利用丙酮PLIF技术研究分层氢气燃烧中的混合气形成时间

《International Journal of Hydrogen Energy》：Investigation of mixture formation time on stratified hydrogen combustion by acetone PLIF

　　

Ki Youngmin|Kim Jungho Justin|Yang Heetae|Hwang Joonsik|Bae Choongsik

韩国大田市KAIST机械工程系，邮编34141

摘要

本研究探讨了在恒容燃烧室中，混合气形成时间对氢气喷射发展、混合气分布以及后续燃烧特性的影响。研究采用基于丙酮的平面激光诱导荧光技术，通过三维重建和校准获得空间分辨的当量比分布。这些测量结果与基于压力的燃烧指标、纹影成像以及OH?化学发光数据进行了直接对比。研究结果表明，较短的混合气形成时间会导致混合气高度分层，点火器附近会出现局部富燃区域，从而使得点火更快、燃烧时间更短、热量释放更多。相反，较长的混合气形成时间则会产生更加均匀且贫燃的混合气，导致燃烧速度变慢、反应强度降低。这些发现表明，混合气分布是控制分层氢气燃烧的关键参数。

引言

全球向碳中和转型的趋势推动了交通运输领域减少碳排放的努力，而该领域仍是温室气体排放的主要来源。为此，人们正在积极探索能够在保持实际使用性能的同时减少碳排放的替代燃料。氢气作为一种有望用于内燃机的无碳能源载体，受到了广泛关注。由于其宽广的可燃范围，氢气能够在极贫燃条件下实现稳定燃烧，这有助于提高热效率并抑制不完全燃烧[[1], [2], [3]]。此外，氢气快速的化学反应动力学特性有助于火焰的快速传播，从而提升稀薄混合气中的燃烧稳定性[4]。应用于内燃机时，这些特性使得发动机在使用过程中能够实现接近零的CO₂排放，同时还能保留现有发动机平台的优势、成熟的制造体系以及较短的加注时间[[5], [6], [7]]。正因如此，以氢气为燃料的内燃机越来越被视为实现低碳交通的实用且具有可扩展性的方案，尤其是在那些完全电气化在技术或经济上存在挑战的应用场景中。

然而，尽管氢气具有良好的燃烧特性，但它也存在一些固有问题，比如异常燃烧现象，包括预燃和回火，尤其是在采用进气道燃油喷射方式时更为常见[8,9]。为了解决这些问题并最大化热效率，分层燃烧策略作为一种有效的燃烧方式在氢燃料发动机中得到了广泛应用[10]。在分层氢气燃烧中，燃料会在点火前直接注入，从而形成空间上不均匀的混合气分布[11]。这种方法能够在点火源附近形成局部高反应性的混合气，同时保持燃烧室内的整体贫燃状态[12]。这样的结构有助于提升燃烧稳定性，减少冷却损失，并通过限制过高的压力上升速率来降低爆震倾向[13,14]。此外，分层燃烧还允许通过调整混合气浓度来实现燃烧控制，而无需仅仅依赖整体当量比的调节[15]。不过，分层燃烧的效果在很大程度上取决于点火时的混合气分布[16]。火花位置附近的局部当量比决定了火焰核的形成及早期火焰的发展，而周围的混合气结构则影响着后续火焰的传播以及整体的热量释放情况[17,18]。因此，精确控制并准确描述混合气分布对于理解和优化分层氢气燃烧至关重要。

许多实验研究都探讨了不同工况下分层氢气喷射的燃烧特性。Yu等人比较了火花点火发动机中均匀喷射与分层喷射两种方式的效果，发现分层喷射提升了燃烧稳定性并提高了热效率[19]。这种改善是由于火花塞附近形成了局部富燃的混合气，从而加快了点火速度并提升了早期燃烧速率。不过，该研究也指出，过度的分层可能会在某些区域形成富燃区，导致燃烧温度升高，进而增加NOx排放。Lee等人研究了直接喷射分层对氢燃料发动机热效率的影响[20]。研究结果表明，分层燃烧通过在气缸壁附近形成贫燃混合气，同时在点火部位保持足够的反应活性区域，从而减少了热量损失。这种结构在不会显著影响恒容燃烧程度的情况下提升了热效率。不过，该研究并未详细分析点火前的空间混合气分布变化，也未探讨局部当量比梯度如何直接影响燃烧发展过程。Liu等人研究了活塞几何结构对氢直接喷射火花点火发动机中混合气分层及燃烧特性的影响[21]。研究表明，碗形活塞结构能够促进燃烧中心区域的混合气分布更加富集，从而增强混合气分层效果。这不仅提升了火焰传播速度，还促进了燃烧阶段的提前，进而提高了热效率。此外，Breda等人研究了喷油嘴结构设计以及氢气喷射方向对直接喷射氢燃料发动机中混合气形成的影响[22]。研究结果表明，优化喷油嘴结构并使氢气喷射方向与气缸内的湍流运动保持一致，能够显著提升混合气的均匀性及燃烧性能。该研究强调了氢气喷射与气缸内流动结构之间的相互作用对混合气分层及后续燃烧特性的重要影响。这些研究共同表明，混合气分布对于决定燃烧效率及排放特性起着至关重要的作用。不过，在大多数研究中，混合气分层都是通过喷射参数或整体燃烧指标间接推断出来的，而非通过直接测量空间当量比分布来确定的。因此，预燃阶段混合气结构与后续燃烧行为之间的直接关联至今仍未被充分理解。

