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天然气火花点火发动机的PREMIER燃烧与爆震压力振荡的区别

摘要

当主燃烧火焰传播快结束时，在PREMIER燃烧（末端气体区域内的燃料预混合点火，PREmixed Mixture Ignition in the End-gas Region）伴随着末端气体区域内的自动点火发生燃烧。自动点火是由主燃烧火焰引起的压力和温度的升高而引起的。与发动机爆震相似，当发动机进行这种类型的燃烧时，热量分两个阶段释放。这种形式的热释放在正常燃烧时不会发生。然而，发动机爆震会引起压力振荡，对发动机造成致命的损害，而PREMIER燃烧则不会。本研究的目的是阐明天然气火花点火发动机的PREMIER燃烧，并区分爆震和PREMIER燃烧的原因。利用压缩膨胀机(CEM)进行了燃烧可视化和缸内压力分析，研究了天然气火花点火发动机末端气体区域的自燃特性。我们可以观察到伴随着压力振荡，爆震在火花计时和初始气体条件下会产生PREMIER燃烧。在正常燃烧和PREMIER燃烧过程中则没有观察到压力振荡。研究发现，在燃烧火焰到达气瓶壁上之前，无论是爆震燃烧还是PREMIER燃烧末端气体区域的自燃都会导致二次压力的增加。自燃火焰区域在爆震过程中比在PREMIER燃烧过程中传播得更快。这导致了火焰传播区域和末端气体区域之间的突然的压力差和不平衡，随之而来的就是压力振荡。

关键词:天然气发动机;尾气自燃; PREMIER燃烧;火焰可视化;压力振荡。

1、介绍

全球的经济增长和全人口的增长导致了电力需求的持续增长。目前已经有多种发电方法，如已经使用多年的热能和核能，以及被认为是天然绿色能源的地热、潮汐、太阳能和风能。虽然可再生能源的发电量在不断增加，但由于可再生能源发电严重依赖于地理位置和天气条件，难以稳定供电。为了弥补这一不足，研究者们提出并研究了基于微网发电系统的供电方式。热电联产系统适用于微电网系统的应用。摘要在小型发电系统中，通常采用压缩点火柴油发动机和火花点火燃气发动机作为动力源。现在已经开始开发使用气体燃料的发动机系统，如天然气和氢，因为这些绿色替代燃料可以用来改善燃料经济性和减少内燃机的有害排放。随着与石油资源相关的环境问题的升级，对这些燃料的需求也随之增加，特别是对天然气发动机的研究越来越多，使用天然气发动机的热电联产系统已经开始引起人们的关注。

末端气体区域的预混料点火 (PREMIER)燃烧可能显著改善发动机效率。PREMIER燃烧主要发生在增压的燃气发动机中，如双燃料柴油机。随着柴油机喷油或火花塞点火过程的进行，在主燃烧加热的末端气体区发生自燃。在主燃烧过程中，火焰的传播控制了热量的释放。在性能和热效率方面，PREMIER燃烧则比常规燃烧优越得多。它不会引起较大的压力振荡，而压力振荡是发动机爆震的典型特征之一。然而，目前我们还没有一个详细已知的原则，支配PREMIER燃烧。因此，需要对末端气体自燃进行进一步的研究，特别是爆震过程中产生压力振荡的原因。

爆震有各种各样的名称，如不必要的提前点火、超级爆震、爆震等。由于爆震对内燃机具有意想不到的严重影响，许多研究者分析了导致爆震的末端气体自燃的燃烧类型。由于燃烧过程导致爆震的速度极快，摄影图像为爆震燃烧的基本原理提供了重要的见解。在此之前，我们在发动机爆震过程中观察了自燃的内核，并对端气混合物内部的低温动力学进行了频谱分析。

Bradley和他的研究团队推测，在热点出现的自动点火和压力脉冲与汽油发动机的爆震有关，并研究了热点位置的自动点火，以及自动点火速率对感应压力波振幅的影响。他们分析了这一过程中爆震的点火延迟和激发时间，并建立了一个xi;/ε坐标图。xi;是正常自燃速度下的声波速度,ε是声波在自燃热点正常激发所需的时间。他们发现他们的图表对评估发动机爆震很着明显的帮助。随着通过混合气的声速与自点火前沿定域速度之比的温度梯度的减小，诱导压力波的幅值和频率增大。然而，他们定义了温度梯度的自动点火速度。在研究发动机爆震时的压力振荡时，局部自点火传播速度的测量是很重要的。

已有多位学者对末端气体自燃及其后续波发展进行了数值研究。Terashima和Koshi分析了一个以正丁烷和正庚烷为燃料的一维恒容反应堆。研究了爆震过程中引起末端气体自燃强压力波的机理。他们发现，当初始温度较高时，自动点火发生在壁面，当初始温度降低时，自动点火则会发生在火焰前端的区域。因此，在不同的温度下，爆震由不同的机制控制，这些机制会产生不同强度的脉冲。

