應(yīng)用隔板式定容燃燒彈的甲烷-空氣混合氣射流引燃研究

劉昊,張紅光,趙光耀,白小磊,王震,孫娜

（1.北京工業(yè)大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院,北京 100124；2.北京交通大學(xué)機(jī)械與電子控制工程學(xué)院,北京 100044）

應(yīng)用隔板式定容燃燒彈的甲烷-空氣混合氣射流引燃研究

劉昊1,張紅光1,趙光耀1,白小磊1,王震1,孫娜2

（1.北京工業(yè)大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院,北京 100124；2.北京交通大學(xué)機(jī)械與電子控制工程學(xué)院,北京 100044）

在定容燃燒彈內(nèi)添加帶孔橫隔板實現(xiàn)甲烷-空氣混合氣的射流引燃,可以達(dá)到甲烷-空氣混合氣快速燃燒的目的。利用紋影法研究了在不同的初始條件下,隔板位置、隔板孔徑及隔板孔數(shù)等不同橫隔板參數(shù),對射流引燃實現(xiàn)甲烷-空氣混合氣快速燃燒的影響。將有隔板與無隔板條件下,單孔隔板與多孔隔板條件下的實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行對比,結(jié)果表明：使用橫隔板后較無隔板情況可以提高甲烷-空氣混合氣的燃燒速率；在文中實驗條件下的隔板式定容燃燒彈中,橫隔板在中間位置時主燃燒室最易發(fā)生燃燒現(xiàn)象；甲烷-空氣混合氣的燃燒壓力峰值隨橫隔板孔徑和孔數(shù)的增加呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢,燃燒壓力峰值出現(xiàn)時刻隨橫隔板孔徑和孔數(shù)的增加而提前。

工程熱物理；定容燃燒彈；甲烷-空氣混合氣；橫隔板；射流引燃

0 引言

天然氣中主要成分甲烷的化學(xué)反應(yīng)速率較低,導(dǎo)致其燃燒速率下降,使天然氣發(fā)動機(jī)的總?cè)紵谧冮L,從而氣缸內(nèi)壓力與溫度上升緩慢,使得發(fā)動機(jī)動力性能下降。進(jìn)氣增壓與稀薄燃燒技術(shù)的結(jié)合是改善天然氣發(fā)動機(jī)性能的有效途徑之一,而順利實現(xiàn)稀薄燃燒的關(guān)鍵在于提高天然氣（甲烷）的火焰?zhèn)鞑ニ俾省：芏鄬W(xué)者針對提高甲烷燃燒速率問題,從燃燒室形狀的設(shè)計[1-3]、采用摻氫技術(shù)[4-5]、分層燃燒技術(shù)[6-7]等方面做了大量研究工作。

本文通過在定容燃燒彈中的不同位置添加帶有不同孔數(shù)和孔徑的橫隔板,實現(xiàn)射流引燃從而提高甲烷-空氣混合氣的燃燒速率。研究了隔板位置、隔板孔徑及隔板孔數(shù)等不同隔板參數(shù)對射流引燃實現(xiàn)甲烷快速燃燒的影響。

1 實驗裝置與方案

1.1 定容燃燒彈實驗系統(tǒng)

圖1 定容燃燒彈實驗系統(tǒng)Fig.1 Test system for constant volume combustion bomb

圖1為定容燃燒彈實驗系統(tǒng),主要包括定容燃燒彈、點(diǎn)火系統(tǒng)、混合氣配氣系統(tǒng)、火焰圖像采集系統(tǒng)（包括紋影系統(tǒng)和CCD高速攝影機(jī)）、壓力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（包括壓力傳感器、電荷放大器及示波器,壓力傳感器安裝在定容燃燒彈正下方）、同步控制器、溫度壓力控制器等。實驗時,先通過混合氣配氣系統(tǒng),將甲烷-空氣混合氣在預(yù)混罐內(nèi)充分?jǐn)嚢杈鶆?之后充入燃燒彈彈體中；利用溫度壓力控制器使實驗溫度保持恒定；由同步控制器控制點(diǎn)火系統(tǒng)、壓力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、火焰圖像采集系統(tǒng)；實驗結(jié)束后打開真空泵抽真空,進(jìn)入下一次實驗。

1.2 橫隔板結(jié)構(gòu)

