復(fù)合稀釋燃燒汽油機(jī)分層火焰特征

姚 遠(yuǎn)，陳 韜，謝 輝，趙 華

(天津大學(xué)內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072)

分層火焰引燃SFI(stratified flame ignition)汽油SI-CAI(spark ignition-controlled auto-ignition)復(fù)合燃燒，是一種具有應(yīng)用潛力的高效稀薄燃燒方式.通過噴射策略和流動(dòng)組織，使火花塞附近的燃油濃度區(qū)別于總體的當(dāng)量比，形成分層火焰區(qū)，以滿足復(fù)合燃燒高廢氣率條件下穩(wěn)定著火和火焰?zhèn)鞑サ男枨筮M(jìn)而觸發(fā)和控制周邊稀釋混合氣的自燃著火.由于火花點(diǎn)火的存在，復(fù)合燃燒的相位調(diào)控相較于均質(zhì)壓燃(homogeneous charge compression ignition，HCCI)也更加靈活直接.Xie 等[1]和Zhang 等[2]對(duì)復(fù)合燃燒進(jìn)行了研究，證實(shí)了兩階段復(fù)合燃燒控制的可行性.馬自達(dá)公司將空氣稀釋下的復(fù)合燃燒模式應(yīng)用于其高壓縮比發(fā)動(dòng)機(jī)上[3]，采用2～3 的過量空氣系數(shù)，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率.Wang 等[4]利用三維仿真深入研究了復(fù)合燃燒與HCCI 之間的區(qū)別，發(fā)現(xiàn)前期火焰?zhèn)鞑ミ^程會(huì)導(dǎo)致周邊本不足以自燃的未燃區(qū)狀態(tài)，趨向于滿足自燃條件，復(fù)合燃燒前期火焰?zhèn)鞑ルA段的放熱對(duì)后期自燃的控制會(huì)起到?jīng)Q定性的作用.李洪濤等[5]的研究表明，SFI 策略可改變缸內(nèi)燃油分布，進(jìn)而影響復(fù)合前期火焰?zhèn)鞑ズ秃笃谧匀歼^程.直噴比例增加雖然會(huì)提升火焰?zhèn)鞑ルA段平均放熱速率，但是，周邊混合氣變稀，也會(huì)使觸發(fā)自燃變得困難.因此，實(shí)現(xiàn)快速穩(wěn)定的前期局部火焰?zhèn)鞑ミ^程是復(fù)合燃燒控制的關(guān)鍵要素，這就需要深入研究復(fù)合燃燒初始和邊界條件下各參數(shù)對(duì)火焰?zhèn)鞑ヌ卣鞯挠绊?

關(guān)于汽油機(jī)中火焰?zhèn)鞑サ难芯繗v史悠久，Heywood[6]曾對(duì)此進(jìn)行了深入細(xì)致的總結(jié)，包括不同當(dāng)量比下的層流火焰?zhèn)鞑ニ俣群蛢?nèi)燃機(jī)中一般的湍流火焰?zhèn)鞑ビ?jì)算模型等.但復(fù)合燃燒的背景條件與傳統(tǒng)汽油機(jī)存在顯著的不同.傳統(tǒng)汽油機(jī)壓縮比低，壓縮終了的燃燒初始溫度一般處于550～650 K 之間[7-8]，其火焰?zhèn)鞑ニ俣纫蔡幱谳^低水平，在1～8 m/s之內(nèi).傳統(tǒng)汽油機(jī)所能承受的廢氣率也很有限.但是為達(dá)到后期自燃的溫度、壓力等條件，復(fù)合燃燒汽油機(jī)常采用較高的壓縮比，導(dǎo)致燃燒開始時(shí)刻(20°CA BTDC)的缸內(nèi)溫度可達(dá)670～780 K.溫度的提升能夠顯著加快前期火焰的傳播.火焰?zhèn)鞑メ専徇^程中，會(huì)使得缸內(nèi)溫度進(jìn)一步提高，在上止點(diǎn)附近可達(dá)950～1 000 K，進(jìn)而誘發(fā)自燃.為控制放熱速度，稀釋工質(zhì)如廢氣和過量空氣也會(huì)被大量使用.稀釋工質(zhì)的加入會(huì)抑制火焰?zhèn)鞑ゲ⒔档推渌俣?因此，復(fù)合燃燒的背景條件變化會(huì)對(duì)火焰?zhèn)鞑ヌ匦援a(chǎn)生正反兩方面的影響.分層火焰引燃策略的引入也同時(shí)引入了混合氣濃度這個(gè)對(duì)復(fù)合燃燒前期火焰?zhèn)鞑ギa(chǎn)生影響的主要參量.

