿速率增大，火焰出現(xiàn)的位置也逐漸遠(yuǎn)離噴油器。隨后，在噴油系統(tǒng)提供的軸向動量和燃燒反應(yīng)提供的擴(kuò)散動量的共同驅(qū)動下，燃燒的火焰區(qū)域快速向噴霧下游方向傳播，火焰面積和火焰亮度都隨之增大，這是由于在火焰內(nèi)部形成了大量的碳煙云團(tuán)?；鹧鎰傞_始出現(xiàn)時亮度較低而且亮度分布較為均勻，表明燃燒初期的火焰為預(yù)混燃燒火焰；隨著時間的發(fā)展，噴霧軸線附近的火焰出現(xiàn)亮度較低的暗斑，火焰內(nèi)部出現(xiàn)明顯的亮度梯度，表明燃燒火焰已經(jīng)由初期的預(yù)混燃燒火焰轉(zhuǎn)變?yōu)閿U(kuò)散燃燒火焰。在噴油結(jié)束前，火焰最上游穩(wěn)定在某一位置，呈現(xiàn)明顯的升舉火焰形態(tài)［19］。噴油結(jié)束后的主燃階段內(nèi)，由于燃油噴射動量突然消失，火焰在繼續(xù)向噴霧下游方向傳播的同時也向噴霧上游方向傳播，但是受限于定容燃燒彈的內(nèi)腔空間，火焰前鋒向下游傳播時會與正對噴油器方向的定容燃燒彈內(nèi)腔壁面接觸并在壁面上沿著噴霧徑向繼續(xù)傳播。尾燃階段內(nèi)，由于沒有后續(xù)燃油噴射進(jìn)入，燃燒的火焰區(qū)域迅速向內(nèi)腔壁面收縮，火焰結(jié)構(gòu)逐漸變成細(xì)長條帶狀，而且可以看出，隨海拔升高，火焰消失的時刻明顯滯后，燃燒持續(xù)期延長。

圖4 不同海拔高度對自然火焰發(fā)展形態(tài)的影響Fig.4 Effects of altitude on flame propagation

2.2 不同海拔高度對著火過程的影響

確定著火時刻的方法有很多，比如通過燃燒壓力或燃燒溫度上升、直接的火焰亮度或火焰的化學(xué)發(fā)光等［20］。本文將火焰首次出現(xiàn)的時刻定義為著火時刻，噴油時刻和著火時刻之間的時間間隔定義為著火延遲，著火時刻的火焰區(qū)域與噴油器之間的軸向長度定義為著火距離。

圖5給出了不同海拔高度的著火延遲和著火距離。從圖中可知，海拔0 m、3 000 m和4 500 m條件下，著火延遲分別為0.67 ms、0.87 ms和1.04 ms，著火距離分別為22.09 mm、27.50 mm和37.03 mm?？梢?，隨海拔升高，著火延遲延長，著火距離增大，高海拔對柴油的著火過程有明顯的抑制效果。這主要是因為隨海拔升高，環(huán)境密度減小，卷吸空氣質(zhì)量減小，混合氣的當(dāng)量比增大［16］，油氣混合需要更長的時間才能適合著火；與此同時，氣液相互作用力減小，噴霧貫穿速度增大，再加上著火準(zhǔn)備時間延長，最終導(dǎo)致適合著火的混合氣分布更加趨向于噴霧下游區(qū)域。

圖5 不同海拔高度對著火延遲和著火距離的影響Fig.5 Effects of altitude on ignition delay and distance

2.3 不同海拔高度對火焰升舉長度的影響

根據(jù)圖4的分析可知，火焰經(jīng)過初期的預(yù)混燃燒火焰轉(zhuǎn)變?yōu)閿U(kuò)散燃燒火焰后，呈現(xiàn)升舉形態(tài)火焰的最上游穩(wěn)定在某一位置，此時定義從噴油器到火焰最上游的軸向距離為火焰的升舉長度。升舉長度是評價柴油進(jìn)入燃燒區(qū)域前與環(huán)境空氣混合的一個重要參數(shù)，顯著影響下游火焰的燃燒和碳煙生成過程［19，21］。

圖6給出了不同海拔高度的升舉長度和卷吸空氣比率。從圖6中可知，海拔0 m、3 000 m和4 500 m條件下的升舉長度分別為23.1 mm、29.1 mm和34.5 mm，即隨海拔升高，升舉長度增大。根據(jù)升舉火焰穩(wěn)定機(jī)制［22］可以推測，隨海拔升高，環(huán)境密度減小，氣體阻力減小，噴霧貫穿速度和火焰前鋒速度達(dá)到平衡時的軸向位置與噴油器之間的距離增大，升舉長度增大。這也意味著在升舉火焰上游區(qū)域內(nèi)為油氣混合預(yù)留的空間范圍隨海拔升高而擴(kuò)大。