为了直接表征点火前的混合气分布，人们广泛采用了平面激光诱导荧光等光学诊断技术。基于示踪剂的PLIF方法，尤其是紫外光激发下的丙酮PLIF技术，已被用于可视化气体燃料喷射现象，并在非反应环境中重建当量比场[23,24]。这些研究证明了捕捉空间混合气结构的可行性，也为了解燃料的扩散和分层行为提供了宝贵线索。不过，在很多情况下，PLIF信号主要是根据相对荧光强度来解读的，缺乏严格的校准，无法获得精确的当量比分布数据。此外，大多数研究都局限于非反应环境，仅专注于混合气的可视化，未能将经过校准的混合气场与后续燃烧特性进行系统性的对比分析。因此，目前仍未能充分建立预燃阶段混合气分层与点火延迟、燃烧持续时间、热量释放、火焰传播动态以及反应强度等燃烧指标之间的直接定量关联。

因此，本研究旨在系统地探讨混合气形成时间对恒容燃烧室中氢气喷射发展、混合气分布以及后续燃烧特性的影响。研究通过结合丙酮PLIF技术以及三维重建和校准方法，定量获得了点火前的空间分辨当量比分布。这些经过校准的混合气场与基于压力的燃烧指标——包括点火延迟、燃烧持续时间以及代表性总热量释放值——以及通过纹影成像获得的火焰传播动态数据和通过OH?化学发光测定的反应强度数据进行了直接对比。通过在不同混合气形成时间下同步进行混合气诊断与燃烧分析，本研究建立了预燃阶段混合气分层与燃烧行为之间的直接定量关联。这些研究结果为理解受混合气调控的氢气燃烧机制提供了重要见解，也为优化分层氢燃料发动机中的喷射及点火策略提供了指导。

章节节选

实验装置

图1展示了基于PLIF技术进行氢气喷射混合气分布测量的实验装置，以及利用纹影成像和OH?化学发光技术进行的燃烧可视化装置。所有实验均在容积为1.39升的恒容燃烧室中进行，该燃烧室配备了一个直径为100毫米的石英光学窗口，以便于进行光学观测。氢气来自高压气瓶，其注入压力被控制在40巴左右。

喷射行为与混合气分布

图4展示了随着混合气形成时间的变化，氢气喷射行为及混合气分布的变化情况。图4(a)显示了不同混合气形成时间下氢气喷射的纹影图像，而图4(b)则展示了通过PLIF测量得到的相应当量比分布图。如图4(a)所示，由于喷射器呈向外开口结构，氢气喷射在喷嘴附近最初会因为强烈的径向扩散而呈现出较为粗大的结构，随后则会随着轴向方向的延伸而逐渐发展。

结论

本研究通过纹影成像、基于丙酮的PLIF技术、OH?化学发光技术以及基于压力的分析方法，系统地研究了混合气形成时间对恒容燃烧室中氢气喷射发展、混合气分布以及后续燃烧特性的影响。主要研究结果如下：

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  随着混合气形成时间的增加，氢气喷射的扩散程度加剧，混合气分层现象减弱，从而使混合气从局部富燃的分层状态转变为更为贫燃的状态。

作者贡献说明

Ki Youngmin：数据整理、实验研究、方法设计、论文初稿撰写、论文审阅与修改。 Kim Jungho Justin：数据整理、方法设计。 Yang Heetae：数据整理、方法设计。 Hwang Joonsik：项目指导、论文审阅与修改。 Bae Choongsik：项目指导、论文审阅与修改。

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关系或个人关系。

致谢

本研究得到了韩国贸易、工业和能源部（MOTIE）的支持[项目名称：为应对碳中和与CO2排放法规，开发适用于重型应用的世界级11升直喷氢燃料发动机技术/项目编号：P0028449]，以及[项目名称：为MW级内燃机开发氢燃料喷射与供应系统的相关关键材料与组件并对其进行性能评估/项目编号：RS-2024-00430800]。