应用隔板式定容燃烧弹的甲烷-空气混合气射流引燃研究

刘昊,张红光,赵光耀,白小磊,王震,孙娜

（1.北京工业大学环境与能源工程学院,北京 100124；2.北京交通大学机械与电子控制工程学院,北京 100044）

应用隔板式定容燃烧弹的甲烷-空气混合气射流引燃研究

刘昊1,张红光1,赵光耀1,白小磊1,王震1,孙娜2

（1.北京工业大学环境与能源工程学院,北京 100124；2.北京交通大学机械与电子控制工程学院,北京 100044）

在定容燃烧弹内添加带孔横隔板实现甲烷-空气混合气的射流引燃,可以达到甲烷-空气混合气快速燃烧的目的。利用纹影法研究了在不同的初始条件下,隔板位置、隔板孔径及隔板孔数等不同横隔板参数,对射流引燃实现甲烷-空气混合气快速燃烧的影响。将有隔板与无隔板条件下,单孔隔板与多孔隔板条件下的实验数据进行对比,结果表明：使用横隔板后较无隔板情况可以提高甲烷-空气混合气的燃烧速率；在文中实验条件下的隔板式定容燃烧弹中,横隔板在中间位置时主燃烧室最易发生燃烧现象；甲烷-空气混合气的燃烧压力峰值随横隔板孔径和孔数的增加呈现先增加后减小的趋势,燃烧压力峰值出现时刻随横隔板孔径和孔数的增加而提前。

工程热物理；定容燃烧弹；甲烷-空气混合气；横隔板；射流引燃

0 引言

天然气中主要成分甲烷的化学反应速率较低,导致其燃烧速率下降,使天然气发动机的总燃烧期变长,从而气缸内压力与温度上升缓慢,使得发动机动力性能下降。进气增压与稀薄燃烧技术的结合是改善天然气发动机性能的有效途径之一,而顺利实现稀薄燃烧的关键在于提高天然气（甲烷）的火焰传播速率。很多学者针对提高甲烷燃烧速率问题,从燃烧室形状的设计[1-3]、采用掺氢技术[4-5]、分层燃烧技术[6-7]等方面做了大量研究工作。

本文通过在定容燃烧弹中的不同位置添加带有不同孔数和孔径的横隔板,实现射流引燃从而提高甲烷-空气混合气的燃烧速率。研究了隔板位置、隔板孔径及隔板孔数等不同隔板参数对射流引燃实现甲烷快速燃烧的影响。

1 实验装置与方案

1.1 定容燃烧弹实验系统

图1 定容燃烧弹实验系统Fig.1 Test system for constant volume combustion bomb

图1为定容燃烧弹实验系统,主要包括定容燃烧弹、点火系统、混合气配气系统、火焰图像采集系统（包括纹影系统和CCD高速摄影机）、压力数据采集系统（包括压力传感器、电荷放大器及示波器,压力传感器安装在定容燃烧弹正下方）、同步控制器、温度压力控制器等。实验时,先通过混合气配气系统,将甲烷-空气混合气在预混罐内充分搅拌均匀,之后充入燃烧弹弹体中；利用温度压力控制器使实验温度保持恒定；由同步控制器控制点火系统、压力数据采集系统、火焰图像采集系统；实验结束后打开真空泵抽真空,进入下一次实验。

1.2 横隔板结构

为了在统一式定容燃烧弹的基础上对燃烧室进行改造,在不同位置安装带有不同孔径和孔数的横隔板。横隔板及安装位置如图2所示。

通过横隔板使定容燃烧弹分为预燃室和主燃室,并通过隔板上的孔连通。初始火焰核心形成后,以球面形式在预燃室内传播。当火焰传播到喷孔时,由于射流的作用,可以使预燃室和主燃室的紊流程度显著增强,且主燃室内化学组分浓度产生一定程度的变化,从而达到甲烷-空气混合气快速燃烧的目的。图3为在初始温度T0=293 K、初始压力p0=0.25 MPa、当量比为0.8的条件下,火焰通过安装在位置C的单孔横隔板和3孔横隔板时的纹影图像。

图2 横隔板及安装位置Fig.2 Baffle plates and their mounting positions

图3 某一初始条件下的纹影图像Fig.3 Schlieren images under a certain initial condition

1.3 实验方案

影响甲烷-空气混合气着火及燃烧过程的因素很多,本文将初始温度设定为恒温,设置横隔板位置、孔数、孔径、混合气初始压力及当量比为变量。由于本文研究的是稀燃条件下甲烷-空气混合气的快速燃烧,故燃空当量比取值小于等于1.部分实验条件的设置如表1所示。

