基于定容弹的天然气燃烧特性的试验研究∗

吴重敏，李 铁，邓康耀

(1.上海交通大学高新船舶与深海开发装备协同创新中心，上海 200240； 2.上海交通大学，海洋工程国家重点实验室，上海 200240；3.上海交通大学，动力机械及工程教育部重点实验室，上海 200240)

前言

天然气发动机采用稀薄燃烧技术可给发动机带来提高热效率、降低燃烧温度等诸多益处[1-2]。但影响稀燃的一些重要控制参数还须通过试验来进一步优化[3]。可是，实际发动机燃料-空气缸内混合过程和燃烧过程受到进气流动状态、传热损失和残余废气等诸多因素的影响，同时，燃烧过程伴随着活塞运动和由活塞运动带来的缸内压力和气流运动变化，这些因素的综合作用导致实际发动机缸内燃烧过程非常复杂[4-5]。发动机台架试验只能从宏观上得出天然气发动机燃烧和排放特性的影响规律，而定容弹可不考虑进气流动和残余废气对燃烧过程的影响，燃烧过程相对简单，没有活塞运动导致的容积变化，比较适合于燃烧基础特性的研究[6-7]。

1 试验装置与试验方法

1.1 定容弹试验系统

本文中所使用的定容弹试验系统如图1所示，主要包括高压气源、预混容器、光源、加热模块、电控模块、进排气模块、定容弹本体、高速相机、点火模块和数据采集模块等。该定容弹设计的最高耐压为10MPa，定容弹本体为方形结构，共6个可拆卸安装窗口，分布在顶底左右前后6个面上，试验所用透光窗口为蓝宝石玻璃，具有很好的耐高压、耐高温和高强度性能，在燃烧试验中，需要开启加热模块将玻璃窗口预热，防止内外表面温差过大而造成损伤或爆裂。

图1 定容弹试验系统示意图

1.2 试验方法

本文中主要研究不同过量空气系数和点火能量对天然气燃烧的影响，表1为试验相关参数。试验按照以下步骤进行:(1)根据选定的过量空气系数，按比例将天然气和高纯空气充入预混容器，先搅拌后静置以充分混合；(2)通过加热模块将定容弹加热至165℃左右，并对定容弹进行扫气抽真空；(3)将均质混合气充入到定容弹至初始压力；(4)操作点火系统进行点火，同时触发高速相机拍摄记录纹影图像；(5)保存纹影图像和压力数据等；(6)排气抽真空准备下一个工况点的试验。

表1 试验相关参数

试验中，先选定过量空气系数，然后通过调节点火系统来改变点火能量。每个工况点重复3～5次，其中，边界点重复15～20次以计算点火成功率。通过对采集记录的压力数据和纹影图像进行整理，分析各试验参数对天然气燃烧的影响。

2 纹影法

定容弹燃烧试验需要记录中心电极点火后火焰的传播特征，采用纹影法光路进行拍摄是比较好的选择。纹影法的基本原理是通过介质的密度变化造成对光的折射率的变化来进行成像，并将观测到的不均匀透明介质折射率的内部变化转换成平面上照度的变化，进而记录透明介质密度梯度的变化[8]。

纹影系统按组成器件不同，可分为透射式和Z形反射式两种。本文中试验采用Z形反射式，有利于玻璃窗口发生意外时保护相机等关键设备。图2为纹影法试验系统实物布置图。本文中主要研究有风扇扰动的湍流环境中火焰传播特征。其中，风扇位于容弹壁面附近，其旋转轴线与点火电极处于同一平面上(参见图3和图4)。

图2 纹影法试验系统实物布置图

3 试验结果与分析

3.1 点火能量对火焰传播的影响

火焰发展过程的纹影图像提供了天然气燃烧过程的直观信息。图3为过量空气系数为1.3的工况下不同点火能量的火焰发展过程纹影图片。由图可见，在不同点火能量下的火焰发展过程比较相似，火焰形态也较为一致，均呈现球状向外发展直至碰壁。另外，由图还可看到，不同的点火能量下火焰传播速度几乎一致，说明火核一旦稳定形成，点火能量对火焰传播没有太大的影响。

图3 不同点火能量下火焰发展过程(过量空气系数为1.3)

3.2 过量空气系数对火焰传播的影响

图4 为点火能量为225mJ的工况下不同过量空气系数的火焰发展过程纹影图片。由图可见，不同的过量空气系数下，燃烧火焰的发展速度差别很大，点火后35ms时，过量空气系数1.1的工况燃烧火焰已经碰壁，过量空气系数1.3的工况燃烧火焰接近碰壁，而过量空气系数1.7时，燃烧火焰刚形成一个小球。

