关于射流点火的稀混合气燃烧方案设计研究

介绍了等离子射流（PJ）点火器及脉冲射流（PFJ）点火器的结构和工作原理，以及点火电路的特点，考察了PJ和PFJ点火方式在静态或流动的稀混合气中，以及高温、高压环境下提高点火效果的机理。同时指出，相比传统的火花塞点火方式，PFJ点火具有促进燃烧及扩大稀燃运行区域的效果。

点火是实现发动机燃烧的重要过程。尤其是在每循环都必须点火的汽油机中，每分钟都有几百次甚至几千次的反复点火。而且，为了满足当今极为严格的废气排放法规要求，必须避免发动机中的点火失败现象。

从利用稀混合气提高内燃机热效率的观点出发，介绍能可靠点燃稀混合气并促进燃烧的等离子射流（PJ）点火，以及脉冲射流（PFJ）点火等射流点火技术。

1 PJ点火和PFJ点火

1.1 PJ点火

图1为PJ点火器的结构示意图；图2示出了PJ点火器中的点火电路。PJ点火器与普通火花塞的尺寸大致相同，也有极小的腔室和喷孔。点火器工作时，在腔室中形成高能量放电，然后从喷孔向燃烧室中喷出射流，点燃燃烧室中的混合气。腔室中的放电是在阴极一侧中心电极与阳极一侧孔板之间（间隔6.0mm）产生的。在本次研究中，改变腔室的直径，从而获得2种不同的腔室容积。设定2种腔室直径分别为2.8mm和6.0mm，腔室容积（Vp）分别为37mm3和170mm3。使用直径（d）分别为2.5 mm和4.0mm的喷孔。喷孔部位的厚度为1.0mm。

点火电路由普通的点火系统与高能量系统组成。如果普通的点火系统因放电导致电极间的绝缘遭到破坏，则高能量系统的电路会被接通，储存在电容器C中的高能量被释放进腔室。在此，将电容器的容量固定为2.0µF，通过改变充电电压，将充电能量设定为0.9J。

1.2 PFJ点火

图3示出了PFJ点火器及其腔室部分的细节。与PJ点火器一样，PFJ点火器的尺寸也与传统火花塞的相当，有极小的腔室和喷孔。与PJ点火器的不同之处在于，PFJ点火器腔室中导入的是浓混合气，在腔室中，利用普通的放电能量进行火花放电，点燃腔室中的浓混合气。其结果是，含带化学活性的不完全燃烧生成物的射流经由喷孔向燃烧室中喷出，并点燃燃烧室中的混合气。

使用汽油机的燃油喷射阀，向腔室中导入浓混合气。为了防止来自燃烧室的浓混合气逆流，经由单向阀、绝缘体，以及空心的中心电极（外径2.0mm，内径1.5mm），向腔室中喷射浓混合气。并且，中心电极靠近腔室的一头是闭合的，如图3所示，浓混合气经由中心电极侧面的喷出口（直径1.0mm，2个）喷入腔室中。研究中采用的腔室容积（Vp）分别为37mm3和170mm3，喷孔直径（d）分别为2.5 mm和4.0mm。另外，向腔室中喷射的浓混合气是甲烷-空气混合气，其当量比为1.5，喷射压力为0.1MPa（表压）。设定燃油喷射阀工作的脉冲宽度为50ms，点火持续时间（从燃油喷射阀建立工作脉冲的时刻到开始火花放电的时刻）设定为50ms。也就是说，喷油结束的时间就是开始火花放电的时间。

1.3 在静态稀混合气中的燃烧

使用内径100mm、宽30mm的燃烧容器，在大气压和室温条件下，对当量比为0.8的静态甲烷-空气混合气进行PJ点火、PFJ点火与传统火花塞点火的燃烧试验，比较其各自的燃烧形态。图4为燃烧的纹影照片；图5则示出了压力曲线图（Vp=170mm3，d=2.5 mm）。由图5可知，PJ点火与PFJ点火都比火花塞点火的压力上升更快。此外，在燃烧初期，PJ点火显示出比PFJ点火更快的压力上升速度，但在之后的燃烧过程中，PFJ点火的压力上升速度加快，其结果是，采用PFJ点火方式能最快达到最高燃烧压力。

