高海拔模擬環(huán)境下柴油機(jī)燃燒粗暴可視化試驗(yàn)研究

崔宇航，衛(wèi)海橋，王祥庭，胡?禎，潘家營(yíng)

高海拔模擬環(huán)境下柴油機(jī)燃燒粗暴可視化試驗(yàn)研究

崔宇航1, 2，衛(wèi)海橋2，王祥庭2，胡?禎2，潘家營(yíng)2

(1. 天津大學(xué)內(nèi)燃機(jī)研究所，天津 300072；2. 天津大學(xué)內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072)

基于一臺(tái)可視化快速壓縮機(jī)試驗(yàn)平臺(tái)，結(jié)合高速攝影和瞬態(tài)壓力測(cè)試等手段，通過(guò)調(diào)控燃燒邊界條件開(kāi)展了高海拔(4500m)模擬環(huán)境下柴油機(jī)燃燒粗暴可視化試驗(yàn)研究．選擇4種不同十六烷值(CN)的柴油燃料，研究了噴油壓力和燃料十六烷值對(duì)柴油噴霧撞壁過(guò)程和燃燒粗暴強(qiáng)度的影響．研究結(jié)果表明：燃油噴霧撞壁和燃料十六烷值對(duì)燃燒粗暴特性影響顯著．在噴霧撞壁工況下，提高噴油壓力會(huì)使自燃時(shí)刻提前，自燃反應(yīng)前鋒的傳播速度加快，燃燒粗暴強(qiáng)度增加；在相同噴油壓力情況下，延長(zhǎng)噴霧撞壁距離卻使峰值壓力顯著下降，同時(shí)降低了燃燒粗暴傾向．同時(shí)，低十六烷值燃料的燃燒粗暴傾向明顯高于高十六烷值燃料．然而，對(duì)于CN＜45的柴油而言，降低十六烷值并不會(huì)使燃燒粗暴強(qiáng)度發(fā)生顯著變化，說(shuō)明低十六烷值燃料的燃燒粗暴特性對(duì)噴油壓力和撞壁距離更加敏感．通過(guò)分析高速攝影圖像發(fā)現(xiàn)，燃燒粗暴起源于近壁面混合氣自燃，超音速自燃反應(yīng)前鋒在封閉燃燒室中的傳播可誘發(fā)壓力振蕩，從而有可能會(huì)加速燃燒室核心部件損壞和燒蝕．研究結(jié)果對(duì)于高海拔重型柴油機(jī)燃燒過(guò)程優(yōu)化和燃燒粗暴控制具有重要現(xiàn)實(shí)意義．

燃燒粗暴；可視化快速壓縮機(jī)；噴霧撞壁；十六烷值

高原地區(qū)最突出的問(wèn)題是氣壓低、空氣稀薄，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量下降，導(dǎo)致各項(xiàng)性能劣化嚴(yán)重．隨著海拔高度提高，缸內(nèi)空氣密度和溫度下降，液相噴霧的貫穿距增加，導(dǎo)致燃油撞壁幾率大大增加[1-2]．西方國(guó)家海拔普遍較低(＜3000m)，可憑借先進(jìn)的渦輪增壓和燃油噴射系統(tǒng)緩解上述問(wèn)題．我國(guó)高原海拔較高，有世界屋脊之稱的“青藏高原”平均海拔高度更是超過(guò)4000m[3]，在高海拔下增壓器的壓比和效率均會(huì)有所下降．傳統(tǒng)民用柴油機(jī)通過(guò)增壓器與共軌系統(tǒng)的匹配(如控制噴油量)，提高了高海拔環(huán)境的適應(yīng)性，但犧牲了部分動(dòng)力性[4]．高原地區(qū)民用工程機(jī)械尤其是全域運(yùn)行的軍事裝備，對(duì)動(dòng)力性要求更高．為了保持足夠的功率和扭矩輸出，其循環(huán)供油量大、噴油持續(xù)期長(zhǎng)，并考慮較大噴孔和較早噴油來(lái)降低熱負(fù)荷，這導(dǎo)致燃油撞壁加?。芯勘砻麟S著附壁燃油量的增加，油膜的鋪展半徑以及卷吸高度增加，在近壁面形成大量混合氣，導(dǎo)致強(qiáng)烈的預(yù)混燃燒[5-6]，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)霈F(xiàn)伴隨著極高的壓力振蕩的燃燒粗暴現(xiàn)象，對(duì)燃燒室造成不可逆性損壞[7-9]．然而，噴霧撞壁對(duì)燃燒粗暴的影響機(jī)理目前尚不明確．