另外，点火后65ms时，过量空气系数1.5的工况燃烧火焰也接近碰壁，而过量空气系数1.7的工况燃烧火焰只发展至离壁面一半的距离，这说明火焰发展速度随着过量空气系数的增大而降低。另外，由于运转的风扇位于图像的右上角，从图中可以得到，图像上半部分的火焰传播较快，特别是过量空气系数较大的工况。

3.3 点火成功率

图5为不同过量空气系数和点火能量下，各工况点的点火成功率。

从图中可以看到，过量空气系数1.6以下的工况，150～300mJ的点火能量均能成功点火，过量空气系数1.8以上的工况，150～300mJ的点火能量均不能成功点燃混合气，在过量空气系数1.7的工况，随着点火能量由150增大到300mJ，点火成功率也逐渐从16%增至100%。因此，可以认为过量空气系数1.7～1.8为稀燃边界。

3.4 点火能量和过量空气系数对燃烧的影响

图4 不同过量空气系数下火焰发展过程(点火能量225mJ)

试验记录了燃烧过程容弹内的压力变化，放热率曲线通过压力数据计算而来。图6给出了过量空气系数为1.3、不同点火能量下的天然气燃烧压力曲线和放热率曲线。从图中可以看出:150mJ最高压力最低，并随着点火能量增加而依次增大，但总体上区别不大，可以认为，点火能量的变化对天然气燃烧压力的影响较小；同样，反映到放热率的变化上，点火能量的增大对于天然气放热快慢的影响也有限。最可能的原因是点火能量对混合气的影响主要在于初期火核的形成阶段，而点火成功火核稳定形成后，混合气开始燃烧放热，点火能量对这一阶段的影响非常有限。

图7为225mJ点火能量下，不同过量空气系数工况点的燃烧压力和放热率曲线的对比图。从图中可以看到，随着过量空气系数的增大，容弹内的最高燃烧压力随着下降，同时，最高燃烧压力出现的时刻更晚，这主要有两方面的原因:一方面，随着过量空气系数的增大，容弹内混合气变稀，燃烧速度变慢，导致整个燃烧持续期变长，这从放热率曲线上可更明显地看出；另一方面，由于各工况的初始压力相同，随着过量空气系数的增大，容弹内天然气含量减少，容弹内混合气燃烧放热总量变小，这是导致最高燃烧压力降低的主要因素。

3.5 流动状态对火焰传播速度的影响

图5 点火成功率

图6 不同点火能量下的压力曲线和放热率曲线(过量空气系数1.3)

图8 为选取的 X1，X2，Y1，Y2和 XY 5 个代表性的方向，如标识的箭头所示。图9列出了过量空气系数为1.3的工况不同点火能量下，火焰传播距离随时间的变化曲线。横轴为时间，纵轴为火焰锋面离点火中心位置的度量，已做归一化处理，最大值1表示已经碰壁。

图7 不同过量空气系数下的压力曲线和放热率曲线(点火能量225mJ)

图8 选取的5个传播方向

从图中都可以看出，火焰沿不同方向的传播速度差别不大，如果对比它们的细小差别，XY方向最先到达最大值，也即最先碰壁，其次是Y1和X1，最后是X2和Y2。这主要是因为前期火焰在电极间隙周围发展，风扇造成的气流扰动对电极间隙处的影响有限，而火焰发展后期，XY，Y1和X1方向上火焰锋面已经进入到风扇的高湍流区，导致火焰传播速度更快。这意味着较大的湍流流动对提高火焰传播速度具有很好的促进作用。

图9 火焰传播距离随时间的变化曲线

4 结论

本文中在试验的基础上研究过量空气系数和点火能量对定容弹内天然气燃烧的影响，可总结出以下几点结论。

(1)相同的点火能量下，随着过量空气系数增加火焰传播速度降低；点火能量对燃烧压力的影响非常有限。

(2)在本文试验条件下，过量空气系数超过1.8之后，150～300mJ的点火能量均无法使混合气成功着火燃烧；在过量空气系数1.7的边界点，点火成功率随着点火能量的减小而降低。

(3)从5个代表性的方向上可以看出，进入到火焰发展后期，XY，Y1和X1方向上火焰传播更快，说明在试验风扇转速下，较大的湍流流动对提高火焰传播速度具有很好的促进作用。