張日東，劉 偉，張啟航，王 志

(清華大學(xué)汽車安全與節(jié)能國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084)

隨著國際油耗法規(guī)的日益嚴(yán)苛，進(jìn)一步提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率迫在眉睫.采用稀薄燃燒增大絕熱指數(shù)是提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率的有效手段之一，但稀薄燃燒的進(jìn)一步強(qiáng)化會(huì)使得燃燒速度降低、燃燒過程不穩(wěn)定和失火等問題愈發(fā)嚴(yán)重[1].在此背景下，探索一種高速穩(wěn)定的燃燒模式顯得尤為重要.提高點(diǎn)火能量是解決上述問題的有效手段之一[2]，具體途徑包括高能點(diǎn)火、激光點(diǎn)火、多點(diǎn)點(diǎn)火以及射流點(diǎn)火等.其中高能點(diǎn)火存在火花塞壽命短、耗能高的問題，激光點(diǎn)火和多點(diǎn)點(diǎn)火則存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜的問題，相對(duì)于其他點(diǎn)火方式，射流點(diǎn)火結(jié)構(gòu)簡單、效果顯著[3]，因此受到廣泛的關(guān)注.

目前，學(xué)界針對(duì)射流點(diǎn)火的實(shí)驗(yàn)與模擬研究已經(jīng)取得諸多成果.Hua 等[4]利用單缸機(jī)對(duì)汽油在化學(xué)計(jì)量比條件下的火花點(diǎn)火和射流點(diǎn)火燃燒過程進(jìn)行了對(duì)比研究，發(fā)現(xiàn)相對(duì)于火花點(diǎn)火，射流點(diǎn)火的循環(huán)波動(dòng)率顯著降低，并且其燃燒持續(xù)期大大縮短.Attard等[5]針對(duì)化學(xué)計(jì)量比的天然氣-空氣混合氣，在發(fā)動(dòng)機(jī)上研究了射流點(diǎn)火對(duì)燃燒過程的影響，發(fā)現(xiàn)射流點(diǎn)火在加快燃燒速度的同時(shí)也降低了HC、CO 的排放.

在射流點(diǎn)火的優(yōu)勢(shì)得到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證之后，針對(duì)射流腔具體結(jié)構(gòu)的研究逐步開展.Gentz 等[6]利用可視化快速壓縮機(jī)研究了主動(dòng)式射流對(duì)稀薄環(huán)境中異辛烷燃燒過程的影響，發(fā)現(xiàn)相對(duì)于被動(dòng)式射流，主動(dòng)式射流能夠進(jìn)一步縮短燃燒持續(xù)期.Gholamisheeri 等[7]利用CFD 仿真研究了不同射流孔徑(2 mm、2.5 mm、3 mm)對(duì)甲烷射流點(diǎn)火過程的影響，研究結(jié)果表明，3 mm 孔的初始射流速度較高，后續(xù)速度較低；2 mm孔的初始射流速度較低，后續(xù)速度較高，最終導(dǎo)致3 mm 孔的平均射流速度較高，燃燒持續(xù)期較短.Mastorakos 等[8]將實(shí)驗(yàn)與模擬相結(jié)合，針對(duì)乙烯-空氣的化學(xué)計(jì)量比混合氣，進(jìn)一步研究了不同射流孔徑(1 mm、3 mm、6 mm)對(duì)射流點(diǎn)火過程的影響，發(fā)現(xiàn)射流孔內(nèi)的射流可劃分為兩部分，分別是外層的未燃?xì)饧捌鋬?nèi)部的已燃?xì)?，?dāng)縮小孔徑時(shí)，射流的外層未燃?xì)庹急仍黾佣鴥?nèi)部的已燃?xì)庹急葴p少，從而導(dǎo)致小孔徑射流更容易發(fā)生淬熄.Validi 等[9]通過CFD 仿真研究了射流腔中點(diǎn)火位置對(duì)甲烷射流點(diǎn)火過程的影響，發(fā)現(xiàn)靠近射流孔的點(diǎn)火位置可以更快地產(chǎn)生射流并阻止未燃?xì)庖绯錾淞髑?，從而維持更長時(shí)間的射流過程，使燃燒過程更加穩(wěn)定.Tian 等[10]利用定容燃燒彈，在天然氣化學(xué)計(jì)量比附近研究了射流腔體積對(duì)射流點(diǎn)火過程的影響，發(fā)現(xiàn)增大射流腔體積會(huì)進(jìn)一步提高點(diǎn)火能量，從而提高燃燒速度，但同時(shí)會(huì)推遲點(diǎn)火后的射流出現(xiàn)時(shí)刻，因此要權(quán)衡二者因素來選擇合適的射流腔體積.其他關(guān)于射流腔具體結(jié)構(gòu)對(duì)射流點(diǎn)火過程影響的研究見參考文獻(xiàn)[11-17].

