雙電極點火時間間隔對天然氣-空氣預混合氣層流燃燒的影響

魏若男，周蓉芳，周竹杰，劉杰，高忠權(quán)，吳筱敏

（1.西安科技大學機械工程學院，710054，西安；2.西安交通大學能源與動力工程學院，710049，西安）

發(fā)動機點火對發(fā)動機燃燒特性、動力性、工作穩(wěn)定性、經(jīng)濟性及排放性具有著重要影響。發(fā)動機內(nèi)均質(zhì)混合氣點火方式分為多點點火和多次點火，其中多點點火又分多點同時點火和多點間隔點火。研究發(fā)現(xiàn)：多點點火方式能促進混合氣大面積燃燒，接近定容燃燒過程，使發(fā)動機熱效率大幅提升，在稀薄混合氣中燃燒可以有效降低NOx排放和燃燒粗暴性［1］；多次點火能提高點火可靠性。雙火花塞發(fā)動機的平均有效壓力、最高爆發(fā)壓力、熱效率均高于單火花塞發(fā)動機［2-3］；雙火花塞點火有利于火焰快速發(fā)展，燃燒速率和燃燒稀限提高［4］，有助于在汽油機冷起動工況下快速點燃，以改善電噴汽油機冷起動及冷態(tài)怠速過程的排放特性［5］；多次點火能防止發(fā)動機在怠速、稀燃或是空燃比不當時出現(xiàn)失火現(xiàn)象［6］。

上述內(nèi)容多集中在單點點火與多點點火的比較，以及多點同時點火或者單點多次點火方面，相應(yīng)實驗均在發(fā)動機上進行。實際中，受循環(huán)變動的影響，循環(huán)燃燒與傳熱過程的條件很難控制［7］，實時觀察發(fā)動機火焰的發(fā)展變化比較困難。定容燃燒彈是研究火花點火均質(zhì)預混燃燒的一種基礎(chǔ)和重要的裝置，借助它能夠方便地研究單一參數(shù)的變化對燃燒過程的影響，是對燃燒過程進行基礎(chǔ)研究的常用方法［8］。因此，本文借助高速紋影攝像裝置，在定容燃燒彈中對雙電極點火進行了研究，并基于準維雙區(qū)模型［8］對點火時間間隔與天然氣-空氣預混合氣層流燃燒參數(shù)的關(guān)系進行了分析。

1 試驗裝置及方案

1.1 試驗裝置

試驗裝置如圖1所示，其由定容燃燒彈、點火控制系統(tǒng)、配氣系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。定容燃燒彈內(nèi)部是直徑為130mm、長為130mm的圓柱體。點火控制系統(tǒng)由蓄電池、點火開關(guān)、點火線圈、兩對點火電極和時序控制電路組成，用于控制雙電極的點火時刻和間隔。配氣系統(tǒng)包括壓縮空氣、壓縮天然氣、調(diào)壓閥、U型管壓力計和真空泵，用于可燃混合氣的配比。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要包括壓力傳感器、數(shù)據(jù)采集儀和高速攝像機，其中：壓力傳感器是Kistler生產(chǎn)的7061B型低壓絕對壓力傳感器，采集頻率為20kHz，測壓范圍為0～25MPa，誤差小于±0.3%；數(shù)據(jù)采集儀為Yokogawa公司生產(chǎn)的DL750型采集儀，采樣頻率為10MHz；攝像機是美國Redlake公司生產(chǎn)的HG-100K型高速攝像機，拍攝頻率為10kHz。

點火電極的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。兩對電極布置在容彈中心位置，兩電極之間距離為2mm。

圖1 試驗裝置

圖2 點火電極的結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 試驗方案

試驗中時序控制電路通過控制兩對電極的點火時刻和點火順序來實現(xiàn)雙電極點火。本文將電極1和電極2同時跳火稱為同時點火，將電極1先跳火、電極2后跳火稱為間隔點火。試驗中分別對同時點火和間隔點火進行了模擬，其中間隔點火時間分別為1、2、3ms。

兩對電極點火時序示意圖如圖3所示，圖中上升沿為點火線圈充電時刻，下降沿為充電結(jié)束、火花點火時刻，充電時間均為5ms。為保證兩組點火系統(tǒng)具有相同的點火能量，兩系統(tǒng)選擇了相同型號的電子器件、點火線圈、電極和充電時間。試驗工況分為兩組：保持預混壓力（缸內(nèi)混合氣的初始壓力）P為100kPa，過量空氣系數(shù)λ從0.7變化到1.3；保持λ為1.0不變，預混壓力從40kPa變化到100kPa。

