发动机进气温度对稀薄燃烧稳定性影响的可视化研究

左俊杰，王志刚，薛 亮，张 韧，卫海桥，潘家营

发动机进气温度对稀薄燃烧稳定性影响的可视化研究

左俊杰1, 2，王志刚2，薛 亮2，张 韧1，卫海桥1，潘家营1

(1. 天津大学先进内燃动力全国重点实验室，天津 300072；2. 广西玉柴机器股份有限公司，玉林 537005)

稀薄燃烧稳定性是先进天然气发动机稳定高效清洁燃烧的重要指标．为了进一步探索改善天然气发动机稀薄燃烧性能的方法，本文基于一台高压缩比单缸光学发动机，采用高速摄影和瞬态压力同步测量方法，研究了进气温度对天然气发动机稀薄燃烧特性的影响，量化了火焰发展演变与发动机性能之间的关联性．研究表明：提高进气温度可以提升缸内压力和放热率峰值，进气温度从25℃到75℃，峰值压力从3.71MPa提升至4.49MPa，峰值放热率从57.17J/(°CA)提升至64.36J/(°CA)，并且放热过程更为集中，同时结合发动机点火时刻，可进一步实现燃烧相位优化，降低传热损失；可视化燃烧图像显示，高进气温度条件下着火延迟期缩短，初始火焰尺寸增大，后期火焰传播更快，最大火焰传播速度提升至约10.6m/s，同时火焰前锋趋于向四周传播，火焰形态对称性更好．此外，本文创新性地提出了一种基于可视化图像来量化的已燃质量分数的经验准则来评价初期火焰发展特性，发现提升进气温度主要影响早期火焰发展规律，高进气温度下早期火焰循环变化系数从18.12%降低至7.86%，并且该持续期平均值从13.03°CA降低到了9.25°CA，从而减小了后期燃烧过程的差异，这是天然气发动机稀薄燃烧稳定性改善的主要原因．

稀薄燃烧；光学发动机；进气温度；早期火焰发展；循环变动

近年来，大量化石能源消耗导致能源危机日益加重．天然气作为最具潜力的低碳燃料，具有储量大、热值高以及安全性能好等优点，逐渐成为发动机替代燃料的首选[1]．天然气主要成分为甲烷，碳氢比高，无碳碳双键；相比于传统汽油机，天然气发动机在释放相同热量的同时可减少30%的CO2排放[2]．此外，甲烷辛烷值高(RON＝126)、抗爆性好，适用于高压缩比运行[3-4]．研究表明，天然气发动机采用稀燃技术后可大幅改善其经济性、热效率和排放性[5]．然而，由于甲烷分子结构稳定，发动机采用稀薄燃烧后面临着火困难、循环变动大、后燃严重等问题，影响发动机的经济性和可靠性[6]．

为解决上述问题，以往研究大多关注于改善发动机火焰传播特性．Di等[7]基于点燃式发动机研究了掺氢对燃烧性能的影响，发现随着掺氢量的增加，天然气发动机燃烧持续期缩短、热效率提高，可能的原因是氢气加快了燃烧反应速率．Li等[8]通过可变涡流控制阀强化缸内湍流，显著提升了火焰传播速度，改善了发动机燃烧稳定性，进而提升了热效率. Catapano等[9]和Di等[10]在光学发动机上研究了燃料组分对燃烧性能的影响，发现火焰传播越快，发动机燃烧越稳定、热效率越高．上述研究证实了增强湍流和燃料改质对天然气发动机火焰传播和稳定燃烧的促进作用．

稀燃条件下发动机燃烧稳定性对关键参数更加敏感[11]．Hung等[12]和Chen等[13]研究了两种进气涡流条件下发动机燃烧试验，发现在循环变化较大的工况下，早期着火过程对燃烧稳定性的影响更为关键.基于高压缩比光学发动机，Chen等[14]研究了不同点火能量对天然气燃烧性能的影响，发现提高点火能量可实现更稳定的初始火核，进而提升了燃烧稳定性和热效率．然而，提高点火能量往往会影响火花塞寿 命[15]. Pan等[16]基于单缸机性能试验发现，提升进气温度可加快燃烧速率，缩短滞燃期．Klimstra等[17]研究了稀燃条件下进气歧管温度对涡轮增压发动机性能的影响，发现提升进气温度可以降低失火率、扩展稀燃极限．上述研究揭示了燃烧边界条件对天然气发动机的重要影响，但是受限于热力学发动机性能试验，关于进气温度对天然气发动机燃烧稳定性的影响机制尚不明确．

