錐頂型封閉空間內(nèi)爆轟波匯聚實驗研究

高 健，續(xù) 晗，姚安仁，馮魯煜，姚春德

(1. 天津大學(xué)內(nèi)燃機燃燒學(xué)國家重點實驗室，天津 300072；2. 天津大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300072)

隨著節(jié)能減排要求的逐漸提高，內(nèi)燃機作為廣泛使用的動力機械面臨著不斷的技術(shù)革新，新的燃燒技術(shù)及小型化技術(shù)正得到社會的廣泛認同．然而，這些新技術(shù)的引入?yún)s帶來極具破壞性的烈性爆震[1-7]，使得其無法在全負荷工況下得到進一步的擴展．

根據(jù)現(xiàn)有的檢測技術(shù)，一旦烈性爆震發(fā)生，其壓力振蕩幅值將達到甚至超過 30,MPa，振蕩頻率也將超過 10,kHz．這種烈性爆震如果持續(xù)發(fā)生，將極易導(dǎo)致火花塞及活塞等燃燒室組件的破壞，使得發(fā)動機無法持續(xù)工作[8-12]．然而，根據(jù)計算分析，活塞材料破壞需要高達數(shù)百兆帕壓強的作用力，而現(xiàn)有發(fā)動機缸壓傳感器最大采集壓力僅為30,MPa．因此，用目前普通缸壓傳感器測得的最大爆發(fā)壓力無法解釋發(fā)動機活塞被破壞的原因，這也導(dǎo)致對活塞破壞失效問題的研究無法深入進行．

近期研究結(jié)果表明，烈性爆震發(fā)生后，如果條件合適，可能會發(fā)生爆燃向爆轟轉(zhuǎn)變的現(xiàn)象，會在燃燒室內(nèi)產(chǎn)生爆轟波并引起壓力較大波動．關(guān)于烈性爆震發(fā)生時爆燃向爆轟轉(zhuǎn)變的機理和條件，文獻[13-17]通過一系列的數(shù)值模擬及分析認為爆轟的產(chǎn)生是由于在熱點附近形成了一種適宜的化學(xué)反應(yīng)梯度．文獻[18-23]通過一系列的臺架及快速壓縮機實驗觀察到了在內(nèi)燃機燃燒室內(nèi)會出現(xiàn)烈性爆震下爆轟波的形成過程．Robert 等[24]則通過 LES數(shù)值模擬重現(xiàn)了內(nèi)燃機燃燒室中爆燃轉(zhuǎn)爆轟的發(fā)展過程．Yu等[25]通過一系列的一維數(shù)值模擬研究了不同熱力學(xué)狀態(tài)下、不同燃燒室直徑下爆轟波的形成過程．但是對爆轟發(fā)生后，燃燒室封閉有限空間內(nèi)爆轟波的行為特性很少有學(xué)者開展研究，關(guān)于活塞材料在烈性爆震下被爆轟波沖擊失效的研究也十分少見．

為了揭示活塞等組件破壞機理以及燃燒室內(nèi)爆轟波的行為特性，本文建立了一套可以重復(fù)再現(xiàn)烈性爆震的裝置，從而開展對此種現(xiàn)象的研究．同時，考慮到爆轟波發(fā)生后的壓力振蕩幅值較高，并且伴有較高的振蕩頻率，所以針對類似于內(nèi)燃機燃燒室的封閉空間中的爆轟波，專門選用了可以測量高幅值和高頻率壓力的傳感器．

1 實驗設(shè)置

本研究的目標旨在揭示爆震毀壞活塞等部件的機理，為此專門設(shè)計了一套新穎的爆轟容彈裝置，其錐頂型內(nèi)腔形狀與內(nèi)燃機燃燒室形狀基本相同．通過高能火花塞直接點火起爆的方式，強行在燃燒室中間誘導(dǎo)出一道爆轟波，再通過4個布置在不同位置處的壓力傳感器探測爆轟波在有限封閉空間內(nèi)的行為特性及匯聚特性，記錄爆轟波匯聚產(chǎn)生的效果．

