复合稀释燃烧汽油机分层火焰特征

姚 远，陈 韬，谢 辉，赵 华

(天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室，天津 300072)

分层火焰引燃SFI(stratified flame ignition)汽油SI-CAI(spark ignition-controlled auto-ignition)复合燃烧，是一种具有应用潜力的高效稀薄燃烧方式.通过喷射策略和流动组织，使火花塞附近的燃油浓度区别于总体的当量比，形成分层火焰区，以满足复合燃烧高废气率条件下稳定着火和火焰传播的需求进而触发和控制周边稀释混合气的自燃着火.由于火花点火的存在，复合燃烧的相位调控相较于均质压燃(homogeneous charge compression ignition，HCCI)也更加灵活直接.Xie 等[1]和Zhang 等[2]对复合燃烧进行了研究，证实了两阶段复合燃烧控制的可行性.马自达公司将空气稀释下的复合燃烧模式应用于其高压缩比发动机上[3]，采用2～3 的过量空气系数，提高了发动机的热效率.Wang 等[4]利用三维仿真深入研究了复合燃烧与HCCI 之间的区别，发现前期火焰传播过程会导致周边本不足以自燃的未燃区状态，趋向于满足自燃条件，复合燃烧前期火焰传播阶段的放热对后期自燃的控制会起到决定性的作用.李洪涛等[5]的研究表明，SFI 策略可改变缸内燃油分布，进而影响复合前期火焰传播和后期自燃过程.直喷比例增加虽然会提升火焰传播阶段平均放热速率，但是，周边混合气变稀，也会使触发自燃变得困难.因此，实现快速稳定的前期局部火焰传播过程是复合燃烧控制的关键要素，这就需要深入研究复合燃烧初始和边界条件下各参数对火焰传播特征的影响.

关于汽油机中火焰传播的研究历史悠久，Heywood[6]曾对此进行了深入细致的总结，包括不同当量比下的层流火焰传播速度和内燃机中一般的湍流火焰传播计算模型等.但复合燃烧的背景条件与传统汽油机存在显著的不同.传统汽油机压缩比低，压缩终了的燃烧初始温度一般处于550～650 K 之间[7-8]，其火焰传播速度也处于较低水平，在1～8 m/s之内.传统汽油机所能承受的废气率也很有限.但是为达到后期自燃的温度、压力等条件，复合燃烧汽油机常采用较高的压缩比，导致燃烧开始时刻(20°CA BTDC)的缸内温度可达670～780 K.温度的提升能够显著加快前期火焰的传播.火焰传播释热过程中，会使得缸内温度进一步提高，在上止点附近可达950～1 000 K，进而诱发自燃.为控制放热速度，稀释工质如废气和过量空气也会被大量使用.稀释工质的加入会抑制火焰传播并降低其速度.因此，复合燃烧的背景条件变化会对火焰传播特性产生正反两方面的影响.分层火焰引燃策略的引入也同时引入了混合气浓度这个对复合燃烧前期火焰传播产生影响的主要参量.

针对类似复合燃烧边界条件下的火焰特征分析，威斯康辛大学的Fansler 等[9]分析了火核周围的不规则对流流动以及局部稀薄的混合物对燃烧稳定性的影响.Pera 等[10]研究温度和废气稀释的不均匀性对火焰不规则发展的影响，但尚未系统性考察分层火焰引燃复合燃烧背景条件下的火焰传播特征，特别是高温、高废气和局部当量比的耦合影响.考虑到复合燃烧前期火焰传播对整个燃烧过程的控制有着决定性的影响，因此，有必要开展复合燃烧背景下，高温、高稀释和浓混合气等变量对于火焰传播特征的影响，从而为构建合理分层火焰引燃策略提供指导.

1 实验系统

1.1 光学发动机实验平台

实验基于一台单缸的光学发动机平台开展.该光学发动机的基本参数如表1 所示，实验工况点设置如表2 所示.其结构形式采用单缸独立缸套和加长的鲍迪奇式活塞，燃烧室的光学信息通过石英活塞顶，经过下部放置的45°反射镜反射后，进入成像设备.加长活塞顶部的光学视窗直径为71 mm.图1 展示了围绕该光学发动机平台所搭建的实验系统，包括电力测功机、进气加热、外部废气再循环(EGR)模拟系统、数据采集和同步系统等.