針對(duì)類似復(fù)合燃燒邊界條件下的火焰特征分析，威斯康辛大學(xué)的Fansler 等[9]分析了火核周圍的不規(guī)則對(duì)流流動(dòng)以及局部稀薄的混合物對(duì)燃燒穩(wěn)定性的影響.Pera 等[10]研究溫度和廢氣稀釋的不均勻性對(duì)火焰不規(guī)則發(fā)展的影響，但尚未系統(tǒng)性考察分層火焰引燃復(fù)合燃燒背景條件下的火焰?zhèn)鞑ヌ卣鳎貏e是高溫、高廢氣和局部當(dāng)量比的耦合影響.考慮到復(fù)合燃燒前期火焰?zhèn)鞑?duì)整個(gè)燃燒過程的控制有著決定性的影響，因此，有必要開展復(fù)合燃燒背景下，高溫、高稀釋和濃混合氣等變量對(duì)于火焰?zhèn)鞑ヌ卣鞯挠绊?，從而為?gòu)建合理分層火焰引燃策略提供指導(dǎo).

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

1.1 光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

實(shí)驗(yàn)基于一臺(tái)單缸的光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)平臺(tái)開展.該光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)的基本參數(shù)如表1 所示，實(shí)驗(yàn)工況點(diǎn)設(shè)置如表2 所示.其結(jié)構(gòu)形式采用單缸獨(dú)立缸套和加長(zhǎng)的鮑迪奇式活塞，燃燒室的光學(xué)信息通過石英活塞頂，經(jīng)過下部放置的45°反射鏡反射后，進(jìn)入成像設(shè)備.加長(zhǎng)活塞頂部的光學(xué)視窗直徑為71 mm.圖1 展示了圍繞該光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)平臺(tái)所搭建的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，包括電力測(cè)功機(jī)、進(jìn)氣加熱、外部廢氣再循環(huán)(EGR)模擬系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集和同步系統(tǒng)等.

外部廢氣率定義為引入的外部廢氣質(zhì)量占進(jìn)氣門關(guān)閉之后的缸內(nèi)工質(zhì)質(zhì)量的比例.由于光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)較短的運(yùn)行時(shí)間，常規(guī)的外部EGR 系統(tǒng)難以從排氣中將廢氣引入進(jìn)氣系統(tǒng).所以實(shí)驗(yàn)中的EGR 是通過外置的氮?dú)?N2)和二氧化碳(CO2)按照體積比5.9∶1 的比例混合而成.該混合比例是通過假設(shè)燃料完全燃燒，按照汽油的化學(xué)當(dāng)量比計(jì)算得出.混合氣中 N2和 CO2的流量由兩臺(tái)量程分別為 0～30 L/min 和0～5 L/min 的Horiba-Metron S49 33/MT型氣體流量計(jì)控制，其精度為±1%.雖然在模擬的外部EGR 中不包含燃燒產(chǎn)物之一H2O，且完全燃燒的假設(shè)也忽略了外部EGR 中含有的微量活性組分的存在.但是，燃燒采樣分析結(jié)果顯示[11]，外部EGR 中微量活性組分的變化對(duì)燃燒相位并無顯著影響.因此，本研究中對(duì)模擬外部EGR 組分的簡(jiǎn)化假設(shè)并不會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生明顯影響.同時(shí)，由于實(shí)驗(yàn)中總廢氣率和燃燒初始溫度難以獲得，采用一維仿真軟件GTPOWER，通過實(shí)驗(yàn)中測(cè)定的外部EGR 率和進(jìn)氣溫度獲取了各個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)的仿真總EGR 率及燃燒初始溫度，發(fā)現(xiàn)外部EGR 率與總缸內(nèi)殘余廢氣率RGF呈線性正相關(guān)，因而可以利用RGF直接表征缸內(nèi)的廢氣稀釋程度.實(shí)驗(yàn)中空燃比的精確測(cè)量也尤為重要，本實(shí)驗(yàn)使用了ETAS 公司的LSU4.9 型空燃比分析儀，測(cè)量的總誤差在1%之內(nèi).