盡管已有諸多射流點(diǎn)火的研究工作，但上述研究均在化學(xué)當(dāng)量比附近開展，缺少針對(duì)稀燃條件下射流點(diǎn)火的燃燒特性研究，并且缺少針對(duì)射流點(diǎn)火爆震特性的研究.針對(duì)以上問題，本文在寬當(dāng)量比、寬溫度壓力范圍下，對(duì)稀燃環(huán)境中射流點(diǎn)火和火花點(diǎn)火兩種模式的燃燒過程進(jìn)行了對(duì)比研究.

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置與仿真模型

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

本研究在清華大學(xué)快速壓縮機(jī)(Tsinghua University rapid compression machine，TU-RCM)上進(jìn)行，臺(tái)架具體參數(shù)如表1 所示，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1 所示，實(shí)驗(yàn)中通過調(diào)整燃燒室墊片厚度和混合氣配比來實(shí)現(xiàn)不同的壓縮終點(diǎn)壓力和溫度，有關(guān)該臺(tái)架的詳細(xì)介紹可參考文獻(xiàn)[18-19].

圖1 快速壓縮機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1 Experiment system of rapid compression machine

表1 臺(tái)架參數(shù)Tab.1 Bench parameters

本文中的射流點(diǎn)火模式(jet ignition，JI)采用被動(dòng)式射流，射流腔內(nèi)部安裝火花塞并通過3 個(gè)射流孔與主燃室連通，其中，射流腔主孔直徑3 mm，兩個(gè)副孔直徑1.5 mm，主副孔間夾角為45°.活塞到達(dá)壓縮終點(diǎn)(end of compression，EOC)時(shí)火花塞點(diǎn)火，火焰首先在射流腔中發(fā)展并提高其中的壓力和溫度，在壓差作用下，高溫燃燒氣體通過射流孔噴射進(jìn)入主燃室并引發(fā)燃燒過程.火花點(diǎn)火模式(spark ignition，SI)則由一個(gè)火花塞直接在主燃室中點(diǎn)火并引發(fā)燃燒 過程.

當(dāng)活塞到達(dá)壓縮終點(diǎn)時(shí)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)發(fā)出脈寬為5 ms 的TTL(transistor-transistor logic)信號(hào)，兩臺(tái)相機(jī)和火花塞同時(shí)在TTL 信號(hào)的下降沿觸發(fā)，火花塞點(diǎn)火引發(fā)燃燒過程，從可視化燃燒室中發(fā)出的光經(jīng)過半透半反鏡被兩臺(tái)相機(jī)同時(shí)捕捉；實(shí)驗(yàn)過程的壓力信號(hào)由壓力傳感器(Kistler 6125C)和數(shù)據(jù)采集模塊(National Instruments cDAQ-7198)以100 kHz 的頻率進(jìn)行采集并傳輸給計(jì)算機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)缸壓信號(hào)和燃燒圖像的同步記錄.

本文采用兩臺(tái)相機(jī)同時(shí)拍攝，這是因?yàn)槿紵跗诘幕鹧姘l(fā)展過程亮度較低而燃燒末期的自燃過程亮度較高.若為清楚捕捉火焰發(fā)展過程而增大相機(jī)進(jìn)光量，則會(huì)造成自燃過程圖像過曝；若為清楚捕捉自燃過程而減小相機(jī)進(jìn)光量，則會(huì)造成火焰發(fā)展過程圖像模糊不清.因此，兩臺(tái)高速相機(jī)的光學(xué)參數(shù)和捕捉目標(biāo)不同，其中，彩色高速相機(jī)位于RCM 軸線方向，采用高幀率、小光圈、高快門速度的設(shè)置來捕捉高速高亮度的自燃與爆轟過程；黑白高速相機(jī)與RCM 軸線成90°夾角，采用低幀率、大光圈、低快門速度的設(shè)置來捕捉低速、低亮度的火焰發(fā)展過程.

