一種研究柴油甲醇雙燃料的定容燃燒彈試驗裝置

姚春德 代 乾,2 許漢君 楊廣峰

1. 天津大學內(nèi)燃機燃燒學國家重點實驗室，天津，3000722.天津城市建設學院，天津，300384

0 引言

能源危機與環(huán)境惡化使得人們對降低內(nèi)燃機燃油消耗率和有害物質(zhì)的排放的要求越來越高。將甲醇作為代用燃料是解決我國石油資源短缺的一條有效途徑[1]。姚春德等[2-3]提出了采用組合燃燒的新方式來燃用甲醇，研究表明，采用這種組合燃燒可有效減少柴油機的微粒和NOX排放，而且可以實現(xiàn)甲醇的大比例替代，達到既減少柴油消耗，又減少有害氣體排放的目標。為了使組合燃燒的方式得到進一步完善，從根源上探究柴油引燃甲醇/空氣預混均質(zhì)混合氣的燃燒過程和燃燒特性是非常有必要的。實際中發(fā)動機的燃燒過程非常復雜，燃燒基礎(chǔ)研究在模擬燃燒的設備上進行。現(xiàn)在常用的燃燒模擬試驗設備有激波管、快速壓縮機、單缸機以及定容燃燒彈等。激波管設計難度大，對加工工藝要求高，所以制造成本很高，而且激波管加熱過程難控制，因此它多用于爆炸波與爆炸力學效應、航空發(fā)動機、火箭發(fā)動機等的研究，車用發(fā)動機燃燒試驗中應用較少[4-5]?？焖賶嚎s機在燃燒學研究領(lǐng)域的應用較廣泛，但是受其自身的結(jié)構(gòu)以及工作原理的限制，多用于對低速發(fā)動機或發(fā)動機在低速工況下的燃燒模擬研究，在高速發(fā)動機的研究中應用較少[6]。單缸機在發(fā)動機的試驗研究中被廣泛應用，但在工作過程中單缸機存在著較大的循環(huán)變動，且其熱力學參數(shù)有較大的隨機性[7]。本文采用可以精確控制多種熱力學參數(shù)的定容燃燒彈進行燃燒基礎(chǔ)研究，設計了用于該研究的定容燃燒彈試驗裝置，介紹了該試驗裝置的各子系統(tǒng)的組成、特點及應用。

1 試驗系統(tǒng)的組成

圖1是定容燃燒彈試驗裝置示意圖。系統(tǒng)主要包括以下幾個部分：定容燃燒彈系統(tǒng)、燃油注入系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)、混合氣配置系統(tǒng)、壓力測量和高速攝像系統(tǒng)。

圖1 試驗裝置示意圖

1.1 定容燃燒彈系統(tǒng)

為了便于研究在高溫高壓條件下柴油引燃甲醇/空氣預混均質(zhì)混合氣的燃燒過程，定容燃燒彈裝置必須能夠模擬與實際發(fā)動機相似的高溫高壓條件。圖2為定容燃燒彈結(jié)構(gòu)示意圖，主要尺寸為：內(nèi)膛直徑100mm，長200mm，兩端蓋上的觀察窗用石英玻璃制成，其尺寸為φ130mm×32mm，有效視場范圍為直徑為100mm的圓形區(qū)域，有充分的空間觀察油束在碰壁前的發(fā)展及燃燒過程。采用該裝置研究高溫高壓柴油的噴霧燃燒過程時，最高加熱溫度為1073K，最高承壓力為10MPa。

1.接線柱 2.噴油器 3.熱電偶 4.端蓋 5.壓蓋6.石英玻璃 7.燃燒彈體 8.隔熱材料 9.電阻絲圖2 定容燃燒彈結(jié)構(gòu)圖

1.2 燃油注入系統(tǒng)

由于甲醇著火溫度在相同條件下較柴油低，并且易于點燃，所以在裝置加熱條件下注入系統(tǒng)中很容易被高溫的電爐絲點燃，因此筆者采用預混的方式來模擬柴油引燃甲醇/空氣預混均質(zhì)混合氣。在容彈腔體內(nèi)的溫度，特別是電爐絲溫度低于引燃溫度時，將甲醇通過混合氣進氣管上的三通閥注入，加熱形成所需要的混合氣氛圍，并且通過計算確定注入量，保證混合氣濃度在著火界限之外，然后繼續(xù)加熱、加壓，形成柴油自燃所需要條件。

