復合稀釋燃燒汽油機分層火焰特征

姚 遠，陳 韜，謝 輝，趙 華

(天津大學內燃機燃燒學國家重點實驗室，天津 300072)

分層火焰引燃SFI(stratified flame ignition)汽油SI-CAI(spark ignition-controlled auto-ignition)復合燃燒，是一種具有應用潛力的高效稀薄燃燒方式.通過噴射策略和流動組織，使火花塞附近的燃油濃度區別于總體的當量比，形成分層火焰區，以滿足復合燃燒高廢氣率條件下穩定著火和火焰傳播的需求進而觸發和控制周邊稀釋混合氣的自燃著火.由于火花點火的存在，復合燃燒的相位調控相較于均質壓燃(homogeneous charge compression ignition，HCCI)也更加靈活直接.Xie 等[1]和Zhang 等[2]對復合燃燒進行了研究，證實了兩階段復合燃燒控制的可行性.馬自達公司將空氣稀釋下的復合燃燒模式應用于其高壓縮比發動機上[3]，采用2～3 的過量空氣系數，提高了發動機的熱效率.Wang 等[4]利用三維仿真深入研究了復合燃燒與HCCI 之間的區別，發現前期火焰傳播過程會導致周邊本不足以自燃的未燃區狀態，趨向于滿足自燃條件，復合燃燒前期火焰傳播階段的放熱對后期自燃的控制會起到決定性的作用.李洪濤等[5]的研究表明，SFI 策略可改變缸內燃油分布，進而影響復合前期火焰傳播和后期自燃過程.直噴比例增加雖然會提升火焰傳播階段平均放熱速率，但是，周邊混合氣變稀，也會使觸發自燃變得困難.因此，實現快速穩定的前期局部火焰傳播過程是復合燃燒控制的關鍵要素，這就需要深入研究復合燃燒初始和邊界條件下各參數對火焰傳播特征的影響.

關于汽油機中火焰傳播的研究歷史悠久，Heywood[6]曾對此進行了深入細致的總結，包括不同當量比下的層流火焰傳播速度和內燃機中一般的湍流火焰傳播計算模型等.但復合燃燒的背景條件與傳統汽油機存在顯著的不同.傳統汽油機壓縮比低，壓縮終了的燃燒初始溫度一般處于550～650 K 之間[7-8]，其火焰傳播速度也處于較低水平，在1～8 m/s之內.傳統汽油機所能承受的廢氣率也很有限.但是為達到后期自燃的溫度、壓力等條件，復合燃燒汽油機常采用較高的壓縮比，導致燃燒開始時刻(20°CA BTDC)的缸內溫度可達670～780 K.溫度的提升能夠顯著加快前期火焰的傳播.火焰傳播釋熱過程中，會使得缸內溫度進一步提高，在上止點附近可達950～1 000 K，進而誘發自燃.為控制放熱速度，稀釋工質如廢氣和過量空氣也會被大量使用.稀釋工質的加入會抑制火焰傳播并降低其速度.因此，復合燃燒的背景條件變化會對火焰傳播特性產生正反兩方面的影響.分層火焰引燃策略的引入也同時引入了混合氣濃度這個對復合燃燒前期火焰傳播產生影響的主要參量.

針對類似復合燃燒邊界條件下的火焰特征分析，威斯康辛大學的Fansler 等[9]分析了火核周圍的不規則對流流動以及局部稀薄的混合物對燃燒穩定性的影響.Pera 等[10]研究溫度和廢氣稀釋的不均勻性對火焰不規則發展的影響，但尚未系統性考察分層火焰引燃復合燃燒背景條件下的火焰傳播特征，特別是高溫、高廢氣和局部當量比的耦合影響.考慮到復合燃燒前期火焰傳播對整個燃燒過程的控制有著決定性的影響，因此，有必要開展復合燃燒背景下，高溫、高稀釋和濃混合氣等變量對于火焰傳播特征的影響，從而為構建合理分層火焰引燃策略提供指導.

1 實驗系統

1.1 光學發動機實驗平臺

實驗基于一臺單缸的光學發動機平臺開展.該光學發動機的基本參數如表1 所示，實驗工況點設置如表2 所示.其結構形式采用單缸獨立缸套和加長的鮑迪奇式活塞，燃燒室的光學信息通過石英活塞頂，經過下部放置的45°反射鏡反射后，進入成像設備.加長活塞頂部的光學視窗直徑為71 mm.圖1 展示了圍繞該光學發動機平臺所搭建的實驗系統，包括電力測功機、進氣加熱、外部廢氣再循環(EGR)模擬系統、數據采集和同步系統等.