外部废气率定义为引入的外部废气质量占进气门关闭之后的缸内工质质量的比例.由于光学发动机较短的运行时间，常规的外部EGR 系统难以从排气中将废气引入进气系统.所以实验中的EGR 是通过外置的氮气(N2)和二氧化碳(CO2)按照体积比5.9∶1 的比例混合而成.该混合比例是通过假设燃料完全燃烧，按照汽油的化学当量比计算得出.混合气中 N2和 CO2的流量由两台量程分别为 0～30 L/min 和0～5 L/min 的Horiba-Metron S49 33/MT型气体流量计控制，其精度为±1%.虽然在模拟的外部EGR 中不包含燃烧产物之一H2O，且完全燃烧的假设也忽略了外部EGR 中含有的微量活性组分的存在.但是，燃烧采样分析结果显示[11]，外部EGR 中微量活性组分的变化对燃烧相位并无显著影响.因此，本研究中对模拟外部EGR 组分的简化假设并不会对结果产生明显影响.同时，由于实验中总废气率和燃烧初始温度难以获得，采用一维仿真软件GTPOWER，通过实验中测定的外部EGR 率和进气温度获取了各个实验点的仿真总EGR 率及燃烧初始温度，发现外部EGR 率与总缸内残余废气率RGF呈线性正相关，因而可以利用RGF直接表征缸内的废气稀释程度.实验中空燃比的精确测量也尤为重要，本实验使用了ETAS 公司的LSU4.9 型空燃比分析仪，测量的总误差在1%之内.

1.2 光学图像采集系统

为了研究分层火焰引燃复合燃烧的火焰传播特征，利用一台高速摄像机来捕捉缸内着火的化学发光信号.该摄像机的拍摄帧率为7 000 帧/s，在发动机600 r/min 的转速下约对应曲轴转角0.514°CA.高速摄影相机通过一台DG645 数字信号延时器与发动机控制单元同步.图像处理参考Aleiferis 等[12]的方法，将输出的图像数据进行二值化处理，以获取火焰轮廓和面积等参数.火焰面发展速度根据Heywood[6]的球形火焰假设进行计算，在实际运算中以火焰的平面投影面积为准：

式中：ΔA/Δt 表示单位间隔时间内火焰投影面积的变化；L 表示与平面投影火焰等面积圆的周长，平面投影火焰面积为两组间隔火焰面积的平均值.

2 实验结果与分析

2.1 平均火焰传播速度

在汽油机中，火焰传播速度受到诸多参数的影响，如图2 所示的相同边界条件下多循环平均火焰传播速度.在火核形成阶段，由于缸内的温度水平较低，火焰传播速度较慢.之后未燃混合气受到已燃区传热传质作用，火焰的传播速度得以提升，火焰发展逐渐稳定，火焰传播速度维持在一定范围内.但当火焰面超过视窗的可视范围时，由于视窗范围外的火焰面积未计算在内，导致火焰传播速度下降，测得的火焰传播速度不再保持同一水平线.Aleiferis 等[12]与Ihracska 等[13]的研究表明，由于稀燃SI 发动机的工作范围受限于早期火焰的稳定发展，早期火焰发展阶段通常对应于燃料燃烧0～5%的质量分数.从图2中也可以看出CA 05(燃料燃烧5%的质量分数时的曲轴转角)对应于火焰的初期发展阶段，且位于火焰保持稳定传播的区间内.考虑到分层火焰引燃复合燃烧的火焰传播处于放热的初期阶段，为了研究各个参数对平均火焰传播速度的综合影响，采用稳定传播区间的火焰传播速度平均值，表征该工况下的平均火焰传播速度.平均火焰传播速度用以代表某一条件下火焰发展快慢，从而方便考量各参数对火焰传播速度的影响程度.