如上所述，大多数关于末端气体自动点火的研究都发现爆震对发动机有负面影响。但是，也有着一些重要的研究认为爆震的带来正面影响的。Azimov等人研究了柴油发动机PREMIER燃烧过程中的端气自燃问题。他们还研究了主燃料的组成对PREMIER燃烧的影响。Tomita等人利用燃烧可视化技术发现，在SI天然气发动机中可以发生PREMIER燃烧。并且在这种情况下，自动点火不会引起压力振荡。

在这项研究中，我们使用压缩膨胀机(CEM)来观察末端气体区域的燃烧。我们的目的是阐明天然气火花点火发动机的PREMIER燃烧现象。并通过分析气相压力和火焰图像，对端区自燃进行了表征，用爆震强度(KI)来评价燃烧状态。我们测量了自燃火焰在爆震和PREMIER燃烧两种情况下的扩散速率，以确定PREMIER燃烧中自燃不会引起压力振荡的原因。

2、实验仪器及条件

图1为实验装置示意图。我们使用了一个单一的CEM，内径和行程尺寸分别为92毫米和96毫米，压缩比为9.14。燃烧室是煎饼形的。我们将一个混合油箱连接到发动机气缸上，这样除了控制发动机壁面温度外，还可以控制充气时的温度、压力和当量比。我们用真空泵把发动机气缸和混合气箱抽空，然后在预定的压力下用均匀的预混混合气(天然气、氧气和氩气)填充。当我们启动发动机时，发动机是由一台转速为600转的电动机驱动的，混合气通过进气阀和连接的管道在气缸和混合气箱之间流动。最后，我们使用一个带有外部控制信号的螺线管电磁铁来关闭底部止动中心(BDC)的进气阀。气缸里的混合物被活塞运动压缩了。我们在飞轮根部上安装了一个720脉冲旋转编码器和光电断续器来测量曲柄角度和上止点(TDC)。同时，为了点火和安全目的，我们安装一个额外的光断续器用于确认阀门已经关闭。使用一台电脑来组合所有这些信号，这样就可以控制火花计时。燃烧图像是从火花开始拍摄的。

图一 实验装置原理图

表一 实验条件

图1还显示了燃烧可视化系统的布局。我们将一个直径为22毫米的光学窗口安装在对面的气缸盖上。这使我们能够在末端气体区域得到可视化的火焰传播和自动点火特性。我们使用高速摄像机(MEMRECAM GX-1, nac;图像技术公司)进行监测，帧速20000帧/秒。

实验条件如表1所示。初始混合气和气缸壁温度保持在343 K，初始混合气压力保持在90 kPa，火花时间变化范围为上止点(BTDC)之前的9°到5°。空气中的氮气被氩气(79%氩气，21%氧气)代替。氩用于在火花正时提高气体温度。氩的绝热指数高于氮。当氮气作为氩气时，由于压缩比较低，不能获得爆震燃烧。因此，由于采用稀燃条件进行热电联产，空燃混合气由天然气、氩气和氧气组成，当量比为0.8。

图2. 设定初始混合气压力为90 kPa，初始温度为343 K，正常燃烧、预混合气体在末端气体区域(PREMIER)燃烧和爆震时的时间序列可视化

3.实验结果与讨论

我们通过分析高速摄像机拍摄到的末端气体区域的可视化结果来评估燃烧状态。图2显示了正常燃烧、PREMIER燃烧和爆震燃烧各阶段火焰的图像。正常燃烧的火花正时、初始混合气压力和初始温度分别为6°BTDC、90 kPa和343 K。从火花的出现开始，在正常的燃烧循环中，预混火焰从发动机的右下侧传播到左上侧。图中，明亮区域是火焰，蓝白色区域是未燃烧的混合物。火焰前缘有褶皱状火焰，末气区无自燃粒。图2还显示了在与正常燃烧相同的初始压力和温度条件下，火花计时分别为7°BTDC和8°BTDC的PREMIER燃烧和爆震图像。正常燃烧仅表现为火焰的传播，而在爆震和PREMIER燃烧时，在燃烧火焰到达气缸壁之前，气缸壁附近会发生自燃现象。在末端气区自燃启动前和启动后，PREMIER燃烧和爆震曲柄角分别为10.5°ATDC和8.8° ATDC。图3是图2所示实验中爆震、PREMIER燃烧和正常燃烧的缸内压力和热释放速率(ROHR)特性的对比图。PREMIER燃烧最重要的特征是第二次ROHR峰，这一特征在正常燃烧的情况下不会出现，但在发动机爆震的情况下会出现。峰值是由末端气体区自燃引起的，然而，爆震会在压力达到峰值后产生高频压力振荡， PREMIER燃烧则不会产生这种压力振荡。此外，与正常燃烧相比，PREMIER燃烧的热效率更高，释放的碳氢化合物(HC)和一氧化碳(CO)更少，其氮氧化物(NOx)排放量则略大。