1.2 實(shí)驗(yàn)工況

本文采用壓縮終點(diǎn)壓力和壓縮終點(diǎn)溫度 TEOC來描述未燃?xì)鉄崃W(xué)狀況.pEOC可直接從壓力曲線上獲取，圖2 中0 時(shí)刻對(duì)應(yīng)壓縮終點(diǎn)，此時(shí)的壓力數(shù)值即為壓縮終點(diǎn)壓力；TEOC的定義如式(1)所示，其中T0、p0、γ分別為初始溫度、初始?jí)毫?、混合氣比熱容?采用放熱始點(diǎn)時(shí)刻 tEOC(壓縮終點(diǎn)時(shí)刻)至累積放 熱率達(dá)到50%時(shí)刻 t50的時(shí)間間隔來衡量燃燒持續(xù)期，即為圖 2 中兩條紅色虛線對(duì)應(yīng)的時(shí)間間隔t0-50.圖2 中藍(lán)線為TTL 信號(hào)，火花塞與兩臺(tái)相機(jī)在TTL 信號(hào)的下降沿同時(shí)觸發(fā).

圖2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)定義Fig.2 Experiment parameters definition

本文在射流點(diǎn)火模式和火花點(diǎn)火模式下進(jìn)行了相同工況的實(shí)驗(yàn)，表2 展示了具體實(shí)驗(yàn)工況及其對(duì)應(yīng)的氣體配比.在制備混合氣過程中，依次將異辛烷、氧氣、氮?dú)狻鍤?、二氧化碳充入氣罐中，待完全混合均勻、靜置2 h 以上后進(jìn)行實(shí)驗(yàn).

表2 實(shí)驗(yàn)工況及氣體配比Tab.2 Experiment conditions and gas composition

1.3 仿真模型

本文利用Converge 對(duì)RCM 壓縮過程及射流點(diǎn)火過程進(jìn)行了仿真計(jì)算，圖3 展示了幾何模型的構(gòu)建，模型尺寸與RCM 實(shí)際尺寸一致.圖3 中活塞位于壓縮終點(diǎn)，橙色邊界代表活塞、藍(lán)色邊界代表壓縮段、綠色邊界代表端蓋、紅色邊界代表射流腔、青色 邊界代表火花塞.

圖3 幾何模型構(gòu)建Fig.3 Geometric model construction

算例采用Yoo 等[20]在2013 年開發(fā)的異辛烷140組分簡化機(jī)理進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算中采用的湍流數(shù)值模擬方法為RANS，湍流模型為RNG k-ε 模型，燃燒模型為SAGE模型.為確保計(jì)算結(jié)果可靠，本文在4 mm×4 mm×4 mm、3 mm×3 mm×3 mm、1.5 mm× 1.5 mm×1.5 mm 3 種基礎(chǔ)網(wǎng)格尺寸下進(jìn)行了仿真計(jì)算，計(jì)算得到的壓力曲線如圖4 所示.其中，3 mm×3 mm×3 mm、1.5 mm×1.5 mm×1.5 mm 網(wǎng)格尺寸算例的壓力曲線差異較小，而4 mm×4 mm×4 mm 網(wǎng)格尺寸算例的壓力偏低，因此本文采用 3 mm× 3 mm×3 mm 網(wǎng)格尺寸的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析.在此基礎(chǔ)上，算例采用全局自適應(yīng)加密及局部固定加密來細(xì)化網(wǎng)格，最小網(wǎng)格為 0.375 mm×0.375 mm×0.375 mm，網(wǎng)格分布如圖5 所示.