傳統(tǒng)柴油機(jī)的燃燒過(guò)程包含了預(yù)混合燃燒和擴(kuò)散燃燒兩個(gè)階段，通常認(rèn)為，柴油機(jī)著火滯燃期長(zhǎng)、早期噴油量多，會(huì)導(dǎo)致較高的壓力升高率，并產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)和噪聲[10]．柴油燃料的十六烷值是評(píng)價(jià)柴油自燃特性的一個(gè)重要參數(shù)，進(jìn)而影響柴油機(jī)滯燃期，包括物理滯燃期(霧化、蒸發(fā)和混合)和化學(xué)滯燃期(反應(yīng)活性)[11]．有研究發(fā)現(xiàn)低十六烷值燃料的預(yù)混合燃燒更劇烈，壓力升高率也會(huì)相應(yīng)地增加[12-13]．文獻(xiàn)[14]還發(fā)現(xiàn)低十六烷值燃料在噴霧貫穿距過(guò)長(zhǎng)的工況下，柴油機(jī)可能會(huì)產(chǎn)生極高的壓力振蕩，導(dǎo)致機(jī)械結(jié)構(gòu)損傷．常規(guī)柴油機(jī)燃燒壓力振蕩往往有限，而高強(qiáng)化柴油機(jī)爆震時(shí)極高的壓力振蕩反映出缸內(nèi)燃燒放熱不均勻，存在大梯度壓力場(chǎng)分布，但是強(qiáng)烈壓力振蕩機(jī)理還有待探究．

近年來(lái)，燃燒可視化方法被廣泛應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒研究領(lǐng)域，有助于對(duì)燃燒過(guò)程的深刻理解．其主要研究手段是使用石英玻璃等高透光度、高強(qiáng)度的材料，替代燃燒室壁面或活塞等部件，形成光學(xué)通路以供高速攝影．對(duì)于傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)，常使用內(nèi)窺鏡或者光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行可視化研究．然而，當(dāng)壓力升高率的幅值超過(guò)1500kPa/°,CA 時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)承受巨大的熱負(fù)荷和機(jī)械應(yīng)力，對(duì)光學(xué)部件造成損害，無(wú)法開(kāi)展爆震等破壞性試驗(yàn)[15]．因此，能承受極端工作環(huán)境并精準(zhǔn)控制初始/邊界條件的可視化快速壓縮機(jī)試驗(yàn)平臺(tái)，在破壞性爆震試驗(yàn)中備受研究者青睞．近年來(lái)，眾多學(xué)者基于可視化快速壓縮機(jī)試驗(yàn)平臺(tái)開(kāi)展了許多汽油機(jī)的爆震以及超級(jí)爆震的相關(guān)研究[16-17]，但是關(guān)于柴油機(jī)燃燒粗暴的可視化研究還鮮見(jiàn)報(bào)道．因此，有必要基于快速壓縮機(jī)開(kāi)展柴油燃燒粗暴的可視化試驗(yàn)研究，有助于研究者更全面地理解高原發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒粗暴的影響機(jī)理．

基于上述問(wèn)題，筆者在一臺(tái)高強(qiáng)度可視化快速壓縮機(jī)上開(kāi)展了高海拔模擬環(huán)境下柴油機(jī)燃燒粗暴可視化試驗(yàn)研究．結(jié)合高速攝影和瞬態(tài)壓力測(cè)試等手段，獲得了柴油機(jī)粗暴燃燒特性及其影響規(guī)律．研究結(jié)果對(duì)高海拔重型柴油機(jī)燃燒過(guò)程優(yōu)化和燃燒粗暴控制具有重要現(xiàn)實(shí)意義．

1?試驗(yàn)設(shè)備和研究方法

1.1?快速壓縮機(jī)試驗(yàn)平臺(tái)