圖6 不同海拔高度對升舉長度和卷吸空氣比率的影響Fig.6 Effects of altitude on lift-off length and stoichiometric air ratio

為了定量分析升舉火焰上游區(qū)域內(nèi)的油氣混合質(zhì)量，文獻(xiàn)［19］根據(jù)文獻(xiàn)［14］提出的燃油射流理論模型，計算得到柴油噴霧在升舉長度位置處的當(dāng)量比，并將該當(dāng)量比的倒數(shù)（乘以100，以%為單位）定義為卷吸空氣比率，即升舉火焰上游區(qū)域內(nèi)卷吸空氣總量占已噴射燃料完全燃燒所需空氣總量的百分比，計算公式為

式中：ζ為卷吸空氣比率，%；(L)為當(dāng)量比；L為火焰的升舉長度；x+為噴霧特征尺寸；fs為化學(xué)計量空燃比。詳細(xì)的計算過程可參考文獻(xiàn)［16］。

從圖6中可知，海拔0 m、3 000 m和4 500 m條件下的卷吸空氣比率分別為12.0%、13.5%和14.0%。可見，卷吸空氣比率隨海拔升高而增大，這個現(xiàn)象可以通過升舉長度和環(huán)境密度的綜合作用來解釋。具體來說，隨海拔升高，環(huán)境密度減小，一方面會導(dǎo)致卷吸速率減小，油氣混合質(zhì)量變差，沿著噴霧軸線同一位置處的當(dāng)量比增大［16］，另一方面也會導(dǎo)致升舉長度增大，升舉火焰上游區(qū)域內(nèi)用于空氣卷吸和油氣預(yù)混合的空間范圍擴(kuò)大。因此，高海拔條件下變差的油氣混合質(zhì)量會由于升舉長度的增大而得到補(bǔ)償，最終導(dǎo)致高海拔條件下柴油噴霧在升舉長度位置處的卷吸空氣總量增加，當(dāng)量比減小，使得卷吸空氣比率隨海拔升高而增大。

此外，從圖6中還可以看出，海拔從0 m升高到3 000 m，卷吸空氣比率的增幅為12.5%，而海拔從3 000 m升高到4 500 m，增幅減小為3.7%。這表明，隨海拔升高升舉長度對油氣混合質(zhì)量的補(bǔ)償效果減弱，高海拔對卷吸空氣比率的影響隨之減小。

2.4 不同海拔高度對碳煙生成特性的影響

如前所述，柴油燃燒時的火焰亮度主要來源于化學(xué)發(fā)光和碳煙熾光，而本文基于減光直拍成像技術(shù)獲得的火焰圖像中只保留了碳煙顆粒熱輻射的強(qiáng)烈熾光，因此可以用圖像的火焰亮度來表征碳煙的生成特性。

2.4.1 空間積分火焰亮度

將火焰圖像中所有像素點的亮度值進(jìn)行空間積分，得到空間積分火焰亮度，可以直觀地揭示火焰發(fā)展過程中碳煙的瞬時生成量［23-24］。圖7為海拔0 m、3 000 m和4 500 m條件下的空間積分火焰亮度曲線。從圖中可見，3個海拔高度下的空間積分火焰亮度都呈現(xiàn)先增大后減小的三角形分布。隨海拔升高，空間積分火焰亮度的峰值明顯減小，這個現(xiàn)象可以根據(jù)Dec［13］提出的柴油機(jī)燃燒概念模型進(jìn)行解釋，即隨海拔升高，升舉長度位置處的卷吸空氣比率增大，即升舉火焰上游區(qū)域內(nèi)卷吸的空氣量增大，導(dǎo)致升舉火焰下游的預(yù)混燃燒區(qū)域內(nèi)生成的碳煙前驅(qū)物減少，而碳煙前驅(qū)物在下游輸運過程中合成多環(huán)芳香烴并形成碳煙，進(jìn)而擴(kuò)散火焰區(qū)域內(nèi)的碳煙生成量減少。與此同時，火焰亮度峰值出現(xiàn)的時刻隨海拔升高而明顯滯后，這主要歸因于著火延遲的延長。