1.2 光學(xué)圖像采集系統(tǒng)

為了研究分層火焰引燃復(fù)合燃燒的火焰?zhèn)鞑ヌ卣?，利用一臺(tái)高速攝像機(jī)來捕捉缸內(nèi)著火的化學(xué)發(fā)光信號(hào).該攝像機(jī)的拍攝幀率為7 000 幀/s，在發(fā)動(dòng)機(jī)600 r/min 的轉(zhuǎn)速下約對(duì)應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)角0.514°CA.高速攝影相機(jī)通過一臺(tái)DG645 數(shù)字信號(hào)延時(shí)器與發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元同步.圖像處理參考Aleiferis 等[12]的方法，將輸出的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行二值化處理，以獲取火焰輪廓和面積等參數(shù).火焰面發(fā)展速度根據(jù)Heywood[6]的球形火焰假設(shè)進(jìn)行計(jì)算，在實(shí)際運(yùn)算中以火焰的平面投影面積為準(zhǔn)：

式中：ΔA/Δt 表示單位間隔時(shí)間內(nèi)火焰投影面積的變化；L 表示與平面投影火焰等面積圓的周長(zhǎng)，平面投影火焰面積為兩組間隔火焰面積的平均值.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 平均火焰?zhèn)鞑ニ俣?/h3>

在汽油機(jī)中，火焰?zhèn)鞑ニ俣仁艿街T多參數(shù)的影響，如圖2 所示的相同邊界條件下多循環(huán)平均火焰?zhèn)鞑ニ俣?在火核形成階段，由于缸內(nèi)的溫度水平較低，火焰?zhèn)鞑ニ俣容^慢.之后未燃混合氣受到已燃區(qū)傳熱傳質(zhì)作用，火焰的傳播速度得以提升，火焰發(fā)展逐漸穩(wěn)定，火焰?zhèn)鞑ニ俣染S持在一定范圍內(nèi).但當(dāng)火焰面超過視窗的可視范圍時(shí)，由于視窗范圍外的火焰面積未計(jì)算在內(nèi)，導(dǎo)致火焰?zhèn)鞑ニ俣认陆?，測(cè)得的火焰?zhèn)鞑ニ俣炔辉俦３滞凰骄€.Aleiferis 等[12]與Ihracska 等[13]的研究表明，由于稀燃SI 發(fā)動(dòng)機(jī)的工作范圍受限于早期火焰的穩(wěn)定發(fā)展，早期火焰發(fā)展階段通常對(duì)應(yīng)于燃料燃燒0～5%的質(zhì)量分?jǐn)?shù).從圖2中也可以看出CA 05(燃料燃燒5%的質(zhì)量分?jǐn)?shù)時(shí)的曲軸轉(zhuǎn)角)對(duì)應(yīng)于火焰的初期發(fā)展階段，且位于火焰保持穩(wěn)定傳播的區(qū)間內(nèi).考慮到分層火焰引燃復(fù)合燃燒的火焰?zhèn)鞑ヌ幱诜艧岬某跗陔A段，為了研究各個(gè)參數(shù)對(duì)平均火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊木C合影響，采用穩(wěn)定傳播區(qū)間的火焰?zhèn)鞑ニ俣绕骄?，表征該工況下的平均火焰?zhèn)鞑ニ俣?平均火焰?zhèn)鞑ニ俣扔靡源砟骋粭l件下火焰發(fā)展快慢，從而方便考量各參數(shù)對(duì)火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊懗潭?