表1 实验条件Tab.1 Test condition

2 实验结果及分析

2.1 主燃室燃烧的判断方法

本文根据压力采集系统读取的燃烧压力数据结合火焰发展图像的方法对主燃烧室是否发生燃烧进行判断。图4为在横隔板处于位置C,孔径D= 3 mm,初始压力p0=0.25 MPa,初始温度T0=293 K时,当量比取值1.0与0.6条件下的燃烧压力曲线。如图4所示,在当量比为1.0时,燃烧弹体内压力在0.06 s附近骤然增加,此压力曲线拐点处即为主燃烧室的着火时刻。而当量比取值为0.6时,燃烧弹体内压力在整个过程中并无明显变化。在本文的研究条件下,认为这种情况属于主燃烧室未发生燃烧。当量比1.0条件下火焰传播纹影图像如图5所示。

图4 燃烧压力曲线（D=3 mm）Fig.4 Combustion pressure（D=3 mm）

图5 火焰传播纹影图像（Φ=1.0）Fig.5 Schlieren images of flame propagation and ignition time（Φ=1.0）

2.2 横隔板位置

横隔板安装位置分别为位置U、位置C、位置L.在不同的当量比与初始压力取值条件下,按照主燃烧室燃烧的判断方法,研究了横隔板安装在3个不同位置时对主燃烧室燃烧情况的影响。由于掺氢可以有效促进甲烷的燃烧,取掺氢比25%和掺氢比40%两组实验作为不掺氢时的实验对照组,以增强实验结果的可信度。表2所示为在单孔、孔径D= 2 mm,初始温度T0=293 K时,隔板的不同安装位置对主燃烧室燃烧情况影响的实验结果。

表2 不同隔板位置下的实验现象Tab.2 Combustion phenomena under different baffle plate positions

由表2中实验结果可以看出：掺氢比0%,隔板在位置U,当量比为1.0时,在各种初始压力下主燃室均未发生燃烧,隔板在位置L时主燃室只在1种条件下发生燃烧现象,隔板在位置C时主燃室在8种条件下发生燃烧现象；掺氢比25%,当量比0.8情况下,隔板在位置U时,主燃室未发生燃烧现象,隔板在位置L时主燃室在4种条件下发生燃烧现象,隔板在位置C时主燃室在各种初始压力条件下全部燃烧；掺氢比40%,当量比为0.6时,隔板在位置U及位置L情况下的主燃室在各种初始压力条件下均未发生燃烧现象,隔板在位置C时,主燃室在2种初始压力条件下发生燃烧现象。根据表2分析表明：在本文所涉及的实验条件下,横隔板在位置C时主燃室最易发生燃烧现象。故本文以下研究均以横隔板在位置C时作为实验条件。

2.3 单孔横隔板

在本文实验条件下,单孔、孔径D=1 mm时,主燃室在各种初始条件下均未发生燃烧,以下讨论均忽略孔径D=1 mm情况。

图6为当量比1.0,初始压力0.25 MPa时燃烧压力随单孔隔板孔径的变化规律。与当量比1.0,无隔板时的瞬时压力曲线进行对比,由于孔径D=2 mm及以上时,压力峰值出现时刻相对于无隔板时均有不同程度的提前。可以判断,添加不同孔径的单孔横隔板后,甲烷-空气混合气的燃烧速度均有不同程度的提高。孔径D=2 mm时,压力峰值出现时刻与无横隔板时基本一致,但压力峰值增大。孔径D=3 mm时的燃烧压力峰值最大。随着孔径的增加,燃烧压力峰值出现时刻逐渐提前但增速放缓,燃烧压力峰值呈现先增加后降低的趋势。

图6 有无隔板时孔径对燃烧压力的影响（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）

图7为当量比1.0,孔径D=3 mm、D=6 mm时,初始压力对燃烧压力的影响规律。与当量比1.0,无隔板时的燃烧压力曲线进行对比。由图7可以看出,随着混合气初始压力的增加,燃烧压力峰值逐渐增大,燃烧压力峰值出现时刻逐渐提前。在本文实验条件下,孔径D=2 mm的各个初始压力下及孔径D=3 mm、初始压力p0=0.10 MPa情况下,燃烧压力曲线峰值出现时刻大于或等于无隔板情况。在其他条件下,燃烧压力峰值出现时刻较无隔板情况均有不同程度的提前。

图8为初始压力p0=0.25 MPa与p0=0.10 MPa时,燃烧压力随当量比的变化情况,图8（a）中孔径D=3 mm,图8（b）中孔径D=6 mm.由图8可看出,随着当量比的增加,燃烧压力峰值逐渐增加,燃烧压力峰值出现时刻逐渐提前,但峰值出现时刻的提前幅度随当量比增加而逐渐减小。孔径较大时,如图8（b）中孔径D=6 mm,当量比为1.0时的燃烧压力峰值出现时刻反而略迟于当量比为0.9时的燃烧压力峰值出现时刻。

2.4 多孔隔板

图7 有无隔板时初始压力对燃烧压力的影响（Φ=1.0）Fig.7 Effect of initial pressure on combustion pressure with and without baffle plates（Φ=1.0）