由图4可知，PJ点火与PFJ点火在点火后的火焰团都比传统火花塞点火方式的大。此外，相比PFJ点火，PJ点火在点火后的火焰团更大一些，但在之后的燃烧过程中，其火焰面上基本不存在褶皱，而是呈现出层流火焰的形态。这是因为在采用PJ点火方式的情况下，混合气被卷入高速喷出的射流中，从而引起初期强烈的燃烧，具有较为明显的燃烧促进效果，但这一效果并未能维持很久，之后，火焰传播就转变为层流火焰的形态。

另一方面，在采用PFJ点火方式的情况下，火焰面的褶皱在整个燃烧过程中都是存在的，其结果如图5所示，压力直至燃烧结束时一直呈上升趋势。火焰面出现褶皱的原因被认为是因为点火前通过喷孔向燃烧室喷出的混合气形成了紊流的缘故。

1.4 在流动的稀混合气中的燃烧

使用内径100mm、宽30mm的燃烧容器，在燃烧容器内模拟流速为10m/s的涡流流场，进行燃烧试验。试验条件为大气压、室温状态，以及当量比为0.8的甲烷-空气混合气。图6为燃烧的纹影照片。由图6可知，在采用PJ点火方式的情况下，射流喷出所形成的紊流火焰团流向涡流，并向燃烧室中心移动，之后又沿半径方向传播。另一方面，在采用传统火花塞点火方式的情况下，从壁面的速度边界层至最大流速区域，火焰在点火器伸出的部位一直保持能形状。由此可知，在涡流中的最大流速区域保持火焰形状对促进燃烧是极为重要的。

在采用PFJ点火方式的情况下，由图6可知，射流喷出后由于涡流的缘故而产生较大的弯曲，其火焰传播形态与火花塞点火的类似，具有维持火焰形状的效果，最后在燃烧室周边部位形成了较大的火焰团，而不是像PJ点火那样，火焰向燃烧室中心移动。这被认为是由于射流的喷出时间较长，因而具备了相当于传统火花塞点火那样的火焰保持效果。

1.5 高温、高压环境下的PFJ点火

采用图7所示利用凸轮的紧凑型快速压缩装置（RCM），研究高温、高压环境下PFJ点火的特性。RCM装置的主体由5个部分组成，从图7右侧的蓄压部分开始，依次是凸轮驱动活塞、凸轮、压缩活塞和燃烧室。而且，还配备了预混合容器及蓄压容器等。前者用于制备混合气，以供RCM使用；后者用于对喷入PFJ点火器腔室的浓混合气进行加压。

RCM的工作原理如下。首先，将利用压气机获得的压缩空气储存在蓄压部分的空气储气瓶中。其次，用DC螺线管驱动的顶针刺破隔膜，利用喷出的压缩空气驱动直径为160mm的凸轮驱动活塞。驱动活塞的密封使用1个O型密封圈。直线辊道上的凸轮由驱动活塞通过杆体驱动。直径为115mm的压缩活塞通过滚子从动件和杆体，沿凸轮廓形向上方推压，进行压缩。压缩活塞的密封使用2个O型密封圈。滚子从动件在压缩结束后停留在凸轮最上端，此时并没有特别的停止动作，并且，不需要在燃烧时用于保持活塞位置的特殊机构。此外，为了缓和凸轮停止后的冲击，将驱动活塞后部的容积作为缓冲空气室加以利用。其间，在驱动活塞顶部设置提升阀，通过控制缓冲空气室内的压力上升来调节驱动活塞的移动速度。另外，在直线辊道的尾部安装液压阻尼器，用于吸收凸轮停止后的冲击。凸轮长220mm，其升程为95mm。为了降低凸轮的最大跳动和最大加速度，将凸轮廓线设定为具有圆滑特性的5次多项式曲线。燃烧室是直径70mm、宽26mm的扁圆柱形形状。压缩比为10.6，使用甲烷-空气混合气作为燃料，压缩前的状态设定为大气压、室温条件。图8示出了高温、高压环境下使用的PFJ点火器及其腔室部分（Vp=500mm3）的细节图。

