丙烷自燃特性及爆震机理的试验研究

陈 锐，张鹏飞，潘家营，卫海桥，商艺宝



丙烷自燃特性及爆震机理的试验研究

陈 锐，张鹏飞，潘家营，卫海桥，商艺宝

(天津大学机械工程学院，天津 300072)

为了深入揭示丙烷自燃和爆震燃烧机理，基于一台新型快速压缩机试验平台，开展了不同初始压力、当量比条件下丙烷-空气混合气自燃和爆震燃烧的试验研究，并通过瞬态压力和高速相机同步测试方法进行了缸内燃烧过程研究．结果表明：爆震压力振荡强度随着初始压力的提升显著增强，压力振荡的产生与着火方式无绝对关系，其振荡强度主要取决于自燃发生前末端混合气的状态．轻微爆震和弱爆震由末端自燃导致，自燃时未燃混合气区域越大，爆震强度也越高．超级爆震的形成是由于超声速自燃火焰的传播导致压力波在火焰面前方的汇聚，并最终导致爆燃向爆轰模式转变所致，从而形成峰值极高的压力振荡．

丙烷；自燃特性；快速压缩机；超级爆震

随着发动机小型强化程度的不断提高，随之而来的爆震与超级爆震现象成为制约发动机热效率进一步提升的突出瓶颈[1-3]．爆震是指汽油机火花塞点火后，火焰尚未传播到整个燃烧室时，在未燃区域产生一个或多个热点自燃的现象．自燃产生的火焰往往传播得更快，从而引发燃烧室内压力波动，同时伴随有敲缸声．较弱的爆震可以在一定程度上提高燃烧热效率，但较强的爆震则会使燃烧恶化，大大降低燃烧热效率，并导致燃烧室的机械破坏及烧蚀．超级爆震与爆震类似，但具有更高的压力振荡幅值，峰值能够达到数十兆帕[4]，破坏力更强，甚至能够损坏发动机气门和活塞．

对于发动机爆震的机理，学术界目前主要有两种学说：一种为自燃学说，另一种为火焰加速学说．自燃学说主张爆震由末端气体的自燃引发，该学说由于有大量试验和模拟结果的支持，是目前认可度较高的爆震机理．Zeldovich[5]在1980年提出了由带有温度梯度的热点自燃引发的几种典型的燃烧模式．他指出：自燃首先会从点火延迟最小的位置发生，并沿着温度梯度传播，根据温度梯度所决定的自燃火焰速度与C-J(Chapman-Jouguet)速度及声速的关系，将燃烧模式分为超声速爆燃(subsonic deflagration)、爆轰(detonation)、亚声速爆燃(supersonic deflagration)、热爆炸(thermal explosion)和层流火焰5种；不同的燃烧模式对应不同的火焰速度，能够产生不同强度的压力波，对其他未燃区域产生影响．Liberman等[6]和Kiverin等[7]对比研究了采用详细化学机理和简化化学机理下由温度梯度区域发展成的火焰，发现点火延迟和放热的起始对自燃火焰及压力波的模式有显著影响．这种由压力波叠加加强以改变燃烧模式的情况与Lee等[8]提出的“连续放热对激波的增强”(SWACER)概念类似．Yu等[9]模拟了一维封闭空间中的氢气与空气混合气的燃烧，发现初始温度、压力和封闭空间尺寸都对自燃与爆轰波的产生有影响，压力波的来回反射能够促进火焰前锋处的局部自燃，并引发DDT(deflagration to detonation transition). Matsuura等[10]也研究了压力波与末端气体之间的相互作用，发现火焰速度和火焰对末端气体的压缩强度之间能够达到一种平衡，使自燃发生的倾向降到最低，减少爆震发生的几率．上述研究对发动机爆震燃烧机理的揭示具有重要的理论指导意义．然而，发动机自燃及其燃烧过程错综复杂．已有研究基本上基于理论分析和数值模拟手段，缺乏准确的试验数据支持和验证，使得目前对爆震现象的形成机理及影响规律仍不够明确．