针对上述问题，本文基于高压缩比光学发动机试验平台，采用缸内压力和高速摄影同步测量方法，研究了稀燃条件下进气温度对天然气发动机燃烧稳定性的影响，深入揭示了热力学边界条件对天然气发动机燃烧稳定性的作用机制，研究结果对于天然气发动机稳定高效清洁燃烧具有重要指导意义．

1 试验装置及研究方法

1.1 试验装置

试验机是一台由General Motor 2.0T原型机改装而成的单缸光学发动机，发动机主要参数如表1所示．其中，发动机压缩比为13∶1，发动机排量0.64L，无气门重叠角．

表1 光学发动机参数

Tab.1 Optical engine specifications

（a）光学发动机示意

（b）缸盖示意

图1 光学发动机及缸盖示意

Fig.1 Schematic of the optical engine and engine head

1.2 试验方法及图像处理

试验时，发动机由一台小功率直流电力测功机(DZDC-20S)倒拖，发动机转速保持在(800±5)r/min. 发动机采用气道喷射方式，喷射时刻为压缩上止点前300°CA，此时可以实现缸内均质燃烧状态．为精确控制过量空气系数()，通过Bosch宽域后氧传感器进行闭环控制，测量分辨率0.1%，响应时间0.15s. 通过调节喷射脉宽，使过量空气系数保持在1.1左右．进气温度由一台GD-3型管式空气加热器调节并维持，精度为0.1℃．本文对比研究了3种进气温度，分别是25℃、55℃和70℃．采用压电晶体缸压传感器(Kistler 6125A)进行燃烧压力在线测量，然后利用电荷放大器(Kistler 5018)和采集卡进行数据采集，采集精度0.1MPa．壁面温度对发动机燃烧性能有重要影响，因此在缸盖配备了热电偶温度传感器，测量精度±0.1℃．当发动机壁面温度处于95～100℃之间时进行缸压和图像采集．为便于分析，本研究中采用甲烷代替天然气．

采用Photro SA-Z高速摄影机，拍摄速度为5000帧/s，分辨率为512×512，可以保证较好的曝光率和清晰度．考虑光学发动机的结构强度，每个工况连续拍摄和采集50个燃烧循环，同时对光学视窗进行及时清理．采用光电编码器来标识曲轴转角信号，实现对光学系统和缸压系统的同步触发．试验中所用的采集设备的分辨率和测试误差如表2所示．

表2 测试设备的分辨率和测量精度

Tab.2 Resolutions and uncertainties of measurement equip-ment

为了深入解析发动机燃烧过程，采用瞬态压力和高速摄影相结合的方法同步分析研究结果．为了量化火焰发展特性，可视化图像采用MATLAB程序进行后处理．基本步骤主要包括图像二值化处理、火焰面积识别以及火焰半径拟合，如图2所示．首先，基于读取的火焰图像得到像素矩阵，然后对火焰图像进行数学处理，通过定义燃烧室区域，过滤噪声或反射等干扰信号．需要说明的是，可以采集着火前10幅背景图像作为参考基准，增强对比度．然后，利用“binarizing-thresholding”技术对RGB图像进行二值化处理，从而确定火焰基本特性．该技术根据亮度对像素点进行划分，当像素点强度大于(小于)某阈值时则被定义为未燃(已燃)区域．最后，将处理得到的二值图像及其矩阵求和，并以此来表征火焰面积大小，同时将火焰面积等效为一个拟合圆；根据火焰面积计算火焰半径，最终获得燃烧室燃烧火焰基本规律．

（a）原始图像   （b）二值化图像   （c）火焰拟合圆

图2 火焰图像边界和半径的提取方法

Fig.2 Procedure for extracting the boundary and radius of flame images

2 试验结果及分析

2.1 进气温度对燃烧性能的影响

图3给出了3种进气温度条件下的缸内压力和瞬时放热率变化，点火时刻均为上止点前18°CA，过量空气系数为1.1．可以看到，随着进气温度的增加，缸内最大爆发压力不断提升，3种进气温度的压力峰值分别达到3.71MPa、4.15MPa和4.49MPa．同时，缸内最大爆发压力所对应的曲轴转角不断提前，这说明提升进气温度可以有效改善稀薄燃烧性能．对于瞬时放热率而言，其随进气温度的变化规律与缸内压力相似，随着进气温度的升高，放热率峰值也显著提升，同时放热更为集中，放热率峰值所对应的时刻也明显提前．由此可见，进气温度的提升使得天然气稀薄燃烧加快、燃烧相位提前．