圖3 點火時序示意圖

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 試驗的紋影照片

圖4 火焰?zhèn)鞑ゼy影照片

預混壓力為100kPa、λ為1.3，4種點火方式下相對同時點火的火焰?zhèn)鞑r間分別為1、2、3、23、43、63ms時由試驗拍攝到的典型火核發(fā)展過程的紋影照片如圖4所示。從圖4可以看出，電極1和電極2跳火后，2個火核分別呈向外擴展的球形，當2個火核重疊后，整個火核也近似呈向外擴展的球形。由圖4還可以看出，在同一時刻的4種點火條件下，近似球形的火焰?zhèn)鞑グ霃綇男〉酱笠来螢椋和瑫r點火—間隔1ms點火—間隔2ms點火—間隔3ms點火，間隔2ms點火的火核發(fā)展速度最快，半徑最大。雙電極同時點火時，火核生成后同時向未燃區(qū)傳遞，兩相迎火焰前鋒面很快重疊在一起互相干涉，火焰?zhèn)鞑ッ婷娣e縮小，燃燒速度變慢。雙電極間隔點火后，火焰?zhèn)鞑コ跗?個火核形成的火焰面相對獨立，相迎火焰前鋒面重疊面積較小，互相干擾較小，火焰?zhèn)鞑ニ俣容^快，直到點火間隔2ms時達到最快。雙電極間隔點火下，進一步增加點火時間間隔，第2次點火的火核在還未充分發(fā)展就已經(jīng)與第1次點火火焰前鋒面相遇，對火焰?zhèn)鞑グl(fā)展的促進作用降低，效果接近單次點火，由此火焰?zhèn)鞑ニ俣冉档汀?/p>

2.2 雙電極點火對燃燒的影響

2.2.1 雙電極點火對燃燒壓力的影響 預混壓力為100kPa、λ為1.3，4種點火方式下雙電極點火時的燃燒壓力曲線如圖5所示。從圖5可以看出，4種點火方式下的曲線形狀及趨勢大致相同。

圖5 4種點火方式下燃燒壓力曲線

圖6 不同λ下燃燒壓力峰值及位置

不同λ和預混壓力在4種點火方式下，雙電極點火時的燃燒壓力峰值及其出現(xiàn)時間如圖6、7所示。從圖6、7可以看出：相同λ和預混壓力下，燃燒壓力峰值在間隔點火時比同時點火時略有增加，隨著點火間隔的增加，燃燒壓力峰值逐漸增大且提前出現(xiàn)；當點火間隔為2ms時，燃燒壓力峰值最大且最早出現(xiàn)，隨著點火間隔的繼續(xù)增大，壓力峰值下降并推遲出現(xiàn)?？傮w來看：燃燒壓力峰值在混合氣較稀時受點火間隔影響較大；燃燒壓力峰值位置在混合氣較稀或預混壓力比較小時受點火間隔影響顯著；間隔點火時燃燒壓力峰值位置比同時點火時提前，間隔2ms點火時提前最多。從圖6、7還可看出：當λ為1.3、預混壓力為100kPa以及λ為1.0、預混壓力為40kPa時，間隔2ms點火的壓力峰值出現(xiàn)時間比同時點火分別提前了45ms和12ms。

圖7 不同預混壓力下燃燒壓力峰值及位置

2.2.2 雙電極點火對已燃區(qū)工質(zhì)溫度的影響 預混壓力為100kPa、λ為1.3，4種點火方式下由準維雙區(qū)模型計算得到的雙電極點火已燃區(qū)工質(zhì)溫度T曲線如圖8所示。從圖8可以看出，不同點火方式下工質(zhì)溫度曲線的形狀及趨勢基本相同。

圖8 4種火方式下已燃區(qū)工質(zhì)溫度曲線

圖9 不同λ下已燃區(qū)工質(zhì)溫度峰值及位置

圖10 不同預混壓力下已燃區(qū)工質(zhì)溫度峰值及位置

不同λ和預混壓力在4種點火方式下，雙電極點火的已燃區(qū)工質(zhì)溫度峰值及其出現(xiàn)時間如圖9、10所示。從圖9、10可以看出：在相同的λ或預混壓力下，溫度峰值在間隔點火時比同時點火時略有增加，間隔2ms點火時達到最大，但總體來看，點火間隔對溫度峰值影響不大，所以不會增加NOx的排放；點火間隔對溫度峰值出現(xiàn)的時間影響較大，間隔點火時溫度峰值出現(xiàn)的時間比同時點火時提前，在間隔2ms點火時提前最多。以上規(guī)律在混合氣較稀或預混壓力較小時更為顯著。從圖9、10還可以看出：當λ為1.3、預混壓力為100kPa和λ為1.0、預混壓力為40kPa時，間隔2ms點火的溫度峰值出現(xiàn)時間比同時點火分別提前了39.8ms和11.8ms。這種現(xiàn)象是由于已燃區(qū)工質(zhì)溫度與燃料物化特性、燃燒效率、火焰面積等因素有關(guān)，而試驗中除了點火間隔外，工質(zhì)及其配比等其他條件不變，所以已燃區(qū)工質(zhì)溫度峰值大小的變化不明顯，而峰值位置出現(xiàn)的時間變化較大，特別在混合氣較稀或預混壓力較低時，間隔2ms點火對燃燒的促進作用更顯著，從而會導致這種變化更明顯。