1.3 溫度控制系統(tǒng)

本系統(tǒng)包括加熱裝置和溫度控制器。加熱電阻絲埋于彈體內(nèi)的爐膛內(nèi)，對容彈內(nèi)的燃料進行加熱。使用調(diào)壓器控制加熱電阻絲的電壓。試驗中使用的單相調(diào)壓器最大容量為10kW，輸出電壓為0～250V，電阻絲的功率為5kW，能實現(xiàn)快速加熱，能在20min之內(nèi)把密度為16kg/m3的壓縮空氣由室溫加熱到1073K。容彈內(nèi)部裝有熱電偶溫度傳感器，由與之相連的溫度控制器顯示容彈內(nèi)溫度。實驗中采用了TDW-201型溫度控制器，其量程為0～1000℃。

1.4 混合氣配置系統(tǒng)

為了研究預混可燃混合氣當量燃空比、壓力等參數(shù)對燃燒過程的影響，筆者設計了混合氣配置系統(tǒng)，氣源為壓縮空氣。首先，用真空泵將容彈內(nèi)氣體抽出，將甲醇加熱蒸發(fā)注入定容燃燒彈內(nèi)。然后，打開閘閥和減壓閥將氣瓶中的氣體充入容彈中，配置混合氣。充氣結(jié)束后，關(guān)閉減壓閥和閘閥。閘閥的作用是保持彈體壓力以及防止火焰回入進氣管中。

1.5 壓力測量系統(tǒng)

試驗中使用石英壓電型壓力傳感器(型號為SYC03A)和KISTLER公司生產(chǎn)的硅壓阻傳感器(型號為4067A)分別測量燃燒壓力和油管壓力。壓力采集頻率為每秒10 000個點，信號通過壓力采集線傳送至電荷放大器，經(jīng)過放大后，傳入計算機，通過LabVIEW軟件處理得到。電荷放大器的型號為YE5850。

1.6 高速攝像系統(tǒng)

高速攝像系統(tǒng)主要包括攝像頭(charge coupled device，CCD)、主機、監(jiān)視器和多通道數(shù)據(jù)采集器(MCDL)。其中CCD為YORK TECH Phantom v7系列高速數(shù)字攝像機，攝像機的基本內(nèi)存為2GB，最高攝像速度為190 000幀/秒。拍攝使用以燃燒火焰為光源的直接攝影拍攝法。直接攝影拍攝法的圖像是燃燒火焰的直接信息，方法簡單，不需要設計光學系統(tǒng)，圖像分析也比較容易。高速攝像系統(tǒng)的調(diào)整應在定容燃燒彈組裝好之后進行。首先在石英玻璃窗口中心放置一光源(此光源為單聯(lián)新聞燈，在本試驗中起照明作用，以方便高速攝影機的調(diào)節(jié)。型號：QH-H1300；電流：6A；色溫：3200K，1000W碘鎢燈管)，然后調(diào)整CCD攝像頭的高度、角度、焦距和光圈，使石英窗口范圍內(nèi)的圖像可以被清晰地采集到。

2 定容燃燒彈系統(tǒng)的應用

2.1 燃燒過程圖像

圖3所示為純柴油在空氣中和不同濃度甲醇空氣預混均質(zhì)混合氣中的著火情況，其中每個圖像的時間間隔為0.1ms。試驗中的燃燒起始溫度為893K，針閥開啟壓力為22MPa，定容燃燒彈內(nèi)的背壓為3MPa。從圖3可以看出，隨著甲醇在預混均質(zhì)混合氣中濃度的增大，柴油的著火過程受到抑制，這與以往在發(fā)動機試驗中得到的結(jié)論一致。從圖3中還可以看出，火焰的亮度隨混合氣濃度的增大而變暗，說明碳煙的生成受到了抑制。

