基于射流點火的稀混合氣燃燒

【日】 村瀬英一

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基于射流點火的稀混合氣燃燒

【日】 村瀬英一

介紹等離子射流(PJ)點火器及脈沖射流(PFJ)點火器的結(jié)構(gòu)和工作原理，以及點火電路的特點，考察了PJ和PFJ點火方式在靜態(tài)或流動的稀混合氣中，以及高溫、高壓環(huán)境下提高點火效果的機理。同時指出，相比傳統(tǒng)的火花塞點火方式，PFJ點火具有促進燃燒及擴大稀燃運行區(qū)域的效果。

等離子射流點火 脈沖射流點火 稀混合氣 促進燃燒

0 前言

點火是實現(xiàn)發(fā)動機燃燒的重要過程,尤其在每循環(huán)都必須點火的汽油機中，每分鐘有幾百次甚至幾千次的反復點火。為了滿足當今極為嚴格的廢氣排放法規(guī)要求，必須避免發(fā)動機的點火失敗現(xiàn)象。

從利用稀混合氣提高內(nèi)燃機熱效率的觀點出發(fā)，介紹能可靠點燃稀混合氣并促進燃燒的等離子射流(PJ)點火及脈沖射流(PFJ)點火技術(shù)。

1 PJ點火和PFJ點火

1.1 PJ點火

圖1為PJ點火器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2示出了PJ點火器中的點火電路。PJ點火器與普通火花塞的尺寸大致相同，也有極小的腔室和噴孔。點火器工作時，在腔室中形成高能量放電，然后從噴孔向燃燒室中噴出射流，點燃燃燒室中的混合氣。腔室中的放電是在陰極側(cè)中心電極與陽極側(cè)孔板之間(間隔6.0mm)產(chǎn)生的。在本次研究中，改變腔室的直徑，獲得2種不同的腔室容積。設(shè)定2種腔室直徑分別為2.8mm和6.0mm，腔室容積(Vp)分別為37mm3和170mm3。使用直徑(d)分別為2.5mm和4.0mm的噴孔。噴孔部位的厚度為1.0mm。

圖1 PJ點火器的結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 PJ點火器的點火電路

點火電路由普通點火系統(tǒng)與高能量系統(tǒng)組成。如果普通點火系統(tǒng)因放電導致電極間的絕緣被破壞，則接通高能量系統(tǒng)的電路，儲存在電容器中的高能量被釋放進腔室。在此，將電容器的容量固定為 2.0μF，通過改變充電電壓，將充電能量設(shè)定為0.9J。

1.2 PFJ點火

圖3示出了PFJ點火器及其腔室部分的細節(jié)。與PJ點火器一樣，PFJ點火器的尺寸也與傳統(tǒng)火花塞的相當，有極小的腔室和噴孔。與PJ點火器的不同之處在于，PFJ點火器腔室中導入的是濃混合氣，在腔室中，利用普通的放電能量進行火花放電，點燃腔室中的濃混合氣。其結(jié)果是，含帶化學活性的不完全燃燒生成物的射流經(jīng)由噴孔噴入燃燒室中，并點燃燃燒室中的混合氣。

圖3 PFJ點火器及其腔室細節(jié)圖

使用汽油機的燃油噴射閥，向腔室中導入濃混合氣。為了防止來自燃燒室的濃混合氣逆流，經(jīng)由單向閥、絕緣體，以及空心的中心電極(外徑2.0mm，內(nèi)徑1.5mm)，向腔室中噴射濃混合氣。并且，中心電極靠近腔室的一頭是閉合的，如圖3所示，濃混合氣經(jīng)由中心電極側(cè)面的噴出口(直徑1.0mm，2個)噴入腔室中。研究采用的腔室容積(Vp)分別為37mm3和170mm3，噴孔直徑(d)分別為2.5mm和4.0mm。另外，向腔室中噴射的濃混合氣是甲烷-空氣混合氣，其當量比為1.5，噴射壓力為0.1MPa(表壓)。設(shè)定燃油噴射閥工作的脈沖寬度為50ms，點火持續(xù)時間(從燃油噴射閥建立工作脈沖的時刻到開始火花放電的時刻)為50ms。也就是說，噴油結(jié)束的時間就是開始火花放電的時間。

1.3 在靜態(tài)稀混合氣中的燃燒

使用內(nèi)徑100mm、寬30mm的燃燒容器，在大氣壓和室溫條件下，對當量比為0.8的靜態(tài)甲烷-空氣混合氣進行PJ點火、PFJ點火與傳統(tǒng)火花塞點火的燃燒試驗，比較其各自的燃燒形態(tài)。圖4為燃燒的紋影照片；圖5示出了壓力曲線圖(Vp=170mm3，d=2.5mm)。由圖5可知，PJ點火與PFJ點火的壓力上升都比火花塞點火的更快。此外，在燃燒初期，PJ點火顯示出比PFJ點火更快的壓力上升速度，但在之后的燃燒過程中，PFJ點火的壓力上升速度加快，其結(jié)果是，采用PFJ點火方式能最快達到最高燃燒壓力。

