（工程热物理专业论文）改装直喷式柴油机中生物柴油的喷雾及燃烧特性研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 石油资源的不可再生性和环境要求的日益提高，使得发动机的清洁代用燃料 受到世界各国的重视。生物柴油作为柴油机清洁代用燃料，具有无毒、可再生、 可生物降解和无需改动现有柴油机结构即可使用等优点，近年来一直是研究的热 点之一。目前，针对生物柴油开展的研究工作主要集中在生物柴油及其添加剂对 柴油机性能的影响以及生物柴油降低排气污染物的机理研究等问题。对生物柴油 喷雾燃烧过程的研究还不够完善，尤其对燃料的着火、燃烧过程、以及各种因素 对生物柴油喷雾燃烧过程的影响还未进行深入的研究。开展生物柴油喷雾燃烧机 理的试验研究，可为清洁代用燃料生物柴油的进一步推广及应用提供理论支持。 因此，本文的研究工作是很有必要的也是很有意义的。 在介绍生物柴油发展的基础上，较详细分析了生物柴油物理化学性质及其对 发动机性能的影响。本文利用自行研制的喷雾燃烧多功能动态可视化试验装置， 对生物柴油与常规柴油的喷雾燃烧机理进行了对比试验，并进行了比较分析，得 出的结论主要有：与0 # 柴油相比，生物柴油喷油时刻较早一些，即喷油延迟期 短；两种燃料喷出的四油束末梢均出现碰壁反弹现象，生物柴油的油束碰壁后反 弹更加强烈一些，一部分随涡流方向沿壁扩展，一部分反向沿壁扩散，与空气混 合并形成可燃混合气；生物柴油自燃首先发生在燃烧室壁面边缘部位即液态喷注 前端的边缘处，着火时刻比0 # 柴油有所提前，着火延迟期变短，且燃烧速度比 0 # 柴油快，相同转速时，生物柴油的燃烧区域的面积大于o # 柴油的燃烧区域 的面积；生物柴油燃烧持续期延长，说明在扩散燃烧阶段生物柴油的扩散燃烧速 率要比0 # 柴油低。 本文还分析了燃料性质、发动机转速和喷油压力三种不同因素对生物柴油喷 雾燃烧特性的影响，得出的主要结论有：混合燃料的喷雾贯穿距随着生物柴油的 增加而增强，生物柴油和0 # 柴油的混合比例应有个最佳混合比，最佳比例应该 介于0 - - - 2 0 之间，可使燃烧效率有所提高，滞燃期变短，燃烧时间缩短，热效 率得到提高；转速的变化对生物柴油的喷雾特性影响甚小，生物柴油在高转速工 况时的燃烧区域的面积大于低转速的燃烧区域的面积，燃烧速度也是高转速工况 江苏大学硕士学位论文 时大，燃烧终点对应的曲轴转角较低转速时有所增加，燃烧持续期对应的角度有 所延长，但燃烧持续的绝对时间相应缩短；较高喷油压力的喷雾油束锥角稍大些， 喷油时间对应的同等曲柄转角下的喷雾油束贯穿距离也要稍大一些，随喷油压力 提高，着火延迟期缩短，燃烧终点有所提前，燃烧持续期相应的有所缩短。 关键词：直喷式柴油机，生物柴油，喷雾，燃烧特性，高速摄影 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t d u et ot h eu n r e n e w a b l en a t u r eo fo i l r e s o u r c e sa n dt h e s t r e n g t h e n i n g e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o nc o n s c i o u s n e s s ，c o u n t r i e se v e r y w h e r ep a ym o r ea t t e n t i o nt o c l e a na l t e r n a t i v er u e lf o rp o w e rm a c h i n e b i o d i e s e lh a sb e e ns t u d i e dw o r l d w i d ea so n e o ft h ec l e a na n da l t e r n a t i v ef u e l s ，w h i c hi sn o n t o x i c ，r e n e w a b l e ，b i o d e g r a d a b l e ，a n d a p p l i e dd i r e c t l yt od i e s e le n g i n es t r u c t u r ew i t h o u tc h a n g e a tp r e s e n t ，b i o d i e s e ls t u