丙烷燃料作为液化石油气的主要成分，是目前石油替代燃料研究的热点[11]．目前关于液化石油气的研究主要集中在发动机性能试验方面[12]，对燃料的基础燃烧特性(特别是自燃和爆震)研究很少．为了进一步探究丙烷爆震燃烧机理，本文以丙烷-空气混合气为研究对象，在一台新型快速压缩机(rapid compression machine，RCM)上开展了不同初始压力、不同当量比条件下丙烷自燃及爆震研究，并结合瞬态压力和高速相机同步测量方法研究分析了不同正常燃烧、弱爆震和强爆震时的缸内燃烧过程．研究结果将有助于进一步揭示发动机爆震燃烧机理、有效抑制爆震燃烧现象和优化发动机燃烧过程．

1 试验装置

本研究所采用的试验平台如图1所示，快速压缩机试验平台主体结构由高压储气罐、气动驱动缸、液压制动缸、压缩缸和燃烧室5部分组成，相应的快速压缩机特征参数列于表1．快速压缩机活塞直径为70,mm，较目前主流快速压缩机更接近实际发动机的尺寸；同时，本试验平台最高压力峰值可达50,MPa，基本覆盖发动机爆震燃烧工况．试验所用缸压传感器为KISTLER 6045A，量程为25,MPa；传感器顶面与燃烧室壁面齐平安装，以减小测量误差．电荷放大器采用KISTLER 5064C．光学窗口采用耐高压石英玻璃，采用Photron SA-Z高速相机拍摄燃烧过程图像，分辨率为256像素×256像素，拍摄速度100,000帧/s，快门速度8.39,ms．为了实现缸内燃烧过程的同步测量，高速相机和火花塞点火根据瞬态压力信号进行触发．

图1 快速压缩机试验平台示意

表1 快速压缩机特征参数

Tab.1 Characteristic parameters of RCM

2 试验结果与讨论

2.1 初始压力和当量比对爆震强度的影响

图2为压缩比＝16.4、当量比＝1.0、初始温度0＝298,K时，不同初始压力下丙烷-空气混合气压燃时的压力曲线．由图可知，丙烷的燃烧比较缓慢，以上止点后的压力曲线开始上升到达到压力峰值的时间作为燃烧持续期，丙烷的燃烧持续期为10～15,ms．由于燃烧持续期较长，其压力曲线升高的速率较为缓和，并且在压力升高过程中曲线非常平滑，没有压力波动出现．当初始压力0＝0.08,MPa时，由于能量密度很低，整个过程几乎没有出现压力振荡．随着初始压力的升高，从0＝0.10,MPa开始逐渐在压力峰值附近出现了不同幅度的压力振荡，振幅随初始压力的升高而升高，最高达到了0.50,MPa．在0＝0.12,MPa和0＝0.14,MPa时，压力曲线上升到后期时，会出现急剧的跃升，过程持续不到1,ms，随后就是强烈的压力振荡，说明此时缸内发生了更剧烈的燃烧．

图2 不同初始压力下丙烷-空气混合气压燃时的压力曲线

图3为压缩比＝16.4、当量比＝1.0、初始温度0＝298,K时，不同初始压力下丙烷-空气混合气相同点火时刻(上止点后)点燃时的压力曲线．如图所示，当着火方式改为点燃时出现了与压燃时不同的压力振荡现象．首先，点燃时的压力曲线在压力升高过程中并没有出现相互交错，这说明火焰是从火花塞附近形成并且在一段时间内稳定传播，而压燃时由于火核形成位置及个数的差异，可能导致不同的燃料消耗率，进而导致不同的压力升高率，使得低初始压力的压力曲线暂时超过高初始压力的曲线，形成交叉．其次，0＝0.14,MPa的工况下，在压力峰值附近出现了剧烈的压力振荡，导致峰值超过22,MPa，高通滤波下的压力振荡幅值接近10,MPa，可以认为出现了超级爆震，而0低于0.14,MPa的工况则只出现了相对轻微的波动．

图3 不同初始压力下丙烷-空气混合气点燃时的压力曲线

图4为压缩比＝16.4、初始温度0＝298,K、初始压力0＝0.14,MPa时，不同当量比条件下丙烷-空气混合气点燃和压燃时的压力曲线．如图所示，相同初始压力和温度、不同当量比下的混合气上止点压力有轻微差异，这是由于不同当量比下的比热容不同所致．由于火焰速度和稀释的共同作用，当量比＝0.5和＝1.5时均没有出现超级爆震现象．而化学计量比下的混合气在点燃和压燃时均出现了剧烈的压力波动，且出现剧烈振荡之前的压力差异不大，这说明压力波动的产生与着火方式并无绝对关系，而主要取决于自燃发生前末端混合气的状态．