火花塞点火方式在当量比0.62条件下的点火（燃烧）失败概率就会增大；而在当量比降至0.60左右时，就无法实现点火。另一方面，PFJ点火方式能在当量比0.60的混合气中可靠点火并燃烧，其压力波形也没有太大的波动；进而，如将当量比降至0.57左右，则可靠点火的概率会降低至50%左右；最后，在当量比0.55的条件下，PFJ点火器几乎无法实现点火。由此，可确认在高温、高压环境下，采用PFJ点火方式具有扩大稀燃运行区域的效果。

在PFJ点火与火花塞点火都能可靠点火的当量比0.65的条件下，对2种点火方式进行比较。图9为在腔室容积（Vp）500mm3、喷孔直径（d）4.0 mm时的燃烧纹影照片。采用PFJ点火方式时，设定浓混合气的喷射压力为2.06MPa（表压），在压缩结束后进行放电。如图9所示，PFJ点火方式比传统的火花塞点火方式更具燃烧促进效果。

1.6 PFJ点火的OH自由基荧光测试

利用平面激光诱导荧光法（PLIF），测试PFJ点火时OH自由基的动态。燃烧室直径为60mm，形状近似于相交多面体，相对的4个面上设置直径为60mm的石英观测窗。在OH自由基的荧光测试中，将“X2Π (v=1)－A2∑(v=0)”跃迁中的波长283 nm作为吸收线，测试“A2∑(v=0)－X2Π(v=0)”跃迁的荧光。测试中，将钇铝石榴石激光器的二次谐波（400 mJ/pulse@532nm）作为激励光源，振荡染色激光器。由染色激光器发出的可见光线，利用U-V标准部件得到U-V光线（8 mJ/pulse@283 nm）。利用3片柱面透镜，将直径7 mm的U-V光线转换为宽60 mm、厚约0.5 mm的平行薄板状激光，并将其射入燃烧室中。此外，平板状激光与包括喷孔中心轴在内的面是一致的。

通过带通滤波器（中心波长306.4 nm，1/2脉冲振幅14.1 nm）与图像增强器，用CCD摄像机拍摄OH自由基荧光图像的单发照片。为消除OH自由基自发光的影响，设定图像增强器的选通时间为100 ns。试验条件设定为大气压和室温状态，使用当量比为0.8的静态甲烷-空气混合气。

图10为OH自由基的荧光图像。如图10所示，可观测到在射流内部有较大的涡流结构。此外，还可看到涡流内部有强烈的OH自由基荧光，确认由射流产生的团状点火火焰。此外还发现，腔室容积越大，喷孔的直径越小，分布在射流中的OH自由基就越多。

2 结语

（1）在静态的稀混合气中，PJ点火与PFJ点火都显示出比传统火花塞点火更为快速的压力上升趋势。此外，在燃烧初期，PJ点火的压力上升速度比PFJ点火的快，但在后续的燃烧过程中，PFJ点火的压力上升速度加快。研究结果表明，采用PFJ点火方式能最快达到最高燃烧压力。在点火之后，PJ点火和PFJ点火的火焰团都比火花塞点火的大，另外，虽然PJ点火的火焰团在初期比PFJ点火的大，但在之后的燃烧过程中，PJ点火的火焰面上基本不存在褶皱，而是呈现出层流状火焰的传播形态。

（2）在涡流等流动的稀混合气中的燃烧试验显示，在最大流速区域保持火焰形状对燃烧促进而言是极为重要的。在采用PFJ点火方式的情况下，射流喷出后由于涡轮的缘故而形成较大的弯曲，正好形成了类似火花塞点火那样具有火焰保持效果的传播形态，从而在燃烧室周边形成较大的火焰团。

（3）即便在高温、高压环境下，也可确认，相比传统的火花塞点火方式，PFJ点火方式更具备促进燃烧和扩展稀混合气运行区域的效果。

（4）在PFJ点火的OH自由基荧光测试中，观测到射流中有较大的涡流结构。此外，在涡流内部可看到强烈的OH自由基荧光，确认射流可产生团状的点火火焰。