為了在統(tǒng)一式定容燃燒彈的基礎(chǔ)上對燃燒室進(jìn)行改造,在不同位置安裝帶有不同孔徑和孔數(shù)的橫隔板。橫隔板及安裝位置如圖2所示。

通過橫隔板使定容燃燒彈分為預(yù)燃室和主燃室,并通過隔板上的孔連通。初始火焰核心形成后,以球面形式在預(yù)燃室內(nèi)傳播。當(dāng)火焰?zhèn)鞑サ絿娍讜r,由于射流的作用,可以使預(yù)燃室和主燃室的紊流程度顯著增強(qiáng),且主燃室內(nèi)化學(xué)組分濃度產(chǎn)生一定程度的變化,從而達(dá)到甲烷-空氣混合氣快速燃燒的目的。圖3為在初始溫度T0=293 K、初始壓力p0=0.25 MPa、當(dāng)量比為0.8的條件下,火焰通過安裝在位置C的單孔橫隔板和3孔橫隔板時的紋影圖像。

圖2 橫隔板及安裝位置Fig.2 Baffle plates and their mounting positions

圖3 某一初始條件下的紋影圖像Fig.3 Schlieren images under a certain initial condition

1.3 實驗方案

影響甲烷-空氣混合氣著火及燃燒過程的因素很多,本文將初始溫度設(shè)定為恒溫,設(shè)置橫隔板位置、孔數(shù)、孔徑、混合氣初始壓力及當(dāng)量比為變量。由于本文研究的是稀燃條件下甲烷-空氣混合氣的快速燃燒,故燃空當(dāng)量比取值小于等于1.部分實驗條件的設(shè)置如表1所示。

表1 實驗條件Tab.1 Test condition

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 主燃室燃燒的判斷方法

本文根據(jù)壓力采集系統(tǒng)讀取的燃燒壓力數(shù)據(jù)結(jié)合火焰發(fā)展圖像的方法對主燃燒室是否發(fā)生燃燒進(jìn)行判斷。圖4為在橫隔板處于位置C,孔徑D= 3 mm,初始壓力p0=0.25 MPa,初始溫度T0=293 K時,當(dāng)量比取值1.0與0.6條件下的燃燒壓力曲線。如圖4所示,在當(dāng)量比為1.0時,燃燒彈體內(nèi)壓力在0.06 s附近驟然增加,此壓力曲線拐點(diǎn)處即為主燃燒室的著火時刻。而當(dāng)量比取值為0.6時,燃燒彈體內(nèi)壓力在整個過程中并無明顯變化。在本文的研究條件下,認(rèn)為這種情況屬于主燃燒室未發(fā)生燃燒。當(dāng)量比1.0條件下火焰?zhèn)鞑ゼy影圖像如圖5所示。

圖4 燃燒壓力曲線（D=3 mm）Fig.4 Combustion pressure（D=3 mm）

圖5 火焰?zhèn)鞑ゼy影圖像（Φ=1.0）Fig.5 Schlieren images of flame propagation and ignition time（Φ=1.0）

2.2 橫隔板位置

橫隔板安裝位置分別為位置U、位置C、位置L.在不同的當(dāng)量比與初始壓力取值條件下,按照主燃燒室燃燒的判斷方法,研究了橫隔板安裝在3個不同位置時對主燃燒室燃燒情況的影響。由于摻氫可以有效促進(jìn)甲烷的燃燒,取摻氫比25%和摻氫比40%兩組實驗作為不摻氫時的實驗對照組,以增強(qiáng)實驗結(jié)果的可信度。表2所示為在單孔、孔徑D= 2 mm,初始溫度T0=293 K時,隔板的不同安裝位置對主燃燒室燃燒情況影響的實驗結(jié)果。

表2 不同隔板位置下的實驗現(xiàn)象Tab.2 Combustion phenomena under different baffle plate positions