圖4 不同網(wǎng)格尺寸的壓力曲線對(duì)比Fig.4 Pressure curves under different mesh grid sizes

圖5 網(wǎng)格分布Fig.5 Grids distribution

2 結(jié)果與討論

2.1 火焰發(fā)展

圖6(a)和(b)分別是φ為0.7、0.55 時(shí) t0-50的對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)在相同工況下，射流點(diǎn)火能大大縮短t0-50時(shí)間.φ＝0.7 時(shí)，在 TEOC＝840 K 的工況下，射流點(diǎn)火相對(duì)于火花點(diǎn)火可以縮短近50%的 t0-50時(shí)間，但是在 TEOC＝670 K 的工況下，射流點(diǎn)火出現(xiàn)失火現(xiàn)象，這是低溫時(shí)射流更容易淬熄導(dǎo)致的；φ＝0.55時(shí)，射流點(diǎn)火對(duì)加快燃燒速度的效果被削弱，并且由于混合氣更加稀薄，火花點(diǎn)火在 TEOC＝670 K、pEOC＝1.0 MPa 的工況下出現(xiàn)失火，射流點(diǎn)火則在750 K、1.0 MPa 的工況下就出現(xiàn)失火；φ＝0.4 時(shí)，火花點(diǎn)火在低溫低壓工況下出現(xiàn)失火，射流點(diǎn)火則完全失火.因此，射流點(diǎn)火雖然能加快燃燒速度并增強(qiáng)燃燒穩(wěn)定性，但被動(dòng)式射流的淬熄問題導(dǎo)致其在拓展稀燃極限方面受限.

圖6 t0-50 時(shí)間對(duì)比Fig.6 Comparisons of t0-50

為進(jìn)一步了解射流點(diǎn)火和火花點(diǎn)火模式的火焰發(fā)展過程，本文利用ImageJ 對(duì)黑白相機(jī)圖像中已燃區(qū)像素?cái)?shù)目和燃燒室像素總數(shù)目進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，并根據(jù)二者比值和實(shí)際燃燒室面積計(jì)算得到實(shí)際已燃區(qū)在軸向上的面積(以下簡稱為已燃區(qū)面積)，其計(jì)算方法如式(2)所示，式中r＝25.4 mm，為燃燒室半徑.

圖7 展示了火焰圖像在ImageJ 中的處理過程，黃色選區(qū)內(nèi)的已燃區(qū)像素?cái)?shù)目為67 307 個(gè)，灰色虛線圓內(nèi)的燃燒室像素總數(shù)目為227 653 個(gè)，燃燒室實(shí)際面積為2 026.83 mm2，因此計(jì)算得到的已燃區(qū)面積為599.24 mm2.對(duì)多張圖像進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，便得到不同工況下兩種點(diǎn)火模式的已燃區(qū)面積發(fā)展過程曲線.

圖7 圖像處理過程Fig.7 Image processing

圖8(a)和(b)分別展示了φ＝0.7、TEOC為840 K和750 K 工況下的已燃區(qū)面積隨時(shí)間的變化曲線，0時(shí)刻對(duì)應(yīng)圖像上出現(xiàn)火焰的時(shí)間.可以發(fā)現(xiàn)火花點(diǎn)火模式下的燃燒發(fā)展過程存在3 個(gè)階段的變化，分別是初期的緩慢發(fā)展、中期的加速燃燒和后期的減速過程，某些曲線在末期還表現(xiàn)出已燃區(qū)面積的驟升，這 是末端混合氣自燃導(dǎo)致的；而射流點(diǎn)火模式下的燃燒發(fā)展過程只存在兩個(gè)階段變化，分別是初中期的快速燃燒和后期的減速過程，在燃燒末期沒有觀察到明顯的已燃區(qū)面積驟增情況.此外，射流點(diǎn)火在不同壓力下的已燃區(qū)面積變化曲線高度重合，這說明壓力變化對(duì)火焰?zhèn)鞑ニ俣葞缀鯖]有影響，因此射流點(diǎn)火能降低火焰?zhèn)鞑ニ俣葘?duì)壓力的依賴性，一定程度上解耦二者關(guān)系；火花點(diǎn)火在不同壓力下的已燃區(qū)面積變化曲線則有些許差異，pEOC＝1.0 MPa 的工況下火焰發(fā)展最快，隨著壓力上升，火焰發(fā)展逐漸變慢.