2.2.3 雙電極點火對瞬時放熱率的影響 預混壓力為100kPa、λ為1.3，4種點火方式下雙電極點火的瞬時放熱率曲線，以及不同λ和預混壓力下瞬時放熱率峰值及其出現(xiàn)時間如圖11、12、13所示。從圖11～13可以看出，4種點火方式下瞬時放熱率曲線的形狀及變化趨勢基本相同，呈單峰形狀，表明容彈內(nèi)以預混層流燃燒為主［9］。瞬時放熱率峰值及其位置的變化趨勢與燃燒壓力及溫度的變化趨勢類似。從圖11～13還可以看出：當λ為1.3、預混壓力為100kPa和λ為1.0、預混壓力為40kPa時，間隔2ms點火的瞬時放熱率峰值比同時點火分別增加了33.3%和71.2%，峰值出現(xiàn)時間提前了32.3ms和19.8ms，這也說明了雙電極間隔點火對燃燒有促進作用，可以加速燃燒，提高燃燒效率。

圖11 4種點火方式下瞬時放熱率曲線

圖12 不同λ下瞬時放熱率峰值及位置

圖13 不同預混壓力下瞬時放熱率峰值及位置

2.2.4 雙電極點火對累積放熱率的影響 預混壓力為100kPa、λ為1.3，4種點火方式下雙電極點火的累積放熱率曲線如圖14所示。從圖14可以看出，4種點火方式下累積放熱率的曲線形狀及變化趨勢基本相同。

圖14 4種點火方式下累積放熱率曲線

根據(jù)燃燒學定義，分別將從點火到10%累積放熱率和從10%到90%累積放熱率所經(jīng)歷的時間定義為火焰發(fā)展期和快速燃燒期［10］。不同λ和預混壓力在4種點火方式下的火焰發(fā)展期和快速燃燒期如圖15、16所示。從圖15、16可以看出：當λ和預混壓力一定時，間隔點火的火焰發(fā)展期和快速燃燒期比同時點火時要短，間隔2ms點火時燃燒速度最快，混合氣越稀或預混壓力越低時，這種規(guī)律越明顯。從圖15、16還可以看出：當λ為1.3、預混壓力為100kPa和λ為1.0、預混壓力為40kPa時，間隔2ms點火的火焰發(fā)展期比同時點火時分別縮短了14.6ms和12ms，快速燃燒期分別縮短了16.6ms和9.8ms，這表明雙電極間隔點火可以削弱2個火核的相互干擾，提高火焰?zhèn)鞑サ姆€(wěn)定性和發(fā)展速度，加快整個過程的燃燒速度。

圖15 不同λ下火焰發(fā)展期和快速燃燒期

圖16 不同預混壓力下火焰發(fā)展期和快速燃燒期

3 結(jié) 論

（1）雙電極間隔點火可以降低2個火核之間的相互干擾，提高火焰?zhèn)鞑サ姆€(wěn)定性和燃燒速度，本試驗條件下點火間隔為2ms時火焰?zhèn)鞑ニ俣茸羁臁?/p>

（2）雙電極間隔點火比同時點火在燃燒壓力峰值、溫度峰值上略有增加，在瞬時放熱率峰值上明顯增加，在峰值出現(xiàn)位置上提前，間隔2ms點火時變化最為明顯。

（3）在混合氣較稀或預混壓力較小等著火、燃燒不穩(wěn)定的情況下，雙電極間隔點火可以促進燃燒，加快火焰?zhèn)鞑ニ俣?。在間隔2ms點火時，λ為1.3、預混壓力為100kPa和λ為1.0、預混壓力為40kPa，二者相對于同時點火的壓力峰值出現(xiàn)時間分別提前了45ms和12ms，溫度峰值出現(xiàn)時間分別提前了39.8ms和11.8ms，瞬時放熱率峰值分別增加了33.3%和71.2%，且峰值出現(xiàn)時間提前了32.3ms和19.8ms，火焰發(fā)展期分別縮短了14.6ms和12ms，快速燃燒期分別縮短了16.6ms和9.8ms。

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