图2 λ＝0.9时的平均火焰传播速度Fig.2 Average flame propagation velocity at λ＝0.9

图3 展示了不同当量比下，进气温度为20 ℃时缸内残余废气率对平均火焰传播速度u 的影响.燃油加浓能够大幅提升前期火焰速度，λ为0.9 时的火焰传播明显快于λ为1.1 时，这是由燃料燃烧的化学反应动力学决定的，汽油燃烧时，λ等于0.9 时的层流火焰速度要快于λ等于0.85 时，因此在内燃机中，相同的缸内条件下的湍流火焰速度也呈现这样的趋势.而λ的增大会更早达到废气稀释极限，使燃烧无法稳定进行.对比浓稀混合气加入废气时的火焰传播速度：不添加外部废气时(RGF为12%左右)，浓混合气的火焰传播速度约为10.5 m/s，相比于稀混合气增加30.1%；当废气率为28%时，浓混合气的火焰传播速度相比于稀混合气增加34.4%，其提升率与无外部废气时相比有所增加.除此之外，λ大于1 时的火焰传播速度与λ小于等于1 时出现明显的断层，这说明空气稀释也能对火焰产生减速作用，而且λ大于1时的火焰传播速度也受废气稀释的影响.在高废气率下，废气对燃油加浓工况的火焰传播速度抑制作用不再呈线性下降，说明其抑制作用减弱.在本实验中，提高了进气温度至120 ℃，与进气温度为常温时比较，其平均火焰传播速度整体加快 2.5 m/s 左右.因此，在高温、高稀释和加浓情况下的复合燃烧比传统汽油机中的火焰传播更快且更稳定.

图3 λ与残余废气率对火焰传播速度的影响Fig.3 Effects of λ and residual gas fraction on flame propagation velocity

对于废气和空气两种稀释策略，废气中N2和CO2占绝大部分，对燃烧和火焰的传播起到抑制作用.而空气稀释除了加入大部分的N2和CO2之外还加入了O2，这意味空气稀释使燃料燃烧超过化学当量比.虽然当量比对层流火焰传播的研究比较充分[14]，但在发动机中，同等工质下空气稀释和废气稀释分别对火焰传播抑制作用上的差异还不明确.通过比较二者对于火焰传播的作用，才能确定复合燃烧中废气和空气稀释的合理比例.图4 为受空气稀释和废气稀释的火焰传播速度云图，所展示的实验点进气温度都为20 ℃.图中比较了两种工质稀释对火焰传播速度u 的影响程度.其中选取λ为1，缸内残余废气率为12%(此时外部EGR 为0)的实验点为基准点，用坐标原点表示.废气稀释程度定义为进气门关闭后缸内废气质量与总工质质量之比，空气稀释程度定义为化学计量比之外的新鲜空气质量与总工质质量之比，负值代表采用了燃油加浓.

其中 dair表示空气稀释度.图中横轴右半部分显示随着空气和废气稀释程度的增大，火焰传播速度均有下降的趋势，且下降的速度基本一致.在横轴上，只增加空气稀释程度，火焰传播速度从9.9 m/s 减小到5.7 m/s.这与纵轴上表示的纯废气稀释对火焰的减速作用效果相当.但当废气稀释和空气稀释同时存在时，低稀释度和高稀释度对火焰的影响表现出差异：当稀释程度较低时，相比于纯废气或纯空气稀释，同等质量的组合稀释下火焰传播速度最大；而当稀释程度变大时，组合稀释下的火焰传播速度则最慢，尤其是在废气稀释和空气稀释较大的这一区域，火焰传播最慢.因此，在复合燃烧中，混杂使用废气和空气稀释的方法，当稀释度较高时，对前期火焰传播速度非常不利，而在废气稀释时，浓混合气的作用对火焰传播增强比较明显.

在图4 横轴的左半部分则显示燃油加浓时的火焰传播速度快慢，此时火焰传播受到的抑制作用主要是受废气稀释的影响，而加浓的当量比对火焰传播有促进作用，且在λ处于0.9 左右时火焰传播最快.相对于λ大于1 的稀释策略，火焰传播速度最大增加40%.结合图3 和图4，当λ处于0.9 时，火焰传播速度最快，是组织分层火焰中心浓区的合理当量比.

