基于定容彈的天然氣燃燒特性的試驗研究?

吳重敏，李 鐵，鄧康耀

(1.上海交通大學高新船舶與深海開發裝備協同創新中心，上海 200240； 2.上海交通大學，海洋工程國家重點實驗室，上海 200240；3.上海交通大學，動力機械及工程教育部重點實驗室，上海 200240)

前言

天然氣發動機采用稀薄燃燒技術可給發動機帶來提高熱效率、降低燃燒溫度等諸多益處[1-2]。但影響稀燃的一些重要控制參數還須通過試驗來進一步優化[3]。可是，實際發動機燃料-空氣缸內混合過程和燃燒過程受到進氣流動狀態、傳熱損失和殘余廢氣等諸多因素的影響，同時，燃燒過程伴隨著活塞運動和由活塞運動帶來的缸內壓力和氣流運動變化，這些因素的綜合作用導致實際發動機缸內燃燒過程非常復雜[4-5]。發動機臺架試驗只能從宏觀上得出天然氣發動機燃燒和排放特性的影響規律，而定容彈可不考慮進氣流動和殘余廢氣對燃燒過程的影響，燃燒過程相對簡單，沒有活塞運動導致的容積變化，比較適合于燃燒基礎特性的研究[6-7]。

1 試驗裝置與試驗方法

1.1 定容彈試驗系統

本文中所使用的定容彈試驗系統如圖1所示，主要包括高壓氣源、預混容器、光源、加熱模塊、電控模塊、進排氣模塊、定容彈本體、高速相機、點火模塊和數據采集模塊等。該定容彈設計的最高耐壓為10MPa，定容彈本體為方形結構，共6個可拆卸安裝窗口，分布在頂底左右前后6個面上，試驗所用透光窗口為藍寶石玻璃，具有很好的耐高壓、耐高溫和高強度性能，在燃燒試驗中，需要開啟加熱模塊將玻璃窗口預熱，防止內外表面溫差過大而造成損傷或爆裂。

圖1 定容彈試驗系統示意圖

1.2 試驗方法

本文中主要研究不同過量空氣系數和點火能量對天然氣燃燒的影響，表1為試驗相關參數。試驗按照以下步驟進行:(1)根據選定的過量空氣系數，按比例將天然氣和高純空氣充入預混容器，先攪拌后靜置以充分混合；(2)通過加熱模塊將定容彈加熱至165℃左右，并對定容彈進行掃氣抽真空；(3)將均質混合氣充入到定容彈至初始壓力；(4)操作點火系統進行點火，同時觸發高速相機拍攝記錄紋影圖像；(5)保存紋影圖像和壓力數據等；(6)排氣抽真空準備下一個工況點的試驗。

表1 試驗相關參數

試驗中，先選定過量空氣系數，然后通過調節點火系統來改變點火能量。每個工況點重復3～5次，其中，邊界點重復15～20次以計算點火成功率。通過對采集記錄的壓力數據和紋影圖像進行整理，分析各試驗參數對天然氣燃燒的影響。

2 紋影法

定容彈燃燒試驗需要記錄中心電極點火后火焰的傳播特征，采用紋影法光路進行拍攝是比較好的選擇。紋影法的基本原理是通過介質的密度變化造成對光的折射率的變化來進行成像，并將觀測到的不均勻透明介質折射率的內部變化轉換成平面上照度的變化，進而記錄透明介質密度梯度的變化[8]。

紋影系統按組成器件不同，可分為透射式和Z形反射式兩種。本文中試驗采用Z形反射式，有利于玻璃窗口發生意外時保護相機等關鍵設備。圖2為紋影法試驗系統實物布置圖。本文中主要研究有風扇擾動的湍流環境中火焰傳播特征。其中，風扇位于容彈壁面附近，其旋轉軸線與點火電極處于同一平面上(參見圖3和圖4)。

圖2 紋影法試驗系統實物布置圖

3 試驗結果與分析

3.1 點火能量對火焰傳播的影響

火焰發展過程的紋影圖像提供了天然氣燃燒過程的直觀信息。圖3為過量空氣系數為1.3的工況下不同點火能量的火焰發展過程紋影圖片。由圖可見，在不同點火能量下的火焰發展過程比較相似，火焰形態也較為一致，均呈現球狀向外發展直至碰壁。另外，由圖還可看到，不同的點火能量下火焰傳播速度幾乎一致，說明火核一旦穩定形成，點火能量對火焰傳播沒有太大的影響。

圖3 不同點火能量下火焰發展過程(過量空氣系數為1.3)

3.2 過量空氣系數對火焰傳播的影響

圖4 為點火能量為225mJ的工況下不同過量空氣系數的火焰發展過程紋影圖片。由圖可見，不同的過量空氣系數下，燃燒火焰的發展速度差別很大，點火后35ms時，過量空氣系數1.1的工況燃燒火焰已經碰壁，過量空氣系數1.3的工況燃燒火焰接近碰壁，而過量空氣系數1.7時，燃燒火焰剛形成一個小球。