圖8 φ＝0.7的已燃區(qū)面積變化曲線Fig.8 Curves of burned area under φ＝0.7

圖9(a)和(b)分別展示了φ＝0.55、TEOC為840 K和750 K 時(shí)在不同壓力下的已燃區(qū)面積發(fā)展過程曲線，兩圖中右側(cè)的火焰圖像分別對(duì)應(yīng)pEOC＝2.0 MPa工況下射流點(diǎn)火和火花點(diǎn)火的自燃過程.可以發(fā)現(xiàn)低溫工況下的整體燃燒持續(xù)期更長，不同曲線的分布更加分散，并且不同壓力下射流點(diǎn)火的已燃區(qū)面積變化曲線不再高度重合，這是因?yàn)榻档彤?dāng)量比和溫度都不利于火焰?zhèn)鞑ィ酝癸@了壓力變化對(duì)火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊?另外，在壓力為2.0 MPa 的工況中，已燃區(qū)面積發(fā)展曲線末段出現(xiàn)了驟增，這說明在燃燒末期發(fā)生了末端混合氣自燃，從圖像中也觀察到了這一點(diǎn).

圖9 φ＝0.55的已燃區(qū)面積變化曲線及自燃圖像Fig.9 Auto-ignition images and curves of burned area under φ＝0.55

2.2 爆震強(qiáng)度

本文隨后對(duì)射流點(diǎn)火和火花點(diǎn)火模式下的爆震強(qiáng)度進(jìn)行了對(duì)比分析.爆震強(qiáng)度(knock intensity，KI)的定義為高通濾波后壓力絕對(duì)值對(duì)時(shí)間的積分，該計(jì)算方法廣泛應(yīng)用于爆震研究領(lǐng)域[21]，其大小用來表征壓力震蕩強(qiáng)弱，計(jì)算公式如式(3)所示，其中，pfilter為高通濾波后的壓力.

圖10(a)和(b)分別展示了φ為0.7、0.55 的混合 氣在不同工況下的爆震強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)爆震強(qiáng)度隨當(dāng)量比的降低而降低.爆震強(qiáng)度與壓力成正相關(guān)，以TEOC＝840 K 的工況為例，這種正相關(guān)性在1.0～2.0 MPa 的寬壓力范圍內(nèi)表現(xiàn)得非常一致.另外，對(duì)比TEOC為 840 K 和750 K 的工況，可以發(fā)現(xiàn)750 K 工況下的爆震強(qiáng)度對(duì)壓力變化更加敏感，在低壓力范圍內(nèi)(1.0～ 1.4 MPa)，爆震強(qiáng)度非常微弱，均低于840 K 的工況，但進(jìn)入高壓力區(qū)域后(1.7～2.0 MPa)，其爆震強(qiáng)度快速升高，超過840 K 的工況.這是溫度降低使末端混合氣能量密度增大導(dǎo)致的，這一結(jié)果也與本課題組的以往研究結(jié)果相一致[22].從圖中可以清晰觀察到，與火花點(diǎn)火相比較，射流點(diǎn)火顯著降低了爆震強(qiáng)度，在個(gè)別工況中，射流點(diǎn)火對(duì)爆震強(qiáng)度的削弱甚至超過50%.另外，在射流點(diǎn)火模式下，爆震強(qiáng)度對(duì)壓力的曲線斜率更小，這表明射流點(diǎn)火能夠降低爆震強(qiáng)度對(duì)壓力的敏感性.

