關(guān)于射流點火的稀混合氣燃燒方案設(shè)計研究

介紹了等離子射流（PJ）點火器及脈沖射流（PFJ）點火器的結(jié)構(gòu)和工作原理，以及點火電路的特點，考察了PJ和PFJ點火方式在靜態(tài)或流動的稀混合氣中，以及高溫、高壓環(huán)境下提高點火效果的機(jī)理。同時指出，相比傳統(tǒng)的火花塞點火方式，PFJ點火具有促進(jìn)燃燒及擴(kuò)大稀燃運行區(qū)域的效果。

點火是實現(xiàn)發(fā)動機(jī)燃燒的重要過程。尤其是在每循環(huán)都必須點火的汽油機(jī)中，每分鐘都有幾百次甚至幾千次的反復(fù)點火。而且，為了滿足當(dāng)今極為嚴(yán)格的廢氣排放法規(guī)要求，必須避免發(fā)動機(jī)中的點火失敗現(xiàn)象。

從利用稀混合氣提高內(nèi)燃機(jī)熱效率的觀點出發(fā)，介紹能可靠點燃稀混合氣并促進(jìn)燃燒的等離子射流（PJ）點火，以及脈沖射流（PFJ）點火等射流點火技術(shù)。

1 PJ點火和PFJ點火

1.1 PJ點火

圖1為PJ點火器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2示出了PJ點火器中的點火電路。PJ點火器與普通火花塞的尺寸大致相同，也有極小的腔室和噴孔。點火器工作時，在腔室中形成高能量放電，然后從噴孔向燃燒室中噴出射流，點燃燃燒室中的混合氣。腔室中的放電是在陰極一側(cè)中心電極與陽極一側(cè)孔板之間（間隔6.0mm）產(chǎn)生的。在本次研究中，改變腔室的直徑，從而獲得2種不同的腔室容積。設(shè)定2種腔室直徑分別為2.8mm和6.0mm，腔室容積（Vp）分別為37mm3和170mm3。使用直徑（d）分別為2.5 mm和4.0mm的噴孔。噴孔部位的厚度為1.0mm。

點火電路由普通的點火系統(tǒng)與高能量系統(tǒng)組成。如果普通的點火系統(tǒng)因放電導(dǎo)致電極間的絕緣遭到破壞，則高能量系統(tǒng)的電路會被接通，儲存在電容器C中的高能量被釋放進(jìn)腔室。在此，將電容器的容量固定為2.0μF，通過改變充電電壓，將充電能量設(shè)定為0.9J。

1.2 PFJ點火

圖3示出了PFJ點火器及其腔室部分的細(xì)節(jié)。與PJ點火器一樣，PFJ點火器的尺寸也與傳統(tǒng)火花塞的相當(dāng)，有極小的腔室和噴孔。與PJ點火器的不同之處在于，PFJ點火器腔室中導(dǎo)入的是濃混合氣，在腔室中，利用普通的放電能量進(jìn)行火花放電，點燃腔室中的濃混合氣。其結(jié)果是，含帶化學(xué)活性的不完全燃燒生成物的射流經(jīng)由噴孔向燃燒室中噴出，并點燃燃燒室中的混合氣。

使用汽油機(jī)的燃油噴射閥，向腔室中導(dǎo)入濃混合氣。為了防止來自燃燒室的濃混合氣逆流，經(jīng)由單向閥、絕緣體，以及空心的中心電極（外徑2.0mm，內(nèi)徑1.5mm），向腔室中噴射濃混合氣。并且，中心電極靠近腔室的一頭是閉合的，如圖3所示，濃混合氣經(jīng)由中心電極側(cè)面的噴出口（直徑1.0mm，2個）噴入腔室中。研究中采用的腔室容積（Vp）分別為37mm3和170mm3，噴孔直徑（d）分別為2.5 mm和4.0mm。另外，向腔室中噴射的濃混合氣是甲烷-空氣混合氣，其當(dāng)量比為1.5，噴射壓力為0.1MPa（表壓）。設(shè)定燃油噴射閥工作的脈沖寬度為50ms，點火持續(xù)時間（從燃油噴射閥建立工作脈沖的時刻到開始火花放電的時刻）設(shè)定為50ms。也就是說，噴油結(jié)束的時間就是開始火花放電的時間。

1.3 在靜態(tài)稀混合氣中的燃燒

使用內(nèi)徑100mm、寬30mm的燃燒容器，在大氣壓和室溫條件下，對當(dāng)量比為0.8的靜態(tài)甲烷-空氣混合氣進(jìn)行PJ點火、PFJ點火與傳統(tǒng)火花塞點火的燃燒試驗，比較其各自的燃燒形態(tài)。圖4為燃燒的紋影照片；圖5則示出了壓力曲線圖（Vp=170mm3，d=2.5 mm）。由圖5可知，PJ點火與PFJ點火都比火花塞點火的壓力上升更快。此外，在燃燒初期，PJ點火顯示出比PFJ點火更快的壓力上升速度，但在之后的燃燒過程中，PFJ點火的壓力上升速度加快，其結(jié)果是，采用PFJ點火方式能最快達(dá)到最高燃燒壓力。

