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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(lái)源：《內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)》  
　
微小型內(nèi)燃機(jī)由于功率密度高與效率高的特點(diǎn)而備受重視。由于微尺度效應(yīng)，微小型內(nèi)燃機(jī)內(nèi)的著火與燃燒對(duì)于其可靠運(yùn)行和性能提升至關(guān)重要，因此，開(kāi)展微小型內(nèi)燃機(jī)
微小型內(nèi)燃機(jī)由于功率密度高與效率高的特點(diǎn)而備受重視。由于微尺度效應(yīng)，微小型內(nèi)燃機(jī)內(nèi)的著火與燃燒對(duì)于其可靠運(yùn)行和性能提升至關(guān)重要，因此，開(kāi)展微小型內(nèi)燃機(jī)運(yùn)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(rèn)為是微小型內(nèi)燃機(jī)的適用燃料。此外，筆者課題組前期對(duì)模擬微小型內(nèi)燃機(jī)啟動(dòng)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(jìn)行了研究，但對(duì)更接近微小型內(nèi)燃機(jī)連續(xù)運(yùn)行真實(shí)情況的噴射進(jìn)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(yàn)平臺(tái)繼續(xù)開(kāi)展正丁烷/空氣在噴射進(jìn)氣時(shí)的熱著火與燃燒試驗(yàn)，考察了微小定容腔內(nèi)噴射進(jìn)氣時(shí)的著火與燃燒行為，并比較熱絲表面溫度和當(dāng)量比對(duì)著火與燃燒特性的影響，所得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)果對(duì)于研發(fā)微小型內(nèi)燃機(jī)點(diǎn)火技術(shù)具有參考意義。

01、試驗(yàn)裝置與方法

1.1 試驗(yàn)裝置
試驗(yàn)通過(guò)微小定容腔內(nèi)著火與燃燒試驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行，試驗(yàn)裝置示意如圖1 所示。其詳細(xì)試驗(yàn)臺(tái)架介紹見(jiàn)參考文獻(xiàn)[1]。


圖1 微小定容腔著火與燃燒試驗(yàn)裝置示意
1.2 試驗(yàn)方法
每次試驗(yàn)前對(duì)燃燒腔進(jìn)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(hào)控制器觸發(fā)電磁閥開(kāi)啟，使正丁烷/空氣預(yù)混氣噴射進(jìn)入定容腔，在恒定溫度熱絲表面完成著火。此外，該同步信號(hào)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(yàn)數(shù)據(jù)，同時(shí)高速攝像機(jī)同步記錄預(yù)混氣的動(dòng)態(tài)著火與燃燒過(guò)程。隨后關(guān)閉熱絲電源和信號(hào)控制器等裝置完成單次試驗(yàn)，并在計(jì)算機(jī)上存儲(chǔ)單次試驗(yàn)數(shù)據(jù)，每個(gè)工況進(jìn)行6 次平行重復(fù)試驗(yàn)以保證結(jié)果的準(zhǔn)確性?？紤]到整體的散熱情況，在瞬態(tài)著火與燃燒過(guò)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(gè)加熱功率下，對(duì)當(dāng)量比為0.7～2.2 的正丁烷/空氣預(yù)混氣分別開(kāi)展了噴射進(jìn)氣時(shí)著火與燃燒特性試驗(yàn)。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)獲得的壓力數(shù)據(jù)、溫度數(shù)據(jù)和著火過(guò)程圖像進(jìn)行后處理并分析，從而得到熱絲表面溫度、當(dāng)量比等因素對(duì)微小定容腔內(nèi)正丁烷/空氣預(yù)混氣噴射進(jìn)氣時(shí)動(dòng)態(tài)著火與燃燒基礎(chǔ)特性的影響規(guī)律。試驗(yàn)中每次噴射進(jìn)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(diǎn)火源熱絲條件共同決定。

02、結(jié)果與討論

圖2 為試驗(yàn)條件下噴射進(jìn)氣時(shí)正丁烷/空氣預(yù)混氣的典型著火、火焰?zhèn)鞑ゼ叭紵^(guò)程，圖中的 0ms 表示著火初始時(shí)刻。每張圖片中間的螺旋狀黑色輪廓為熱絲，8 ms 時(shí)刻圖中的左、右兩個(gè)明顯亮點(diǎn)為燃腔的進(jìn)/出氣口，上部較大亮點(diǎn)為壓力傳感器測(cè)點(diǎn)，熱絲附近的一個(gè)明顯小亮點(diǎn)為熱電偶測(cè)點(diǎn)，如圖2 紅色輪廓標(biāo)識(shí)。由圖2 可見(jiàn)，初始階段預(yù)混氣噴射進(jìn)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^(guò)程中，預(yù)混氣的噴射進(jìn)氣過(guò)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(jìn)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(diǎn)著火狀態(tài)，后期典型的多點(diǎn)著火位置如圖2橙色輪廓區(qū)域所示。所以，火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程中可以觀察到強(qiáng)烈的褶皺狀。由于火焰?zhèn)鞑ズ投帱c(diǎn)著火的同步進(jìn)行，并結(jié)合驗(yàn)的噴射進(jìn)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(jī)視線(xiàn)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(jìn)氣造成多點(diǎn)著火形成的重疊。