d y i sm o r eo nt h ec h a r a c t e r i s t i c s & a d d i t i v ew h i c hw i l li n f l u e n c et h ed i e s e le n g i n e p e r f o r m a n c ea n dm e c h a n i s mo fr e d u c i n ge x h a u s te m i s s i o n ，l e s so ns p r a ya n d c o m b u s t i o np r o c e s se s p e c i a l l yo nf i r i n g 、c o m b u s t i o np r o c e s s 、a n dd i f f e r e n tf a c t o r s i n f l u e n c eo ns p r a y & c o m b u s t i o np r o c e s s s t u d yo ns p r a y & c o m b u s t i o nm e c h a n i s m o fb i o d i e s e lc a l lo f f e rt h e o r e t i c a ls u p p o r tf o rf u r t h e rp r o m o t i o na n da p p l i c a t i o no f b i o d i e s e la so n eo ft h ec l e a na l t e r n a t i v ef u e l s o ，o u rs t u d yw o r ki sv e r ye s s e n t i a la n d s i g n i f i c a n t b a s i n go nn a r r a t i n gt h ed e v e l o p m e n to ft h eb i o d i e s e l i n d u s t r y t h ea r t i c l eh a sa l s o a n a l y z e di nd e t a i lt h ep h y s i c a l c h e m i c a lp r o p e r t i e sb i o d i e s e la n dw h o s ei m p a c to n e n g i n ep e r f o r m a n c e 1 1 1 i ss t u d y , b yu s i n gt h es e l f - d e v e l o p e dd y n a m i cv i s u a l t e s t d e v i c eo fm u l t i - p u r p o s es p r a yc o m b u s t i o n ，i sc a r r i e do u tt h r o u g hc o m p a r i s o nt e s t i n g o ns p r a y & c o m b u s t i o nm e c h a n i s mo fb i o d i e s e la n dc o n v e n t i o n a ld i e s e l a n da c o m p a r a t i v ea n a l y s i so ft h et w of u e l s c o n c l u s i o n sg o ta sf o l l o w s ：c o m p 撕n gt od i e s e l 0 # ，i n j e c t i o nt i m eo fb i o d i e s e li se a r l i e r ，i n j e c t i o nd e l a yi ss h o r t e r ；b o t hf u e l ss p r a y o u tf o u ro i lb e a m sw h i c hr u ni n t oab l a n kw a l la n dt h e nr e b o u n d b i o d i e s e lb e a m s r e b o u n ds t r o n g e ra f t e rc o l l i s i o n ，s o m eo ff u e le x p