圖2 λ＝0.9時(shí)的平均火焰?zhèn)鞑ニ俣菷ig.2 Average flame propagation velocity at λ＝0.9

圖3 展示了不同當(dāng)量比下，進(jìn)氣溫度為20 ℃時(shí)缸內(nèi)殘余廢氣率對(duì)平均火焰?zhèn)鞑ニ俣萿 的影響.燃油加濃能夠大幅提升前期火焰速度，λ為0.9 時(shí)的火焰?zhèn)鞑ッ黠@快于λ為1.1 時(shí)，這是由燃料燃燒的化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)決定的，汽油燃燒時(shí)，λ等于0.9 時(shí)的層流火焰速度要快于λ等于0.85 時(shí)，因此在內(nèi)燃機(jī)中，相同的缸內(nèi)條件下的湍流火焰速度也呈現(xiàn)這樣的趨勢(shì).而λ的增大會(huì)更早達(dá)到廢氣稀釋極限，使燃燒無法穩(wěn)定進(jìn)行.對(duì)比濃稀混合氣加入廢氣時(shí)的火焰?zhèn)鞑ニ俣龋翰惶砑油獠繌U氣時(shí)(RGF為12%左右)，濃混合氣的火焰?zhèn)鞑ニ俣燃s為10.5 m/s，相比于稀混合氣增加30.1%；當(dāng)廢氣率為28%時(shí)，濃混合氣的火焰?zhèn)鞑ニ俣认啾扔谙』旌蠚庠黾?4.4%，其提升率與無外部廢氣時(shí)相比有所增加.除此之外，λ大于1 時(shí)的火焰?zhèn)鞑ニ俣扰cλ小于等于1 時(shí)出現(xiàn)明顯的斷層，這說明空氣稀釋也能對(duì)火焰產(chǎn)生減速作用，而且λ大于1時(shí)的火焰?zhèn)鞑ニ俣纫彩軓U氣稀釋的影響.在高廢氣率下，廢氣對(duì)燃油加濃工況的火焰?zhèn)鞑ニ俣纫种谱饔貌辉俪示€性下降，說明其抑制作用減弱.在本實(shí)驗(yàn)中，提高了進(jìn)氣溫度至120 ℃，與進(jìn)氣溫度為常溫時(shí)比較，其平均火焰?zhèn)鞑ニ俣日w加快 2.5 m/s 左右.因此，在高溫、高稀釋和加濃情況下的復(fù)合燃燒比傳統(tǒng)汽油機(jī)中的火焰?zhèn)鞑ジ烨腋€(wěn)定.

圖3 λ與殘余廢氣率對(duì)火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊慒ig.3 Effects of λ and residual gas fraction on flame propagation velocity

對(duì)于廢氣和空氣兩種稀釋策略，廢氣中N2和CO2占絕大部分，對(duì)燃燒和火焰的傳播起到抑制作用.而空氣稀釋除了加入大部分的N2和CO2之外還加入了O2，這意味空氣稀釋使燃料燃燒超過化學(xué)當(dāng)量比.雖然當(dāng)量比對(duì)層流火焰?zhèn)鞑サ难芯勘容^充分[14]，但在發(fā)動(dòng)機(jī)中，同等工質(zhì)下空氣稀釋和廢氣稀釋分別對(duì)火焰?zhèn)鞑ヒ种谱饔蒙系牟町愡€不明確.通過比較二者對(duì)于火焰?zhèn)鞑サ淖饔茫拍艽_定復(fù)合燃燒中廢氣和空氣稀釋的合理比例.圖4 為受空氣稀釋和廢氣稀釋的火焰?zhèn)鞑ニ俣仍茍D，所展示的實(shí)驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)氣溫度都為20 ℃.圖中比較了兩種工質(zhì)稀釋對(duì)火焰?zhèn)鞑ニ俣萿 的影響程度.其中選取λ為1，缸內(nèi)殘余廢氣率為12%(此時(shí)外部EGR 為0)的實(shí)驗(yàn)點(diǎn)為基準(zhǔn)點(diǎn)，用坐標(biāo)原點(diǎn)表示.廢氣稀釋程度定義為進(jìn)氣門關(guān)閉后缸內(nèi)廢氣質(zhì)量與總工質(zhì)質(zhì)量之比，空氣稀釋程度定義為化學(xué)計(jì)量比之外的新鮮空氣質(zhì)量與總工質(zhì)質(zhì)量之比，負(fù)值代表采用了燃油加濃.