圖2 噴射進(jìn)氣時(shí)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^(guò)程
 
2.1 熱絲溫度的影響
圖3 為熱絲溫度對(duì)不同當(dāng)量比正丁烷/空氣預(yù)混氣噴射進(jìn)氣條件下著火時(shí)間與燃燒過(guò)程Δpmax 的影響。圖3b 中紅色標(biāo)注的是出現(xiàn)“著火—熄火—再著火”現(xiàn)象的工況。由圖3a 可見(jiàn)，著火時(shí)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(shí)間最多縮短了近85%。熱絲溫度提高，預(yù)混氣加熱過(guò)程加快，相同時(shí)間下，局部的預(yù)混氣溫度較高，反應(yīng)速率加快，進(jìn)而加快著火進(jìn)程顯著縮短了著火時(shí)間。此外，熱絲溫度對(duì)著火時(shí)間的影響程度還與當(dāng)量比相關(guān)，在接近貧/富燃極限條件下，熱絲溫度對(duì)著火時(shí)間的影響程度相對(duì)較小，特別是當(dāng)熱絲溫度大于1 315 K時(shí)，提高表面溫度對(duì)著火時(shí)間影響很小。

Δpmax體現(xiàn)燃燒強(qiáng)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?。由圖3b 可見(jiàn)，在接近貧/富燃極限工況下，熱絲溫度對(duì)Δpmax 的影響很小。文獻(xiàn)提及點(diǎn)火源溫度對(duì)燃燒的影響主要體現(xiàn)在對(duì)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(jìn)氣條件下著火時(shí)間和燃燒強(qiáng)度表征量Δpmax之間的關(guān)系，實(shí)際微小型內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)中需要在著火時(shí)間和燃燒過(guò)程之間尋找一個(gè)平衡點(diǎn)，既要讓著火時(shí)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(dòng)機(jī)的高效運(yùn)行，因而點(diǎn)火源溫度和燃料當(dāng)量比的控制非常關(guān)鍵。

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


圖4 不同熱絲溫度下當(dāng)量比對(duì)正丁烷/空氣預(yù)混氣噴射進(jìn)氣條件下著火時(shí)間的影響
當(dāng)量比對(duì)正丁烷/空氣預(yù)混氣噴射燃燒過(guò)程中Δpmax 的影響如圖5 所示，其中紅色標(biāo)注區(qū)域是出現(xiàn)“著火—熄火—再著火”現(xiàn)象的工況。隨著當(dāng)量比增大，Δpmax先增大后減小。當(dāng)量比為0.8～1.8 時(shí)，熱絲溫度(即點(diǎn)火源因素)對(duì)Δpmax 的影響較為明顯；在接近貧/富燃極限條件下，熱絲溫度對(duì)Δpmax 的影響程度則小得多。這是由于當(dāng)量比為0.8～1.8 時(shí)，熱絲溫度會(huì)顯著促進(jìn)著火時(shí)的進(jìn)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(jìn)而影響Δpmax；而在接近貧/富燃極限條件下，均不會(huì)發(fā)生“著火—熄火—再著火”現(xiàn)象，且此時(shí)燃燒過(guò)程主要由當(dāng)量比掌控，熱絲溫度的影響很小。Δpmax隨當(dāng)量比的變化趨勢(shì)可以從兩個(gè)方面來(lái)解釋?zhuān)环矫嬷虚g當(dāng)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(dāng)量比的燃燒速度大于兩側(cè)當(dāng)量比，很大程度降低了散熱，這兩個(gè)因素引起Δpmax的升高。


圖5 當(dāng)量比對(duì)正丁烷/空氣預(yù)混氣噴射進(jìn)氣條件下燃燒過(guò)程中Δpmax的影響

04、結(jié)論

對(duì)微小定容腔內(nèi)正丁烷/空氣噴射進(jìn)氣時(shí)的著火與燃燒特性進(jìn)行試驗(yàn)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(qiáng)烈的褶皺狀，基本呈現(xiàn)湍流狀態(tài)，后期著火現(xiàn)出多點(diǎn)著火狀態(tài)；在熱絲表面溫度較高時(shí)，當(dāng)量比為0.9～1.5 的正丁烷/空氣預(yù)混氣在燃燒過(guò)程中出現(xiàn)“著火—熄火—再著火”現(xiàn)象。
(2) 著火時(shí)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(shí)間最多可縮短近85%；在接近貧/富燃極限條件下，熱絲溫度對(duì)Δpmax的影響不明顯，其余當(dāng)量比條件下，Δpmax隨著熱絲溫度升高先增大后減小。
(3) 當(dāng)量比對(duì)著火時(shí)間的影響與熱絲溫度相關(guān)，熱絲溫度相對(duì)低時(shí)，著火時(shí)間隨著當(dāng)量比增大而延長(zhǎng)；熱絲溫度相對(duì)高時(shí)，著火時(shí)間隨當(dāng)量比增大先縮短后延長(zhǎng)；隨著當(dāng)量比增大，Δpmax 均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。
(4) 得到的正丁烷/空氣預(yù)混氣噴射進(jìn)氣時(shí)著火與燃燒的基本數(shù)據(jù)對(duì)于理解微小型內(nèi)燃機(jī)運(yùn)行條件下的著火行為有幫助，特別是點(diǎn)火源溫度和當(dāng)量比對(duì)著火時(shí)間的影響與燃料有效利用之間的聯(lián)系，對(duì)于研發(fā)微小型內(nèi)燃機(jī)點(diǎn)火技術(shù)具有參考意義。

05、參考文獻(xiàn)

[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(jī)學(xué)報(bào),2021,(05):424-430.

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