另外，點火后65ms時，過量空氣系數1.5的工況燃燒火焰也接近碰壁，而過量空氣系數1.7的工況燃燒火焰只發展至離壁面一半的距離，這說明火焰發展速度隨著過量空氣系數的增大而降低。另外，由于運轉的風扇位于圖像的右上角，從圖中可以得到，圖像上半部分的火焰傳播較快，特別是過量空氣系數較大的工況。

3.3 點火成功率

圖5為不同過量空氣系數和點火能量下，各工況點的點火成功率。

從圖中可以看到，過量空氣系數1.6以下的工況，150～300mJ的點火能量均能成功點火，過量空氣系數1.8以上的工況，150～300mJ的點火能量均不能成功點燃混合氣，在過量空氣系數1.7的工況，隨著點火能量由150增大到300mJ，點火成功率也逐漸從16%增至100%。因此，可以認為過量空氣系數1.7～1.8為稀燃邊界。

3.4 點火能量和過量空氣系數對燃燒的影響

圖4 不同過量空氣系數下火焰發展過程(點火能量225mJ)

試驗記錄了燃燒過程容彈內的壓力變化，放熱率曲線通過壓力數據計算而來。圖6給出了過量空氣系數為1.3、不同點火能量下的天然氣燃燒壓力曲線和放熱率曲線。從圖中可以看出:150mJ最高壓力最低，并隨著點火能量增加而依次增大，但總體上區別不大，可以認為，點火能量的變化對天然氣燃燒壓力的影響較小；同樣，反映到放熱率的變化上，點火能量的增大對于天然氣放熱快慢的影響也有限。最可能的原因是點火能量對混合氣的影響主要在于初期火核的形成階段，而點火成功火核穩定形成后，混合氣開始燃燒放熱，點火能量對這一階段的影響非常有限。

圖7為225mJ點火能量下，不同過量空氣系數工況點的燃燒壓力和放熱率曲線的對比圖。從圖中可以看到，隨著過量空氣系數的增大，容彈內的最高燃燒壓力隨著下降，同時，最高燃燒壓力出現的時刻更晚，這主要有兩方面的原因:一方面，隨著過量空氣系數的增大，容彈內混合氣變稀，燃燒速度變慢，導致整個燃燒持續期變長，這從放熱率曲線上可更明顯地看出；另一方面，由于各工況的初始壓力相同，隨著過量空氣系數的增大，容彈內天然氣含量減少，容彈內混合氣燃燒放熱總量變小，這是導致最高燃燒壓力降低的主要因素。

3.5 流動狀態對火焰傳播速度的影響

圖5 點火成功率

圖6 不同點火能量下的壓力曲線和放熱率曲線(過量空氣系數1.3)

圖8 為選取的 X1，X2，Y1，Y2和 XY 5 個代表性的方向，如標識的箭頭所示。圖9列出了過量空氣系數為1.3的工況不同點火能量下，火焰傳播距離隨時間的變化曲線。橫軸為時間，縱軸為火焰鋒面離點火中心位置的度量，已做歸一化處理，最大值1表示已經碰壁。

圖7 不同過量空氣系數下的壓力曲線和放熱率曲線(點火能量225mJ)

圖8 選取的5個傳播方向

從圖中都可以看出，火焰沿不同方向的傳播速度差別不大，如果對比它們的細小差別，XY方向最先到達最大值，也即最先碰壁，其次是Y1和X1，最后是X2和Y2。這主要是因為前期火焰在電極間隙周圍發展，風扇造成的氣流擾動對電極間隙處的影響有限，而火焰發展后期，XY，Y1和X1方向上火焰鋒面已經進入到風扇的高湍流區，導致火焰傳播速度更快。這意味著較大的湍流流動對提高火焰傳播速度具有很好的促進作用。

圖9 火焰傳播距離隨時間的變化曲線

4 結論

本文中在試驗的基礎上研究過量空氣系數和點火能量對定容彈內天然氣燃燒的影響，可總結出以下幾點結論。

(1)相同的點火能量下，隨著過量空氣系數增加火焰傳播速度降低；點火能量對燃燒壓力的影響非常有限。

(2)在本文試驗條件下，過量空氣系數超過1.8之后，150～300mJ的點火能量均無法使混合氣成功著火燃燒；在過量空氣系數1.7的邊界點，點火成功率隨著點火能量的減小而降低。

(3)從5個代表性的方向上可以看出，進入到火焰發展后期，XY，Y1和X1方向上火焰傳播更快，說明在試驗風扇轉速下，較大的湍流流動對提高火焰傳播速度具有很好的促進作用。