此外，從圖7中還觀察到，海拔從0 m升高到3 000 m，火焰亮度峰值的降幅為26.4%；而海拔從3 000 m升高到4 500 m，降幅僅為9.6%。結(jié)合圖6可以得出結(jié)論，火焰亮度峰值和卷吸空氣比率的降幅都隨海拔升高而減小，這不僅與Dec［13］的柴油機(jī)燃燒概念模型的描述一致，而且表明了不同海拔高度下柴油燃燒升舉火焰上游的卷吸特性和碳煙的生成特性密切相關(guān)。

圖7 不同海拔高度對空間積分火焰亮度的影響Fig.7 Effects of altitude on spatial integrated natural luminosity

2.4.2 時間積分火焰亮度

將空間積分火焰亮度累積計算得到時間積分火焰亮度，用以更直觀地定量比較在整個火焰發(fā)光持續(xù)期內(nèi)的碳煙生成總量［23-24］。圖8為海拔0 m、3 000 m和4 500 m條件下的時間積分火焰亮度。從圖中可見，和空間積分火焰亮度類似，時間積分火焰亮度也隨海拔升高而減小，表明了在整個火焰發(fā)光持續(xù)期內(nèi)的碳煙生成總量隨海拔升高而減小。這也是由于火焰的升舉長度和升舉火焰上游區(qū)域的卷吸空氣比率都隨海拔升高而增大造成的。

圖8 不同海拔高度對時間積分火焰亮度的影響Fig.8 Effects of altitude on time integrated natural luminosity

但是需要注意的是，海拔變化時，火焰亮度表征的碳煙生成量水平并不等同于實際柴油機(jī)最終的碳煙排放水平。余林嘯等［25］使用柴油機(jī)在高原現(xiàn)場的試驗研究表明，碳煙排放量隨海拔升高而增加，而本文中空間積分火焰亮度峰值和時間積分火焰亮度都隨海拔升高而減小。結(jié)論不一致的原因推測如下：隨海拔升高，定容燃燒彈內(nèi)火焰的升舉長度和卷吸空氣比率增大，導(dǎo)致火焰的預(yù)混燃燒區(qū)域內(nèi)生成的碳煙前驅(qū)物減少，因而擴(kuò)散火焰區(qū)域內(nèi)的碳煙生成量降低［13］；同時，從圖7中可以看出，燃燒后期碳煙的氧化速率隨海拔升高而明顯減小，因此對于實際柴油機(jī)而言，這就意味著在排氣門開啟后缸內(nèi)生成的碳煙沒有被有效氧化，而是直接排出氣缸進(jìn)入排氣管［26］，因此整機(jī)試驗測得的碳煙排放隨海拔升高而增加。

3 結(jié)論

（1）隨海拔升高，著火延遲延長，著火距離增大。海拔高度從0 m升高到4 500 m，著火延遲從0.67 ms延長到1.04 ms，著火距離從22.09 mm增大到37.03 mm，表明海拔高度對著火過程有明顯的抑制效果。

（2）火焰的升舉長度和火焰升舉長度位置處的卷吸空氣比率都隨海拔升高而增大。海拔0 m、3 000 m和4 500 m條件下的升舉長度分別為23.1 mm、29.1 mm和34.5 mm，升舉長度增大使得升舉火焰上游區(qū)域內(nèi)為油氣混合預(yù)留的空間范圍隨海拔升高而擴(kuò)大。因此，隨海拔升高而變差的油氣混合質(zhì)量會由于升舉長度的增大而得到補(bǔ)償，最終使得柴油噴霧在升舉長度位置處的卷吸空氣總量隨海拔升高而增加，計算得到海拔高度從0 m升高到4 500 m，卷吸空氣比率從12.0%增大到14.0%。

（3）海拔從0 m升高到3 000 m，卷吸空氣比率增幅和空間積分火焰亮度峰值降幅分別為12.5%和26.4%；而海拔從3 000 m升高到4 500 m，卷吸空氣比率增幅和空間積分火焰亮度峰值降幅分別減小為3.7%和9.6%?？梢姡砦諝獗嚷屎涂臻g積分火焰亮度峰值的變化幅度都隨海拔升高而減小，揭示了升舉火焰上游的卷吸特性和碳煙的生成特性密切相關(guān)。

（4）隨海拔升高，定容燃燒彈內(nèi)火焰亮度表征的柴油燃燒的碳煙生成總量減小。這與實際柴油機(jī)的碳煙排放量隨海拔升高而增大的趨勢相反。這主要歸因于燃燒后期碳煙的氧化速率明顯減小，因此，高海拔條件下實際柴油機(jī)在排氣門開啟后，缸內(nèi)生成的碳煙沒有被有效氧化而是直接排出氣缸，造成碳煙排放量增大。