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微小定容腔內(nèi)噴射正丁烷/空氣著火與燃燒特性

2021-10-27 00:33:56·  來源：《內(nèi)燃機學(xué)報》  
　
微小型內(nèi)燃機由于功率密度高與效率高的特點而備受重視。由于微尺度效應(yīng)，微小型內(nèi)燃機內(nèi)的著火與燃燒對于其可靠運行和性能提升至關(guān)重要，因此，開展微小型內(nèi)燃機
微小型內(nèi)燃機由于功率密度高與效率高的特點而備受重視。由于微尺度效應(yīng)，微小型內(nèi)燃機內(nèi)的著火與燃燒對于其可靠運行和性能提升至關(guān)重要，因此，開展微小型內(nèi)燃機運行條件下的著火與燃燒特性基礎(chǔ)研究具有重要意義。正丁烷易于液化且便攜，被認為是微小型內(nèi)燃機的適用燃料。此外，筆者課題組前期對模擬微小型內(nèi)燃機啟動條件下的微小定容腔內(nèi)靜止正丁烷/空氣熱著火與燃燒特性進行了研究，但對更接近微小型內(nèi)燃機連續(xù)運行真實情況的噴射進氣條件下正丁烷/空氣熱著火與燃燒基礎(chǔ)特性還缺乏相關(guān)研究。因此，筆者利用微小定容腔著火與燃燒試驗平臺繼續(xù)開展正丁烷/空氣在噴射進氣時的熱著火與燃燒試驗，考察了微小定容腔內(nèi)噴射進氣時的著火與燃燒行為，并比較熱絲表面溫度和當量比對著火與燃燒特性的影響，所得的試驗數(shù)據(jù)和結(jié)果對于研發(fā)微小型內(nèi)燃機點火技術(shù)具有參考意義。

01、試驗裝置與方法

1.1 試驗裝置
試驗通過微小定容腔內(nèi)著火與燃燒試驗平臺上進行，試驗裝置示意如圖1 所示。其詳細試驗臺架介紹見參考文獻[1]。


圖1 微小定容腔著火與燃燒試驗裝置示意
1.2 試驗方法
每次試驗前對燃燒腔進行掃氣并抽真空，隨后給熱絲通電，待熱絲表面溫度平衡后，同步信號控制器觸發(fā)電磁閥開啟，使正丁烷/空氣預(yù)混氣噴射進入定容腔，在恒定溫度熱絲表面完成著火。此外，該同步信號觸發(fā)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)并采集燃燒腔內(nèi)壓力、溫度等試驗數(shù)據(jù)，同時高速攝像機同步記錄預(yù)混氣的動態(tài)著火與燃燒過程。隨后關(guān)閉熱絲電源和信號控制器等裝置完成單次試驗，并在計算機上存儲單次試驗數(shù)據(jù)，每個工況進行6 次平行重復(fù)試驗以保證結(jié)果的準確性?？紤]到整體的散熱情況，在瞬態(tài)著火與燃燒過程中，定容腔附近的金屬墊片和蓋板溫度基本維持穩(wěn)定。在4 個加熱功率下，對當量比為0.7～2.2 的正丁烷/空氣預(yù)混氣分別開展了噴射進氣時著火與燃燒特性試驗。通過對試驗獲得的壓力數(shù)據(jù)、溫度數(shù)據(jù)和著火過程圖像進行后處理并分析，從而得到熱絲表面溫度、當量比等因素對微小定容腔內(nèi)正丁烷/空氣預(yù)混氣噴射進氣時動態(tài)著火與燃燒基礎(chǔ)特性的影響規(guī)律。試驗中每次噴射進氣的初始狀態(tài)和條件保持相同，著火與燃燒特性差異由預(yù)混氣和點火源熱絲條件共同決定。