圖4 火花放電后1ms、3ms、5ms、7ms和9ms時燃燒的紋影照片(靜態(tài)的甲烷-空氣混合氣，當量比0.8)

圖5 火花放電后的壓力上升過程(甲烷-空氣混合氣，當量比0.8)

由圖4可知，PJ點火與PFJ點火在點火后的火焰團都比傳統(tǒng)火花塞點火方式的大。此外，相比PFJ點火，PJ點火在點火后的火焰團更大一些，但在之后的燃燒過程中，其火焰面上基本沒有褶皺，呈現(xiàn)層流火焰的形態(tài)。這是因為在采用PJ點火方式的情況下，混合氣被卷入高速噴出的射流中，引起強烈的燃燒，具有較為明顯的燃燒促進效果，但這一效果并未維持很久，之后，火焰?zhèn)鞑ゾ娃D(zhuǎn)為層流火焰的形態(tài)。

另一方面，在采用PFJ點火方式的情況下，火焰面的褶皺在整個燃燒過程中都是存在的，其結(jié)果如圖5所示，直至燃燒結(jié)束時壓力一直呈上升趨勢。火焰面出現(xiàn)褶皺的原因被認為是點火前通過噴孔向燃燒室噴出的混合氣形成了紊流的緣故。

1.4 在流動的稀混合氣中的燃燒

在內(nèi)徑100mm、寬30mm的燃燒容器內(nèi)模擬流速為10m/s的渦流流場，進行燃燒試驗。試驗條件為大氣壓、室溫狀態(tài)，以及當量比為0.8的甲烷-空氣混合氣。圖6為燃燒的紋影照片。由圖6可知，在采用PJ點火方式的情況下，射流噴出所形成的紊流火焰團流向渦流，并向燃燒室中心移動，之后又沿半徑方向傳播。另一方面，在采用傳統(tǒng)火花塞點火方式的情況下，從壁面的速度邊界層至最大流速區(qū)域，火焰在點火器伸出的部位一直保持形狀。由此可知，在渦流中的最大流速區(qū)域保持火焰形狀對促進燃燒是極為重要的。

圖6 火花放電后1ms、3ms、5ms、7ms和9ms時燃燒的紋影照片(10m/s渦流，甲烷-空氣混合氣，當量比0.8)

在采用PFJ點火方式的情況下，由圖6可知，射流噴出后因渦流的緣故而產(chǎn)生較大的彎曲，其火焰?zhèn)鞑バ螒B(tài)與火花塞點火的相似，具有維持火焰形狀的效果，最后在燃燒室周邊部位形成較大的火焰團，而不是像PJ點火那樣，火焰向燃燒室中心移動。這被認為是由于射流噴出時間較長，因而具備相當于傳統(tǒng)火花塞點火那樣的火焰保持效果。

1.5 高溫、高壓環(huán)境下的PFJ點火

采用圖7所示利用凸輪的緊湊型快速壓縮裝置(RCM)，研究高溫、高壓環(huán)境下PFJ點火的特性。RCM的主體由5個部分組成，從圖7右側(cè)的蓄壓部分開始，依次是凸輪驅(qū)動活塞、凸輪、壓縮活塞和燃燒室。另外，還配備了預混合容器及蓄壓容器等。前者用于制備混合氣，以供RCM使用；后者用于對噴入PFJ點火器腔室的濃混合氣進行加壓。

圖7 RCM示意圖

RCM的工作原理如下。首先，將利用壓氣機獲得的壓縮空氣儲存在蓄壓部分的空氣儲氣瓶中。其次，用DC螺線管驅(qū)動的頂針刺破隔膜，利用噴出的壓縮空氣驅(qū)動直徑為160mm的凸輪驅(qū)動活塞。驅(qū)動活塞的密封使用1個O型密封圈。直線輥道上的凸輪由驅(qū)動活塞通過桿體驅(qū)動。直徑為115mm的壓縮活塞通過滾子從動件和桿體，沿凸輪廓形向上方推壓，進行壓縮。壓縮活塞的密封使用2個O型密封圈。滾子從動件在壓縮結(jié)束后停留在凸輪最上端，此時并沒有特別的停止動作，并且不需要在燃燒時用于保持活塞位置的特殊機構(gòu)。此外，為了緩和凸輪停止后的沖擊，將驅(qū)動活塞后部的容積作為緩沖空氣室加以利用。其間，在驅(qū)動活塞頂部設(shè)置提升閥，通過控制緩沖空氣室內(nèi)的壓力上升來調(diào)節(jié)驅(qū)動活塞的移動速度。另外，在直線輥道的尾部安裝液壓阻尼器，用于吸收凸輪停止后的沖擊。凸輪長220mm，其升程為95mm。為了降低凸輪的最大跳動和最大加速度，將凸輪廓線設(shè)定為具有圓滑特性的5次多項式曲線。燃燒室是直徑70mm、寬26mm的扁圓柱形形狀。壓縮比為10.6，使用甲烷-空氣混合氣作為燃料，壓縮前的狀態(tài)設(shè)定為大氣壓、室溫條件。圖8示出了高溫、高壓環(huán)境下使用的PFJ點火器及其腔室部分(Vp=500mm3)的細節(jié)圖。