图4 不同当量比下丙烷-空气混合气点燃和压燃时的压力曲线

2.2 丙烷火焰自燃及燃烧模式转变现象的光学测试

为进一步验证上述推论，对燃烧室中燃烧过程情况进行光学测试，以深入探究不同爆震强度产生机理及其与自燃和压力振荡的内在关系．这里选取了较高的初始温度(0＝313,K)，以促使自燃的发生，避免石英玻璃在较高初始压力下的迅速破坏．这里初始压力分别为0＝0.04,MPa、0.06,MPa、0.08,MPa及0.10,MPa，试验工况由低压向高压逐渐转变，使其爆震倾向逐渐升高．

2.2.1 正常燃烧及轻微爆震

图5为0＝0.04,MPa时缸内的燃烧情况，从图片可以看出，火焰传播速度较慢，平均约为4.76,m/s，且火焰亮度较暗，由于初始压力较低，燃烧温度也较低，可以看到燃烧过程中形成了较多碳烟颗粒．从火花塞跳火到火焰传播至整个燃烧室的过程中，没有发生自燃，压力曲线上也未出现压力振荡．但可以看出，火焰向图像下方传播的速度要高于火焰向右方传播的速度，这可能是由于活塞偏心和制动后的机械振荡导致气流主要沿竖直方向形成滚流，使火焰加速向下传播．

图5 p0＝0.04,MPa时丙烷-空气点燃时的压力曲线和火焰发展图像

图6为0＝0.06,MPa时缸内的燃烧情况，由图6(a)可知火焰在14.66,ms时还未传播至整个燃烧室，说明此工况下火焰速度较0＝0.04,MPa时有所下降，且由于燃烧温度升高，碳烟的生成明显减少．火焰在传播到约点火后14.66,ms时，由于末端的压力升高至4.50,MPa，火焰的传播变得很慢，压力曲线停止升高，如图6(b)中—阶段．在17.17,ms时，图像右上角出现了自燃点，形成一道浅蓝色的火焰面，传播速度约为262,m/s，速度远高于主火焰速度，但低于当地声速(约为501,m/s)，该火焰面在17.86,ms时扫过所有未燃区域．压力曲线上与17.23,ms相对的位置出现了小幅压力突增，说明了自燃对剩余气体的迅速消耗．但是自燃后的压升仅为0.10,MPa，说明该末端未燃气体的量较小，自燃产生的压力波幅值较低．

图6 p0＝0.06,MPa时丙烷-空气点燃时的压力曲线和火焰发展图像

2.2.2 弱爆震

当进一步提高初始压力至0＝0.08,MPa时，压缩后的混合气能量密度更高，燃烧放热更加剧烈，使得末端气体受压缩的程度更大，末端未燃气体的自燃倾向进一步增加．如图7所示，几乎与0＝0.06,MPa工况在相同位置发生自燃，但自燃时刻提前了1.62,ms，此时末端未燃区域也更大．其自燃火焰速度约为247,m/s，依旧低于当地声速．由于末端未燃气体剩余更多，自燃放热导致的压升也更高，从6.0,MPa跃升至6.5,MPa，随后的压力振荡幅值达到了0.1,MPa．由于压力波的强度较之前工况提高，可以从连续播放动画看出自燃后已燃区域的发光碳烟及主火焰发生了一定程度的往复振荡．

图7 p0＝0.08,MPa时丙烷-空气点燃时的压力曲线和火焰发展图像

2.2.3 超级爆震

进一步提高初始压力至0＝0.10,MPa．与0＝0.08,MPa时展现出的变化规律相同，由于能量密度的提升，燃烧放热更多，末端气体受压缩程度更严重，因此自燃时刻提前，本次试验中，自燃出现于火花点火后14.03,ms，如图8所示．与0＝0.08,MPa的情况不同的是自燃后的火焰速度较之前大大提升，平均速度达到591,m/s，超过当地声速546.9,m/s．因此火焰面前方的压力开始汇聚，压力波峰值开始提升，对前方未燃区域的加热作用更加明显，促进火焰面的进一步放热，进而不断加强前驱的激波，复现了SWACER机理中描述的现象．