如果直接在真實的發(fā)動機上進行壓力采集實驗，由于爆震本身發(fā)生的復(fù)雜性，不僅難以直接捕捉，而且一旦發(fā)生此類現(xiàn)象，可能活塞或氣門已經(jīng)破壞，燃燒室內(nèi)的壓力測試條件盡失，無法回到爆震發(fā)生前的狀態(tài)．而且在發(fā)動機臺架實驗上，烈性爆震無法穩(wěn)定產(chǎn)生，并且無法在高速運動的活塞上插裝多個壓力傳感器來監(jiān)測燃燒室中爆轟波的行為特性．因此通過在爆轟容彈上的實驗，可以在相同條件下重現(xiàn)整個實驗過程，從而闡明爆轟波在封閉空間中的行為．本裝置屬于模擬裝置，為了方便壓力傳感器的安裝，對實際錐頂型燃燒室和平頂型活塞進行了簡化處理，但基本保留了燃燒室形狀的主要特性．在本實驗中，爆轟波是被高能點火裝置強行引入到燃燒室中間區(qū)域的．這種引入方法稱之為“直接起爆法”．這種方法可以產(chǎn)生穩(wěn)定的爆轟波和一致的爆轟強度，只要初始條件和當量比保持不變．但需要注意的是，在內(nèi)燃機的烈性爆震中，爆轟波的形成方式多種多樣．爆燃轉(zhuǎn)爆轟、壓力波受能量釋放激勵增強(SWACER)等方式都有可能導(dǎo)致爆轟波的形成．另一方面，爆轟波除了在中間區(qū)域形成外，還很有可能在末端區(qū)域形成．在不同位置起始的爆轟波，在缸內(nèi)形成的波系結(jié)構(gòu)可能完全不同，所以壓力分布會區(qū)別很大．本研究只考慮了中間區(qū)域的起爆，測得的壓力分布結(jié)果不能等同于邊緣區(qū)域起爆的壓力分布．但是，爆轟波在同一燃燒室內(nèi)的反射面是相同的，通過研究中間區(qū)域起爆引起的壓力分布，可以推測其他區(qū)域起爆時的壓力分布．在本研究中，按照爆轟波的傳播方向，將其分為沿燃燒室軸向傳播的軸向波和沿燃燒室徑向傳播的徑向波．爆轟波在錐頂型燃燒室內(nèi)反射匯聚的過程是類似的，但是匯聚的結(jié)果即超壓形成的位置可能會不同．

1.1 爆轟容彈

爆轟容彈系統(tǒng)如圖1所示．這套爆轟容彈裝置由4個部分構(gòu)成，分別是進排氣系統(tǒng)、高能點火系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)及容彈本體．

圖1 爆轟容彈系統(tǒng)Fig.1 System of detonation bomb

進排氣系統(tǒng)用以給容彈定量定態(tài)充入可燃混合氣．高能點火系統(tǒng)由兩部分構(gòu)成，分別是控制箱和高能火花塞．數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)由4個PCB 119B11壓力傳感器、4個 PCB 402A03信號放大器、1個 PCB 482C05信號調(diào)試儀及 1個 DLM 2000示波器構(gòu)成．容彈本體的內(nèi)腔結(jié)構(gòu)如圖2所示．

圖2 爆轟容彈的結(jié)構(gòu)和形狀Fig.2 Shape and structure of detonation bomb

1) 爆轟燃料的選擇

本研究選用 C2H2/O2這種極易爆轟的反應(yīng)物作為混合氣．組分及當量比則通過分壓來控制．研究中，通過測定幾種燃料(C2H2，C2H4，C3H8，H2)與氧氣的混合氣體的臨界起爆能量，發(fā)現(xiàn)各種物質(zhì)都為理論配比時，在相同初始壓力下，C2H2/O2混合氣體在氣相爆轟領(lǐng)域的的臨界能量最小，表明該物質(zhì)最容易形成爆轟[26]．爆轟容彈實驗裝置的優(yōu)點之一就是能穩(wěn)定產(chǎn)生爆轟波．因此，本研究選擇了爆轟敏感度最低的C2H2/O2混合氣作為反應(yīng)氣體．

2) 點火系統(tǒng)的選擇

為確保 C2H2/O2混合氣每次都能發(fā)生爆轟，特地選擇了高能點火系統(tǒng)．高能點火系統(tǒng)由兩部分構(gòu)成，分別是控制箱和高能火花塞．該套裝置輸出電壓為2,500,V，點火能量為 12,J，比普通汽油機的點火能量高出300倍，足以直接點爆C2H2/O2可燃混合氣[27].