图4 空气稀释与废气稀释对火焰传播速度作用能力比较Fig.4 Comparison between effects of air dilution and residual gas dilution on flame propagation velocity

2.2 火焰的不均匀发展与各向发展速度

通过光学实验结果发现：在高废气率下，火焰普遍出现偏移现象，如图5 所示.不同于低废气率下近圆形的火焰形态，废气率越高火焰前锋面越不均匀，表面褶皱越多，并偏向缸内的特定方向发展.尤其是图5 中废气率等于27%的火焰图像，火焰偏向视窗左下角发展，同时展现不规则的火焰表面形态，这可能是废气在缸内的不均匀分布导致的.由于高废气率下火焰的不均匀发展，使用平均火焰传播速度已经难以评估火焰在各个方向上发展的差异.笔者提取了原始火焰图像的边界，得到火核位置到各个方向上边界点的位移，并计算出了火焰在各方向上的发展速度.以图5 内的3 种火焰传播为例，图6 展示了3 种火焰在不同方向上的扩散速度(根据之前所述，选取CA 05 时刻的火焰传播速度).当缸内残余废气率为27%时，火焰向50°～160°方向发展缓慢，这与图5所示的火焰发展一致.这些方向上的发展使整体火焰传播变慢，也使火焰的形状变得不规则.为了评价火焰不规则程度，采用曲线的标准差表示曲线上各点的离散程度，它可以表示各方向上的火焰速度的不均匀性，其公式如下：

图5 不同缸内残余废气率下的火焰发展灰度图像Fig.5 Gray-scale images of flame development at different residual gas fractions

式中：ui为单方向火焰传播速度；u 为平均火焰传播速度；N 为火焰发展方向的采样个数.δ分别为0.900 4、1.057 9 和1.751 5，δ的增加说明火焰前锋面的圆度越来越小，火焰发展越来越不规则.因而在高废气率高温条件下，通过Heywood 球型假设计算出的火焰膨胀速度可能出现偏差.

图6 火焰的各向发展速度Fig.6 Flame propagation velocity in all directions

为了验证废气分布对火焰传播中形态产生的影响，采用CFD 对冷流状态下缸内的废气分布进行了研究，即在不进行点火的条件下，只对缸内流动及物质分布进行了计算，通过缸内废气的分布探究其对火焰传播偏移的影响，如图7 所示.在上止点前20°CA(点火时刻)至上止点这一段曲轴转角内，缸内废气集中分布在缸壁周围靠近右边的区域.随着时间的推移，废气逐渐向气缸中心发展.当废气率高时，废气率的增加使着火准备期变长，火核形成更慢.而着火准备阶段越长，废气向中心的分布就越集中.结合图5 中的火焰发展图像及图7 中上止点的废气分布图像，发现火焰发展区域与废气聚集区域完全分布在不同的方向上.火焰分布于缸内左下角区域，而废气分布于缸内右上角区域.这也验证了废气分布不均匀对火焰发展不均匀的决定作用.由于流动产生的缸内废气分布阻碍了前期火焰向这一方向的发展，迫使火焰在发展过程中只偏向废气分布少的左侧.通过对缸内工质运动的分析，发现废气在缸内的不均匀分布是由于随进气道布置的外部EGR 入口以及缸内滚流及涡流运动过程综合作用而形成的.由此说明，高稀释条件下的火焰在发展阶段会出现偏移，这也是导致复合燃烧前期火焰传播产生不稳定的因素之一.根据前人的研究结果[15]，非反应气体会稀释扩散过程中的燃料分布，削弱反应区与未反应区的传热传质作用，从而影响燃烧温度并抑制火焰的发展.大量的惰性气体还会淬熄和阻止火焰传播.

图7 CFD仿真得到缸内废气质量浓度分布Fig.7 Distribution of RGB obtained by CFD simulation

从火焰的发展来看，图8 展示了当λ 等于0.9，缸内残余废气率为20.3%时的火焰特征.为了观察火焰不均匀性，对火焰发光的辐射强度进行了处理，得到图8 和图9.从图8 中可以看出，火焰锋面前方出现了新的着火点，着火点以类似于火焰传播的方式向外发展，在4 张拍摄图片之后与主火焰融合在一起，在所设置的实验点中，当λ＝0.9，废气率在20%左右时，在重复的20 个工况点，均出现了火焰面外，靠近火焰面的位置，未燃混合物中出现少量自燃的现象.这种火焰发展方式在原先的火焰面外出现极小规模的火焰传播，相当于增大了主火焰的传播速度.观察此时的放热率，放热率的计算方法参考Xie等的论文[7].放热率的一阶导数为正，放热速度在逐渐增加.对比λ＝1.1 时废气率相近的实验点，则没有出现这种自燃点加速火焰的现象，前期火焰传播阶段对应的放热率也呈线性增长.因此，在同等程度的废气稀释作用下，燃油加浓可以诱发锋面前出现自燃加速现象，从而使得稀释火焰在局部的火焰传播得到提高，放热速度更快也更稳定，从而可以成为促进复合燃烧后期自燃的有效控制手段.

