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甲烷燃料预燃室系统在快速压缩机中的实验与数值研究

作者及机构
本研究由清华大学汽车安全与节能国家重点实验室的Fubai Li、Ziqing Zhao、Zhi Wang及Boyuan Wang共同完成，研究成果发表于《Combustion Science and Technology》期刊2021年第193卷第9期，具体发表日期为2019年12月6日。

学术背景
天然气（Natural Gas, NG）作为清洁能源，在内燃机应用中具有显著优势，例如减少约20-25%的二氧化碳排放和75%的颗粒物排放。然而，天然气的主要成分甲烷（CH₄）燃烧速度慢且可燃性较差，尤其在稀薄燃烧或高废气再循环（Exhaust Gas Recirculation, EGR）条件下，燃烧稳定性进一步恶化。预燃室射流点火（Pre-chamber Jet Ignition, PJI）技术被认为是解决这些问题的有效手段，但其在化学计量比混合气（stoichiometric mixture）和高EGR稀释条件下的研究较少。本研究旨在通过实验和数值模拟，探究被动式预燃室系统在不同孔径下的点火特性及稀释极限，并分析预燃室结构参数对点火模式的影响。

研究流程
1. 实验设计
- 快速压缩机（Rapid Compression Machine, RCM）平台：实验在清华大学的光学可观测RCM上进行，该设备模拟单冲程发动机工况，能够在30毫秒内将混合气压缩至高压高温状态。燃烧室直径为50.8毫米，冲程为500毫米，预燃室体积占燃烧室总体积的1.25%。
- 测试方法：研究对比了传统火花点火（Conventional Spark Ignition, CSI）和预燃室点火（PJI）系统，测试了1.5毫米、2.0毫米和2.5毫米三种孔径的预燃室。燃料为化学计量比的甲烷/空气混合气，并通过添加CO₂/N₂模拟EGR条件。稀释率从0%逐步增加直至点火失败。
- 数据采集：使用压电传感器记录燃烧压力，高速摄影捕捉燃烧过程，图像帧率为12,500 fps。

1. 数值模拟

   • 模型构建：采用CONVERGE CFD软件进行三维模拟，包括压缩和燃烧过程。使用Cut-Cell Cartesian方法生成网格，并通过自适应网格细化（Adaptive Mesh Refinement, AMR）捕捉火焰前沿和射流细节。
     
   • 化学反应机制：对比了Aramco 2.0、NUI和GRI 3.0三种甲烷燃烧机理，最终选择GRI 3.0机制（包含53种组分和325个反应）以平衡计算精度与效率。
     
   • 边界条件：假设壁面为等温条件，火花能量模拟为80 mJ，分两阶段注入以模拟实际火花事件。
     

2. 数据分析

   • 点火模式分类：根据实验和模拟结果，定义了两种点火模式：预燃室射流火焰点火（Pre-chamber Jet Flame Ignition, PJFI）和预燃室射流自燃点火（Pre-chamber Jet Autoignition, PJAI）。
     
   • 结构参数影响：通过改变预燃室体积、孔径和孔数，计算总有效流通截面积与预燃室体积比（Aₜ/Vₚ₀），探究其对点火模式的影响。
     

主要结果
1. 实验发现
- 点火模式差异：大孔径（2.0毫米和2.5毫米）预燃室表现为PJFI模式，射流火焰持续发展并快速引燃主燃室混合气；小孔径（1.5毫米）则表现为PJAI模式，射流火焰短暂存在后熄灭，随后主燃室混合气因热化学作用自燃。
- 稀释极限：被动式预燃室系统在相同稀释率下无法扩展点火极限（CO₂/N₂稀释率≤25%），而传统火花点火系统可达30%。

1. 数值模拟验证
   
   • 临界Aₜ/Vₚ₀值：模拟表明，Aₜ/Vₚ₀是决定点火模式的关键参数。当Aₜ/Vₚ₀>0.0150 cm⁻¹时表现为PJFI模式，低于此值则可能发生PJAI或点火失败。
     
   • 预燃室混合气状态的影响：预燃室内混合气的实际稀释率显著影响主燃室点火稳定性。若预燃室为新鲜混合气（稀释率为0%），主燃室稀释率可扩展至40%。
     

结论与价值
1. 科学意义：
- 揭示了预燃室射流点火的两种模式（PJFI和PJAI）及其转换机制，填补了化学计量比和高稀释条件下预燃室研究的空白。
- 提出Aₜ/Vₚ₀作为预燃室设计的核心参数，为工程应用提供了理论依据。

1. 应用价值：
   
   • 被动式预燃室系统在现有技术下无法扩展稀释极限，但通过优化预燃室混合气状态（如主动供气），可显著提升点火性能。
     
   • 研究结果对天然气发动机的燃烧系统设计具有直接指导意义，尤其是面向欧六排放法规的高效低污染燃烧策略。
     

研究亮点
1. 首次在RCM平台上结合光学诊断和数值模拟，系统分析了预燃室射流点火特性。
2. 发现Aₜ/Vₚ₀的临界范围，为预燃室结构设计提供了量化指标。
3. 揭示了预燃室混合气化学活性对主燃室点火的关键作用，为主动式预燃室技术开发奠定基础。

其他有价值内容
研究还发现，小孔径预燃室（1.5毫米）在PJAI模式下燃烧速率显著高于大孔径（4.5倍），这归因于高湍流强度（Turbulent Kinetic Energy, TKE）和局部自燃的协同效应。此外，多孔预燃室设计可提升点火概率，但需平衡射流穿透深度与湍流增强效果。

以上报告全面涵盖了研究的背景、方法、结果和意义，适合向学术界和工程界读者介绍该研究的创新性与实用性。