外部廢氣率定義為引入的外部廢氣質量占進氣門關閉之后的缸內工質質量的比例.由于光學發動機較短的運行時間，常規的外部EGR 系統難以從排氣中將廢氣引入進氣系統.所以實驗中的EGR 是通過外置的氮氣(N2)和二氧化碳(CO2)按照體積比5.9∶1 的比例混合而成.該混合比例是通過假設燃料完全燃燒，按照汽油的化學當量比計算得出.混合氣中 N2和 CO2的流量由兩臺量程分別為 0～30 L/min 和0～5 L/min 的Horiba-Metron S49 33/MT型氣體流量計控制，其精度為±1%.雖然在模擬的外部EGR 中不包含燃燒產物之一H2O，且完全燃燒的假設也忽略了外部EGR 中含有的微量活性組分的存在.但是，燃燒采樣分析結果顯示[11]，外部EGR 中微量活性組分的變化對燃燒相位并無顯著影響.因此，本研究中對模擬外部EGR 組分的簡化假設并不會對結果產生明顯影響.同時，由于實驗中總廢氣率和燃燒初始溫度難以獲得，采用一維仿真軟件GTPOWER，通過實驗中測定的外部EGR 率和進氣溫度獲取了各個實驗點的仿真總EGR 率及燃燒初始溫度，發現外部EGR 率與總缸內殘余廢氣率RGF呈線性正相關，因而可以利用RGF直接表征缸內的廢氣稀釋程度.實驗中空燃比的精確測量也尤為重要，本實驗使用了ETAS 公司的LSU4.9 型空燃比分析儀，測量的總誤差在1%之內.

1.2 光學圖像采集系統

為了研究分層火焰引燃復合燃燒的火焰傳播特征，利用一臺高速攝像機來捕捉缸內著火的化學發光信號.該攝像機的拍攝幀率為7 000 幀/s，在發動機600 r/min 的轉速下約對應曲軸轉角0.514°CA.高速攝影相機通過一臺DG645 數字信號延時器與發動機控制單元同步.圖像處理參考Aleiferis 等[12]的方法，將輸出的圖像數據進行二值化處理，以獲取火焰輪廓和面積等參數.火焰面發展速度根據Heywood[6]的球形火焰假設進行計算，在實際運算中以火焰的平面投影面積為準：

式中：ΔA/Δt 表示單位間隔時間內火焰投影面積的變化；L 表示與平面投影火焰等面積圓的周長，平面投影火焰面積為兩組間隔火焰面積的平均值.

2 實驗結果與分析

2.1 平均火焰傳播速度

在汽油機中，火焰傳播速度受到諸多參數的影響，如圖2 所示的相同邊界條件下多循環平均火焰傳播速度.在火核形成階段，由于缸內的溫度水平較低，火焰傳播速度較慢.之后未燃混合氣受到已燃區傳熱傳質作用，火焰的傳播速度得以提升，火焰發展逐漸穩定，火焰傳播速度維持在一定范圍內.但當火焰面超過視窗的可視范圍時，由于視窗范圍外的火焰面積未計算在內，導致火焰傳播速度下降，測得的火焰傳播速度不再保持同一水平線.Aleiferis 等[12]與Ihracska 等[13]的研究表明，由于稀燃SI 發動機的工作范圍受限于早期火焰的穩定發展，早期火焰發展階段通常對應于燃料燃燒0～5%的質量分數.從圖2中也可以看出CA 05(燃料燃燒5%的質量分數時的曲軸轉角)對應于火焰的初期發展階段，且位于火焰保持穩定傳播的區間內.考慮到分層火焰引燃復合燃燒的火焰傳播處于放熱的初期階段，為了研究各個參數對平均火焰傳播速度的綜合影響，采用穩定傳播區間的火焰傳播速度平均值，表征該工況下的平均火焰傳播速度.平均火焰傳播速度用以代表某一條件下火焰發展快慢，從而方便考量各參數對火焰傳播速度的影響程度.