圖8 PFJ點火器及其腔室部分細節(jié)圖(高壓狀態(tài))

在當量比0.62的條件下，火花塞點火方式的點火(燃燒)失敗概率會增大，在當量比降至0.60左右，就無法實現(xiàn)點火。另一方面，PFJ點火方式能在當量比0.60的混合氣中可靠點火并燃燒，其壓力波形也沒有太大的波動；如將當量比降至0.57左右，則可靠點火的概率會降低至50%左右；最后，在當量比0.55的條件下，PFJ點火器幾乎無法實現(xiàn)點火。由此，可確認在高溫、高壓環(huán)境下，PFJ點火方式具有擴大稀燃運行區(qū)域的效果。

在PFJ點火與火花塞點火都能可靠點火的當量比0.65的條件下，對2種點火方式進行比較。圖9為在腔室容積(Vp)500mm3、噴孔直徑(d)4.0mm條件下的燃燒紋影照片。采用PFJ點火方式時，設(shè)定濃混合氣的噴射壓力為2.06MPa(表壓)，在壓縮結(jié)束后進行放電。如圖9所示，相比傳統(tǒng)的火花塞點火方式，PFJ點火方式更具燃燒促進效果。

圖9 火花放電后的燃燒紋影照片(幀間隔： 2.0ms，甲烷-空氣混合氣，當量比0.65)

1.6 PFJ點火的OH自由基熒光測試

利用平面激光誘導熒光法(PLIF)，測試PFJ點火時OH自由基的動態(tài)。燃燒室直徑為60mm，形狀近似于相交多面體，相對的4個面上設(shè)置直徑為60mm的石英觀測窗。測試中，將釔鋁石榴石激光器的二次諧波作為激勵光源，振蕩染色激光器。由染色激光器發(fā)出的可見光線，利用U-V標準部件得到U-V光線。利用3片柱面透鏡，將直徑7mm的U-V光線轉(zhuǎn)換為寬60mm、厚約0.5mm的平行薄板狀激光，并將其射入燃燒室中。此外，平板狀激光與包括噴孔中心軸在內(nèi)的面是一致的。

通過帶通濾波器(中心波長306.4nm，1/2脈沖振幅14.1nm)與圖像增強器，用CCD攝像機拍攝OH自由基熒光圖像的單發(fā)照片。為消除OH自由基自發(fā)光的影響，設(shè)定圖像增強器的選通時間為100ns。試驗條件設(shè)定為大氣壓和室溫狀態(tài)，使用當量比為0.8的靜態(tài)甲烷-空氣混合氣。

圖10為OH自由基的熒光圖像。如圖10所示，可觀察到在射流內(nèi)部有較大的渦流結(jié)構(gòu)。此外，還可看到渦流內(nèi)部有強烈的OH自由基熒光，確認由射流產(chǎn)生的團狀火焰。此外，腔室容積越大，噴孔直徑越小，分布在射流中的OH自由基就越多。

2 結(jié)語

(1) 在靜態(tài)的稀混合氣中，PJ點火與PFJ點火都顯示出比傳統(tǒng)火花塞點火更為快速的壓力上升趨勢。此外，在燃燒初期，PJ點火的壓力上升速度比PFJ點火的快，但在后續(xù)的燃燒過程中，PFJ點火的壓力上升速度加快。研究結(jié)果表明，采用PFJ點火方式能最快達到最高燃燒壓力。在點火之后，PJ點火和PFJ點火的火焰團都比火花塞點火的大。另外，雖然PJ點火的火焰團在初期比PFJ點火的大，但在之后的燃燒過程中，PJ點火的火焰面上基本沒有褶皺，呈現(xiàn)出層流狀火焰的傳播形態(tài)。

圖10 火花放電后0.4ms、0.6ms、0.8ms、1.0ms、1.5ms、3.0ms和4.5ms時利用PLIF得到的OH自由基熒光圖像(36mm×44mm)

(2) 在渦流等流動稀混合氣中的燃燒試驗顯示，在最大流速區(qū)域保持火焰形狀有利于促進燃燒。在采用PFJ點火方式的情況下，射流噴出后因渦流的緣故而形成較大的彎曲，正好形成類似火花塞點火那樣具有火焰保持效果的傳播形態(tài)，從而在燃燒室周邊形成較大的火焰團。

(3) 在高溫、高壓環(huán)境下也確認，相比傳統(tǒng)的火花塞點火方式，PFJ點火方式更具備促進燃燒和擴展稀混合氣運行區(qū)域的效果。

(4) 在PFJ點火的OH自由基熒光測試中，觀測到射流中有較大的渦流結(jié)構(gòu)。此外，在渦流內(nèi)部可看到強烈的OH自由基熒光，確認射流可產(chǎn)生團狀點火火焰。

2014-10-09)