图3 不同进气温度下的缸内压力与放热率

（a）指示热效率

（b）COVIMEP

图4 进气温度对燃烧性能的影响

Fig.4 Effects of intake temperature on combustion per-formance

2.2 进气温度对着火和火焰传播的影响

为了更加直观地讨论进气温度的影响，图5给出了不同进气温度条件下的着火和火焰传播过程，每个进气温度工况均选取最佳点火时刻．可以看到，当进气温度为25℃时，从火花塞跳火后直到3.84°CA时才能看到明显的火核；而在进气温度为55℃和70℃时，在1.92°CA时就可以清楚看到火焰核心的形成．同时，进气温度为70℃时，火焰核心的亮度和尺寸均大于进气温度55℃工况．不同进气温度条件下，火焰发展也有明显的差异．在点火时刻之后大约9.60°CA，进气温度70℃工况下火焰已经达到光学视窗的边缘，而进气温度为25℃工况下的火焰仅围绕在火花塞周围．此外，3种进气温度工况条件下的火焰亮度和火焰形态也不尽相同．在进气温度25℃时，火焰亮度较暗，火焰边缘也较为平滑；进气温度为55℃时，火焰亮度有所提升，火焰边缘更加褶皱；进一步提升进气温度至70℃时，火焰亮度进一步增强，火焰边缘也更加褶皱．根据文献[18]可知，火焰边缘越褶皱，湍流火焰作用越强、火焰传播速度越快．由此可见，提升进气温度可明显促进天然气稀薄燃烧性能，改善发动机初始火核形成和火焰传播．另外，在进气温度为25℃时，在火焰发展过程中存在明显的形态不对称性，火焰更倾向于向上传播，可能的原因是排气门附近周围混合气具有相对较高的环境温度．随着进气温度的升高，上述燃烧趋势得到了相应改善；当进气温度为70℃时，火焰传播方向趋于向四周发展，并呈现出明显的对称性分布，反映出稀薄燃烧稳定性得到了显著改善．

为了量化进气温度对稀薄燃烧过程的影响，图6给出了不同进气温度条件下平均火焰半径和对应的火焰传播速度随时间的变化．其中，平均火焰半径是根据图5中所对应50个循环的可视化图像获得的平均值，火焰速度则是火焰半径曲线的1阶导数，然后进行平滑处理所得．需要说明的是，因该发动机光学视窗半径为31mm，一旦火焰到达该边界将无法获得准确的火焰传播图像．

可以看到，随着进气温度的提升，火焰核心形成时间明显缩短．当进气温度为55℃和70℃时，火花塞跳火到火焰核心形成之间几乎没有着火延迟，同时在整个火焰传播过程中，进气温度的提升也对应着更大的火焰面积．而对于火焰速度而言，不同进气温度下燃烧早期阶段(即点火后0°CA～5°CA)的火焰速度呈现出较大的差异，而随着进气温度的提升，同一时刻的火焰速度也随之增加；在点火后5°CA～10°CA阶段，进气温度55℃与70℃条件下的火焰速度差距缩小，二者与25℃条件下的火焰速度差距更加明显．在进气温度为25℃时，火焰速度在约12.48°CA附近达到最大值9.3m/s；在进气温度55℃时，火焰速度约在11.52°CA附近达到最大值10.2m/s；在70℃时，火焰速度约在10.56°CA附近达到最大值10.6m/s．由此可见，提高进气温度可以缩短着火延迟，同时也促进火焰传播．需要说明的是，由于光学窗口的限制，半径大于31mm的燃烧区域被覆盖，其数值没有直接的相关性．

（a）3种进气温度下的平均火焰半径

（b）3种进气温度下的火焰传播速度

图6 不同进气温度条件下的火焰半径及火焰传播速度

Fig.6 Flame radius and flame propagation speed under different intake temperatures

2.3 燃烧稳定性改善的机理分析

如前文所述，提升进气温度对天然气发动机火焰核心形成和火焰发展具有重要的影响，但稀燃条件下燃烧过程的改善对发动机燃烧稳定性的深层次影响机制尚不清楚．为了揭示瞬态燃烧放热与可视化火焰图像之间的相关性，图7进一步给出了火焰半径与已燃质量分数(burned mass fraction，BMF)的关系. 可以看到，已燃质量分数与初始火焰核心半径之间呈现很好的正相关性，随着已燃质量分数的增加，火焰核心半径单调增加．根据文献[19]，初始火焰核心形成(也就是已燃质量分数0～5%)和早期火焰发展的循环变化，往往是造成发动机燃烧不稳定(即图4中IMEP循环变化)的主要原因．在本试验中，当火焰半径达到10mm时，已燃质量分数在4.3%～7.8%，因此本文中笔者将点火时刻到火焰半径达到10mm所需时间来表征早期燃烧．

