本文档属于类型a，即报告了一项原创性研究的科学论文。以下是针对该研究的学术报告：

一、作者及发表信息

本研究由Han Wu（第一作者兼通讯作者）、Lili Wang、Xi Wang、Baigang Sun（共同通讯作者）、Zhenfeng Zhao、Chia-fon Lee和Fushui Liu合作完成，作者单位包括北京理工大学机械工程学院（Beijing Institute of Technology）、美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校（University of Illinois at Urbana-Champaign）及北京电动车辆协同创新中心（Beijing Electric Vehicle Collaborative Innovation Center）。研究发表于国际期刊《International Journal of Hydrogen Energy》（2018年，第43卷，第8116–8126页）。

二、学术背景

科学领域与研究动机

本研究属于内燃机燃烧技术领域，聚焦于预燃室火花塞（Pre-Chamber Spark Plug, PCSP）引发的湍流射流点火（Turbulent Jet Ignition）对氢-空气预混气燃烧特性的影响。

背景知识：
1. 内燃机技术挑战：传统火花点火（SI）发动机面临稀薄燃烧（lean combustion）极限、爆震（knocking）及热效率瓶颈问题。
2. 预燃室技术优势：通过预燃室产生的高能湍流射流可加速主燃烧室火焰传播，扩展稀燃极限，抑制爆震，并提升热效率。
3. 氢燃料特性：氢气具有高火焰速度、宽可燃范围（当量比φ=0.1–7.0）和低点火能量，但易引发回火和爆震，需优化点火策略。

研究目标：
在定容燃烧室（Constant Volume Chamber）中，探究PCSP型湍流射流对不同当量比（φ=0.8–2.0）氢-空气混合气的燃烧压力特性、火焰传播及燃烧强度的增强效果，验证其简化发动机燃烧控制策略的潜力。

三、研究流程与方法

1. 实验装置设计

• 定容燃烧室：圆柱形腔体（直径100 mm，高度118 mm），配备石英观察窗和加热系统（初始温度可达800 K）。
  
• PCSP系统：预燃室体积1.5 mL（占主燃烧室<0.2%），含6个直径1 mm的喷孔，无独立燃料喷射装置，依赖活塞压缩将主燃烧室混合气压入预燃室。
  
• 测量系统：
  
  • 压力传感器（Kistler 6125B，采样频率100 kHz）记录燃烧压力曲线。
    
  • 纹影系统（Schlieren System）：Z型光路配置，搭配高速相机（Phantom V7.3，10,000–12,500 fps）捕捉火焰传播过程。
    

2. 实验步骤

1. 初始条件设置：加热燃烧室至450 K，初始压力1 bar，通过道尔顿分压定律配制不同当量比（φ=0.8, 1.0, 1.2, 1.5, 2.0）的氢-空气混合气。
   
2. 点火模式对比：分别采用标准火花塞点火与PCSP点火，同步触发压力记录和高速摄影。
   
3. 数据采集：
   
   • 压力分析：定义点火延迟（5%最大压力时刻）、燃烧持续期（5%–95%最大压力时间跨度）、T50（50%最大压力时刻）等参数。
     
   • 火焰形态分析：通过纹影图像量化火焰前锋速度与湍流强度。
     

3. 创新方法

• PCSP简化设计：区别于传统预燃室（需独立喷油器），PCSP仅通过机械结构实现湍流射流，降低工程复杂度。
  
• 氢燃料适配性验证：首次系统评估PCSP对氢-空气混合气的适用性，填补了小分子燃料在预燃室技术中的研究空白。
  

四、主要研究结果

1. 燃烧压力特性

• 点火延迟缩短：PCSP模式下，φ=0.8时的点火延迟从2.37 ms降至1.24 ms（降幅48%），且对当量比变化不敏感（φ=0.8–1.5时延迟均≈1.25 ms）。
  
• 燃烧相位前移：T50在φ=0.8时从5 ms提前至3 ms，表明PCSP显著加速燃烧初期反应。
  
• 燃烧持续期缩短：φ=0.8时，燃烧持续期从2.95 ms（标准点火）降至1.7 ms（PCSP），但在φ=2.0时差异消失，说明PCSP对稀燃效果更显著。
  

2. 燃烧强度提升

• 燃烧强度指数（PCSP与标准点火的平均压力上升率比值）在φ=0.8时达1.73，随φ升高降至1.13（φ=2.0），表明PCSP对稀薄混合气的增强效果更突出。
  

3. 火焰传播特性

• 标准点火：火焰呈球形层流传播，速度恒定。
  
• PCSP点火：初期形成锥形湍流射流，火焰表面褶皱显著，体积扩张速度更快（φ=0.8时火焰前锋速度提升2倍以上）。
  
• 爆震抑制：PCSP通过高速火焰传播减少末端混合气自燃风险，而标准点火在φ=2.0时出现末端自燃（纹影图像显示壁面附近局部点火）。
  

4. 燃烧控制简化

PCSP使燃烧相位参数（点火延迟、T50等）对当量比的敏感性降低，可能简化发动机控制策略。

五、结论与价值

科学价值

1. 验证PCSP可行性：证实无独立喷油的小型预燃室可通过湍流射流显著提升氢-空气混合气燃烧效率，尤其适用于稀薄工况。
   
2. 机制阐释：揭示了PCSP通过高速湍流射流扩大火焰表面积、加速燃烧反应的物理机制。
   

应用价值

1. 发动机技术革新：PCSP无需大幅改造现有发动机结构，即可实现稀薄燃烧、热效率提升及爆震抑制，适用于氢内燃机开发。
   
2. 减排潜力：稀薄燃烧结合PCSP可降低氮氧化物（NOx）排放，助力清洁能源应用。
   

六、研究亮点

1. 创新设计：首次提出并验证了简化版PCSP在氢燃料中的有效性。
   
2. 多参数关联分析：结合压力动力学与纹影可视化，建立了湍流射流-燃烧强度-火焰形态的定量关系。
   
3. 工程指导意义：为氢内燃机预燃室设计提供了实验依据，推动低成本燃烧优化技术发展。
   

七、其他发现

• 氢燃料适配性：氢的小分子特性使其更易通过PCSP喷孔，避免了液态燃料的混合不均问题。
  
• 燃烧噪声降低：PCSP的压力上升率虽高，但压力曲线更平滑，可能改善NVH（噪声、振动与声振粗糙度）性能。