3) 數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)

實驗裝置所配備的4個傳感器為PCB 119B11，其共振頻率高于 400,kHz，上升時間小于 2,μs，最大采集壓力為552,MPa，PCB的壓電型壓力傳感器可用于各種動態(tài)壓力測量，例如壓縮、脈動、激增、洞穴、液壓和氣動壓力波動、高強度聲音、流體噪聲檢測、沖擊和爆炸波、彈道學(xué)、爆炸部件測試(例如：雷管，爆炸螺栓)、封閉炸彈爆炸和其他動態(tài)壓力的研究．相比較目前發(fā)動機常用的奇石樂壓電式傳感器，響應(yīng)頻率低于 200,kHz，最大采集壓力小于等于30,MPa，新建立的測量系統(tǒng)更便于測量爆轟波的行為特性和匯聚產(chǎn)生的超壓．測試中所用的示波器為YOKOGAWA 的 DLM 2000系列，最大采集頻率可以達到625,MHz．

壓力傳感器安裝在燃燒室內(nèi) 4個不同位置上．1個壓力傳感器安置在缸蓋上，此處安裝位置與內(nèi)燃機中缸壓傳感器的安裝位置基本相同．另外3個壓力傳感器安置在活塞表面上，具體位置分別為活塞中心處、活塞1/4處及邊緣處(如圖2所示)．

燃燒室缸徑為 83,mm，錐角為 140°，余隙從 0～32,mm 可變，其中不同的余隙代表著內(nèi)燃機中不同的曲軸轉(zhuǎn)角．

1.2 實驗條件

這套實驗裝置是用于研究內(nèi)燃機中的烈性爆震現(xiàn)象，因而需要在爆轟容彈中形成相似的壓力振蕩．該實驗在室溫 274,K下進行，爆轟波的強度通過控制初始壓力及當量比來調(diào)節(jié)．根據(jù) C-J(Chapman-Jouguet)爆轟理論的計算，本研究采用 0.4,MPa的初始壓力和 1的當量比．該條件下可產(chǎn)生大約 20,MPa的壓力振蕩幅值，同烈性爆震類似．

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 實驗結(jié)果

本實驗在不同的余隙下展開，這里從中任選了 3個具有代表性的實驗結(jié)果．如圖3所示，分別是在余隙為0,mm、10,mm和 24,mm下的實驗結(jié)果．在每一個余隙下都有4個同步的壓力振蕩信號，分別代表4個位置處的壓力振蕩：缸蓋處、活塞邊緣處、活塞 1/4處以及活塞中心處．由圖可見，不論是在哪個余隙下，活塞中心以及邊緣處的壓力振蕩都要遠高于其他位置處的壓力振蕩．尤其是在余隙為10,mm時，活塞中心處的壓力振蕩幅值高達 145.60,MPa；在余隙為0,mm時，活塞邊緣處的壓力振蕩幅值為29.95,MPa，而其他位置處的壓力振蕩都在20.00,MPa左右．值得注意的是，邊緣外的傳感器只有一半感應(yīng)面在燃燒室內(nèi)部，另外一半在外部，如圖3所示．因而，實際邊緣處的匯聚壓力應(yīng)當是測量值的 2倍，即大約60.00,MPa．這說明了活塞中心位置和活塞邊緣位置是兩個重要的激波匯聚點．

由于烈性爆震發(fā)生伴隨著爆轟波，整個燃燒過程持續(xù)時間非常短．第 1道波峰伴隨著燃燒的完成，后面的波峰是由于激波在缸內(nèi)反射振蕩引起的，在圖3(a)中，活塞邊緣處傳感器和活塞中心處傳感器的第1個壓力波動峰值時間差為 12.22,μs，活塞半徑為41.5,mm，由此估算爆轟波的傳播速度為 3,396,m/s．有學(xué)者在快速壓縮機上，利用高速攝像技術(shù)捕捉到的爆轟燃燒現(xiàn)象就是過驅(qū)爆轟，其火焰?zhèn)鞑ニ俣雀哌_3,080,m/s，馬赫數(shù)為 5.5，對應(yīng)的 C-J爆轟速度為2,325,m/s[21]．因此烈性爆震發(fā)生時在燃燒室內(nèi)會產(chǎn)生過驅(qū)爆轟．運用 Varatharajan等提出的 C2H2/O2爆轟簡化機理(該機理包含21個反應(yīng)步，其中4個為可逆反應(yīng)，包含15種反應(yīng)物質(zhì))，在CHEMKIN軟件包中的 C-J理論計算得到在實驗所采取的初始條件下C-J爆轟速度為2,506,m/s，而在爆轟容彈實驗中計算得到的爆轟速度為 3,396,m/s，大于 C-J爆轟速度，因此爆轟容彈燃燒室內(nèi)產(chǎn)生的是過驅(qū)爆轟．之所以產(chǎn)生過驅(qū)爆轟，是因為高能點火器的點火能量遠遠大于當量比為 1時 C2H2/O2混合氣的臨界起爆能量．C2,H2/2.5O2的臨界起爆能量(E，J)與初始壓力(p0，kPa)之間的擬合關(guān)系式為E＝13.849,p0-1.8,408，其擬合曲線決定系數(shù) R2＝0.912，擬合度較好[27]．本實驗初始壓力為 400,kPa，計算得臨界起爆能量為2.247×10-4,J．而高能點火器的點火能量為 12,J，遠遠大于臨界起爆能量，所以會產(chǎn)生過驅(qū)爆轟，進一步證明了爆轟容彈能穩(wěn)定產(chǎn)生爆轟波．