a n dw i t ht h es w i r la l o n gt h ew a l l ， a n do t h e rs p r e a dr e v e r s e l y , t h e nm i xw i t ht h ea i r f o r m i n gac o m b u s t i b l em i x t u r e ； b i o d i e s e lc o m b u s t i o nf i r s to c c u r sa tt h ee d g eo ft h ec o m b u s t i o nc h a m b e rw a l l w h i c hi t t h ee d g eo ft h el i q u i di n j e c t i o nf r o n t e n d ，f i r i n gt i m ei se a r l i e rt h a nt h a to fd i e s e l0 # ， f i r i n gd e l a yd u r a t i o ni ss h o r t e ra n di tg e t sb u r n tf a s t e rt h a l ld i e s e l0 # s ou n d e rt h e s a m es p e e d b i o d i e s e lc o m b u s t i o na r e ai sb i g g e rt h a nt h a to fd i e s e l0 # ；c o m b u s t i o n d u r a t i o no fb i o d i e s e lb e c o m e sl o n g e r w h i c hs h o w st h a tt h eb i o d i e s e lc o m b u s t i o ns p e e d i sl o w e rt h a nt h a to fd i e s e l0 # i nt h es t a g eo fd i f f u s i n gc o m b u s t i o n t h i sa r t i c l eh a sa l s oa n a l y z e dt h ei m p a c to ft h r e ed i f f e r e n tf a c t o r s ：f u e lf e a t u r e ， e n g i n es p e e da n df u e li n j e c t i o np r e s s u r eo nb i o d i e s e ls p r a y & c o m b u s t i o np r o p e r t i e s ， t h ec o n c l u s i o ng o ti s ：s p r a yi m p e n e t r a t ed i s t a n c eo ft h em i x e df u e lg r o w su pa l o n g w i t hi n c r e a s i n gq u a n t i t yo fb i o d i e s e l ，t h e r ei so n eo p t i m u mm i x i n gr a t i of o rb i o d i e s e l a n dd i e s e l0 # w h i c hs h o u l db eb e t w e e n0a n d2 0 w h e nt h ec o m b u s t i o ne f f i c i e n c y c a nb ei m p r o v e d ，i g n i t i o nd e l a ya n dc o m b u s t i o nt i m es h o r t e r , a n dt h et h e r m a l e f f i c i e n c yi m p r o v e d ；s p e e dc h a n g eh a s al i t t l ei m p a c to ns p r a y & c o m b u s t i o n p r o p e r t i e so fb i o d i e s e l ，b u r n i n ga r e ao fb i o d i e s e la tt