由圖4可知，PJ點火與PFJ點火在點火后的火焰團(tuán)都比傳統(tǒng)火花塞點火方式的大。此外，相比PFJ點火，PJ點火在點火后的火焰團(tuán)更大一些，但在之后的燃燒過程中，其火焰面上基本不存在褶皺，而是呈現(xiàn)出層流火焰的形態(tài)。這是因為在采用PJ點火方式的情況下，混合氣被卷入高速噴出的射流中，從而引起初期強(qiáng)烈的燃燒，具有較為明顯的燃燒促進(jìn)效果，但這一效果并未能維持很久，之后，火焰?zhèn)鞑ゾ娃D(zhuǎn)變?yōu)閷恿骰鹧娴男螒B(tài)。

另一方面，在采用PFJ點火方式的情況下，火焰面的褶皺在整個燃燒過程中都是存在的，其結(jié)果如圖5所示，壓力直至燃燒結(jié)束時一直呈上升趨勢?；鹧婷娉霈F(xiàn)褶皺的原因被認(rèn)為是因為點火前通過噴孔向燃燒室噴出的混合氣形成了紊流的緣故。

1.4 在流動的稀混合氣中的燃燒

使用內(nèi)徑100mm、寬30mm的燃燒容器，在燃燒容器內(nèi)模擬流速為10m/s的渦流流場，進(jìn)行燃燒試驗。試驗條件為大氣壓、室溫狀態(tài)，以及當(dāng)量比為0.8的甲烷-空氣混合氣。圖6為燃燒的紋影照片。由圖6可知，在采用PJ點火方式的情況下，射流噴出所形成的紊流火焰團(tuán)流向渦流，并向燃燒室中心移動，之后又沿半徑方向傳播。另一方面，在采用傳統(tǒng)火花塞點火方式的情況下，從壁面的速度邊界層至最大流速區(qū)域，火焰在點火器伸出的部位一直保持能形狀。由此可知，在渦流中的最大流速區(qū)域保持火焰形狀對促進(jìn)燃燒是極為重要的。

在采用PFJ點火方式的情況下，由圖6可知，射流噴出后由于渦流的緣故而產(chǎn)生較大的彎曲，其火焰?zhèn)鞑バ螒B(tài)與火花塞點火的類似，具有維持火焰形狀的效果，最后在燃燒室周邊部位形成了較大的火焰團(tuán)，而不是像PJ點火那樣，火焰向燃燒室中心移動。這被認(rèn)為是由于射流的噴出時間較長，因而具備了相當(dāng)于傳統(tǒng)火花塞點火那樣的火焰保持效果。

1.5 高溫、高壓環(huán)境下的PFJ點火

采用圖7所示利用凸輪的緊湊型快速壓縮裝置（RCM），研究高溫、高壓環(huán)境下PFJ點火的特性。RCM裝置的主體由5個部分組成，從圖7右側(cè)的蓄壓部分開始，依次是凸輪驅(qū)動活塞、凸輪、壓縮活塞和燃燒室。而且，還配備了預(yù)混合容器及蓄壓容器等。前者用于制備混合氣，以供RCM使用；后者用于對噴入PFJ點火器腔室的濃混合氣進(jìn)行加壓。

RCM的工作原理如下。首先，將利用壓氣機(jī)獲得的壓縮空氣儲存在蓄壓部分的空氣儲氣瓶中。其次，用DC螺線管驅(qū)動的頂針刺破隔膜，利用噴出的壓縮空氣驅(qū)動直徑為160mm的凸輪驅(qū)動活塞。驅(qū)動活塞的密封使用1個O型密封圈。直線輥道上的凸輪由驅(qū)動活塞通過桿體驅(qū)動。直徑為115mm的壓縮活塞通過滾子從動件和桿體，沿凸輪廓形向上方推壓，進(jìn)行壓縮。壓縮活塞的密封使用2個O型密封圈。滾子從動件在壓縮結(jié)束后停留在凸輪最上端，此時并沒有特別的停止動作，并且，不需要在燃燒時用于保持活塞位置的特殊機(jī)構(gòu)。此外，為了緩和凸輪停止后的沖擊，將驅(qū)動活塞后部的容積作為緩沖空氣室加以利用。其間，在驅(qū)動活塞頂部設(shè)置提升閥，通過控制緩沖空氣室內(nèi)的壓力上升來調(diào)節(jié)驅(qū)動活塞的移動速度。另外，在直線輥道的尾部安裝液壓阻尼器，用于吸收凸輪停止后的沖擊。凸輪長220mm，其升程為95mm。為了降低凸輪的最大跳動和最大加速度，將凸輪廓線設(shè)定為具有圓滑特性的5次多項式曲線。燃燒室是直徑70mm、寬26mm的扁圓柱形形狀。壓縮比為10.6，使用甲烷-空氣混合氣作為燃料，壓縮前的狀態(tài)設(shè)定為大氣壓、室溫條件。圖8示出了高溫、高壓環(huán)境下使用的PFJ點火器及其腔室部分（Vp=500mm3）的細(xì)節(jié)圖。