本次試驗(yàn)使用的快速壓縮機(jī)試驗(yàn)平臺(tái)如圖1所示，其主要是由壓縮室、燃燒室、液壓制動(dòng)缸、驅(qū)動(dòng)氣缸以及高壓儲(chǔ)氣罐5部分組成．該快速壓縮機(jī)試驗(yàn)平臺(tái)最高能承受30MPa的爆發(fā)壓力以及幅值為10MPa的壓力振蕩，完全滿足試驗(yàn)需求．通過(guò)調(diào)節(jié)壓縮行程和余隙容積，壓縮比在10～21范圍內(nèi)靈活可變．本次試驗(yàn)使用帶切槽的活塞來(lái)削弱缸內(nèi)流場(chǎng)不均勻性帶來(lái)的影響[18]．試驗(yàn)中采用壓電式瞬態(tài)壓力傳感器(Kistler 6045A)來(lái)捕捉缸內(nèi)燃燒壓力發(fā)展過(guò)程．傳感器頂面與燃燒室壁面齊平安裝以減少探頭對(duì)燃燒過(guò)程的影響，具體位置如圖2所示．傳感器測(cè)量的信號(hào)經(jīng)過(guò)電荷放大器(Kistler 5064C)后，再由數(shù)據(jù)采集卡以100kHz的頻率進(jìn)行采集，最后保存在計(jì)算機(jī)中．光學(xué)窗口采用厚度為40mm的耐高壓石英玻璃．利用帶有105mm鏡頭(AFMicro Nikkor 1∶2.8D)的高速照相機(jī)(Photron SA-Z)拍攝燃燒圖像，分辨率為320像素×128像素，相機(jī)的拍攝速度可以達(dá)到20×104Hz，快門速度設(shè)置為最高3.15μs/幀．

圖1?快速壓縮機(jī)試驗(yàn)平臺(tái)

圖2?光學(xué)燃燒室、壓力傳感器以及噴油器布置示意

1.2?噴油系統(tǒng)及燃料

本次試驗(yàn)采用改裝后的博世高壓共軌噴油系統(tǒng)，最高噴油壓力可以達(dá)到140MPa．為重點(diǎn)探究十六烷值對(duì)燃燒粗暴的影響，選用高海拔高寒地區(qū)常用的低十六烷值柴油和與國(guó)標(biāo)柴油性質(zhì)接近的高十六烷值燃料．4種柴油分別以它們的十六烷值命名，其他的物理化學(xué)性質(zhì)如表1所示．使用自行設(shè)計(jì)的噴油系統(tǒng)控制程序和LabView VI軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)噴油器電磁閥精準(zhǔn)的控制，同時(shí)給噴油器一個(gè)TTL脈寬信號(hào)來(lái)控制噴油正時(shí)以及噴油脈寬，這也有助于量化噴油量.進(jìn)行試驗(yàn)之前使用高精度電子天平對(duì)4種柴油在噴油壓力inj＝30MPa、40MPa、50MPa和60MPa條件下進(jìn)行標(biāo)定，每次測(cè)量時(shí)噴油25次，測(cè)量3次后取平均值，標(biāo)定結(jié)果見(jiàn)圖3，盡管各種柴油在密度上有輕微不同，但是引起噴油量的變化較小，例如在噴油壓力50MPa工況下每次噴油最大誤差也僅僅為0.05mg.所以在誤差允許范圍內(nèi)，可以大致認(rèn)為每次試驗(yàn)中4種柴油在不同噴油壓力下噴油量相等．

圖3?4種柴油在不同噴油壓力下的標(biāo)定結(jié)果

1.3?試驗(yàn)工況

試驗(yàn)中，首先把純度大于99.999%的高純空氣通入一個(gè)容積為6L的預(yù)混罐中．與此同時(shí)，使用磁力攪拌器對(duì)其攪拌以提高氣體的熱均勻性，試驗(yàn)前的攪拌時(shí)間最少為2h．通過(guò)均勻纏繞保溫棉和加熱帶，結(jié)合帶有比例積分微分(PID)控制的加熱系統(tǒng)對(duì)預(yù)混罐和氣體連接管道進(jìn)行加熱，可以使預(yù)混罐和管道中的氣體達(dá)到預(yù)設(shè)值．使用同樣的方法對(duì)燃燒室壁面也進(jìn)行加熱，讓壁面溫度(w)控制在363K左右，這也和實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)的壁面溫度比較接近．