h eh i g hs p e e di sb i g g e rt h a nt h a t a tt h el o ws p e e d ，c o m b u s t i o ns p e e di sf a s t e ra th i g hs p e e d ，r o t a t e da n g l e so f c r a n k s h a f tc o r r e s p o n d i n gt oc o m b u s t i o ne n dp o i n ti n c r e a s ea th i g hs p e e da l s o ，r o t a t e d a n g l e sp r o l o n gi nc o m b u s t i o np r o c e s s ，b u tt h ec o m b u s t i o na b s o l u t et i m eb e c o m e s h o r t e r ；b i o d i e s e ls p r a yc o n ea n g l ea th i 曲i n j e c t i o np r e s s u r ei sal i t t l eb i g g e r ，a n d i m p e n e t r a t ed i s t a n c ea tt h es a m er o t a t ea n g l ec o r r e s p o n d i n gt ot h ei n j e c t i o nt i m ei s 1 1 1 江苏大学硕士学位论文 a l s oal i t t l eb i g g e r , a n dt h ef i r ed e l a yp e r i o dg e t ss h o r t e ra st h ei n c r e a s i n go fi n j e c t i o n p r e s s u r e ，a sc o m b u s t i o ne n d si na d v a n c e ，s oc o m b u s t i o nd u r a t i o ng e t ss h o r t e r k e yw o r d s ：d id i e s e le n g i n e ；b i o d i e s e l ；s p r a y ；c o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i c ；h i g h s p e e dp h o t o g r a p h y i v 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密围。 指导教师签名葫髫 砷年多月夕日 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 吩， 日 垒 7 整阳 名 f 雠 年 作 矽 蚱 矽 论 吼 雠 醐 剿 日 江苏大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 能源尤其是石油资源的匮乏、全球环境的恶化已成为人类发展所面临的 两大严峻问题。作为汽车动力中占主导地位的内燃机，即是能源消耗大户也 是污染物排放大户。 根据已探明的世界石油蕴藏量和今天的石油消耗量，估计最多可满足人 类对石油5 0 年- - , 1 0 0 年的需求。在我国，自1 9 9 3 年我国成为石油净进口国 以来，石油进口量以每年4 速度增长，石油消费很大程度上依赖于进口。中 国社会科学院发布的2 0 0 6 年能源蓝皮书【1 】预测，中国石油进口依存度预计 2 0 1 0 年将达到5 0 ，能源供应凸现安全性压力。大量的石油进口将危及到我 国战略安全。随着石油资源的短缺和原油价格的大幅上涨，对于能源需求量 大于生产量的国家，越来越重视开发储量大、可再生的代用能源。 另一方面，随着汽车保有量的激增，汽车废气对环境造成的污染越来越 严重。据统计数据，汽车排放出的污染物占大气污染物中的6 0 ，其中包括 对人体危害极大的c 0 、h c 、n o x 等。以美国为例，目前的汽车保有量已达到 2 亿辆左右，汽车排放到大气中的污染物约占大气相应污染物总量的百分比 如下：c o 占9 9 ，h c 占9 5 ，n o x 占4 7 1 2 1 。