在圖3(b)和圖3(c)中，活塞中心位置的壓力波動均出現(xiàn)了后面波峰高于前面波峰的現(xiàn)象，這進一步說明超壓的出現(xiàn)是由于壓力波的反射匯聚造成的．不同位置壓力波匯聚情況不同，它們的壓力振蕩曲線的形狀有較大差異．值得注意的是，由于沖擊波的反射作用，在壁面會出現(xiàn)膨脹區(qū)，因此壓力波動曲線會出現(xiàn)負值，這屬于正?，F(xiàn)象．雖然是負值，但是其絕對壓力依然高于初始壓力，因為壓電式傳感器測到的只是壓力的變化量．測試終了，由于還有壓力波動，因此不同位置處的壓力值還會有差異，這進一步說明了不同位置處的壓力振蕩是不一樣的，都受到幾何因素的影響，直到所有壓力波動消失，各處位置的壓力才會一樣，都歸于靜壓．

在實際發(fā)動機中，缸壓傳感器布置在缸蓋位置，用缸蓋位置測得的壓力來近似代替缸內(nèi)壓力，在本實驗中發(fā)現(xiàn)烈性爆震時缸蓋位置測得的壓力遠小于活塞中心和邊緣位置，缸蓋位置測得的爆震壓力不足以破壞發(fā)動機．這也可能導(dǎo)致在實際發(fā)動機上難以監(jiān)測缸內(nèi)壓力的行為特性，不能解釋烈性爆震時活塞被破壞的現(xiàn)象．

圖3 不同余隙時不同位置的壓力振蕩曲線Fig.3 Pressure oscillation curves at different positions under different clearances

2.2 活塞破壞現(xiàn)象與分析

2.2.1 活塞破壞

如圖4所示，爆震出現(xiàn)的破壞典型位置主要是活塞中心位置或邊緣位置．這些情況的出現(xiàn)與實驗中得到的爆轟波匯聚規(guī)律非常吻合，即活塞中心和邊緣處劇烈的激波匯聚導(dǎo)致這些位置局部壓力的陡然升高，最終在這些位置處將活塞破壞失效．除此之外，通過破壞樣本還可看出，有的活塞是中間區(qū)域被破壞失效，有的活塞是邊緣區(qū)域被破壞失效．這種現(xiàn)象也可由前文實驗結(jié)果來解釋：由于烈性爆震的發(fā)生時刻是不定的，因此烈性爆震發(fā)生時的余隙也是不定的．如果烈性爆震正好發(fā)生在上止點，也就是余隙接近于0,mm的時刻，活塞的邊緣區(qū)域可匯聚 29.95,MPa的激波，這導(dǎo)致活塞邊緣容易被破壞失效(如圖4(a)所示)；然而，如果烈性爆震發(fā)生在余隙為 10,mm 的時刻，活塞的中心區(qū)域可匯聚145.60,MPa的激波，則活塞中間區(qū)域很容易被匯聚激波擊穿失效(如圖4(b)所示)．

圖4 被烈性爆震破壞的活塞Fig.4 Piston damaged by severe knock

2.2.2 材料強度計算

為進一步了解爆轟波對活塞的破壞作用，對活塞的力學(xué)強度進行粗略分析計算，此部分計算分析并不是要準確地給出活塞材料破壞失效需要的缸壓和能量，而是要通過比較來說明在內(nèi)燃機工作中的每循環(huán)燃油能量產(chǎn)生的烈性爆震發(fā)生時具備將活塞材料擊裂、擊穿的能力．活塞剪切力的計算公式見式(1)．如果活塞中心被穿孔失效，那么作用力應(yīng)該滿足式(2)．再根據(jù)式(3)和式(4)，洞穿活塞材料所需的力則可轉(zhuǎn)化成作用在活塞上的壓強．