圖2 λ＝0.9時的平均火焰傳播速度Fig.2 Average flame propagation velocity at λ＝0.9

圖3 展示了不同當量比下，進氣溫度為20 ℃時缸內殘余廢氣率對平均火焰傳播速度u 的影響.燃油加濃能夠大幅提升前期火焰速度，λ為0.9 時的火焰傳播明顯快于λ為1.1 時，這是由燃料燃燒的化學反應動力學決定的，汽油燃燒時，λ等于0.9 時的層流火焰速度要快于λ等于0.85 時，因此在內燃機中，相同的缸內條件下的湍流火焰速度也呈現這樣的趨勢.而λ的增大會更早達到廢氣稀釋極限，使燃燒無法穩定進行.對比濃稀混合氣加入廢氣時的火焰傳播速度：不添加外部廢氣時(RGF為12%左右)，濃混合氣的火焰傳播速度約為10.5 m/s，相比于稀混合氣增加30.1%；當廢氣率為28%時，濃混合氣的火焰傳播速度相比于稀混合氣增加34.4%，其提升率與無外部廢氣時相比有所增加.除此之外，λ大于1 時的火焰傳播速度與λ小于等于1 時出現明顯的斷層，這說明空氣稀釋也能對火焰產生減速作用，而且λ大于1時的火焰傳播速度也受廢氣稀釋的影響.在高廢氣率下，廢氣對燃油加濃工況的火焰傳播速度抑制作用不再呈線性下降，說明其抑制作用減弱.在本實驗中，提高了進氣溫度至120 ℃，與進氣溫度為常溫時比較，其平均火焰傳播速度整體加快 2.5 m/s 左右.因此，在高溫、高稀釋和加濃情況下的復合燃燒比傳統汽油機中的火焰傳播更快且更穩定.

圖3 λ與殘余廢氣率對火焰傳播速度的影響Fig.3 Effects of λ and residual gas fraction on flame propagation velocity

對于廢氣和空氣兩種稀釋策略，廢氣中N2和CO2占絕大部分，對燃燒和火焰的傳播起到抑制作用.而空氣稀釋除了加入大部分的N2和CO2之外還加入了O2，這意味空氣稀釋使燃料燃燒超過化學當量比.雖然當量比對層流火焰傳播的研究比較充分[14]，但在發動機中，同等工質下空氣稀釋和廢氣稀釋分別對火焰傳播抑制作用上的差異還不明確.通過比較二者對于火焰傳播的作用，才能確定復合燃燒中廢氣和空氣稀釋的合理比例.圖4 為受空氣稀釋和廢氣稀釋的火焰傳播速度云圖，所展示的實驗點進氣溫度都為20 ℃.圖中比較了兩種工質稀釋對火焰傳播速度u 的影響程度.其中選取λ為1，缸內殘余廢氣率為12%(此時外部EGR 為0)的實驗點為基準點，用坐標原點表示.廢氣稀釋程度定義為進氣門關閉后缸內廢氣質量與總工質質量之比，空氣稀釋程度定義為化學計量比之外的新鮮空氣質量與總工質質量之比，負值代表采用了燃油加濃.

其中 dair表示空氣稀釋度.圖中橫軸右半部分顯示隨著空氣和廢氣稀釋程度的增大，火焰傳播速度均有下降的趨勢，且下降的速度基本一致.在橫軸上，只增加空氣稀釋程度，火焰傳播速度從9.9 m/s 減小到5.7 m/s.這與縱軸上表示的純廢氣稀釋對火焰的減速作用效果相當.但當廢氣稀釋和空氣稀釋同時存在時，低稀釋度和高稀釋度對火焰的影響表現出差異：當稀釋程度較低時，相比于純廢氣或純空氣稀釋，同等質量的組合稀釋下火焰傳播速度最大；而當稀釋程度變大時，組合稀釋下的火焰傳播速度則最慢，尤其是在廢氣稀釋和空氣稀釋較大的這一區域，火焰傳播最慢.因此，在復合燃燒中，混雜使用廢氣和空氣稀釋的方法，當稀釋度較高時，對前期火焰傳播速度非常不利，而在廢氣稀釋時，濃混合氣的作用對火焰傳播增強比較明顯.

在圖4 橫軸的左半部分則顯示燃油加濃時的火焰傳播速度快慢，此時火焰傳播受到的抑制作用主要是受廢氣稀釋的影響，而加濃的當量比對火焰傳播有促進作用，且在λ處于0.9 左右時火焰傳播最快.相對于λ大于1 的稀釋策略，火焰傳播速度最大增加40%.結合圖3 和圖4，當λ處于0.9 時，火焰傳播速度最快，是組織分層火焰中心濃區的合理當量比.