由表2中實驗結(jié)果可以看出：摻氫比0%,隔板在位置U,當(dāng)量比為1.0時,在各種初始壓力下主燃室均未發(fā)生燃燒,隔板在位置L時主燃室只在1種條件下發(fā)生燃燒現(xiàn)象,隔板在位置C時主燃室在8種條件下發(fā)生燃燒現(xiàn)象；摻氫比25%,當(dāng)量比0.8情況下,隔板在位置U時,主燃室未發(fā)生燃燒現(xiàn)象,隔板在位置L時主燃室在4種條件下發(fā)生燃燒現(xiàn)象,隔板在位置C時主燃室在各種初始壓力條件下全部燃燒；摻氫比40%,當(dāng)量比為0.6時,隔板在位置U及位置L情況下的主燃室在各種初始壓力條件下均未發(fā)生燃燒現(xiàn)象,隔板在位置C時,主燃室在2種初始壓力條件下發(fā)生燃燒現(xiàn)象。根據(jù)表2分析表明：在本文所涉及的實驗條件下,橫隔板在位置C時主燃室最易發(fā)生燃燒現(xiàn)象。故本文以下研究均以橫隔板在位置C時作為實驗條件。

2.3 單孔橫隔板

在本文實驗條件下,單孔、孔徑D=1 mm時,主燃室在各種初始條件下均未發(fā)生燃燒,以下討論均忽略孔徑D=1 mm情況。

圖6為當(dāng)量比1.0,初始壓力0.25 MPa時燃燒壓力隨單孔隔板孔徑的變化規(guī)律。與當(dāng)量比1.0,無隔板時的瞬時壓力曲線進(jìn)行對比,由于孔徑D=2 mm及以上時,壓力峰值出現(xiàn)時刻相對于無隔板時均有不同程度的提前。可以判斷,添加不同孔徑的單孔橫隔板后,甲烷-空氣混合氣的燃燒速度均有不同程度的提高。孔徑D=2 mm時,壓力峰值出現(xiàn)時刻與無橫隔板時基本一致,但壓力峰值增大。孔徑D=3 mm時的燃燒壓力峰值最大。隨著孔徑的增加,燃燒壓力峰值出現(xiàn)時刻逐漸提前但增速放緩,燃燒壓力峰值呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢。

圖6 有無隔板時孔徑對燃燒壓力的影響（Φ=1.0, p0=0.25 MPa）Fig.6 Effect of orifice diameter on combustion pressure with and without baffle plates（Φ=1.0, p0=0.25 MPa）

圖7為當(dāng)量比1.0,孔徑D=3 mm、D=6 mm時,初始壓力對燃燒壓力的影響規(guī)律。與當(dāng)量比1.0,無隔板時的燃燒壓力曲線進(jìn)行對比。由圖7可以看出,隨著混合氣初始壓力的增加,燃燒壓力峰值逐漸增大,燃燒壓力峰值出現(xiàn)時刻逐漸提前。在本文實驗條件下,孔徑D=2 mm的各個初始壓力下及孔徑D=3 mm、初始壓力p0=0.10 MPa情況下,燃燒壓力曲線峰值出現(xiàn)時刻大于或等于無隔板情況。在其他條件下,燃燒壓力峰值出現(xiàn)時刻較無隔板情況均有不同程度的提前。

圖8為初始壓力p0=0.25 MPa與p0=0.10 MPa時,燃燒壓力隨當(dāng)量比的變化情況,圖8（a）中孔徑D=3 mm,圖8（b）中孔徑D=6 mm.由圖8可看出,隨著當(dāng)量比的增加,燃燒壓力峰值逐漸增加,燃燒壓力峰值出現(xiàn)時刻逐漸提前,但峰值出現(xiàn)時刻的提前幅度隨當(dāng)量比增加而逐漸減小。孔徑較大時,如圖8（b）中孔徑D=6 mm,當(dāng)量比為1.0時的燃燒壓力峰值出現(xiàn)時刻反而略遲于當(dāng)量比為0.9時的燃燒壓力峰值出現(xiàn)時刻。

2.4 多孔隔板

圖7 有無隔板時初始壓力對燃燒壓力的影響（Φ=1.0）Fig.7 Effect of initial pressure on combustion pressure with and without baffle plates（Φ=1.0）

圖8 當(dāng)量比對燃燒壓力的影響Fig.8 Effect of equivalence ratio on combustion pressure

圖9為當(dāng)量比0.6時,使用帶有直列3孔橫隔板的混合氣燃燒壓力隨混合氣初始壓力的變化規(guī)律。由圖9可以看出,在孔徑保持不變時,燃燒壓力峰值隨初始壓力增加而增加,燃燒壓力峰值出現(xiàn)時刻均隨初始壓力增加而提前。

