摘要
随着能源危机、环境污染及温室效应等社会问题日益严峻，世界各国各地区针对内燃机提出日趋严格的油耗及排放法规。小型强化技术是点燃式（Spark ignition,SI）发动机实现节能减排的有效措施，通过采用高压缩比、进气增压等技术手段，实现内燃机热效率大幅提升，有效降低尾气排放。然而，伴随小型强化SI发动机热负荷的增加，容易发生爆震、超级爆震等异常燃烧现象，导致缸内高频、剧烈的压力振荡，恶化发动机性能，甚至对零部件产生不可逆的破坏。爆震、超级爆震等异常燃烧现象是限制小型强化SI发动机热效率进一步提升的突出瓶颈。普遍认为，爆震是在主火焰锋面传播至缸壁前，末端气体自燃导致缸内压力突升；而超级爆震常见于低速、大负荷工况，认为是“热点”先于火花点火自燃诱发的异常燃烧现象，并伴随爆轰燃烧的发生，燃烧峰值压力高达30MPa，压力振荡幅值超过20MPa，极具破坏性。无论是爆震还是超级爆震都涉及未燃混合气发生自燃，并与湍流火焰-压力波（包括声波和冲击波）相互作用具有强相关性。湍流火焰-压力波相互作用的相关研究是揭示爆震、超级爆震等非正常燃烧现象产生机理的关键。但目前火焰-压力波相互作用对末端自燃及爆轰的作用机理尚不明确，爆轰随机性的讨论鲜有涉及，且针对末端自燃影响因素的研究仍相对较少。 本文以封闭空间中末端自燃及爆轰为研究对象，基于自主研发的可实现湍流火焰-冲击波相互作用的可视化定容燃烧平台，采用以光学试验为主，结合数值模拟和理论分析，从封闭空间内预混燃烧动力学出发，深入研究火焰-冲击波相互作用及其对末端气体自燃的作用规律、爆轰的形成机理与随机特性、以及末端自燃的影响因素，以期完善内燃机爆震、超级爆震的形成与发展机理，为内燃机爆震抑制提供理论支撑。全文共六章，其中第一章介绍研究背景、研究内容及研究目的；第二章介绍可视化定容燃烧试验平台及试验方法；第三章介绍封闭空间中火焰-冲击波相互作用；第四章介绍末端气体自燃及爆轰的形成与发展；第五章介绍不同边界条件对末端自燃及爆轰的影响规律；第六章为总结与展望。以下分三个方面概括性介绍本文的主要研究内容及结论。 （一）封闭空间中火焰-冲击波相互作用 1.1火焰-冲击波相互作用光学实验平台的研制 压力波传播及其与火焰的相互作用对自燃和爆震具有重要影响，但可视化实验条件要求苛刻，难以再现。本研究基于火焰过障碍物加速的学术思想，创新性的将孔板引入燃烧室，开发了一种可实现湍流火焰-冲击波相互作用的光学可视化定容燃烧平台，再现内燃机爆震燃烧现象，结合高速纹影技术获取火焰-冲击波相互作用、末端自燃及爆轰等过程的光学影像，为爆震研究提供了新的试验工具和研究思路。研究中通过更改初始热力学条件（初始压力、进气温度、当量比、惰性气体、燃料等）和孔板规格（孔板孔径、孔隙率、安装位置等），实现不同强度的火焰-冲击波相互作用，进而获得不同的燃烧模式。 1.2封闭空间中预混火焰传播全过程 根据火焰形态及传播速度，将火焰传播分为层流火焰、射流火焰及湍流火焰三个阶段。在层流火焰阶段，火焰受水力学不稳定性及热扩散不稳定性作用，表面出现胞状结构，火焰表面积增加，传播速度小幅提升。层流火焰穿过孔板后被分割为数股射流火焰，火焰传播速度急剧升高一个数量级。之后数股射流火焰汇聚成一束湍流火焰。火焰穿过孔板后的加速传播是不同因素综合影响下的结果：一方面，膨胀流场过孔板产生的强射流驱动了火焰的急加速；另一方面，火焰在障碍物空间传播时，Rayleigh-Taylor不稳定性和Kelvin-Helmoltz不稳定性诱导了湍流的产生，使得火焰表面褶皱更加剧烈，表面分裂为更小的胞状结构，促进燃烧速率的加快。随后，结合数值模拟详细讨论了气流在火焰传播过程中的作用。研究发现：火焰到达孔板前，在孔板下游附近位置存在较高速度的流场（射流），在该射流的驱动下，火焰穿过孔板后速度急速上升；然而当火焰穿过孔板之后，火焰锋面迅速追赶并超越射流前锋，火焰锋面前方的流场速度沿着远离火焰的方向而逐渐下降，说明在该阶段射流对火焰发展不再起主导作用，相反高速火焰开始驱动前方的未燃气体运动。 1.3火焰加速产生冲击波及火焰-冲击波相互作用 基于高速纹影技术，首次捕捉到了加速火焰产生弱冲击波，弱冲击波叠加形成强冲击波的全过程。入射冲击波到达壁面后反射，在燃烧室内往复传播，并与火焰相互作用。在火焰-冲击波的相互作用下，火焰传播速度表现为周期性振荡。随后，开展了火焰传播速度对火焰-冲击波相互作用的研究，明确了火焰传播速度与冲击波强度的关系。