表1?4種柴油的物理化學(xué)性質(zhì)

Tab.1?Physical and chemical properties of four kinds of diesel

表2給出了本次試驗(yàn)的工況．噴油壓力inj從30MPa增加到60MPa，用于探究噴油壓力對(duì)燃燒粗暴的影響．單孔噴油器的孔徑為0.32mm，這也和重型柴油機(jī)使用的噴油器比較匹配．噴油正時(shí)(SOI)的觸發(fā)壓力(SOI)設(shè)置為1.0MPa和0.8MPa，噴油脈寬()為2.0ms和3.0ms，但是由于噴油器接受控制系統(tǒng)的信號(hào)后需要一定的響應(yīng)時(shí)間，所以略微有所波動(dòng)．另外，為了研究撞壁距離對(duì)燃燒粗暴的影響機(jī)理，本次試驗(yàn)在缸徑為70mm和120mm兩種燃燒室中進(jìn)行，調(diào)節(jié)不同的初始?jí)毫?i)使壓縮上止點(diǎn)壓力(c)控制在2.1MPa附近，這也與柴油機(jī)在海拔4500m下運(yùn)行工況類似[19]．初始溫度i控制在343K，根據(jù)參考文獻(xiàn)[20]，上止點(diǎn)溫度c計(jì)算式為

式中為比熱比，它是關(guān)于溫度的函數(shù)，可以通過(guò)查表法獲得．每個(gè)工況點(diǎn)進(jìn)行3次重復(fù)性試驗(yàn)來(lái)保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，同時(shí)在每個(gè)工況點(diǎn)試驗(yàn)之后，使用無(wú)水乙醇擦洗燃燒室，消除每次燃燒過(guò)后的碳煙產(chǎn)物，避免出現(xiàn)下次燃燒中的熱點(diǎn)引起的早燃現(xiàn)象．

表2?試驗(yàn)工況

Tab.2?Operating conditions

1.4?快速壓縮機(jī)重復(fù)性驗(yàn)證

為了驗(yàn)證快速壓縮機(jī)試驗(yàn)平臺(tái)重復(fù)工作的可靠性，針對(duì)相同熱力學(xué)狀態(tài)下冷場(chǎng)和燃燒粗暴工況分別進(jìn)行3次重復(fù)性驗(yàn)證試驗(yàn)．圖4(a)給出了純空氣壓縮的缸壓曲線，從圖中可以看出，在初始?jí)毫?.065MPa的前提下，3次試驗(yàn)的上止點(diǎn)壓力分別為2.095MPa、2.074MPa、2.062MPa，上止點(diǎn)壓力誤差在3%以內(nèi)，缸內(nèi)壓力曲線基本吻合．與此同時(shí)，圖4(b)也給出了CN43.9燃料在inj＝50MPa條件下的3組壓力曲線，從圖中可以看到較高的壓力峰值以及劇烈的壓力振蕩，顯然這符合燃燒粗暴的特點(diǎn)．盡管由于自燃現(xiàn)象的隨機(jī)性，導(dǎo)致峰值壓力誤差較冷場(chǎng)工況有所升高，但是3組壓力曲線依然保持了良好的一致性．因此，該快速壓縮機(jī)試驗(yàn)平臺(tái)具有良好可重復(fù)性，可以滿足試驗(yàn)需求．

1.5?燃燒粗暴強(qiáng)度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

以經(jīng)過(guò)帶通濾波(4～25kHz)處理后的最大缸內(nèi)壓力振蕩幅值(KI)來(lái)評(píng)價(jià)燃燒粗暴強(qiáng)度．燃燒粗暴強(qiáng)度指標(biāo)KI是對(duì)爆震燃燒過(guò)程的壓力示功圖用快速傅里葉變化(FFT)進(jìn)行帶通濾波，消除測(cè)量過(guò)程中混入的壓力諧波的影響后，取濾波后壓力振蕩的最大幅值作為燃燒粗暴強(qiáng)度的評(píng)價(jià)指標(biāo)．基于快速壓縮機(jī)的汽油機(jī)爆震研究文獻(xiàn)[21]和柴油機(jī)燃燒粗暴文獻(xiàn)[15]，將KI分成3個(gè)等級(jí)：當(dāng)KI≤0.2MPa時(shí)認(rèn)為其屬于柴油機(jī)失火區(qū)；當(dāng)0.2MPa＜KI＜2.0MPa時(shí)認(rèn)為其屬于正常工作區(qū)，不會(huì)對(duì)柴油機(jī)結(jié)構(gòu)造成破壞，當(dāng)KI≥2.0MPa時(shí)認(rèn)為其屬于強(qiáng)烈燃燒粗暴．