目前中国汽车保有量己超过3 0 0 0 多万，据相关文献表明，北京市c 0 、h c 、n o x 三种污染物中的6 1 、5 5 、8 7 来自于汽车【3 】，上海市中心城区c o 、h c 、n o x 三种污染物中的8 6 、9 6 、5 6 来自于汽车【4 】。 所以，从能源和环境两方面考虑，内燃机“清洁代用燃料 的发展倍受 瞩目，已是一项关乎人类命运又涉及地球未来的重大课题。目前石油代用燃 料主要有：植物油、天然气( l n g 、c n g ) 、液化石油气( l p g ) 、醇类燃料( 甲 醇、乙醇) 、二甲醚( d m e ) 、氢、电、生物柴油和生物质气等【5 】。而在众多的 柴油机代用燃料中，生物柴油以良好的排放性能以及因其无毒、可再生、可 生物降解，且可以在普通柴油机上直接使用，正逐渐成为这一重大课题中的 1 江苏大学硕士学位论文 研究热点。 1 2 生物柴油 1 2 1 生物柴油的起源 最早关于生物柴油的研究是德国工程师r o d o l fd i e s e l n 等直接使用植物油 作为柴油机燃料的研究，如大豆油、花生油、棉籽油、红花油和菜籽油等在柴油 机上应用研究，一般来说，天然植物油粘度较o # 柴油高，挥发性及低温流动性 差，容易出现过滤器堵塞、燃烧室积碳、活塞环粘结、润滑油稀释、未饱和脂肪 会在贮存期间聚合( 结果粘度更高) 等问题同。植物油的十六烷值( 约3 2 3 6 ) 低于轻柴油( 约4 5 - - 一4 6 ) ，比柴油难着火嘲，存在冷启动困难。以上因素在一定 程度上制约了纯植物油在柴油机上的进一步推广及应用。 对于直接燃用植物油的种种缺点，1 9 8 3 年，美国科学家g r a h a mo u i c k i g l 首 次将亚麻籽油的脂肪酸甲酯用于内燃机，并将可再生的油脂原料经过酯交换反应 所得到的脂肪酸单酯定义为生物柴油。生物柴油无毒、可生物降解、可再生，能 与柴油以任意比例混合或直接在柴油机上使用，并能减少温室气体排放、降低空 气污染的燃料，故又被称作“液体太阳能燃料”和“绿色燃料 。 1 9 8 4 年美国和德国等国的工程师研究了采用脂肪酸甲酯或乙酯代替柴油做 燃料，即采用来自动物或植物脂肪酸单酯包括脂肪酸甲酯、脂肪酸乙酯及脂肪酸 丙酯等代替石油燃料【1 0 l 。 1 9 8 8 年，德国聂尔公司以菜籽油为原料，提炼而成的生物柴油，由于突出 的环保性和可再生性，引起了世界发达国家，尤其是资源贫乏国家的高度重视。 1 2 2 发展生物柴油的意义 ( 一) 发展生物柴油的社会经济意义 发展生物柴油产业有着巨大的社会经济效益，比如缓解能源压力，增强国家 石油安全；调整农业产业结构，提高农民收入等。 根据1 9 9 3 年3 月科学美国人杂志报道，到2 0 3 0 年石油产量将降到1 9 7 0 年的水平，到时全球面临能源危机。另外，b p 世界能源统计2 0 0 6 指出：以 目前的开采速度计算，全球石油储量可供生产4 0 年，天然气和煤炭则分别可以 供应6 5 年和1 6 2 年，这是一个局限在目前科学技术水平基础上的估计【1 1 j 。我国 2 江苏大学硕士学位论文 自1 9 9 3 年成为石油净进口国，石油需求以每年7 的速度递增，2 0 0 1 年原油需 求总量已超过2 6 x 1 0 8 t ，其中进口量占4 0 ，这对石油安全是严重的挑战。根 据美国油气杂志提供的数据，我国2 0 0 0 年石油剩余探明储量为3 2 7 亿吨， 产量为1 6 亿吨年，消耗量为2 0 6 亿吨年，按此数据我国面临巨大的能源压力， 同样危及我国的战略安全。因此，生物柴油作为一种来源稳定的可再生清洁能源， 发展生物柴油可以部分缓解我国柴油供应紧张的状况并有助于部分替代进口产 品。如果到2 0 1 0 年各种生物能源资源得到大规模开发和利用，生物柴油产量可 望达到千万吨级，将对国家能源安全做出重大贡献【5 】。 另外发展生物柴油必将刺激油料林业的发展，那些地方种田不赚钱，荒芜土 地通过调整农业产业结构，将这些地方发展成为生物柴油的原料基地，走出一条 “农产品一加工一工业品 的富农强农之路，提高农民收入。 ( - - ) 生物柴油的环境效益 生物柴油的使用可以在降低c 0 2 排放、降低内燃机空气污染物的排放、减 少对水体和土壤的污染、增加国土绿化面积等方面，发挥其良好的环境效益。 我国目前在能源消费和c 0 2 排放方面居世界第二位，仅次于美国。所以减 少石化燃料的消耗以降低c 0 2 的排放，是世界更是中国的当务之急。 