圖10 爆震強(qiáng)度Fig.10 Knock intensity

2.3 自燃過程

基于上述爆震強(qiáng)度的分析，本文進(jìn)一步對(duì)火花點(diǎn)火模式和射流點(diǎn)火模式下的自燃過程進(jìn)行了分析，圖11(a)和(b)分別展示了φ＝0.7、TEOC＝750 K、pEOC＝2.0 MPa 時(shí)火花點(diǎn)火與射流點(diǎn)火的自燃過程.火花點(diǎn)火模式下，末端混合氣被火焰面擠壓在火花塞對(duì)位處，點(diǎn)火后8.892 ms 時(shí)，火焰鋒面上率先自燃；0.077 ms 后，壁面處發(fā)生爆轟并引起壓力曲線的 強(qiáng)烈高頻震蕩.射流點(diǎn)火模式下，由于射流的噴射作用，主燃室中位于射流區(qū)域的未燃?xì)馐紫缺幌?，而射流腔附近的混合氣反而最后被消耗，從而?dǎo)致一部分未燃?xì)夥e聚于射流腔附近；另外，主射流和兩股副射流將另一部分未燃?xì)鈹D壓在燃燒室的兩側(cè)，點(diǎn)火后5.111 ms 時(shí)，射流腔未燃區(qū)和主燃室左側(cè)未燃區(qū)發(fā)生輕微自燃；點(diǎn)火后5.125 ms 時(shí)，主燃室右下角未燃區(qū)發(fā)生強(qiáng)烈自燃，并引起壓力震蕩；隨后，主燃室左側(cè)未燃區(qū)再次發(fā)生自燃.盡管射流點(diǎn)火模式中主燃室內(nèi)發(fā)生了多次自燃，但始終沒有出現(xiàn)起爆過程，從壓力曲線的對(duì)比也可以發(fā)現(xiàn)，火花點(diǎn)火模式的壓力曲線震蕩幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過射流點(diǎn)火，這更加直觀地說明了射流點(diǎn)火對(duì)爆震過程的抑制效果.

圖11 φ＝0.7、TEOC ＝750 K、pEOC ＝2 MPa的自燃過程對(duì)比Fig.11 Auto-ignition process under φ＝0.7,TEOC ＝750 K,pEOC ＝2 MPa

2.4 射流點(diǎn)火失火

本研究在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)降低當(dāng)量比和壓縮終點(diǎn)溫度、提高壓縮終點(diǎn)壓力會(huì)使得射流點(diǎn)火更容易出現(xiàn)淬熄現(xiàn)象，為對(duì)此現(xiàn)象進(jìn)行深入研究，本文開展了數(shù)值仿真計(jì)算.

圖12 為φ＝0.7、TEOC＝670 K、pEOC＝1.0 MPa和2.0 MPa 時(shí)監(jiān)測點(diǎn)(主射流孔)處Y 方向上流速隨時(shí)間的變化曲線，正速度表示速度方向與Y 正方向相同，負(fù)速度表示速度方向與Y 負(fù)方向相反.可以發(fā)現(xiàn)，射流腔與主燃室之間的氣體流動(dòng)可以分為3 個(gè)階段.第1 階段：壓縮過程中，隨著壓力的升高，主燃室中壓力超過射流腔，未燃?xì)馔ㄟ^射流孔流入射流腔，此時(shí)的氣流速度接近75 m/s，且兩條曲線并沒有顯著區(qū)別；第2 階段：壓縮過程結(jié)束后，射流腔內(nèi)火花塞點(diǎn)火，燃燒的發(fā)生導(dǎo)致射流腔內(nèi)的溫度和壓力急劇上升并超過主燃室，低溫未燃?xì)夂透邷匾讶細(xì)馔ㄟ^射流孔進(jìn)入主燃室，對(duì)于pEOC＝1.0 MPa 的工況，射流孔處最高流速接近110 m/s，對(duì)于pEOC＝2.0 MPa 的工況，射流孔處最高流速接近150 m/s；第3 階段：隨著主燃室內(nèi)燃燒的進(jìn)行，主燃室內(nèi)的壓力再次超過射流腔內(nèi)壓力，導(dǎo)致氣體通過射流孔回流入射流腔，直至射流孔兩側(cè)壓力達(dá)到平衡，對(duì)于pEOC＝2.0 MPa 的工況，由于其燃燒終點(diǎn)壓力更高，射流腔內(nèi)外壓差更大，因此回流速度更快.

圖12 射流孔處流速隨時(shí)間變化曲線Fig.12 Flow velocity curves at jet hole

壓縮終點(diǎn)壓力提高時(shí)，第2 階段中射流噴射速度升高、湍流強(qiáng)度增大、散熱增強(qiáng)，最終導(dǎo)致射流點(diǎn)火出現(xiàn)淬熄現(xiàn)象，相似的結(jié)論在其他研究中也被證 實(shí)[23-24].Malé 等[24]采用DNS 方法對(duì)丙烷的射流引燃過程進(jìn)行了數(shù)值仿真計(jì)算，發(fā)現(xiàn)射流引燃的成功與否由湍流和化學(xué)反應(yīng)共同決定，速度過高的射流會(huì)導(dǎo)致湍流混合過強(qiáng)，從而大大加劇散熱，最終導(dǎo)致火焰淬熄，出現(xiàn)失火現(xiàn)象.