其中 dair表示空氣稀釋度.圖中橫軸右半部分顯示隨著空氣和廢氣稀釋程度的增大，火焰?zhèn)鞑ニ俣染邢陆档内厔?shì)，且下降的速度基本一致.在橫軸上，只增加空氣稀釋程度，火焰?zhèn)鞑ニ俣葟?.9 m/s 減小到5.7 m/s.這與縱軸上表示的純廢氣稀釋對(duì)火焰的減速作用效果相當(dāng).但當(dāng)廢氣稀釋和空氣稀釋同時(shí)存在時(shí)，低稀釋度和高稀釋度對(duì)火焰的影響表現(xiàn)出差異：當(dāng)稀釋程度較低時(shí)，相比于純廢氣或純空氣稀釋，同等質(zhì)量的組合稀釋下火焰?zhèn)鞑ニ俣茸畲?；而?dāng)稀釋程度變大時(shí)，組合稀釋下的火焰?zhèn)鞑ニ俣葎t最慢，尤其是在廢氣稀釋和空氣稀釋較大的這一區(qū)域，火焰?zhèn)鞑プ盥?因此，在復(fù)合燃燒中，混雜使用廢氣和空氣稀釋的方法，當(dāng)稀釋度較高時(shí)，對(duì)前期火焰?zhèn)鞑ニ俣确浅２焕?，而在廢氣稀釋時(shí)，濃混合氣的作用對(duì)火焰?zhèn)鞑ピ鰪?qiáng)比較明顯.

在圖4 橫軸的左半部分則顯示燃油加濃時(shí)的火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤炻?，此時(shí)火焰?zhèn)鞑ナ艿降囊种谱饔弥饕鞘軓U氣稀釋的影響，而加濃的當(dāng)量比對(duì)火焰?zhèn)鞑ビ写龠M(jìn)作用，且在λ處于0.9 左右時(shí)火焰?zhèn)鞑プ羁?相對(duì)于λ大于1 的稀釋策略，火焰?zhèn)鞑ニ俣茸畲笤黾?0%.結(jié)合圖3 和圖4，當(dāng)λ處于0.9 時(shí)，火焰?zhèn)鞑ニ俣茸羁?，是組織分層火焰中心濃區(qū)的合理當(dāng)量比.

圖4 空氣稀釋與廢氣稀釋對(duì)火焰?zhèn)鞑ニ俣茸饔媚芰Ρ容^Fig.4 Comparison between effects of air dilution and residual gas dilution on flame propagation velocity

2.2 火焰的不均勻發(fā)展與各向發(fā)展速度

通過光學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)：在高廢氣率下，火焰普遍出現(xiàn)偏移現(xiàn)象，如圖5 所示.不同于低廢氣率下近圓形的火焰形態(tài)，廢氣率越高火焰前鋒面越不均勻，表面褶皺越多，并偏向缸內(nèi)的特定方向發(fā)展.尤其是圖5 中廢氣率等于27%的火焰圖像，火焰偏向視窗左下角發(fā)展，同時(shí)展現(xiàn)不規(guī)則的火焰表面形態(tài)，這可能是廢氣在缸內(nèi)的不均勻分布導(dǎo)致的.由于高廢氣率下火焰的不均勻發(fā)展，使用平均火焰?zhèn)鞑ニ俣纫呀?jīng)難以評(píng)估火焰在各個(gè)方向上發(fā)展的差異.筆者提取了原始火焰圖像的邊界，得到火核位置到各個(gè)方向上邊界點(diǎn)的位移，并計(jì)算出了火焰在各方向上的發(fā)展速度.以圖5 內(nèi)的3 種火焰?zhèn)鞑槔?，圖6 展示了3 種火焰在不同方向上的擴(kuò)散速度(根據(jù)之前所述，選取CA 05 時(shí)刻的火焰?zhèn)鞑ニ俣?.當(dāng)缸內(nèi)殘余廢氣率為27%時(shí)，火焰向50°～160°方向發(fā)展緩慢，這與圖5所示的火焰發(fā)展一致.這些方向上的發(fā)展使整體火焰?zhèn)鞑プ兟彩够鹧娴男螤钭兊貌灰?guī)則.為了評(píng)價(jià)火焰不規(guī)則程度，采用曲線的標(biāo)準(zhǔn)差表示曲線上各點(diǎn)的離散程度，它可以表示各方向上的火焰速度的不均勻性，其公式如下：