图7 已燃质量分数与火焰半径的关系

图8显示了3种进气温度条件下50个循环的早期燃烧阶段的离散分布．其中，每个工况均选自图4中的最佳点火时刻．如图8所示，随着进气温度的提升，数据点分布的离散度越来越小．在进气温度为25℃时，从点火到火焰半径达到10mm阶段所需时间分布在较大的范围，即10.1°CA～15.8°CA之间，其循环变化系数和平均值分别为18.12%和13.03°CA；当进气温度为55℃时，点火到火焰半径达到10mm阶段所需时间分布在9.6°CA～13.3°CA之间，其循环变化系数和平均值分别为11.25%和11.28°CA；进一步提升进气温度到70℃时，此时数据点分布范围最小，在7.9°CA～10.8°CA之间，循环变化系数和平均值分别为7.86%和9.25°CA．进一步结合图4(b)，可以发现快速的早期燃烧(即点火时刻到火焰半径达到10mm阶段)可带来更加稳定的稀薄燃烧性能，从而提升热效率．因此，提升进气温度可以促进早期火焰发展，从而改善天然气发动机稀薄燃烧稳定性．

图8 不同进气温度下早期燃烧阶段的循环变动

3 结 论

(1) 在天然气稀薄燃烧条件下，提高进气温度可以明显提高发动机燃烧稳定性，提高发动机的热效率．相同点火时刻时，提高进气温度可以提升缸内压力峰值，加快燃烧速率，使放热更为集中．对于最佳点火时刻来说，提升进气温度可以使点火相位推迟，优化燃烧相位，从而降低高压缩比下爆震倾向．

(2) 可视化燃烧图像表明，提升进气温度可促进稀薄燃烧条件下天然气着火过程，随着进气温度的升高，火焰核心形成时间提前，火焰尺寸增大，从而缩短了着火延迟时间．在火焰传播过程中，提升进气温度对应着更快的火焰传播，同时火焰前锋趋于向四周传播，火焰形态呈现更好的对称性，有助于天然气稀薄混合气充分燃烧．

(3) 结合瞬态压力和可视化图像发现，在天然气稀薄燃烧条件下，通过提升进气温度改善发动机燃烧稳定性的主要原因在于早期火焰发展．进气温度的提升可以缩短早期火焰发展阶段所需时间，同时降低该阶段的循环变化，进而在宏观上减小了后期湍流燃烧过程的差异，最终降低IMEP循环变化系数，同时提升发动机热效率．

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Optical Investigation of the Effects of Intake Temperature on Lean-Burning Stability of Engine

Zuo Junjie1,2，Wang Zhigang2，Xue Liang2，Zhang Ren1，Wei Haiqiao1，Pan Jiaying1

(1. State Key Laboratory of Engines，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2. Guangxi Yuchai Machinery Group Co.，Ltd.，Yulin 537005，China)

The stability of lean burning is an important indicator of advanced natural gas engines featuring stable，efficient，and clean combustion. A high compression ratio single-cylinder optical engine was used in the experimental research on the effects of intake temperature on the lean-burning characteristics of natural gas engines to improve their lean-burning performance. In-cylinder pressure was measured simultaneously with combustion visualizations，and the correlations between flame development and engine performance were examined. The results indicate that elevating intake temperature can increase the peak value of in-cylinder pressure and heat release rate from 25℃ to 75℃，the peak pressure is increased from 3.71MPa to 4.49MPa，and the peak heat release rate is elevated from 57.17J/(°CA) to 64.36J/(°CA)，resulting in a more concentrated heat release and less heat transfer loss. Additionally，combustion phasing can be improved by combining ignition timing. Visualized flame images show that the ignition delay time is reduced，the initial flame size increases at high intake temperatures，and the maximum flame propagation speed has reached approximately 10.6m/s. Moreover，the flame front spreads faster at the later stage and tends to spread around，which presents better flame-shaped symmetry. Furthermore，an empirical criterion for the burned mass fraction is proposed based on the development of initial flame images to examine the initial combustion process. It was found that increasing intake temperature mainly affects the early flame development stage. The coefficient of variation of IMEP during the early flame development decreased from 18.12% to 7.86%，the average value of this stage also decreased from 13.03°CA to 9.25°CA，and the difference in the later combustion process was alleviated，which reflects the improvement in the lean-burning stability of natural gas engines.

lean-burning；optical engine；intake temperature；early flame development；cyclic variation

TK437

A

0493-2137(2024)04-0355-07

10.11784/tdxbz202302004

2023-02-04；

2023-03-15.

左俊杰（1988—  ），男，本科，工程师，zuojunjie@yuchai.com.

潘家营，jypan@tju.edu.cn.

国家自然科学基金资助项目(52222604，52076149).

the National Natural Science Foundation of China(No. 52222604，No. 52076149).

(责任编辑：金顺爱)