表1 1 柴油与生物柴油生命循环比较f 1 2 】 扔始能( m j )石化隧 1o 口6 口 i 叮燃性( f 烷缎)竣小5 6绞小4 9 热镌( mj k g ) 3 23 5 巯禽虢( w ) 00 0 1 0 2 瓴岔篪( - ) l 口口 1kg 燃料篙鼹小窄磊乏耗缀( kg )12 51 4 5 水危害筲缀 l 1 一 三三艇期店豹牛物分解攀( 峋 9 87 0 由表2 4 的数据比较可以看出，生物柴油在冷凝点、闪点、含硫量、含氧量、 燃烧耗氧量，水源的危害以及生物可降解性方面优于普通柴油，而其他指标与普 通柴油相当。 实验表明，柴油机使用生物柴油时其动力性能与普通柴油无明显差异。另外 根据国内外的研究成果，生物柴油在下述方面具有优于普通柴油的性能： ( 1 ) 无添加剂冷凝点达2 0 ，因此具有较好的低温发动机起动性能。 ( 2 ) 由于闪点高，生物柴油不属于危险品。因此，在运输、储存、使用方 1 8 江苏大学硕士学位论文 面的优点是显而易见的。 ( 3 ) 十六烷值高使其燃烧性好于柴油。 ( 4 ) 由于硫含量低，使 ! 导二氧化硫和硫化物的排放低。 ( 5 ) 生物柴油中不含对环境会造成污染的芳香族烷烃，因而废气对人体损 害低于柴油。检测表明，与普通柴油相比，使用生物柴油可降低空气毒性。 ( 6 ) 由于生物柴油含氧量高，使其燃烧时排烟少。一氧化碳的排放与柴油 相比减少。 ( 7 ) 生物柴油的生物分解性高，有利于环境保护。 ( 8 ) 由于生物柴油燃烧所排放的二氧化碳可以在植物生长过程中吸收。因 此，使用生物柴油有利于缓解由二氧化碳的排放而导致的全球变暖这一重大环境 问题的矛盾。 2 4 本章小结 本章研究了生物柴油的物理化学性质，分析了由于生产工艺的原因造成的残 留在生物柴油中的杂质对生物柴油物理化学性质的影响，对比了生物柴油与柴油 对发动机性能的影响。结论如下： ( 1 ) 生物柴油和柴油具有相似的物理化学性质，因此基本不用对柴油机进 行改造就可以直接应用。但生物柴油也有一些特殊性质，如闪点高，在运输存储 中比较安全；由于生物柴油的碳链较长，因此粘度和凝点比柴油高；由于含有较 多不饱和烷烃，因此十六烷值较高；热值较低，燃油经济性较差。 ( 2 ) 生物柴油在生产过程中，不可避免的会存在一些杂质，包括水、游离 甘油、甘油酷、醇、游离脂肪酸、肥皂和残余催化剂，这些杂质和残留物质会影 响生物柴油的物理化学性质，最终影响到生物柴油的应用。本章对照生物柴油标 准详细讨论了这些因素的影响。 ( 3 ) 从分析对比的结果来看，生物柴油和柴油具有一定相似性质，能很好 的应用于现有的柴油机中，并且在环保方面具有很强的优势，使得对生物柴油喷 雾燃烧机理的进一步研究显得更加必要。 1 9 江苏大学硕士学位论文 第三章生物柴油喷雾燃烧特性试验 研究 为了能够全面地理解生物柴油在发动机缸内油气混合、雾化和燃烧过程的基 本特征，本章应用成功研制的喷雾燃烧多功能动态可视化试验装型删【4 1 1 ，通过 直接图象法观察分析生物柴油的喷雾特性，着火滞燃期及燃烧过程的规律，并与 o # 柴油喷雾燃烧过程进行比较，从而揭示生物柴油喷雾及燃烧过程的特点，为 在柴油机上燃用生物柴油提供强力依据。 3 1 试验装置的研制和测试方法 3 1 1 装置的总体设计 为研究柴油机的喷雾形成和燃烧过程，对柴油机进行了改装。可视化试验装 置主要包括：可视化发动机、光路系统、供油系统、起动装置、数据采集和控制 系统及高速数码摄影系统。试验装置示意图见图3 1 。 图3 1 可视化摄影装置示意 ( 一) 发动机的改装 该装置的试验机是由d h l l1 0 5 柴油机改装而成，其主要结构参数和运行条件 见表3 1 。为使燃烧室内可视化，并能摄影，在改造光学发动机过程中，我们在 尽可能保持柴油机原有结构参数的条件下，做了如下改动： ( 1 ) 机体和缸盖之间加了一个加长机体和加长活塞。 江苏大学硕士学位论文 ( 2 ) 加长活塞上部设计了一个尽可能大的透明窗口，以便观察燃油的喷雾、 混合、着火及燃烧过程。 ( 3 ) 加长机体和加长活塞下部轴线方向开有一方孔，孔内装有反射镜，便 于布置光路系统。 ( 4 ) 加长机体周围布置有水道，通过加热水箱提供热水，这样光学发动机 的冷却条件就能尽可能模拟原发动机。 