圖5 不同缸內(nèi)殘余廢氣率下的火焰發(fā)展灰度圖像Fig.5 Gray-scale images of flame development at different residual gas fractions

式中：ui為單方向火焰?zhèn)鞑ニ俣龋籾 為平均火焰?zhèn)鞑ニ俣?；N 為火焰發(fā)展方向的采樣個(gè)數(shù).δ分別為0.900 4、1.057 9 和1.751 5，δ的增加說明火焰前鋒面的圓度越來越小，火焰發(fā)展越來越不規(guī)則.因而在高廢氣率高溫條件下，通過Heywood 球型假設(shè)計(jì)算出的火焰膨脹速度可能出現(xiàn)偏差.

圖6 火焰的各向發(fā)展速度Fig.6 Flame propagation velocity in all directions

為了驗(yàn)證廢氣分布對(duì)火焰?zhèn)鞑ブ行螒B(tài)產(chǎn)生的影響，采用CFD 對(duì)冷流狀態(tài)下缸內(nèi)的廢氣分布進(jìn)行了研究，即在不進(jìn)行點(diǎn)火的條件下，只對(duì)缸內(nèi)流動(dòng)及物質(zhì)分布進(jìn)行了計(jì)算，通過缸內(nèi)廢氣的分布探究其對(duì)火焰?zhèn)鞑テ频挠绊?，如圖7 所示.在上止點(diǎn)前20°CA(點(diǎn)火時(shí)刻)至上止點(diǎn)這一段曲軸轉(zhuǎn)角內(nèi)，缸內(nèi)廢氣集中分布在缸壁周圍靠近右邊的區(qū)域.隨著時(shí)間的推移，廢氣逐漸向氣缸中心發(fā)展.當(dāng)廢氣率高時(shí)，廢氣率的增加使著火準(zhǔn)備期變長(zhǎng)，火核形成更慢.而著火準(zhǔn)備階段越長(zhǎng)，廢氣向中心的分布就越集中.結(jié)合圖5 中的火焰發(fā)展圖像及圖7 中上止點(diǎn)的廢氣分布圖像，發(fā)現(xiàn)火焰發(fā)展區(qū)域與廢氣聚集區(qū)域完全分布在不同的方向上.火焰分布于缸內(nèi)左下角區(qū)域，而廢氣分布于缸內(nèi)右上角區(qū)域.這也驗(yàn)證了廢氣分布不均勻?qū)鹧姘l(fā)展不均勻的決定作用.由于流動(dòng)產(chǎn)生的缸內(nèi)廢氣分布阻礙了前期火焰向這一方向的發(fā)展，迫使火焰在發(fā)展過程中只偏向廢氣分布少的左側(cè).通過對(duì)缸內(nèi)工質(zhì)運(yùn)動(dòng)的分析，發(fā)現(xiàn)廢氣在缸內(nèi)的不均勻分布是由于隨進(jìn)氣道布置的外部EGR 入口以及缸內(nèi)滾流及渦流運(yùn)動(dòng)過程綜合作用而形成的.由此說明，高稀釋條件下的火焰在發(fā)展階段會(huì)出現(xiàn)偏移，這也是導(dǎo)致復(fù)合燃燒前期火焰?zhèn)鞑ギa(chǎn)生不穩(wěn)定的因素之一.根據(jù)前人的研究結(jié)果[15]，非反應(yīng)氣體會(huì)稀釋擴(kuò)散過程中的燃料分布，削弱反應(yīng)區(qū)與未反應(yīng)區(qū)的傳熱傳質(zhì)作用，從而影響燃燒溫度并抑制火焰的發(fā)展.大量的惰性氣體還會(huì)淬熄和阻止火焰?zhèn)鞑?