圖10為孔徑D=3 mm,使用帶有直列3孔橫隔板的混合氣燃燒壓力隨當(dāng)量比的變化規(guī)律。由圖10可以看出,在孔徑及初始壓力保持不變時,混合氣燃燒壓力峰值出現(xiàn)時刻均隨當(dāng)量比增加而提前,當(dāng)量比由0.5變化到0.6時,燃燒壓力峰值出現(xiàn)時刻的提前幅度最大。混合氣燃燒壓力峰值隨當(dāng)量比的變化有一定波動,但基本保持在一定范圍內(nèi),即此情況下,當(dāng)量比對燃燒壓力峰值影響不大。

圖9 初始壓力對燃燒壓力的影響（Φ=0.6,孔數(shù)為3）Fig.9 Effect of initial pressure on combustion pressure （Φ=0.6,3 orifices）

圖10 當(dāng)量比對燃燒壓力的影響（D=3 mm,孔數(shù)為3）Fig.10 Effect of equivalence ratio on combustion pressure（D=3 mm,3 orifices）

圖11為當(dāng)量比為0.8時,使用3孔橫隔板與單孔橫隔板在不同孔徑與不同初始壓力下的混合氣燃燒壓力對比。其中圖11（a）中隔板孔徑D=2 mm,初始壓力為p0=0.25 MPa與p0=0.20 MPa.圖11（b）中隔板孔徑D=3 mm,初始壓力為p0=0.25 MPa與p0=0.10 MPa.如圖11所示,可以明顯看出,使用3孔隔板后,混合氣燃燒壓力峰值出現(xiàn)時刻較單孔隔板有較大幅度的提前,即使用多孔隔板較單孔隔板可以進(jìn)一步提高甲烷-空氣混合氣的燃燒速率。

進(jìn)一步將直列3孔橫隔板變換為3×3式9孔橫隔板與5×5式25孔橫隔板。圖12（a）、圖12（b）分別為使用9孔與25孔橫隔板后,混合氣燃燒壓力隨當(dāng)量比與初始壓力的變化規(guī)律,二者孔徑均為D=2 mm.

由圖12可以看出,使用9孔與25孔橫隔板后,混合氣燃燒壓力隨初始壓力及當(dāng)量比的變化規(guī)律與使用3孔隔板時基本一致,燃燒壓力峰值隨初始壓力的升高而增大,燃燒壓力峰值出現(xiàn)時刻隨當(dāng)量比的增加而提前。

圖11 使用3孔與單孔隔板下的燃燒壓力對比Fig.11 Comparion of combustion pressures with single and three-orifice baffle plates

圖12 初始壓力及當(dāng)量比對燃燒壓力的影響Fig.12 Effects of initial pressure and equivalence ratio on combustion pressure

將使用不同孔數(shù)隔板條件下燃燒壓力的變化進(jìn)行對比,結(jié)果如圖13所示。隨著孔數(shù)由單孔增加到3孔以上時,燃燒壓力峰值出現(xiàn)時刻有了明顯的提前。對比孔數(shù)為3、9、25時的燃燒壓力,隨著孔數(shù)的增加,燃燒壓力峰值出現(xiàn)時刻略有提前,燃燒壓力峰值呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢。當(dāng)孔數(shù)進(jìn)一步增加時,橫隔板效果會逐步削弱,燃燒壓力峰值應(yīng)趨同無隔板情況下的燃燒壓力峰值。

圖13 燃燒壓力隨隔板孔數(shù)的變化（D=2 mm, Φ=0.8,p0=0.25 MPa）Fig.13 Effect of orifice number on combustion pressure （D=2 mm,Φ=0.8,p0=0.25 MPa）

在孔徑D=2 mm,當(dāng)量比為0.8,初始壓力p0= 0.25 MPa條件下,使用孔數(shù)分別為1、3、9、25孔隔板時對應(yīng)的混合氣燃燒紋影圖像如圖14所示。

圖14 使用不同孔數(shù)隔板下的燃燒紋影圖像對比（D=2 mm,Φ=0.8,p0=0.25 MPa）Fig.14 Comparison of schlieren images of combustion with different orifice numbers（D=2 mm, Φ=0.8,p0=0.25 MPa）