表3 1 发动机参数和运行条件 颈目 囊饔技零规络 继蟹 墅茂 燃烧鬻燮式 缸径x 行程 耋垂凝 喷漆嚣燃号 浊裂攫号 柽塞直径 供漓撵静角 镪臻供涟缀 竣大转速 迸气j 歼 迸气门关 捧气f 】歼 捧如c fj 荚 脏缝比 d l m l l 0 5 立筑嚣敬、暇渖褫j 妊冷 赢嚷燮 1 0 5i 啦i t i g1 1 5m m 0 。9 9 6l p 硒8 s 0 2 1 5 4 s 4 2 8 1 0 5m m b t d c 2 妒e 矗 8 7m l l1 0 0 次( 14 0 0d m 妨 8 3r o l ll 次( 9 0 0d m i n ) 1 5 dm i n b t o cl 妒c a a b d 5 罗a 黜d c5 箩e a a t d c1 7 0 c a 踟1 8 ( 二) 透明窗口的开设 为了清楚地观测到缸内喷雾、混合及燃烧过程，在活塞顶部开设一个透明窗 口。 透明窗口石英玻璃设计成圆柱形，安装在加长活塞顶部。在燃烧室底部( 活 塞顶部) 装有石英窗，可视范围达直径6 0 r a m 。燃烧室的可视区域如图3 2 所示。 2 1 江苏大学硕士学位论文 涡流 图3 2 燃烧窒的可视区域不意图 该装置的主要工作步骤为：开启激光光源，起动主机，气门执行器工作使缸 内减压；打开电机调节电位器，使转速升高至要求值；起动照相准备，控制和采 样系统得到上止点信号；气门执行器关闭排气门，由供油执行器在下一工作循环 中实现单次喷油的同时，进行拍摄。 3 1 2 光路系统的设计 光路系统主要由激光器、高速数码照相机、透镜、半透镜、反射镜和计算机 等组成，用来传输喷雾燃烧全过程的信息，以获得喷雾像和燃烧火焰像，以记录 燃烧过程中产生的各种现象。 其中高速摄影机选用美国r e d l a k em a s d 公司生产的x 4 - p l u s 高速数码摄影 机，它的最大拍摄速度可达2 0 0 0 0 0 幅秒，还可设置为：1 0 0 0 ，2 0 0 0 ，3 0 0 0 ，50 0 0 ， 1 0 0 0 0 帧秒等，同样拍摄速度下还可设置不同的电子快门速度。拍摄图像的像 素最大为1 2 8 0 x 1 0 2 4 ，并可以根据不同拍摄速度予以调节，有多种触发方式以满 足不同拍摄条件，并配有m i d a s 图像分析处理软件。该摄影机具有结构紧凑、轻 型，包含先进的c m o s 传感器，电子传送图像，通过电缆线将图像贮存在计算机 中，最大贮存容量可达6 g b 的特点。 拍摄时，连续点光源即激光器发出的镭射光源是一点光源，经有扩束功能的 准直镜转换为准直平行光。再经半透镜，透射后到达平面反射镜( 与水平方向呈 4 5 。放置) ，被反射后直接穿过石英玻璃将燃烧室照亮，当喷雾和燃烧时，相应 的喷雾像和燃烧火焰像同样再经石英玻璃和4 5 。的平面反射镜到达半透镜，利 用该镜的反射功能将像反射进入高速数码摄像机，完成喷雾和燃烧全过程的记 录。 江苏大学硕士学位论文 3 1 3 数据采集和控制系统的设计 本部分主要由工业控制机、数据采集仪、高分辨率彩色显示器、键盘、光电 编码器、上止点传感器、打印机、燃油单缸喷射装置等组成，主要用来测气缸压 力、上止点位置、转速、曲轴转角以及控制喷油时间、拍摄时间等。 数据采集由工控机内a c l 8 2 0 数据采集卡完成，运行过程中，由工控机内程 序控制，发动机曲轴转角信号、上止点信号和循环编码信号在专用计数器( 可以 调整) 记数到时后，记录缸内燃气最高压力曲线，同时显示转速和压力值。 拍摄到的照片与发动机转角的对应关系为： a - 坠塑：n x 6 f 6 0f 式中，n 为发动机转速，r m i n ；f 为高速数码摄像机的拍摄速度，f r a m e s ； a 为拍摄照片间的间隔角度，。c a 。 ( 一) 燃油单次喷射装置 由于发动机活塞顶上安装了石英玻璃，为保证石英玻璃不致长期受到爆发压 力作用而损坏和燃气污染而使测量失真，而且对于拍摄工作过程的图像而言，只 有前几个工作循环内能获得清晰图片( 工作几个循环后，因玻璃上积垢而使光路 失效) ，因而需要控制光学发动机的工作时间，试验时需控制发动机工作循环的 次数和喷油时刻，一般控制在几个工作循环之内，为此在试验装置中设计燃油单 次喷射控制装置。单次喷射装置采用电磁铁拉动油泵推杆齿条方式( 图3 3 ) 。电 磁铁在得到由单片机发出的喷油指令后，电磁铁电源接通，电磁线圈通电，吸合， 于是动铁芯产生轴向直线运动，将油泵齿条推到某一位置。不喷油时，电磁铁电 源切断，此时不吸合，油泵齿条在弹簧力的作用下回到断油位置。 