圖7 CFD仿真得到缸內(nèi)廢氣質(zhì)量濃度分布Fig.7 Distribution of RGB obtained by CFD simulation

從火焰的發(fā)展來看，圖8 展示了當(dāng)λ 等于0.9，缸內(nèi)殘余廢氣率為20.3%時(shí)的火焰特征.為了觀察火焰不均勻性，對(duì)火焰發(fā)光的輻射強(qiáng)度進(jìn)行了處理，得到圖8 和圖9.從圖8 中可以看出，火焰鋒面前方出現(xiàn)了新的著火點(diǎn)，著火點(diǎn)以類似于火焰?zhèn)鞑サ姆绞较蛲獍l(fā)展，在4 張拍攝圖片之后與主火焰融合在一起，在所設(shè)置的實(shí)驗(yàn)點(diǎn)中，當(dāng)λ＝0.9，廢氣率在20%左右時(shí)，在重復(fù)的20 個(gè)工況點(diǎn)，均出現(xiàn)了火焰面外，靠近火焰面的位置，未燃混合物中出現(xiàn)少量自燃的現(xiàn)象.這種火焰發(fā)展方式在原先的火焰面外出現(xiàn)極小規(guī)模的火焰?zhèn)鞑?，相?dāng)于增大了主火焰的傳播速度.觀察此時(shí)的放熱率，放熱率的計(jì)算方法參考Xie等的論文[7].放熱率的一階導(dǎo)數(shù)為正，放熱速度在逐漸增加.對(duì)比λ＝1.1 時(shí)廢氣率相近的實(shí)驗(yàn)點(diǎn)，則沒有出現(xiàn)這種自燃點(diǎn)加速火焰的現(xiàn)象，前期火焰?zhèn)鞑ルA段對(duì)應(yīng)的放熱率也呈線性增長(zhǎng).因此，在同等程度的廢氣稀釋作用下，燃油加濃可以誘發(fā)鋒面前出現(xiàn)自燃加速現(xiàn)象，從而使得稀釋火焰在局部的火焰?zhèn)鞑サ玫教岣撸艧崴俣雀煲哺€(wěn)定，從而可以成為促進(jìn)復(fù)合燃燒后期自燃的有效控制手段.

圖8 火焰邊界著火點(diǎn)與放熱率Fig.8 Auto-ignition point outside the flame and heat release rate

由于出現(xiàn)自燃點(diǎn)的位置特殊，位于火焰?zhèn)鞑シ较虻?70°，對(duì)該工況的各向火焰?zhèn)鞑ニ俣茸隽私y(tǒng)計(jì)，如圖9 所示.發(fā)現(xiàn)在270°附近，受到火焰邊界外圍的自燃點(diǎn)影響，這一方向的火焰?zhèn)鞑ニ俣却蠓黾樱鄬?duì)于本工況的平均火焰?zhèn)鞑ニ俣萿＝8.5 m/s，u270能達(dá)到17 m/s，這歸功于自燃點(diǎn)的產(chǎn)生，火核在一段時(shí)間內(nèi)的火焰?zhèn)鞑ィ罱K與主火焰融合的過程.

圖10 為3 種不同條件下的火焰RGB 圖像，用來對(duì)比和分析高溫稀釋火焰的火焰特征.其中，只有λ為0.9，RGF為20.3%時(shí)，在-4.0°CA 火焰剛剛發(fā)展起始，到0°CA 左右火焰基本占據(jù)了整個(gè)視窗面積為止，火焰峰面外靠近火焰面的地方出現(xiàn)了一些自燃點(diǎn).而相同廢氣率，采用空氣稀釋策略下的火焰，沒有出現(xiàn)此類現(xiàn)象.這說明燃油加濃在一定程度上能夠在鋒面前引發(fā)自燃點(diǎn)的產(chǎn)生.但當(dāng)量比并不是火焰周圍出現(xiàn)自燃點(diǎn)的唯一要素.相同當(dāng)量比，廢氣稀釋程度略低時(shí)，火焰面外圍也沒有出現(xiàn)著火點(diǎn).只在廢氣濃度適合時(shí)才出現(xiàn)的自燃點(diǎn)現(xiàn)象，可以解釋為：當(dāng)廢氣率低時(shí)，火焰?zhèn)鞑ポ^快，火焰周圍還沒達(dá)到出現(xiàn)自燃點(diǎn)的溫度條件，主火焰就已經(jīng)傳播到此處.而當(dāng)廢氣率進(jìn)一步升高，火焰?zhèn)鞑ニ俣茸兟?，傳熱速度相?duì)較快，從而使火焰周邊出現(xiàn)了自燃點(diǎn).因此，局部燃油加濃結(jié)合廢氣稀釋的燃燒方式在復(fù)合燃燒SFI 策略中應(yīng)用更為廣泛.盡管如此，廢氣的引入所帶來的火焰?zhèn)鞑p速作用仍不能忽視.并且廢氣的增多還會(huì)使火焰形狀變得不規(guī)則.