由于壁面作用，自燃火焰沿壁面传播得较快，SWACER现象更明显，因此在壁面附近的自燃火焰面处，率先出现了局部热爆炸现象，进而形成一道更明亮、传播速度更快的火焰面．该火焰面速度约为2,105,m/s，与该条件下未燃气体的C-J爆轰速度1,855,m/s较为接近，并在传播中逐渐减速至1,814,m/s，说明该火焰面一开始为超声速爆燃，紧接着转变为C-J爆轰，这便是所谓的燃烧模式转变现象．爆轰波向燃烧室圆心方向传播的速度迅速降低至1,235,m/s，这是由于圆心附近气体已燃尽，爆轰波退化为激波，失去能量的输入进而减速．由于燃烧室右下方残余的未燃气体较多，爆轰波主要沿该区域壁面从右向左传播，且维持C-J爆轰速度的时间较长．可以观察到，局部热爆炸产生的火焰面和激波在压力传感器附近的位置汇聚并在14.14,ms时发生反射，进而在压力曲线上产生了超出传感器量程25.0,MPa的压升，该激波无论幅值还是传播速度均大大高于前述所有自燃产生的压力波，也因此产生了频率很高的强烈压力振荡．从拍摄到的连续动画可以看出，激波作用下的自燃火焰面和已燃区域均发生了剧烈的往复．在重复多次超级爆震工况下的试验后，石英玻璃出现了裂纹，说明该强度的压力振荡对燃烧室的破坏作用非常明显．

图8 p0＝0.10,MPa时丙烷-空气点燃时的压力曲线和火焰发展图像

3 结 论

本文基于一台新型快速压缩机试验平台开展了不同初始压力和当量比对丙烷-空气混合气自燃及爆震特性的影响，并通过光学测试的方法分析了丙烷不同爆震强度的产生机理．得到如下结论.

(1) 能量密度对爆震强度具有明显促进作用．相同初始温度和当量比条件下，随着初始压力的提高，缸内压力振荡强度逐渐由无振荡(正常燃烧)到强烈振荡(爆震和超级爆震)转移．同时，压力振荡的产生与着火方式并无绝对关系，其振荡强度主要取决于自燃发生前末端混合气的状态．

(2) 爆震发生时总是伴随局部未燃气体的产生，且爆震强度与未燃混合气的面积(即未燃质量分数)呈正相关关系．相同条件下，随着能量密度(如进气压力)的提升，自燃发生时未燃混合气区域越大，自燃形成的压力波强度也越高．

(3) 超级爆震的形成是由于自燃火焰的超声速传播导致压力波在火焰面前方的汇聚，最终导致爆燃向爆轰转变．爆轰发生时形成的C-J爆轰波在压力传感器处汇聚反射，从而形成峰值极高的压力振荡．

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Experimental Study of Spontaneous Combustion Characteristics and Knocking Mechanism of Propane

Chen Rui，Zhang Pengfei，Pan Jiaying，Wei Haiqiao，Shang Yibao

(School of Mechanical Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China)

In order to reveal the mechanism of propane auto-ignition and knocking combustion，an experimental study was carried out on a newly designed rapid compression machine，and the auto-ignition and knocking combustion of propane/air mixture under different intake pressures and equivalence ratios were investigated through synchronous test of transient pressure and high speed camera in measurement of in-cylinder combustion process. The results show that knocking severity is significantly increased with the increase of initial intake pressure. There is no absolute relationship between pressure wave generation and ignition method，and the amplitude of pressure oscillations mainly depends on end-gas mixture thermodynamic state before auto-ignition occurrence. Mild and weak knocking combustion are induced by end-gas auto-ignition，and the larger area of unburned mixture zone when auto-ignition occurs，the stronger the knocking severity. The formation of super-knock is caused by the propagation of supersonic auto-igniting flame that leads to the convergence of pressure wave in front of flame front. And eventually，a transition from the deflagration to the detonation mode is induced，which is accompanied by extremely high pressure oscillations.

propane；spontaneous combustion characteristics；rapid compression machine(RCM)；super-knock

the National Natural Science Foundation of China(No.91641203，No.51476114 and No. 51706152) and the Natural Science Foundation of Tianjin，China(No.18JCQNJC07500).

10.11784/tdxbz201805058

TK442

A

0493-2137(2018)12-1217-06

2018-05-25；

2018-07-01.

陈 锐（1963—  ），男，博士，教授，r.chen@lboro.ac.uk.

潘家营，jypan@tju.edu.cn.

国家自然科学基金资助项目(91641203，51476114，51706152)；天津市自然科学基金资助项目(18JCQNJC07500).

(责任编辑：金顺爱)