研究中通过改变初始当量比，以获得不同的火焰传播速度，发现湍流火焰传播速度在当量比为1.25时达到最大。研究发现，未燃气体区域随火焰传播速度提高分别出现三种现象：速度较低时无冲击波产生，随速度增加仅观测到反射冲击波，速度较高时入射冲击波和反射冲击波均存在，且冲击波强度随火焰传播速度增加而增强。入射冲击波经末端壁面反射后，反射冲击波和火焰相互抑制，导致火焰传播速度及反射冲击波传播速度均有一定程度下降，且速度下降幅度与火焰传播速度正相关。同时发现，随着火焰传播速度的增加，燃烧室中峰值压力和压力振荡幅度也随之提升。结果表明：火焰传播速度与冲击波强度呈正相关关系，即高速火焰产生高强度冲击波，进而引发大幅度压力振荡。 （二）末端气体自燃及爆轰的形成与发展 2.1火焰-冲击波相互作用诱发末端气体自燃及爆轰 开展了末端气体自燃及爆轰的形成机理研究，首次捕捉到了火焰-冲击波相互作用导致末端自燃及爆轰的全过程，揭示了火焰-冲击波相互作用对末端自燃及爆轰的作用规律。当冲击波强度足够强时，在冲击波的压缩及加热作用下，末端未燃混合气发生自燃；之后自燃火焰与冲击波耦合并相互促进，最终发展为爆轰，导致压力突升和巨幅压力振荡；最终爆轰波传播到已燃气体区域，由于没有足够的能量来源，衰减为冲击波。基于末端自燃发生时刻，总结了火焰-冲击波相互作用诱导末端自燃的两种模式：自燃模式1下，末端未燃气体经冲击波两次反射后发生自燃；而自燃模式2下，末端未燃气体仅经冲击波作用一次便发生自燃。且研究发现，提升初始反应物反应活性将促进自燃模式1往自燃模式2转变；且自燃模式2下，由于自燃发生时刻燃烧室中仍存在大量未燃混合气，燃烧峰值压力和压力振荡幅值均大于自燃模式1。 2.2末端自燃及爆轰的发生随机性 通过更改初始氧浓度，对末端自燃及爆轰的随机特性开展研究，发现末端自燃及爆轰的发生频次和发生位置均表现出极大地随机性。低氧浓度时，在相同的初始条件下多次重复试验，末端自燃及爆轰仅偶尔发生。末端自燃及爆轰发生频次的随机性是多种随机物理过程影响下的结果，包括火焰不稳定性、湍流、火焰-压力波相互作用等。然而，随着初始氧浓度的提高，末端自燃及爆轰的发生概率随之提升，且当氧浓度高于特定值后，末端自燃及爆轰的发生变为必然事件。其原因：一方面，随着氧浓度的提升，末端未燃混合气反应活性提高，滞燃期缩短；另一方面，氧浓度的提升导致火焰传播速度的提高，从而形成更高强度的冲击波，促进末端混合气自燃的发生。末端自燃及爆轰不仅发生频次随机，其发生位置也表现出随机性：试验中末端自燃及爆轰起始位置大部分位于末端中部位置，偶尔出现在末端上部或者末端下部。 2.3可控末端自燃及爆轰的实现 末端自燃及爆轰发生频次的随机性为后续研究造成巨大障碍，实现可控末端自燃及爆轰是开展后续研究的基础。研究表明，提高初始混合气氧浓度可以促进末端自燃及爆轰的发生概率，且当氧浓度达到临界值后，末端自燃及爆轰必然发生。需要注意的是，该临界氧浓度随初始压力、进气温度、燃料类型、惰性气体种类等初始条件的改变而改变。基于氧浓度调控，可以实现可控的末端自燃及爆轰，为后续研究的开展奠定了基础。当爆轰发生时，末端未燃混合气能量在极短时间内快速释放，导致极高的燃烧峰值压力和压力振荡幅值，将对试验装置造成极大破坏（光学石英玻璃表面出现鱼鳞状裂纹；不锈钢孔板弯折甚至断裂）。 （三）不同边界条件对末端自燃及爆轰的影响 火焰传播速度对末端自燃及爆轰的影响 基于可控末端自燃，首先开展了火焰传播速度对末端自燃及爆轰影响的相关研究。目前关于火焰传播速度对末端自燃及爆轰的影响存在较大争议：一部分学者认为，提升火焰传播速度，可以形成更高强度的冲击波，进而提升未燃混合气的热力学状态，促进自燃的发生；而另一部分学者则认为，快速的火焰传播将迅速消耗未燃混合气，当火焰传播速度足够快时，可以在自燃发生之前将可燃混合气消耗尽，从而抑制末端自燃的发生。基于氧浓度调控的研究表明，提升初始混合气氧浓度，可以提高火焰传播速度，进而促进末端自燃及爆轰。但是伴随氧浓度的变化，未燃混合气的反应活性，即滞燃期，也相应改变。基于控制变量法，为研究单一变量（火焰传播速度）对末端自燃及爆轰的影响，试验中通过更改孔板规格（孔板孔隙率及数量）获得不同的火焰传播速度。
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