通过甲烷活性预燃室系统，在高温湍流射流中实现喷射点火和喷射火焰点火的发展与转变过程

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通过甲烷活性预燃室系统，在高温湍流射流中实现喷射点火和喷射火焰点火的发展与转变过程

时间：2026年3月16日

来源：Combustion and Flame

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预燃室结构参数对天然气发动机射流点火与火焰点火转换机制的影响研究，通过实验与CFD耦合分析揭示孔径变化主导点火模式转换，湍流射流温度及速度共同作用影响点火延迟，提出点火转换系数k量化动态过程，为高效可靠预燃室设计提供理论支撑。

温泽伟|陈润|李铁|黄帅|李世岩|周新毅|易平|魏强

上海交通大学海洋工程国家重点实验室，中国上海200240

摘要

预燃室结构对喷射点火现象有显著影响，从而直接影响天然气发动机的整体性能和效率。然而，预燃室结构特征与点火现象之间的关联尚未得到明确阐释。本研究采用实验和计算相结合的方法，在恒容燃烧室（CVCC）和单孔预燃室系统中研究了喷射点火和喷射火焰点火的现象及过渡过程。研究揭示了在贫甲烷/空气环境中控制点火现象的预燃室结构机制，其中改变了孔径和预燃室体积。结果表明，较小的孔径会产生温度较低且活性自由基浓度较低的湍流喷射，促进从火焰点火向喷射点火的转变，从而延迟燃烧。然而，体积对点火现象的影响较小。此外，对两种点火现象的研究发现，初始火焰形成始终发生在喷射的上游区域，随后由喷射的发展向下游区域传播。最后，提出了湍流喷射点火系数（k）来表征喷射点火向喷射火焰点火的转变。k表示特征反应时间t与点火延迟τ_T的比值，这与初始喷射速度、主燃烧室的环境温度和预燃室混合物的绝热火焰温度有关。在喷射的初始阶段，随着预燃室孔径的增加，k增加得更快，有利于形成喷射火焰点火。本研究为预燃室结构的设计提供了指导，有助于开发更高效、更可靠的预燃室发动机。

引言

天然气稀燃策略被广泛认为是提高发动机效率和减少NOx排放的有效方法[[1], [2], [3]]。然而，点火和燃烧过程的不稳定性仍然是天然气内燃机（ICE）稀燃面临的主要挑战[4,5]。这些不稳定性导致燃烧不完全和甲烷排放增加，由于甲烷具有较高的全球变暖潜力，这是一个特别值得关注的问题[6,7]。因此，开发了先进的点火技术，如湍流喷射点火（TJI），以改善火焰传播特性并减少甲烷泄漏[8,9]。

典型的TJI系统包括一个小预燃室、一个火花塞和多个孔。首先，火花塞在预燃室中点燃燃料/空气混合物，生成高压燃烧产物。这些产物随后从多个孔中喷射到主燃烧室，形成高温喷射流。这些高速喷射流作为分布式点火源，在主燃烧室的多处同时点燃混合物[10,11]。这一机制显著提高了火焰传播速度，缩短了燃烧时间，最终使得发动机能够在更高的空气/燃料比下运行，并提高了热效率[12,13]。

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对预燃室喷射点火宏观特性的详细研究表明，预燃室孔径对喷射点火过程有关键影响。Biswas等人[22]利用高速明暗法和OH*化学发光成像技术识别了两种不同的点火现象，即喷射点火和喷射火焰点火。对于喷射火焰点火，预燃室喷射流包含卷曲的湍流火焰和活性自由基，便于在主燃烧室中引发燃烧。相比之下，对于喷射点火，预燃室喷射流主要由高温燃烧产物组成，因为在较小孔径中火焰容易被熄灭。随着预燃室孔径的减小，点火现象从喷射火焰点火转变为喷射点火。Wang等人[10]观察到喷射点火的点火延迟和燃烧不稳定性增加。Liu等人[23]也指出，较小孔径产生的喷射流点火延迟明显，这是由于在狭窄的预燃室孔内火焰熄灭所致。发动机中的点火延迟通常会导致燃烧延迟，从而抑制燃烧焓转化为输出功[24]。Yang等人[25]证明，预燃室孔径减小引起的点火延迟显著增加了变异系数（CoV）并降低了热效率。Hlaing和Tang等人[26,27]指出，随着发动机转速的增加，每次冲程中的燃烧时间缩短，这突显了研究预燃室结构与点火现象之间关联的必要性。

预燃室点火现象通常根据喷射是否具有反应性分为喷射点火和喷射火焰点火[22,28]。然而，从喷射点火到喷射火焰点火的转变过程尚不清楚。此外，Malé等人[29]进行了直接数值模拟（DNS），研究了喷射速度和温度对点火可靠性的影响。结果表明，过高的喷射速度可能由于产生过多湍流而抑制成功点火，而较低的喷射温度对点火有显著的抑制作用。Payri等人[30]也发现，较高的点火温度有助于主燃烧室中火焰的快速传播。然而，以往的研究忽略了温度和速度对点火转变的综合影响。此外，Syrovatka等人[13]研究了预燃室体积对发动机性能的影响。他们的结果表明，增加预燃室体积增强了进入主燃烧室的湍流喷射的热能。然而，预燃室体积对点火现象转变的影响仍不完全清楚。点火特性是决定稀燃预燃室发动机性能的关键参数。尽管在实际预燃室发动机中，喷射火焰点火的热转换效率高于喷射点火[28]，但关于点火转变的研究空白为预燃室系统的系统设计和性能提升带来了重大挑战。因此，结合实验和计算的研究对于阐明从喷射点火到喷射火焰点火的转变过程至关重要。

本研究的目的是为了更好地理解在不同预燃室结构下的甲烷稀燃条件下预燃室高温湍流喷射点火现象和燃烧特性。高速明暗法用于捕捉恒容燃烧室（CVCC）中高温湍流喷射和火焰传播的演变过程。特别是，计算流体动力学（CFD）模拟用于补充实验结果，提供了关于湍流喷射点火现象和燃烧特性的额外见解。模拟使用了Converge Studio 2.3求解器和大涡模拟（LES）模型，燃烧模型采用了SAGE化学动力学求解器和GRI-Mech 3.0机制。此外，研究重点关注了预燃室体积对喷射点火和喷射火焰点火两种燃烧过程的影响。最后，研究了不同预燃室喷射流下的点火现象控制机制。判断点火转变的方法对于开发更高效、更可靠的预燃室设计具有重要意义。

实验装置

实验装置由预燃室系统和主燃烧室组成，如图1(a)所示。预燃室上安装有一个单孔，预燃室结构如图1(b)所示。使用Z型高速明暗成像系统捕捉高温湍流喷射点火和燃烧过程。凸透镜1产生的平行光通过主燃烧室后，由凸透镜2聚焦。

数值模拟与验证

为了更好地理解喷射点火和喷射火焰点火机制，使用Converge Studio 2.3求解器对预燃室喷射和点火过程进行了数值模拟。本研究采用了SAGE化学动力学求解器进行燃烧模拟。动力学机制（GRI-Mech 3.0）包含53种物质和325个反应，用于甲烷燃烧[33]。湍流模型使用了大涡模拟（LES）模型，其中考虑了壁面热传递