2?試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1?噴油壓力對(duì)燃燒粗暴的影響

首先在缸徑為70mm的燃燒室中研究噴油壓力對(duì)燃燒粗暴的影響，燃料為CN43.9柴油，噴油脈寬為2.0ms．圖5給出了噴油壓力在30～60MPa的缸內(nèi)壓力曲線．從圖中可以看出，當(dāng)噴油壓力為30MPa時(shí)，缸內(nèi)壓力在上止點(diǎn)附近并沒(méi)有明顯上升．受到燃燒室邊界散熱的影響，缸內(nèi)壓力甚至略有下降．當(dāng)噴油壓力升高至40MPa時(shí)，在上止點(diǎn)1.7ms附近有一個(gè)明顯的壓力上升，并且缸壓曲線在峰值附近產(chǎn)生了劇烈波動(dòng)，這顯然符合燃燒粗暴的特點(diǎn)．繼續(xù)增加噴油壓力到50MPa時(shí)，峰值壓力增加到13.31MPa．最后，當(dāng)噴油壓力為60MPa時(shí)，最高爆發(fā)壓力出現(xiàn)的時(shí)刻提前，數(shù)值達(dá)到了25.64MPa，同時(shí)壓力振蕩幅值也明顯高于其他工況．經(jīng)計(jì)算，噴油壓力為30～60MPa時(shí)，KI值分別為0.08MPa、3.64MPa、4.25MPa和9.49MPa．根據(jù)評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，30MPa工況屬于失火區(qū)，其余4種噴油壓力工況則是強(qiáng)烈燃燒粗暴工況．

為了進(jìn)一步研究噴油壓力對(duì)燃燒模式的影響機(jī)理，圖6給出了inj30MPa、40MPa和50MPa條件的高速攝影圖片．受限于較低的噴霧動(dòng)量以及貫穿速度，inj＝30MPa工況下的著火位置靠近于噴油器．同時(shí)受到大孔徑噴油器和低噴油壓力的影響，柴油的霧化質(zhì)量較差，導(dǎo)致燃燒速度下降，形成的火焰以相對(duì)緩慢的速度沿著噴霧軸線傳播．當(dāng)噴油壓力增加到40MPa時(shí)，噴霧的貫穿速度和貫穿距顯著增加，所以液相噴霧在離開(kāi)噴油器后撞擊燃燒室壁面，形成附壁油膜．然而受限于較低的壁面溫度，油膜燃燒的時(shí)間進(jìn)一步滯后，這也留出了充足時(shí)間讓蒸發(fā)燃油與周圍熱空氣混合，促進(jìn)混合氣形成．密度較低的混合氣在燃燒室上方聚集，當(dāng)混合氣積累到一定值時(shí)，在近壁面處出現(xiàn)了藍(lán)色自燃反應(yīng)區(qū)．借助于自燃的化學(xué)發(fā)光，可以觀察到液相噴霧持續(xù)撞擊壁面．隨著噴油壓力繼續(xù)增加到50MPa時(shí)，自燃出現(xiàn)的時(shí)間也進(jìn)一步提前．在燃燒粗暴工況，可以觀察到自燃在燃燒室上方出現(xiàn)后迅速向下傳播．

圖5 不同噴油壓力下的缸內(nèi)壓力和壓力振蕩(D＝70mm，CN43.9)

