探究甲醇主动预燃室射流点火：内部火焰传播、当量比与射流点火性能的关联

《Combustion and Flame》：Understanding methanol active pre-chamber jet ignition: Linking internal flame propagation, equivalence ratio and jet ignition performance

　　

摘要

主动预燃烧室射流点火（APCJI）是拓展稀薄燃烧极限并提高甲醇发动机热效率的关键技术。APC内部燃烧过程直接决定了热射流的物理动量和化学组成，进而主导主燃烧室（MC）的点火和火焰传播。然而，由于结构受限和测试条件限制，APC内部燃烧特性与外部射流演化之间的耦合关系在实验上仍然难以探究。本研究设计了一套全透明实容积形状石英APC可视化测试系统，用于观测甲醇喷射、点火、受APC内壁面约束的火焰传播以及从APC喷口射出的射流演化过程。采用高速宽带自然发光成像和RGB通道分离技术，在相同光学条件下对火焰形态、投影火焰面积、表观亮度演化和APC到MC的点火时序进行定量分析。结果表明，APC当量比（Φ_APC）调节了射流动量与排出射流表观热化学反应活性之间的平衡，这一结论可从火焰发展、压力响应和宽带亮度演化中推断得出。较高的当量比（1.4和1.6）在APC内部燃烧过程中产生未燃燃料和大量中间反应产物，随后注入MC，显著增强了MC的可燃性并缩短了点火延迟，使射流火焰传播速度较Φ_APC=1.2时更快。此外，射流动量决定了点火核的空间分布；较高的动量将火焰核推离APC喷口，而较浓的MC混合气则有利于点火位置更靠近喷口。本工作为内外燃烧关联提供了直接的实验证据，表明可以通过优化Φ_APC来平衡射流特性，利用APC火焰传播速度和燃烧化学效应实现高效的超稀薄燃烧。

各节摘要

新颖性与意义声明

本工作率先通过光学实验揭示了不同当量比下甲醇主动预燃烧室（APC）内火焰与主燃烧室射流演化及点火之间的联系。与以往分别关注APC燃烧或热射流点火性能的研究不同，我们通过实验将APC内部火焰形态、压力演化及红/绿/蓝通道与射流形成和点火性能联系起来。主要创新包括时间分离随……变化

光学CVC系统与APC结构

图1展示了光学CVC-APC系统的示意图。CVC的压力和温度通过进气/排气阀门和加热器进行调节。APC组件（容积10 mL）安装在CVC的侧窗口上，APC单喷口直径为2 mm，APC内部几何结构为Y型，与船舶发动机使用的预燃烧室设计一致。透明APC部分和CVC光学窗口采用JGS1石英玻璃制成，典型透射范围为

APC内部火焰、燃烧与射流

在我们先前的研究中，探讨了喷射诱导流场对APC内火焰传播的影响。该研究证明，多次喷射冲击可以产生翻滚流，从而偏转火焰并导致火焰发展不对称。此外，在富燃料条件下，喷射冲击形成的壁面油膜被发现会局部阻碍火焰传播。与先前的研究相比，本工作中的喷射脉宽明显更短。

结论

为研究APC内火焰与外部射流点火的耦合机理，采用真实的透光学APC和CVC进行了全场光学实验。采用火焰自然发光成像和RGB通道分离技术，分析了火焰形态、表观亮度演化、火焰面积、质心运动和APC-MC点火时序。

APC火焰前沿到达底部时触发可见火焰射流进入MC，但APC中的反应在火焰

CRediT作者贡献声明

Deyang Zhao：撰写——初稿、方法论、研究、数据整理。 Yanzhao An：撰写——审阅与编辑、监督、项目管理、研究、概念化。 Yiqiang Pei：撰写——审阅与编辑、监督、项目管理。 Hong Chang：撰写——审阅与编辑、研究。 Junnan Hu：方法论、研究、数据整理。 Yuhan Zhang：研究、数据整理。 Wei Duan：撰写——审阅与编辑、研究、资金获取。

Deyang Zhao | Yanzhao An | Yiqiang Pei | Hong Chang | Junnan Hu | Yuhan Zhang | Wei Duan | Mohy Saad Mansour | Xiaoyu Zhang