圖4 空氣稀釋與廢氣稀釋對火焰傳播速度作用能力比較Fig.4 Comparison between effects of air dilution and residual gas dilution on flame propagation velocity

2.2 火焰的不均勻發展與各向發展速度

通過光學實驗結果發現：在高廢氣率下，火焰普遍出現偏移現象，如圖5 所示.不同于低廢氣率下近圓形的火焰形態，廢氣率越高火焰前鋒面越不均勻，表面褶皺越多，并偏向缸內的特定方向發展.尤其是圖5 中廢氣率等于27%的火焰圖像，火焰偏向視窗左下角發展，同時展現不規則的火焰表面形態，這可能是廢氣在缸內的不均勻分布導致的.由于高廢氣率下火焰的不均勻發展，使用平均火焰傳播速度已經難以評估火焰在各個方向上發展的差異.筆者提取了原始火焰圖像的邊界，得到火核位置到各個方向上邊界點的位移，并計算出了火焰在各方向上的發展速度.以圖5 內的3 種火焰傳播為例，圖6 展示了3 種火焰在不同方向上的擴散速度(根據之前所述，選取CA 05 時刻的火焰傳播速度).當缸內殘余廢氣率為27%時，火焰向50°～160°方向發展緩慢，這與圖5所示的火焰發展一致.這些方向上的發展使整體火焰傳播變慢，也使火焰的形狀變得不規則.為了評價火焰不規則程度，采用曲線的標準差表示曲線上各點的離散程度，它可以表示各方向上的火焰速度的不均勻性，其公式如下：

圖5 不同缸內殘余廢氣率下的火焰發展灰度圖像Fig.5 Gray-scale images of flame development at different residual gas fractions

式中：ui為單方向火焰傳播速度；u 為平均火焰傳播速度；N 為火焰發展方向的采樣個數.δ分別為0.900 4、1.057 9 和1.751 5，δ的增加說明火焰前鋒面的圓度越來越小，火焰發展越來越不規則.因而在高廢氣率高溫條件下，通過Heywood 球型假設計算出的火焰膨脹速度可能出現偏差.

圖6 火焰的各向發展速度Fig.6 Flame propagation velocity in all directions

為了驗證廢氣分布對火焰傳播中形態產生的影響，采用CFD 對冷流狀態下缸內的廢氣分布進行了研究，即在不進行點火的條件下，只對缸內流動及物質分布進行了計算，通過缸內廢氣的分布探究其對火焰傳播偏移的影響，如圖7 所示.在上止點前20°CA(點火時刻)至上止點這一段曲軸轉角內，缸內廢氣集中分布在缸壁周圍靠近右邊的區域.隨著時間的推移，廢氣逐漸向氣缸中心發展.當廢氣率高時，廢氣率的增加使著火準備期變長，火核形成更慢.而著火準備階段越長，廢氣向中心的分布就越集中.結合圖5 中的火焰發展圖像及圖7 中上止點的廢氣分布圖像，發現火焰發展區域與廢氣聚集區域完全分布在不同的方向上.火焰分布于缸內左下角區域，而廢氣分布于缸內右上角區域.這也驗證了廢氣分布不均勻對火焰發展不均勻的決定作用.由于流動產生的缸內廢氣分布阻礙了前期火焰向這一方向的發展，迫使火焰在發展過程中只偏向廢氣分布少的左側.通過對缸內工質運動的分析，發現廢氣在缸內的不均勻分布是由于隨進氣道布置的外部EGR 入口以及缸內滾流及渦流運動過程綜合作用而形成的.由此說明，高稀釋條件下的火焰在發展階段會出現偏移，這也是導致復合燃燒前期火焰傳播產生不穩定的因素之一.根據前人的研究結果[15]，非反應氣體會稀釋擴散過程中的燃料分布，削弱反應區與未反應區的傳熱傳質作用，從而影響燃燒溫度并抑制火焰的發展.大量的惰性氣體還會淬熄和阻止火焰傳播.

圖7 CFD仿真得到缸內廢氣質量濃度分布Fig.7 Distribution of RGB obtained by CFD simulation

從火焰的發展來看，圖8 展示了當λ 等于0.9，缸內殘余廢氣率為20.3%時的火焰特征.為了觀察火焰不均勻性，對火焰發光的輻射強度進行了處理，得到圖8 和圖9.從圖8 中可以看出，火焰鋒面前方出現了新的著火點，著火點以類似于火焰傳播的方式向外發展，在4 張拍攝圖片之后與主火焰融合在一起，在所設置的實驗點中，當λ＝0.9，廢氣率在20%左右時，在重復的20 個工況點，均出現了火焰面外，靠近火焰面的位置，未燃混合物中出現少量自燃的現象.這種火焰發展方式在原先的火焰面外出現極小規模的火焰傳播，相當于增大了主火焰的傳播速度.觀察此時的放熱率，放熱率的計算方法參考Xie等的論文[7].放熱率的一階導數為正，放熱速度在逐漸增加.對比λ＝1.1 時廢氣率相近的實驗點，則沒有出現這種自燃點加速火焰的現象，前期火焰傳播階段對應的放熱率也呈線性增長.因此，在同等程度的廢氣稀釋作用下，燃油加濃可以誘發鋒面前出現自燃加速現象，從而使得稀釋火焰在局部的火焰傳播得到提高，放熱速度更快也更穩定，從而可以成為促進復合燃燒后期自燃的有效控制手段.