(a)純空氣氛圍

(b)1mL甲醇氛圍

(c)3mL甲醇氛圍

(d)5mL甲醇氛圍圖3 柴油在不同氛圍中的著火過程

2.2 滯燃期

目前用壓升滯燃期和發(fā)光滯燃期來確定著火滯燃期的較多，因為這兩個物理量較易測量，壓力傳播速度快，測量儀器可以快速響應壓力的變化情況。但從燃料的燃燒機理來看，發(fā)光滯燃期能更真實地反映著火滯燃期情況。本研究所測得的滯燃期是柴油的發(fā)光滯燃期，即從開始噴油到可以測量到明顯的著火點(可見閃光點)這一段時間。圖4所示為柴油在空氣及甲醇/空氣預混均質(zhì)混合氣中滯燃期隨初始溫度的變化規(guī)律曲線。從圖4可以看出，隨著初始溫度的降低，柴油在不同氛圍中的滯燃期都有所延長。相對于柴油在純空氣氛圍中的燃燒，加入甲醇延長了柴油的滯燃期，并且隨著甲醇在預混均質(zhì)混合氣中濃度的增大滯燃期得到進一步延長。較長的滯燃期可以延長油氣混合時間，加大預混燃燒的比例。

圖4 柴油在不同氛圍中滯燃期隨初始溫度的變化

2.3 火焰浮起長度

圖5 火焰浮起長度隨燃燒時間的變化

擴散燃燒火焰的浮起長度(lift-off length)，即火焰脫離噴孔的最近距離，會通過影響油氣混合對碳煙的形成過程，對其造成重要的影響[8]。浮起長度與碳煙生成和氧化的關(guān)系比較復雜，低溫、低空氣密度以及高噴射壓力均可導致浮起長度的增大?？偟膩碚f，浮起長度的增大可以為油氣混合贏得一定的時間，使油氣混合充分進行，增加預混燃燒的比例，減小碳煙的生成。圖5所示為不同氛圍對柴油火焰浮起長度的影響曲線。由圖5可知，在甲醇氛圍中柴油火焰的浮起長度遠大于空氣氛圍中柴油火焰的浮起長度。但兩種氛圍中，曲線的變化規(guī)律基本上相同。初期，即5ms之前，火焰浮起長度均有小的起伏，波動的原因可能是：開始受逐漸加強的噴射射流的影響，火焰遠離噴孔，隨后燃燒加強，火焰又向噴孔方向靠近，接著射流進一步加強，火焰又遠離噴孔，最后，噴油穩(wěn)定后，火焰也就跟著穩(wěn)定；中期，即5ms至15ms是噴油穩(wěn)定期，在這段時間內(nèi)，可以看到，純空氣氛圍柴油的火焰浮起長度幾乎無變化，而對于甲醇，浮起長度呈線性減小，原因在于隨著燃燒的進行，溫度的升高，削弱了甲醇抑制柴油低溫氧化著火的作用，柴油低溫氧化反應加劇，使得火焰向上游擴展，漸漸接近在純空氣氛圍中的浮起長度；后期，即15ms以后，噴油速度降低，兩種氛圍下柴油的火焰浮起長度均快速減小，到約22ms時，噴油結(jié)束，失去柴油支持的火焰無法保持，二者的火焰浮起長度均急劇增大。

3 結(jié)論

(1)定容燃燒彈試驗裝置能方便地改變熱力學參數(shù)(包括空燃比、壓力和溫度)。

(2)甲醇氛圍對柴油的著火燃燒具有很大的抑制作用，燃燒火焰的亮度隨著混合氣濃度的增大而變暗，碳煙的生成受到抑制。

(3)隨著初始溫度的降低，柴油在不同氛圍中的滯燃期都延長。相對于柴油在純空氣氛圍中的燃燒，甲醇延長了柴油的滯燃期，并且隨著混合氣濃度的增加滯燃期進一步延長。

(4)柴油在甲醇/空氣混合氣氛圍中的火焰浮起長度大于在純空氣氛圍中的火焰浮起長度。火焰穩(wěn)定后，甲醇氛圍中火焰的浮起長度隨時間的變化比在純空氣氛圍中大。

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