基于光學(xué)圖像，利用火焰前鋒切線隨時(shí)間的位置變化來(lái)計(jì)算反應(yīng)前鋒的傳播速度．根據(jù)火焰表面形狀計(jì)算出火焰在多路徑下的傳播速度，將多路徑計(jì)算結(jié)果的平均值定義為火焰?zhèn)鞑ニ俣龋瑫r(shí)，不同路徑下火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊淖畲蟛钪当欢x為最大計(jì)算誤差(＜10%)．計(jì)算得到inj＝40MPa和50MPa條件下自燃反應(yīng)前鋒的傳播速度分別為1885m/s和2055m/s．值得注意的是這兩個(gè)速度都超過(guò)了當(dāng)?shù)芈曀?，超音速自燃反?yīng)前鋒在封閉燃燒室中的傳播誘發(fā)壓力振蕩，這也和超級(jí)爆震研究文獻(xiàn)[22]中的結(jié)論類似．因此，在噴霧撞壁工況下提高噴油壓力，導(dǎo)致預(yù)混合燃燒階段增強(qiáng)．大量混合氣自燃放熱，加快了自燃反應(yīng)前鋒的傳播速度，從而增加燃燒粗暴強(qiáng)度．

圖6?不同噴油壓力下的燃燒圖像

2.2?撞壁距離對(duì)燃燒粗暴的影響

試驗(yàn)緊接著在＝120mm的大燃燒室中進(jìn)行，進(jìn)一步探究撞壁距離對(duì)燃燒粗暴的影響．通過(guò)調(diào)節(jié)初始?jí)毫⑸现裹c(diǎn)壓力依然控制在2.1MPa，但是由于燃燒室容積的增加導(dǎo)致壓縮比下降，所以在相同初始溫度條件下上止點(diǎn)溫度也略有下降．圖7給出了大燃燒室中不同噴油壓力條件下的缸內(nèi)壓力．與小燃燒室類似工況相比，缸內(nèi)峰值壓力顯著下降．具體來(lái)說(shuō)，當(dāng)噴油壓力為60MPa時(shí)，峰值壓力也僅為3.53MPa．同時(shí)，當(dāng)噴油壓力從30MPa增加到60MPa，KI值卻始終接近于零．這就說(shuō)明在更長(zhǎng)的撞壁距離下，噴油壓力的作用效果并不明顯．

圖7 大燃燒室中不同噴油壓力條件下的缸內(nèi)壓力(D＝120mm，CN43.9)

圖8給出＝120mm和inj＝50MPa工況下壓力軌跡以及燃燒圖像．如圖8所示，當(dāng)時(shí)間來(lái)到上止點(diǎn)后2.1ms，在撞壁區(qū)域附近出現(xiàn)了一小塊藍(lán)色火焰區(qū)域．然而，該火焰的化學(xué)發(fā)光亮度明顯低于小燃燒室中的藍(lán)色自燃反應(yīng)區(qū)，并且也沒(méi)有形成明顯的火焰?zhèn)鞑?，表現(xiàn)出低溫不穩(wěn)定火焰的特點(diǎn)[2]．相比于小燃燒室類似工況，大燃燒室在預(yù)混合燃燒階段中形成的混合氣大幅度減少．這主要是因?yàn)樽脖趪婌F速度隨著撞壁距離的增加減少，從而產(chǎn)生了兩個(gè)不利于混合氣形成的兩個(gè)因素．首先，燃油撞擊壁面速度變慢導(dǎo)致壁面對(duì)噴霧液滴的作用力減弱，這就讓噴霧液滴破碎過(guò)程受阻．其次，在空氣阻力的作用下，撞壁燃油從燃燒室壁面分離，并在前緣形成漩渦[23]，而漩渦的能量也取決于噴霧動(dòng)能，撞壁噴霧動(dòng)能隨著自由噴霧比例增大而減少，進(jìn)一步削弱了漩渦區(qū)強(qiáng)度，導(dǎo)致液滴與周圍熱空氣的混合速率減慢．盡管低溫火焰放出的熱量有限，但缸內(nèi)壓力在此之后開(kāi)始上升．緊接著附壁油膜也開(kāi)始燃燒，形成的高溫黃色火焰逐漸吞噬低溫火焰，并且沿著壁面向兩側(cè)平緩發(fā)展．然而，整個(gè)燃燒過(guò)程并沒(méi)有觀察到類似小燃燒室中的自燃反應(yīng)前鋒，故未出現(xiàn)壓力振蕩．由此可見(jiàn)，延長(zhǎng)撞壁距離削弱了預(yù)混合燃燒階段中混合氣的形成，從而抑制了燃燒粗暴．另外，如果處于類似于冷啟動(dòng)的低溫工況，甚至?xí)霈F(xiàn)失火現(xiàn)象．