圖9 自燃點(diǎn)對(duì)火焰邊界各向傳播速度的影響Fig.9 Influence of local auto-ignition on f lame propagation velocity in all directions

圖10 3種不同條件下火焰?zhèn)鞑ヌ卣鱂ig.10 Flame propagation characteristics under three different conditions

3 結(jié)論

(1) 稀釋分層條件下火焰?zhèn)鞑ヌ卣鞑煌趥鹘y(tǒng)汽油機(jī).局部燃油加濃能夠大幅提高火焰?zhèn)鞑ニ俣?對(duì)比濃稀混合氣加入廢氣時(shí)的火焰?zhèn)鞑ニ俣龋瑹o外部廢氣時(shí)，濃混合氣的火焰?zhèn)鞑ニ俣燃s為10.5 m/s，相比于稀混合氣增加30.1%；當(dāng)廢氣率為28%時(shí)，濃混合氣的火焰?zhèn)鞑ニ俣认啾扔谙』旌蠚庠黾?4.4%，其提升率與無外部廢氣相比有所增加.進(jìn)氣溫度提升至120 ℃，與進(jìn)氣溫度為常溫時(shí)比較，其平均火焰?zhèn)鞑ニ俣日w加快2.5 m/s 左右.綜合高溫、高稀釋和燃油加濃條件，復(fù)合燃燒下的前期火焰?zhèn)鞑ケ葌鹘y(tǒng)汽油機(jī)中的火焰?zhèn)鞑ジ烨腋€(wěn)定.

(2) 高廢氣率下的火焰鋒面形狀不規(guī)則，這主要是由于廢氣的不均勻分布導(dǎo)致的.統(tǒng)計(jì)了火焰的各向發(fā)展速度，由于廢氣率的增加，火焰前鋒面的圓度越來越小，火焰發(fā)展開始出現(xiàn)不規(guī)則形狀.結(jié)合火焰圖像和CFD 結(jié)果分析，過多的廢氣會(huì)使火焰產(chǎn)生偏移，這是由于廢氣在缸內(nèi)的分布不均導(dǎo)致的.廢氣的不規(guī)則分布作用于火核形成和火焰?zhèn)鞑蓚€(gè)階段，使初期形成的火核偏移，同時(shí)阻礙了前期火焰向廢氣聚集區(qū)的發(fā)展，從而導(dǎo)致了火焰發(fā)展出現(xiàn)各向異性.

(3) 在適當(dāng)稀釋與燃油加濃條件下，火焰周圍會(huì)出現(xiàn)少量自燃點(diǎn)，提升火焰在自燃點(diǎn)方向上的傳播速度.相對(duì)于該工況的平均火焰?zhèn)鞑ニ俣萿＝8.5 m/s，自燃點(diǎn)方向上的火焰?zhèn)鞑ニ俣萿270可達(dá)到17 m/s.這歸功于自燃點(diǎn)的產(chǎn)生、火核在一段時(shí)間內(nèi)的火焰?zhèn)鞑?、最終與主火焰融合的過程.

因此，在復(fù)合燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)高溫和高稀釋條件下，采用分層引燃策略，合理地控制混合氣當(dāng)量比，有助于提高前期火焰?zhèn)鞑ニ俣?，更加穩(wěn)定地引燃周圍稀釋混合氣，實(shí)現(xiàn)對(duì)整體復(fù)合燃燒過程的控制.