图8 当量比对燃烧压力的影响Fig.8 Effect of equivalence ratio on combustion pressure

图9为当量比0.6时,使用带有直列3孔横隔板的混合气燃烧压力随混合气初始压力的变化规律。由图9可以看出,在孔径保持不变时,燃烧压力峰值随初始压力增加而增加,燃烧压力峰值出现时刻均随初始压力增加而提前。

图10为孔径D=3 mm,使用带有直列3孔横隔板的混合气燃烧压力随当量比的变化规律。由图10可以看出,在孔径及初始压力保持不变时,混合气燃烧压力峰值出现时刻均随当量比增加而提前,当量比由0.5变化到0.6时,燃烧压力峰值出现时刻的提前幅度最大。混合气燃烧压力峰值随当量比的变化有一定波动,但基本保持在一定范围内,即此情况下,当量比对燃烧压力峰值影响不大。

图9 初始压力对燃烧压力的影响（Φ=0.6,孔数为3）Fig.9 Effect of initial pressure on combustion pressure （Φ=0.6,3 orifices）

图10 当量比对燃烧压力的影响（D=3 mm,孔数为3）Fig.10 Effect of equivalence ratio on combustion pressure（D=3 mm,3 orifices）

图11为当量比为0.8时,使用3孔横隔板与单孔横隔板在不同孔径与不同初始压力下的混合气燃烧压力对比。其中图11（a）中隔板孔径D=2 mm,初始压力为p0=0.25 MPa与p0=0.20 MPa.图11（b）中隔板孔径D=3 mm,初始压力为p0=0.25 MPa与p0=0.10 MPa.如图11所示,可以明显看出,使用3孔隔板后,混合气燃烧压力峰值出现时刻较单孔隔板有较大幅度的提前,即使用多孔隔板较单孔隔板可以进一步提高甲烷-空气混合气的燃烧速率。

进一步将直列3孔横隔板变换为3×3式9孔横隔板与5×5式25孔横隔板。图12（a）、图12（b）分别为使用9孔与25孔横隔板后,混合气燃烧压力随当量比与初始压力的变化规律,二者孔径均为D=2 mm.

由图12可以看出,使用9孔与25孔横隔板后,混合气燃烧压力随初始压力及当量比的变化规律与使用3孔隔板时基本一致,燃烧压力峰值随初始压力的升高而增大,燃烧压力峰值出现时刻随当量比的增加而提前。

图11 使用3孔与单孔隔板下的燃烧压力对比Fig.11 Comparion of combustion pressures with single and three-orifice baffle plates

图12 初始压力及当量比对燃烧压力的影响Fig.12 Effects of initial pressure and equivalence ratio on combustion pressure

将使用不同孔数隔板条件下燃烧压力的变化进行对比,结果如图13所示。随着孔数由单孔增加到3孔以上时,燃烧压力峰值出现时刻有了明显的提前。对比孔数为3、9、25时的燃烧压力,随着孔数的增加,燃烧压力峰值出现时刻略有提前,燃烧压力峰值呈现先增加后降低的趋势。当孔数进一步增加时,横隔板效果会逐步削弱,燃烧压力峰值应趋同无隔板情况下的燃烧压力峰值。

图13 燃烧压力随隔板孔数的变化（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）

在孔径D=2 mm,当量比为0.8,初始压力p0= 0.25 MPa条件下,使用孔数分别为1、3、9、25孔隔板时对应的混合气燃烧纹影图像如图14所示。

图14 使用不同孔数隔板下的燃烧纹影图像对比（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 结论

1）在统一式定容燃烧弹不同位置安装带有不同孔径和孔数的横隔板后,由于射流引燃的作用,可以提高甲烷-空气混合气的燃烧速率。

2）在本文实验条件下,横隔板安装在位置C时主燃室最易发生燃烧现象,位置C为隔板式定容燃烧弹3种横隔板位置中的最佳位置。

3）在本文实验条件下,甲烷-空气混合气的燃烧压力峰值随孔径和孔数的增加呈现先增加后减小的趋势。燃烧压力峰值出现时刻随孔径和孔数的增加而提前。

（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] 司鹏鹍,张惠明,杨志勇,等.燃烧室结构对稀燃天然气发动机性能的影响[J].农业机械学报,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] 张勇,黄佐华,廖世勇,等.天然气/氢气燃烧特性研究[J].内燃机学报,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] 刘海全,马凡华,王宇,等.不同掺氢比天然气发动机的燃烧排放特性[J].农业机械学报,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

国家自然科学基金项目（51376011）；北京工业大学第十二届研究生科技基金项目（ykj-2013-9302）；北京市自然科学基金项目和北京市教育委员会科技计划重点项目（KZ201410005003）

刘昊（1987—）,男,硕士研究生。E-mail：liuhao_0225@163.com；张红光（1970—）,男,教授,博士生导师。E-mail：zhg5912@263.net