目前没有证据表明，可视化的末端气体区域在正常燃烧和PREMIER燃烧的压力波动。然而，火花正时和初始条件用于产生PREMIER燃烧，偶尔会诱发爆震。我们证实，压力振荡和燃烧火焰运动在这些情况下均会发生。自燃开始前和自燃开始后，测量曲柄角度，PREMIER燃烧时为10.5°ATDC，爆震时为8.8°ATDC。这些结果证实，ROHR迅速增加后，开始自动点火，因为它有助于第二放热阶段的燃烧过程。由于PREMIER燃烧和爆震时的最大ROHR分别约为100 J/°和170 J/°，所以自燃时的自燃强度明显高于PREMIER燃烧时的自燃强度。

本研究的目的是为了更好地、更详细地了解天然气火花点火发动机的PREMIER燃烧现象。这将有助于我们改善PREMIER燃烧的稳定性，并防止爆震严重损害发动机。基于我们的火焰图像可视化和燃烧分析，我们计算了各种指标，如末端气体面积和质量、自燃火焰蔓延速率和KI因子。

图3. 在与图2相同的实验条件下，各燃烧模式下的压力和热释放速率(ROHR)

采用末端气体区域分析和末端气体区域火焰可视化相结合的方法，对爆震和PREMIER燃烧进行了评价。我们使用在自动点火开始前拍摄的末端气体区域的燃烧火焰图像来估计末端气体区域。对燃烧火焰可视化的末端气体区域进行分析，将自燃发生前在末端气体区域拍摄的燃烧火焰图像转换为灰度图像，再转换为二值图像。二值化过程的界限值设置为70。最后，选取二值图像的黑色部分进行末端气体面积的计算。图4显示了自动点火前末端气体面积和曲柄角度之间的关系。火花正时为9°~ 5°BTDC，初始混合气压力保持在90 kPa，初始温度设置为343 K。我们的一部分实验结果产生了几乎为零的末端气体区域，因为由于燃烧火焰传播方向的变化，末端气体区域偶尔会移出视野。这些变化发生的原因是燃烧过程在缸内不产生层流火焰传播。然而，我们能够确定，在PREMIER燃烧过程中，末端气体的面积比爆震过程中要小。此外，我们能够在大约12° ATDC时，比较清楚地看到自动点火的开始时间，爆震后发生了PREMIER燃烧。因此，我们可以得出结论，早期的自动点火导致更大的末端气体容量，然后发生爆震。第二次的压力迅速增加引起了噪音和振动。由于自燃开始的时间越晚，末端气体面积越小，所以会发生PREMIER燃烧。在这种情况下，压力的增加是相对平稳的，所以没有强大的压力振荡。

图4. 末端气体面积与自动点火正时的关系

我们评估了燃烧在压力振荡期间的状态，并使用KI来量化。我们使用2.5 kHz高通滤波器提取压力数据的高频部分，然后计算波形的最大振幅，从而确定KI。图5显示了每种燃烧模式的KI特性之间的比较。与爆震条件下得到的波形相比，在正常燃烧和PREMEIR燃烧条件下得到的高通滤波缸内压力波形不包含最大振幅峰值。如图3所示，可以清楚地发现，爆震会导致压力峰值附近出现高频压力振荡，而在PREMEIR燃烧时则不会出现这种压力振荡。图6显示了在9°-5°BTDC范围内火花计时时，在自动点火开始之前，KI因子与末端气体质量之间的关系。混合气体的初始压力为90kPa，初始温度为343 K。我们估计的质量基于尾气废气质量区域和燃烧室的宽度考虑,决定从汽缸和活塞之间,在尾气的缸内压力和温度测量中提取出来的未燃烧气体自燃发生之前,通过将图像处理技术应用于燃烧可视化。即使末端气体质量增加，PREMEIR燃烧的KI因子几乎保持不变，约为0.06 MPa。另一方面，爆震的KI因子高于0.07 MPa。由于正常燃烧的KI因子约为0.05 MPa，所以PREMEIR燃烧时的KI因子表现为正常燃烧时的微噪声。此外，KI因子随端气质量的增加而增加。由此我们推断，自燃气体的量对KI因子有显著的影响。

图5. 各燃烧方式爆震强度(KI)特性的比较

本研究的最后一部分的目的是推断爆震和PREMEIR燃烧之间差异的潜在原因。在这两种情况下，自点火都发生在末端气体区，但只有爆震引起压力振荡。我们认为，当火焰传播与端区压力差迅速增大时，会发生压力振荡。因此，我们重点研究了自燃混合气的火焰传播速率对压力突变的影响。

图6. KI与末端气体质量的关系

我们使用超高速单色摄像机(Shimadzu Hyper Vision HPV-1;最大速度:1 Mfps)，将自动点燃的火焰用黑白显示，帧速在63 kfps以下。图7显示了自燃

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