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预燃室射流点火系统对天然气燃烧特性的实验研究
1. 研究作者及发表信息
本研究由Jiangping Tian, Zechuan Cui, Zhongyong Ren, Hua Tian, Wuqiang Long（通讯作者）合作完成，研究团队来自大连理工大学内燃机研究所（Institute of Internal Combustion Engine, Dalian University of Technology）。论文发表于期刊Fuel，2020年2月出版，卷号262，文章编号116467。
2. 学术背景与研究目标
研究领域：内燃机燃烧优化，特别是天然气发动机的稀薄燃烧（lean-burn）技术。
研究背景：
- 天然气发动机在减少CO₂和NOx排放方面具有显著优势，但其火焰传播速度较低，尤其在稀薄混合气条件下易出现失火和燃烧不稳定问题。
- 预燃室射流点火系统（pre-chamber jet ignition system）能提供多点高能点火和强湍流扰动，有助于改善稀薄燃烧性能。然而，关于预燃室几何参数（如孔径、容积）和混合气参数（如当量比、初始压力/温度）对射流点火及燃烧过程的影响尚未充分研究。
研究目标：
通过光学诊断与压力数据结合的方法，系统分析预燃室结构参数和混合气参数对射流点火、火焰传播及燃烧特性的影响，为优化天然气发动机燃烧系统提供理论依据。
3. 研究方法与实验流程
研究采用定容燃烧室（constant volume chamber）结合光学诊断技术（schlieren成像和火焰自然发光直接摄影），实验流程分为以下部分：
（1）实验装置
- 定容燃烧室：配备外部加热系统，避免内部加热导致的意外点火。
- 预燃室结构：分为上下两部分，上部安装火花塞和甲烷喷射器，下部通过单孔（orifice）与主燃烧室连通。预燃室容积（4 mL、6 mL、8 mL）和孔径（1 mm、2 mm、3 mm）可调。
- 光学系统：
- schlieren成像：捕捉射流流动结构及湍流特性。
- 火焰自然发光摄影：记录火焰发展过程。
- 数据采集系统：同步记录压力、温度及光学数据。
（2）实验参数设计
- 预燃室几何参数：
- 孔径（d）：1 mm、2 mm、3 mm。
- 容积（V）：4 mL、6 mL、8 mL。
- 混合气参数：
- 当量比（φ）：主燃室（0.8、1.0）、预燃室（富燃/化学计量比）。
- 初始压力（P）：0.8 MPa、1.0 MPa、1.4 MPa、1.6 MPa。
- 初始温度（T）：300 K、350 K、400 K、450 K、500 K。
（3）实验流程
射流点火过程分阶段分析：
- 阶段1：火花塞点燃预燃室内混合气，燃烧产物通过孔口喷入主燃室。
- 阶段2：射流（火焰或淬熄活性物质）进入主燃室，schlieren成像确定射流出现时刻，自然发光图像判断是否为火焰射流。
- 阶段3：主燃室混合气被点燃并完成燃烧。
数据分析指标：
- 压力曲线：主燃室最大压力（P_max）、压力上升速率（dP/dt）。
- 燃烧相位：ASI10（火花点火后释放10%热量的时刻）、ASI50（50%热量释放）、ASI90（90%热量释放）。
- 射流特性：射流投影面积比（jet projection area ratio）、穿透距离（penetration）。
4. 主要研究结果
（1）预燃室孔径的影响
- 点火时刻：孔径越大（3 mm），射流出现越早（ASI10提前），主燃室点火位置更低（靠近底部）；1 mm孔径易导致淬熄（quenching）和失火。
- 燃烧速率：2 mm孔径时，火焰从主燃室中心向外传播，压力上升速率最高（dP/dt_max），燃烧最充分。
- 机理分析：小孔径（1 mm）因节流效应（throttling effect）导致射流动能不足，而大孔径（3 mm）火焰直接喷入主燃室底部，燃烧效率较低。
（2）预燃室容积的影响
- 射流延迟：容积越小（4 mL），射流出现越早（因火焰传播路径短），但点火能量较低。
- 燃烧性能：8 mL预燃室提供更高点火能量，燃烧更完全（P_max更高），但6 mL容积在压力上升速率和点火时刻间取得最佳平衡。
（3）混合气当量比的影响
- 稀薄极限扩展：预燃室单独富燃（φ_pre > 1）可增强射流点火能力，使主燃室稀薄极限从φ_main=0.8扩展至更低值。
- 燃烧稳定性：主燃室φ=0.8时，若不富燃预燃室，易失火；富燃后形成浓度分层（concentration stratification），改善点火稳定性。
（4）初始压力与温度的影响
- 初始压力（P）：压力升高（1.0 MPa→1.6 MPa）可提前点火时刻、提高燃烧速率，并扩展稀薄燃烧极限。
- 初始温度（T）：温度升高（300 K→500 K）会降低混合气浓度，导致点火能量不足和燃烧速率下降，需通过提高压力补偿。
5. 研究结论与价值
科学价值：
- 明确了预燃室几何参数（孔径、容积）和混合气参数（当量比、压力/温度）对射流点火及燃烧过程的定量影响。
- 揭示了射流点火的多阶段机理，包括淬熄活性物质（quenched species）的体点火（bulk ignition）作用。
应用价值：
- 为天然气发动机预燃室设计提供优化方向：2 mm孔径和6 mL容积的组合可实现高效燃烧。
- 通过预燃室富燃和增压策略，可扩展稀薄燃烧极限，降低排放并提高热效率。
6. 研究亮点
- 创新方法：结合schlieren成像与火焰自然发光摄影，首次系统分析了射流点火的全过程动态特性。
- 关键发现：
- 预燃室射流点火存在两种模式：火焰射流直接点火与淬熄活性物质体点火。
- 2 mm孔径可实现中心点火，优化燃烧速率。
- 工程指导意义：提出了通过预燃室富燃和增压改善稀薄燃烧稳定性的具体方案。
7. 其他有价值内容
- 实验发现初始温度超过500 K时，若不提高压力，主燃室混合气无法点燃，这对高温工况下的发动机设计具有警示意义。
- 研究数据为后续CFD模拟提供了高精度验证基准。
这篇研究通过严谨的实验设计和多参数分析，为预燃室射流点火系统的优化提供了重要理论支撑，对天然气发动机的清洁高效燃烧技术发展具有深远意义。