火花塞點火方式在當(dāng)量比0.62條件下的點火（燃燒）失敗概率就會增大；而在當(dāng)量比降至0.60左右時，就無法實現(xiàn)點火。另一方面，PFJ點火方式能在當(dāng)量比0.60的混合氣中可靠點火并燃燒，其壓力波形也沒有太大的波動；進(jìn)而，如將當(dāng)量比降至0.57左右，則可靠點火的概率會降低至50%左右；最后，在當(dāng)量比0.55的條件下，PFJ點火器幾乎無法實現(xiàn)點火。由此，可確認(rèn)在高溫、高壓環(huán)境下，采用PFJ點火方式具有擴(kuò)大稀燃運行區(qū)域的效果。

在PFJ點火與火花塞點火都能可靠點火的當(dāng)量比0.65的條件下，對2種點火方式進(jìn)行比較。圖9為在腔室容積（Vp）500mm3、噴孔直徑（d）4.0 mm時的燃燒紋影照片。采用PFJ點火方式時，設(shè)定濃混合氣的噴射壓力為2.06MPa（表壓），在壓縮結(jié)束后進(jìn)行放電。如圖9所示，PFJ點火方式比傳統(tǒng)的火花塞點火方式更具燃燒促進(jìn)效果。

1.6 PFJ點火的OH自由基熒光測試

利用平面激光誘導(dǎo)熒光法（PLIF），測試PFJ點火時OH自由基的動態(tài)。燃燒室直徑為60mm，形狀近似于相交多面體，相對的4個面上設(shè)置直徑為60mm的石英觀測窗。在OH自由基的熒光測試中，將“X2Π (v=1)－A2∑(v=0)”躍遷中的波長283 nm作為吸收線，測試“A2∑(v=0)－X2Π(v=0)”躍遷的熒光。測試中，將釔鋁石榴石激光器的二次諧波（400 mJ/pulse@532nm）作為激勵光源，振蕩染色激光器。由染色激光器發(fā)出的可見光線，利用U-V標(biāo)準(zhǔn)部件得到U-V光線（8 mJ/pulse@283 nm）。利用3片柱面透鏡，將直徑7 mm的U-V光線轉(zhuǎn)換為寬60 mm、厚約0.5 mm的平行薄板狀激光，并將其射入燃燒室中。此外，平板狀激光與包括噴孔中心軸在內(nèi)的面是一致的。

通過帶通濾波器（中心波長306.4 nm，1/2脈沖振幅14.1 nm）與圖像增強(qiáng)器，用CCD攝像機(jī)拍攝OH自由基熒光圖像的單發(fā)照片。為消除OH自由基自發(fā)光的影響，設(shè)定圖像增強(qiáng)器的選通時間為100 ns。試驗條件設(shè)定為大氣壓和室溫狀態(tài)，使用當(dāng)量比為0.8的靜態(tài)甲烷-空氣混合氣。

圖10為OH自由基的熒光圖像。如圖10所示，可觀測到在射流內(nèi)部有較大的渦流結(jié)構(gòu)。此外，還可看到渦流內(nèi)部有強(qiáng)烈的OH自由基熒光，確認(rèn)由射流產(chǎn)生的團(tuán)狀點火火焰。此外還發(fā)現(xiàn)，腔室容積越大，噴孔的直徑越小，分布在射流中的OH自由基就越多。

2 結(jié)語

（1）在靜態(tài)的稀混合氣中，PJ點火與PFJ點火都顯示出比傳統(tǒng)火花塞點火更為快速的壓力上升趨勢。此外，在燃燒初期，PJ點火的壓力上升速度比PFJ點火的快，但在后續(xù)的燃燒過程中，PFJ點火的壓力上升速度加快。研究結(jié)果表明，采用PFJ點火方式能最快達(dá)到最高燃燒壓力。在點火之后，PJ點火和PFJ點火的火焰團(tuán)都比火花塞點火的大，另外，雖然PJ點火的火焰團(tuán)在初期比PFJ點火的大，但在之后的燃燒過程中，PJ點火的火焰面上基本不存在褶皺，而是呈現(xiàn)出層流狀火焰的傳播形態(tài)。

（2）在渦流等流動的稀混合氣中的燃燒試驗顯示，在最大流速區(qū)域保持火焰形狀對燃燒促進(jìn)而言是極為重要的。在采用PFJ點火方式的情況下，射流噴出后由于渦輪的緣故而形成較大的彎曲，正好形成了類似火花塞點火那樣具有火焰保持效果的傳播形態(tài)，從而在燃燒室周邊形成較大的火焰團(tuán)。

（3）即便在高溫、高壓環(huán)境下，也可確認(rèn)，相比傳統(tǒng)的火花塞點火方式，PFJ點火方式更具備促進(jìn)燃燒和擴(kuò)展稀混合氣運行區(qū)域的效果。

（4）在PFJ點火的OH自由基熒光測試中，觀測到射流中有較大的渦流結(jié)構(gòu)。此外，在渦流內(nèi)部可看到強(qiáng)烈的OH自由基熒光，確認(rèn)射流可產(chǎn)生團(tuán)狀的點火火焰。