圖8 D＝120mm和pinj＝50MPa條件下缸內(nèi)壓力和燃燒圖像

2.3?十六烷值對(duì)燃燒粗暴的影響

通過(guò)前期試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)噴霧撞壁對(duì)燃燒粗暴具有重大影響，同時(shí)也觀察到燃燒粗暴產(chǎn)生與混合氣自燃有較大聯(lián)系，考慮到燃料的自燃特性與十六烷值息息相關(guān)．因此，試驗(yàn)在燃燒粗暴工況下進(jìn)一步研究十六烷值對(duì)燃燒粗暴的影響．考慮到試驗(yàn)安全性，噴油壓力和噴油脈寬分別設(shè)置為50MPa和2ms．

圖9給出了4種燃料的缸內(nèi)壓力和壓力振蕩曲線，從圖中可以觀察到4種燃料的燃燒相位存在較大差異．這是因?yàn)椴裼蛧婌F的黏度增加，導(dǎo)致噴霧貫穿速度下降以及撞壁的時(shí)刻也相應(yīng)推遲[24]，進(jìn)而導(dǎo)致燃燒時(shí)刻滯后．在該工況下，3種低十六烷值燃料都發(fā)生了強(qiáng)烈燃燒粗暴現(xiàn)象．而對(duì)于CN53.7而言，該柴油自燃特性較好，預(yù)混合燃燒階段形成的可燃混合氣較少，所以燃燒時(shí)壓力上升平緩．進(jìn)一步分析，發(fā)現(xiàn)CN43.4和CN43.9作為十六烷值接近的燃料，它們不僅峰值壓力都接近于12MPa，而且KI值也相差不大．然而，CN37.3作為十六烷值最低的燃料，其峰值壓力(max＝11.20MPa)卻低于另外兩種柴油，這是因?yàn)樵趪婌F撞壁工況下繼續(xù)降低十六烷值，燃燒進(jìn)一步推遲，且峰值壓力開(kāi)始下降[15]．經(jīng)計(jì)算，3種低十六烷值燃料的燃燒粗暴強(qiáng)度分別為4.47MPa、4.25MPa和3.88MPa，基本維持在同一水平，這就說(shuō)明低十六烷值燃料的燃燒粗暴特性對(duì)噴油壓力和撞壁距離更加敏感．

圖10進(jìn)一步展示了4種柴油的燃燒過(guò)程．首先，由于4種燃料在該工況下都發(fā)生了噴霧撞壁，因此都可以觀察到附壁油膜燃燒．對(duì)于CN37.3工況，在噴油撞壁的位置附近首先觀察到油膜燃燒，但是并未發(fā)生向爆燃或者爆轟自燃模式的轉(zhuǎn)變，而是以相對(duì)較慢的速度向未燃區(qū)域進(jìn)行擴(kuò)散燃燒．由于火焰前鋒對(duì)噴油嘴位置處末端混合氣的壓縮加熱作用，在上止點(diǎn)后3.90ms發(fā)生了末端混合氣自燃，隨之快速傳播的壓力波引發(fā)了強(qiáng)烈的壓力振蕩．對(duì)于CN43.4和CN43.9而言，由于較高的十六烷值，在形成擴(kuò)散燃燒之前便在燃燒室上方的近壁面處發(fā)生了最終向爆轟波演化的混合氣自燃．進(jìn)一步對(duì)CN53.7的燃燒過(guò)程進(jìn)行分析，在整個(gè)燃燒過(guò)程中都沒(méi)有捕捉到藍(lán)色自燃區(qū)，只能觀察高溫黃色火焰以一個(gè)相對(duì)緩慢的速度沿著燃燒室壁面和噴霧軸線發(fā)展．這充分說(shuō)明高十六烷值燃料難以在短暫預(yù)混合燃燒階段形成充足的混合氣，更難以形成自燃反應(yīng)前鋒，從而抑制了燃燒粗暴現(xiàn)象．因此，結(jié)合之前的研究表明高原重型柴油機(jī)燃燒粗暴起源于近壁面自燃，并且與噴霧撞壁和十六烷值息息相關(guān)．