2.5 射流不對(duì)稱

本文利用模擬計(jì)算對(duì)預(yù)實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的兩側(cè)射流不對(duì)稱現(xiàn)象進(jìn)行了分析.圖13(a)為射流不對(duì)稱發(fā)展的典型圖像，點(diǎn)火后2.644 ms 時(shí)，右側(cè)射流已經(jīng)顯著發(fā)展，而左側(cè)射流則剛剛出現(xiàn)；點(diǎn)火后3.000 ms 時(shí)，可以明顯觀察到左右側(cè)射流的不對(duì)稱性.圖13(b)為正式實(shí)驗(yàn)中兩側(cè)射流對(duì)稱發(fā)展的一組典型圖像，從點(diǎn)火到后續(xù)的火焰發(fā)展過程，兩側(cè)射流始終對(duì)稱.

圖13 射流火焰發(fā)展過程Fig.13 Development of jet flame

圖14 展示了燃燒室橫向切片上射流火焰發(fā)展的仿真計(jì)算結(jié)果.在點(diǎn)火后1.005 ms 時(shí)，射流腔內(nèi)已經(jīng)形成穩(wěn)定的火焰?zhèn)鞑ィ捎诨鸹ㄈ姌O的阻礙作用，射流腔中的火焰發(fā)展呈現(xiàn)出不對(duì)稱現(xiàn)象，從而導(dǎo)致后續(xù)燃燒過程中左側(cè)射流率先噴射.因此，射流不對(duì)稱現(xiàn)象可以通過旋轉(zhuǎn)火花塞至電極不對(duì)任何一側(cè)射流孔造成干涉的位置來避免.

圖14 燃燒室橫向切片上的射流發(fā)展過程Fig.14 Jet development on transverse of combustion chamber

另外，模擬計(jì)算還捕捉到了低溫未燃?xì)獾纳淞鬟^程.點(diǎn)火后1.005 ms 射流腔中的低溫未燃?xì)庠趬翰钭饔孟乱呀?jīng)進(jìn)入主燃室，而低溫未燃?xì)馍淞鳠o法在實(shí)驗(yàn)中觀察到；在點(diǎn)火后2.107 ms 出現(xiàn)的射流則是高溫已燃?xì)馍淞鳎挥懈邷厣淞髂軌蛟趯?shí)驗(yàn)中被捕捉到.

3 結(jié)論

本文將實(shí)驗(yàn)與模擬相結(jié)合，在寬當(dāng)量比、寬溫度壓力條件下對(duì)比研究了稀燃環(huán)境中射流點(diǎn)火和火 花點(diǎn)火的火焰發(fā)展過程與爆震過程，最終得到以下 結(jié)論：

(1) 相對(duì)于火花點(diǎn)火，射流點(diǎn)火可以降低爆震強(qiáng)度并加快燃燒速度，但被動(dòng)式射流的淬熄問題導(dǎo)致其在拓展稀燃極限方面受限.因此，在保證射流不淬熄的前提下，可以適度降低當(dāng)量比，充分利用射流點(diǎn)火的優(yōu)勢(shì)；另外，可以嘗試通過在射流腔內(nèi)噴射燃料或加熱射流腔等手段來解決淬熄問題.

(2) 射流點(diǎn)火過程可劃分為3 個(gè)階段：未燃?xì)饣亓魅肷淞魇摇⑽慈細(xì)夂鸵讶細(xì)鈬娚淙胫魅际?、已燃?xì)饣亓魅肷淞魇?其中，射流淬熄發(fā)生在第2 階段，增大壓縮終點(diǎn)壓力會(huì)提高第2 階段的射流噴射速度，從而加劇射流淬熄；另外，降低當(dāng)量比和壓縮終點(diǎn)溫度也會(huì)加劇射流淬熄.

射流腔中火花塞電極位置對(duì)射流發(fā)展過程有顯著影響，當(dāng)電極與射流孔位置發(fā)生干涉時(shí)，便會(huì)導(dǎo)致射流不對(duì)稱現(xiàn)象的發(fā)生.可以采用多電極火花塞或改變火花塞電極設(shè)計(jì)來解決這一問題.