3 結(jié)論

1）在統(tǒng)一式定容燃燒彈不同位置安裝帶有不同孔徑和孔數(shù)的橫隔板后,由于射流引燃的作用,可以提高甲烷-空氣混合氣的燃燒速率。

2）在本文實驗條件下,橫隔板安裝在位置C時主燃室最易發(fā)生燃燒現(xiàn)象,位置C為隔板式定容燃燒彈3種橫隔板位置中的最佳位置。

3）在本文實驗條件下,甲烷-空氣混合氣的燃燒壓力峰值隨孔徑和孔數(shù)的增加呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢。燃燒壓力峰值出現(xiàn)時刻隨孔徑和孔數(shù)的增加而提前。

（References）

[1] Umierski M,Kobrfer T,Stommel P.Low emission and fuel consumption natural gas engines with high power density for stationary and heavy-duty application,1999-01-2896[R].US：SAE,1999.

[2] Tilagone R,Monnier G.Development of a lean-burn natural gaspowered vehicle based on a direct-injection diesel engine,2000-01-1950[R].US：SAE,2000.

[3] 司鵬鹍,張惠明,楊志勇,等.燃燒室結(jié)構(gòu)對稀燃天然氣發(fā)動機(jī)性能的影響[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報,2009,40（4）：53-57.

SI Peng-kun,ZHANG Hui-ming,YANG Zhi-yong,et al.Influence of the combustion chamber structure on the lean burn CNG engine performance[J].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2009,40（4）：53-57.（in Chinese）

[4] 張勇,黃佐華,廖世勇,等.天然氣/氫氣燃燒特性研究[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報,2006,24（3）：200-205. ZHANG Yong,HUANG Zuo-hua,LIAO Shi-yong,et al.Study on combustion characteristics of natural gas-hydrogen-air mixtures[J]. Transactions of CSICE,2006,24（3）：200-205.（in Chinese）

[5] 劉海全,馬凡華,王宇,等.不同摻氫比天然氣發(fā)動機(jī)的燃燒排放特性[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報,2008,39（8）：1-4.

LIU Hai-quan,MA Fan-hua,WANG Yu,et al.Combustion and emission characteristics of an engine fueled with hydrogen enriched nature gas of various blend ratios[J].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2008,39（8）：1-4.（in Chinese）

[6] Reynolds C C,Evans R L.The effect of varying the injected charge stoichiometry in a partially stratified charge natural gas engine,2005-01-0247[R].US：SAE,2005.

[7] Huang Z H,Zeng K,Yang Z L.Study on combustion characteristics of direct injection natural gas engine by using a rapid compression machine[J].Transactions of CSICE,2001,19（4）：314-322.

Study of Jet Ignition of Methane in a Divided Constant Volume Combustion Bomb

LIU Hao1,ZHANG Hong-guang1,ZHAO Guang-yao1,BAI Xiao-lei1,WANG Zhen1,SUN Na2
（1.College of Environmental and Energy Engineering,Beijing University of technology,Beijing 100124,China； 2.School of Mechanical,Electronic and Control Engineering,Beijing Jiaotong University,Beijing 100044,China）

In order to improve the methane-air mixture combustion rate,the experiment of a divided constant volume combustion bomb is carried out for fast burning of methane-air mixture by jet ignition.The effects of baffle plate parameters,such as location,orifice diameter and orifice number,on fast burning of methane-air mixture by jet ignition under various initial conditions are studied by means of schlieren method.The experimental data of constant volume combustion bombs with and without single and plural orificed baffle plates are compared.The results show that the combustion rate is improved by an orificed baffle plate.The location C in the constant volume combustion bomb is the best place since the main combustion chamber is easy to burn under certain experimental conditions.The peak combustion pressure of the methane-air mixture increases first and then decreases with the increase in the diameter and number of orifices.

engineering thermophysics；constant volume combustion bomb；methane-air mixture；trans-verse daptor parameter；jet ignition

TK46

A

1000-1093（2014）10-1667-07

10.3969/j.issn.1000-1093.2014.10.022

2014-01-06

國家自然科學(xué)基金項目（51376011）；北京工業(yè)大學(xué)第十二屆研究生科技基金項目（ykj-2013-9302）；北京市自然科學(xué)基金項目和北京市教育委員會科技計劃重點(diǎn)項目（KZ201410005003）

劉昊（1987—）,男,碩士研究生。E-mail：liuhao_0225@163.com；張紅光（1970—）,男,教授,博士生導(dǎo)師。E-mail：zhg5912@263.net