02、結(jié)果與討論

圖2 為試驗條件下噴射進氣時正丁烷/空氣預(yù)混氣的典型著火、火焰?zhèn)鞑ゼ叭紵^程，圖中的 0ms 表示著火初始時刻。每張圖片中間的螺旋狀黑色輪廓為熱絲，8 ms 時刻圖中的左、右兩個明顯亮點為燃腔的進/出氣口，上部較大亮點為壓力傳感器測點，熱絲附近的一個明顯小亮點為熱電偶測點，如圖2 紅色輪廓標識。由圖2 可見，初始階段預(yù)混氣噴射進入燃燒腔后在固定的熱絲表面著火形成初始火焰，隨后初始火焰在燃燒腔內(nèi)向外傳播。初始火焰?zhèn)鞑ミ^程中，預(yù)混氣的噴射進氣過程仍在繼續(xù)，故后續(xù)著火不再是在熱絲表面發(fā)生，而是由已經(jīng)形成的火焰引燃剛噴射進入燃燒腔的預(yù)混氣再形成二次火焰向外傳播，此后繼續(xù)形成后續(xù)火焰。即隨后的著火呈現(xiàn)為多點著火狀態(tài)，后期典型的多點著火位置如圖2橙色輪廓區(qū)域所示。所以，火焰?zhèn)鞑ミ^程中可以觀察到強烈的褶皺狀。由于火焰?zhèn)鞑ズ投帱c著火的同步進行，并結(jié)合驗的噴射進氣速度和火焰?zhèn)鞑D片，相比筆者前期研究中的近層流火焰?zhèn)鞑顟B(tài)，可以確定火焰基本呈現(xiàn)湍流狀態(tài)。此外，火焰?zhèn)鞑ズ笃诳梢杂^察到火焰重疊現(xiàn)象，重疊現(xiàn)象的出現(xiàn)一部分是由于火焰在相機視線方向的投影疊加，另一部分是已燃燒區(qū)域內(nèi)持續(xù)噴射進氣造成多點著火形成的重疊。

圖2 噴射進氣時微小定容腔內(nèi)正丁烷/空氣預(yù)混氣的典型著火與火焰?zhèn)鞑ミ^程
 
2.1 熱絲溫度的影響
圖3 為熱絲溫度對不同當量比正丁烷/空氣預(yù)混氣噴射進氣條件下著火時間與燃燒過程Δpmax 的影響。圖3b 中紅色標注的是出現(xiàn)“著火—熄火—再著火”現(xiàn)象的工況。由圖3a 可見，著火時間隨著熱絲溫度升高而縮短，熱絲溫度從1 140 K 升高到1 436 K，著火時間最多縮短了近85%。熱絲溫度提高，預(yù)混氣加熱過程加快，相同時間下，局部的預(yù)混氣溫度較高，反應(yīng)速率加快，進而加快著火進程顯著縮短了著火時間。此外，熱絲溫度對著火時間的影響程度還與當量比相關(guān)，在接近貧/富燃極限條件下，熱絲溫度對著火時間的影響程度相對較小，特別是當熱絲溫度大于1 315 K時，提高表面溫度對著火時間影響很小。

Δpmax體現(xiàn)燃燒強度，主要受燃料燃燒產(chǎn)熱、整體散熱及火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊憽Ｓ蓤D3b 可見，在接近貧/富燃極限工況下，熱絲溫度對Δpmax 的影響很小。文獻提及點火源溫度對燃燒的影響主要體現(xiàn)在對著火及初期火核形成的影響，而后期燃燒產(chǎn)熱的影響更為突出。

綜上所述，考慮到預(yù)混氣噴射進氣條件下著火時間和燃燒強度表征量Δpmax之間的關(guān)系，實際微小型內(nèi)燃機設(shè)計中需要在著火時間和燃燒過程之間尋找一個平衡點，既要讓著火時間短又不能出現(xiàn)“著火—熄火—再著火”現(xiàn)象，這樣才能保證燃料的有效利用和發(fā)動機的高效運行，因而點火源溫度和燃料當量比的控制非常關(guān)鍵。