图8 火焰边界着火点与放热率Fig.8 Auto-ignition point outside the flame and heat release rate

由于出现自燃点的位置特殊，位于火焰传播方向的270°，对该工况的各向火焰传播速度做了统计，如图9 所示.发现在270°附近，受到火焰边界外围的自燃点影响，这一方向的火焰传播速度大幅增加，相对于本工况的平均火焰传播速度u＝8.5 m/s，u270能达到17 m/s，这归功于自燃点的产生，火核在一段时间内的火焰传播，最终与主火焰融合的过程.

图10 为3 种不同条件下的火焰RGB 图像，用来对比和分析高温稀释火焰的火焰特征.其中，只有λ为0.9，RGF为20.3%时，在-4.0°CA 火焰刚刚发展起始，到0°CA 左右火焰基本占据了整个视窗面积为止，火焰峰面外靠近火焰面的地方出现了一些自燃点.而相同废气率，采用空气稀释策略下的火焰，没有出现此类现象.这说明燃油加浓在一定程度上能够在锋面前引发自燃点的产生.但当量比并不是火焰周围出现自燃点的唯一要素.相同当量比，废气稀释程度略低时，火焰面外围也没有出现着火点.只在废气浓度适合时才出现的自燃点现象，可以解释为：当废气率低时，火焰传播较快，火焰周围还没达到出现自燃点的温度条件，主火焰就已经传播到此处.而当废气率进一步升高，火焰传播速度变慢，传热速度相对较快，从而使火焰周边出现了自燃点.因此，局部燃油加浓结合废气稀释的燃烧方式在复合燃烧SFI 策略中应用更为广泛.尽管如此，废气的引入所带来的火焰传播减速作用仍不能忽视.并且废气的增多还会使火焰形状变得不规则.

图9 自燃点对火焰边界各向传播速度的影响Fig.9 Influence of local auto-ignition on f lame propagation velocity in all directions

图10 3种不同条件下火焰传播特征Fig.10 Flame propagation characteristics under three different conditions

3 结论

(1) 稀释分层条件下火焰传播特征不同于传统汽油机.局部燃油加浓能够大幅提高火焰传播速度.对比浓稀混合气加入废气时的火焰传播速度，无外部废气时，浓混合气的火焰传播速度约为10.5 m/s，相比于稀混合气增加30.1%；当废气率为28%时，浓混合气的火焰传播速度相比于稀混合气增加34.4%，其提升率与无外部废气相比有所增加.进气温度提升至120 ℃，与进气温度为常温时比较，其平均火焰传播速度整体加快2.5 m/s 左右.综合高温、高稀释和燃油加浓条件，复合燃烧下的前期火焰传播比传统汽油机中的火焰传播更快且更稳定.

(2) 高废气率下的火焰锋面形状不规则，这主要是由于废气的不均匀分布导致的.统计了火焰的各向发展速度，由于废气率的增加，火焰前锋面的圆度越来越小，火焰发展开始出现不规则形状.结合火焰图像和CFD 结果分析，过多的废气会使火焰产生偏移，这是由于废气在缸内的分布不均导致的.废气的不规则分布作用于火核形成和火焰传播两个阶段，使初期形成的火核偏移，同时阻碍了前期火焰向废气聚集区的发展，从而导致了火焰发展出现各向异性.

(3) 在适当稀释与燃油加浓条件下，火焰周围会出现少量自燃点，提升火焰在自燃点方向上的传播速度.相对于该工况的平均火焰传播速度u＝8.5 m/s，自燃点方向上的火焰传播速度u270可达到17 m/s.这归功于自燃点的产生、火核在一段时间内的火焰传播、最终与主火焰融合的过程.

因此，在复合燃烧发动机缸内高温和高稀释条件下，采用分层引燃策略，合理地控制混合气当量比，有助于提高前期火焰传播速度，更加稳定地引燃周围稀释混合气，实现对整体复合燃烧过程的控制.