圖10 噴霧撞壁工況下4種柴油的燃燒圖像(D＝70mm，pinj＝50MPa)

3?結(jié)?論

(1) 燃燒粗暴起源于近壁面混合氣自燃，超音速自燃反應(yīng)前鋒在封閉燃燒室中傳播誘發(fā)破壞性壓力振蕩．嚴(yán)重燃燒粗暴工況下最高壓力超過(guò)25MPa，壓力振蕩幅值接近10MPa，類似于增壓直噴汽油機(jī)的超級(jí)爆震現(xiàn)象．

(2) 在相同邊界條件下，隨著噴油壓力的提高，缸壓曲線更加尖銳并且峰值壓力顯著提高．此外，在噴霧撞壁工況下，提高噴油壓力會(huì)使自燃時(shí)刻提前，自燃反應(yīng)前鋒的傳播速度加快，燃燒粗暴強(qiáng)度增加．在相同噴油壓力情況下，延長(zhǎng)噴霧撞壁距離卻使峰值壓力顯著下降，同時(shí)降低燃燒粗暴傾向．

(3) 對(duì)比了不同十六烷值燃料在噴霧撞壁工況下的燃燒特性，進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)使用低十六烷值燃料會(huì)增加燃燒粗暴傾向．然而，對(duì)于CN＜45的柴油而言，降低十六烷值并不會(huì)使燃燒粗暴強(qiáng)度發(fā)生顯著變化，這就說(shuō)明低十六烷值燃料的燃燒粗暴特性對(duì)噴油壓力和撞壁距離更加敏感．

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Optical Experiments on Diesel Knock Under Simulated High-Altitude Conditions

Cui Yuhang1, 2，Wei Haiqiao2，Wang Xiangting2，Hu Zhen2，Pan Jiaying2

(1. Tianjin Internal Combustion Engine Research Institute，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2. State Key Laboratory of Engines，Tianjin University，Tianjin 300072，China)

Based on a rapid compression machine，this work investigated optical experiments on diesel knock under simulated high-altitude(4500m)conditions through adjusting combustion boundary conditions and synchronically performing high-speed direct photography and simultaneous pressure acquisition. Four diesel fuels with different cetane numbers were selected to study the effects of fuel injection pressure and cetane number(CN) on the spray impingement process and diesel knocking intensity. Results show that spray impingement and cetane number have significant effects on the diesel knock. Under spray impingement conditions，autoignition is advanced with the increase of the fuel injection pressure，and the propagation speed of the autoignition reaction front is accelerated，thus enhancing the diesel knocking intensity. For the given injection pressure，a longer wall distance decreases the peak pressure significantly and reduces the tendency to diesel knock；meanwhile，diesel knock is more likely to be encountered with a low cetane number fuel. However，for the diesel of CN＜45，the reduction of cetane number does not significantly change the diesel knocking intensity，which indicates that the knock intensity of the low cetane number fuel is generally sensitive to the injection pressure and wall distance. Further analysis of visualization images shows that the diesel knock originated from the near-wall autoignition. The propagation of supersonic reaction fronts in a confined combustion chamber results in a destructive pressure oscillation，which may accelerate the damage and ablation of core components in the combustion chamber. These research results have important practical significance for combustion process optimization and the control for diesel knock of high-altitude heavy-duty diesel engines.

diesel knock；optical rapid compression machine；spray impingement；cetane number

10.11784/tdxbz202103051

TK401

A

0493-2137(2022)04-0383-08

2021-03-25；

2021-05-19.

崔宇航（1983—??），女，碩士，工程師，cuiyuhang2005@sina.com.

胡?禎，huzhen@tju.edu.cn.

國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)資助項(xiàng)目(51706152，51825603)；國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目(2017YFE0102800)；天津市自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(18JCQNJC07500).

Supported by the Key Program of the National Natural Science Foundation of China(No.51706152，No.51825603)，the National Key Research and Development Program of China(No.2017YFE0102800)，the Natural Science Foundation of Tianjin，China(No. 18JCQNJC07500).

(責(zé)任編輯：金順愛(ài))