式中：bσ是活塞在室溫下的抗拉強度，為350,MPa；τ是剪切力，一般塑性材料剪切強度與抗拉強度的系數(shù)為0.6～0.8；F是洞穿活塞材料所需的力；d是被擊穿孔洞的直徑，這里選取為 10,mm；h是活塞材料的厚度，這里選取為8,mm；p是作用于活塞上的破壞壓強；A是被擊穿孔洞的橫截面積．根據(jù)式(1)～(4)，p可算得為 896,MPa．但在實際工作中發(fā)現(xiàn)，發(fā)生破壞活塞的烈性爆震一般是最大扭矩或接近最大功率工況，此時活塞的溫度會升高到 350,℃甚至更高，其自身強度也隨之降低．即便此時對應(yīng)的活塞材料抗拉強度降低到35,MPa，計算表明對應(yīng)的擊穿壓力也要達到或超過89.6,MPa．目前內(nèi)燃機缸內(nèi)壓力檢測一般所用石英缸壓傳感器最大采集壓力僅為 30,MPa，遠遠小于材料的破壞強度．從本研究所用的容彈對爆轟波峰值壓力測量結(jié)果看，在余隙為 10,mm 時，中心區(qū)域的當?shù)攸c壓力可高達 145.60,MPa，該數(shù)值完全可以達到高溫下活塞材料的破壞壓強．當然，這里需要注意的是，激波匯聚也會帶來熱量的匯聚，這會使得局部溫度升高，也就是說在匯聚作用下，活塞中心位置和邊緣位置的溫度相對其他位置較高，這種溫度和壓力的協(xié)同效果會進一步降低這兩個位置的材料強度，使得活塞更易被破壞失效．由此得證，活塞材料中心區(qū)域是可以被匯聚激波破壞失效的．

2.2.3 破壞能量計算

除了強度計算，這里進一步對能量進行簡要計算，以探究每循環(huán)燃料燃燒所釋放的能量是否足以在激波匯聚的條件下洞穿活塞材料．洞穿活塞所需能量粗略需滿足

式中 Ed是破壞活塞所需能量，經(jīng)計算可得為562.7,J．一般烈性爆震發(fā)生時發(fā)動機工作參數(shù)如表 1所示．每缸每工作循環(huán)噴油燃燒所釋放的能量EC為

式(6)中相應(yīng)參數(shù)的含義見表 1．EC經(jīng)計算可得為1,601.4,J．由此可見EC大約是 Ed的 2.84倍．由此可以證明，燃料燃燒時產(chǎn)生的能量足以破壞活塞，只要這些能量被很好地匯聚集中在某些點上．

表1 發(fā)動機工作參數(shù)Tab.1 Engine opprating purameters

3 結(jié) 論

本研究通過爆轟容彈實驗來揭示烈性爆震下爆轟波的行為特性，通過強度計算及能量計算來揭示活塞材料受爆轟波行為破壞的機理．基于以上研究，主要結(jié)論歸納如下．

(1) 設(shè)計研制的定容彈，采用乙炔為燃料并結(jié)合高能點火裝置可以在封閉空間中產(chǎn)生理想的爆轟，并且可以實現(xiàn)同條件下的重復(fù)．

(2) 錐頂型燃燒室一旦發(fā)生烈性爆震，爆震波會發(fā)生匯聚．在 0,mm 余隙時，邊緣位置的匯聚壓力振蕩可達 29.95,MPa；在 10,mm 余隙時，活塞中心的匯聚壓力振蕩可達 145.60,MPa．遠超過破壞活塞需要的作用力．

(3) 計算表明，發(fā)動機燃燒時每循環(huán)燃油燃燒所釋放的能量如果匯聚一處，可具有將活塞擊穿的能力.

該研究通過爆轟容彈的實驗方法重現(xiàn)了內(nèi)燃機中烈性爆震的異?，F(xiàn)象，通過不同位置布置多個壓力傳感器，發(fā)現(xiàn)了激波匯聚現(xiàn)象、匯聚點及匯聚力度，這為燃燒室零部件在烈性爆震下破壞提供了很好的解釋．同時也可以為發(fā)動機燃燒室設(shè)計提供參考．

致 謝

感謝北京理工大學(xué)爆炸科學(xué)與技術(shù)國家重點實驗室的劉慶明教授和張博博士，他們?yōu)楣P者的實驗設(shè)計提供了爆炸力學(xué)方面的支持．