圖8 火焰邊界著火點與放熱率Fig.8 Auto-ignition point outside the flame and heat release rate

由于出現自燃點的位置特殊，位于火焰傳播方向的270°，對該工況的各向火焰傳播速度做了統計，如圖9 所示.發現在270°附近，受到火焰邊界外圍的自燃點影響，這一方向的火焰傳播速度大幅增加，相對于本工況的平均火焰傳播速度u＝8.5 m/s，u270能達到17 m/s，這歸功于自燃點的產生，火核在一段時間內的火焰傳播，最終與主火焰融合的過程.

圖10 為3 種不同條件下的火焰RGB 圖像，用來對比和分析高溫稀釋火焰的火焰特征.其中，只有λ為0.9，RGF為20.3%時，在-4.0°CA 火焰剛剛發展起始，到0°CA 左右火焰基本占據了整個視窗面積為止，火焰峰面外靠近火焰面的地方出現了一些自燃點.而相同廢氣率，采用空氣稀釋策略下的火焰，沒有出現此類現象.這說明燃油加濃在一定程度上能夠在鋒面前引發自燃點的產生.但當量比并不是火焰周圍出現自燃點的唯一要素.相同當量比，廢氣稀釋程度略低時，火焰面外圍也沒有出現著火點.只在廢氣濃度適合時才出現的自燃點現象，可以解釋為：當廢氣率低時，火焰傳播較快，火焰周圍還沒達到出現自燃點的溫度條件，主火焰就已經傳播到此處.而當廢氣率進一步升高，火焰傳播速度變慢，傳熱速度相對較快，從而使火焰周邊出現了自燃點.因此，局部燃油加濃結合廢氣稀釋的燃燒方式在復合燃燒SFI 策略中應用更為廣泛.盡管如此，廢氣的引入所帶來的火焰傳播減速作用仍不能忽視.并且廢氣的增多還會使火焰形狀變得不規則.

圖9 自燃點對火焰邊界各向傳播速度的影響Fig.9 Influence of local auto-ignition on f lame propagation velocity in all directions

圖10 3種不同條件下火焰傳播特征Fig.10 Flame propagation characteristics under three different conditions

3 結論

(1) 稀釋分層條件下火焰傳播特征不同于傳統汽油機.局部燃油加濃能夠大幅提高火焰傳播速度.對比濃稀混合氣加入廢氣時的火焰傳播速度，無外部廢氣時，濃混合氣的火焰傳播速度約為10.5 m/s，相比于稀混合氣增加30.1%；當廢氣率為28%時，濃混合氣的火焰傳播速度相比于稀混合氣增加34.4%，其提升率與無外部廢氣相比有所增加.進氣溫度提升至120 ℃，與進氣溫度為常溫時比較，其平均火焰傳播速度整體加快2.5 m/s 左右.綜合高溫、高稀釋和燃油加濃條件，復合燃燒下的前期火焰傳播比傳統汽油機中的火焰傳播更快且更穩定.

(2) 高廢氣率下的火焰鋒面形狀不規則，這主要是由于廢氣的不均勻分布導致的.統計了火焰的各向發展速度，由于廢氣率的增加，火焰前鋒面的圓度越來越小，火焰發展開始出現不規則形狀.結合火焰圖像和CFD 結果分析，過多的廢氣會使火焰產生偏移，這是由于廢氣在缸內的分布不均導致的.廢氣的不規則分布作用于火核形成和火焰傳播兩個階段，使初期形成的火核偏移，同時阻礙了前期火焰向廢氣聚集區的發展，從而導致了火焰發展出現各向異性.

(3) 在適當稀釋與燃油加濃條件下，火焰周圍會出現少量自燃點，提升火焰在自燃點方向上的傳播速度.相對于該工況的平均火焰傳播速度u＝8.5 m/s，自燃點方向上的火焰傳播速度u270可達到17 m/s.這歸功于自燃點的產生、火核在一段時間內的火焰傳播、最終與主火焰融合的過程.

因此，在復合燃燒發動機缸內高溫和高稀釋條件下，采用分層引燃策略，合理地控制混合氣當量比，有助于提高前期火焰傳播速度，更加穩定地引燃周圍稀釋混合氣，實現對整體復合燃燒過程的控制.