圖3 熱絲溫度對正丁烷/空氣預(yù)混氣噴射進氣條件下著火時間與燃燒過程中Δpmax的影響
2.2 當量比的影響
圖4 為當量比對正丁烷/空氣預(yù)混氣噴射進氣條件下著火時間的影響。當量比對著火時間的影響與熱絲溫度有關(guān)，熱絲溫度相對低時，除當量比接近0.7外，著火時間隨著當量比增加而延長；熱絲溫度相對高時，隨著當量比增大，著火時間呈現(xiàn)出先縮短后延長的趨勢。


圖4 不同熱絲溫度下當量比對正丁烷/空氣預(yù)混氣噴射進氣條件下著火時間的影響
當量比對正丁烷/空氣預(yù)混氣噴射燃燒過程中Δpmax 的影響如圖5 所示，其中紅色標注區(qū)域是出現(xiàn)“著火—熄火—再著火”現(xiàn)象的工況。隨著當量比增大，Δpmax先增大后減小。當量比為0.8～1.8 時，熱絲溫度(即點火源因素)對Δpmax 的影響較為明顯；在接近貧/富燃極限條件下，熱絲溫度對Δpmax 的影響程度則小得多。這是由于當量比為0.8～1.8 時，熱絲溫度會顯著促進著火時的進程，此外，熱絲溫度差異決定“著火—熄火—再著火”現(xiàn)象是否發(fā)生，進而影響Δpmax；而在接近貧/富燃極限條件下，均不會發(fā)生“著火—熄火—再著火”現(xiàn)象，且此時燃燒過程主要由當量比掌控，熱絲溫度的影響很小。Δpmax隨當量比的變化趨勢可以從兩個方面來解釋，一方面中間當量比接近完全燃燒，燃燒放熱量較貧/富燃條件下大很多；另一方面中間當量比的燃燒速度大于兩側(cè)當量比，很大程度降低了散熱，這兩個因素引起Δpmax的升高。


圖5 當量比對正丁烷/空氣預(yù)混氣噴射進氣條件下燃燒過程中Δpmax的影響

04、結(jié)論

對微小定容腔內(nèi)正丁烷/空氣噴射進氣時的著火與燃燒特性進行試驗研究，得到如下結(jié)論：
(1) 火焰在熱絲表面形成隨后向外傳播，傳播火焰為強烈的褶皺狀，基本呈現(xiàn)湍流狀態(tài)，后期著火現(xiàn)出多點著火狀態(tài)；在熱絲表面溫度較高時，當量比為0.9～1.5 的正丁烷/空氣預(yù)混氣在燃燒過程中出現(xiàn)“著火—熄火—再著火”現(xiàn)象。
(2) 著火時間隨著熱絲溫度增加而縮短，熱絲溫度從1 140 K 升高到1 436 K，著火時間最多可縮短近85%；在接近貧/富燃極限條件下，熱絲溫度對Δpmax的影響不明顯，其余當量比條件下，Δpmax隨著熱絲溫度升高先增大后減小。
(3) 當量比對著火時間的影響與熱絲溫度相關(guān)，熱絲溫度相對低時，著火時間隨著當量比增大而延長；熱絲溫度相對高時，著火時間隨當量比增大先縮短后延長；隨著當量比增大，Δpmax 均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。
(4) 得到的正丁烷/空氣預(yù)混氣噴射進氣時著火與燃燒的基本數(shù)據(jù)對于理解微小型內(nèi)燃機運行條件下的著火行為有幫助，特別是點火源溫度和當量比對著火時間的影響與燃料有效利用之間的聯(lián)系，對于研發(fā)微小型內(nèi)燃機點火技術(shù)具有參考意義。

05、參考文獻

[1]周光照,蔣利橋,趙黛青,等.微小定容腔內(nèi)噴射正丁烷/空氣著火與燃燒特性[J].內(nèi)燃機學(xué)報,2021,(05):424-430.

期刊

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