油泵 宅 电磁铁 一、一一 图3 3 单次喷射装置 江苏大学硕士学位论文 ( - - ) 同步控制系统 在控制和数据采集系统的设计过程中，关键的问题是使高速摄像与数据采集 同步，这样就能找到上止点位置，使图片信息和采集的压力等信息能对应起来。 在燃烧过程动态可视化装置中，信号同步控制是至关重要的。因为只有做到系统 定时启动与关闭，高速摄影与其它记录信号( 如缸内压力信号) 同步，才能将所拍 照片与燃烧过程其它参数对应，否则无法进行燃烧过程研究。 由于上止点位置对燃烧过程的分析影响很大，因此，精确地感应曲轴转角位 置并加以测量是十分重要洲4 2 】。本试验装置采用光电编码器作为角标器，当编 码器与内燃机曲轴一起旋转时，接收系统感应到编码轴盘上编码刻度产生的光信 号脉冲，通过光电转换将轴旋转角位移转换成电脉冲信号。最后由比较放大与功 率驱动电缆变成t t l 方波脉冲，数据采集器据此信号在方波的上升沿或下降沿或 上升下降沿触发，完成数据采集。 图3 4 控制系统下作原理图 如图3 4 所示为工作原理图，整个摄影系统和数据采集处理系统的工作原理 是：发动机由一台7 5k w 的磁电式调速电机拖动，调节至所需转速，然后启动 同步控制电路，按照预定的程序自动完成摄影机的启动、油门电磁阀吸合等一系 列功能。 3 1 4 本装置的特色 可视化摄影用测试装置是一种研究柴油机喷雾、着火、燃烧过程和有害排放 物形成的先进工具。开发的这一装置，在起动、控制、数据采集和处理、获得高 质量图像等方面都具有特色。另外，本装置除能观测喷雾发展、着火情况、火焰 2 4 江苏大学硕士学位论文 运动和微粒生成的图像外，若同有关测试仪器配套，还可以测量缸内温度场、密 度场等参数。该装置为研究生物柴油等不同燃料的喷雾燃烧机理提供了有利的试 验工具。 3 2 试验用生物柴油的物化特性 本文试验用生物柴油是由河海植物油厂提供，是利用植物下脚料制酸化油做 原料得到的生物柴油，此产品是该公司与上海华东理工大学合作开发的新产品， 经上海石油商品应用研究所检测，所有指标合格。其主要技术指标如下： ( 1 ) 1 5 度时的密度( g m 3 ) 0 8 8 3 ； ( 2 ) 4 0 度的运动粘度( m m 2 s ) 5 ； ( 3 ) 闪点( 开口) 1 7 0 ； ( 4 ) 硫含量( 质量分数) 0 0 0 0 5 ； ( 5 ) 十六烷值6 0 1 ； ( 6 ) 燃烧1 k g 燃料按化学计算法的最小空气耗量k g1 2 5 ； ( 7 ) 三周后的生物降解率9 8 ； 3 3 柴油机燃用生物柴油、0 # 柴油喷雾燃烧过程试验结果比较 与分析 图3 5 ，3 6 为拍摄的两组喷雾燃烧过程系列照片。试验条件为：燃烧室形 状为圆柱型，转速8 0 0 r m i n ，喷油压力均为2 5 m p a ，喷油量为3 0 m g 循环，拍 摄速度为1 0 0 0 0 帧秒，分辨率为1 2 8x1 2 8 。 为便于对不同燃料进行比较，喷油延迟角定义为供油始点至喷油始点( 喷油 器针阀开始升起的瞬间) 的曲轴转角；滞燃期定义为从喷油始点至燃烧始点( ( 即 缸内压力开始迅速升高的瞬间) 的曲轴转角；燃烧持续期定义为燃烧始点至燃料 完全燃烧之间的曲轴转角。 图3 5 柴油机燃用生物柴油缸内喷雾燃烧过程系列高速摄影图像 江苏走学硕士学位论文 76 872 耳w k l j l 2 8 83 3 6 3 8 4 43 2 4 852 8 5 7 662 4 81 6 j 卫蛇卫。v坐蛳墓r k 。雹。 86 4 2 16 2 江苏是学硕士学位论丈 2 68 82 8 8 1 r 一l i 缸 3 7 4 43 9 3 6 4 1 2 4 9 6m 朋。 5 2 一 ： 2 i 3 f韶浔 站 l 江苏大学硕士学位论丈 吲： 6 柴汕机燃川0 # 柴油打内喷嚣燃烧过程系列高述摄影幽像 1 13 81 0 9 1 0 4 2- 99 494 689 8 85 8 0 2 01 40 6 21 115 82 0 6 2 5 4 30 2 3 549 454 2 5 96 3 86 8 673 47 8 283 2 8 江苏大学硕士学位论丈 8t 8 f 92 69 7 4 1 0 。一。 l l _ 6 61 2 1 41 2 6 2 lk 。童矗 1 50 2 1 5 9 8 1 6 9 4 一kk一 2 21 07 1 11 8 kl | l i lj kkj 2 0 7 82 l7 42 2 72 3 6 62 4 6 22 55 8 l i 。k 一 2 6 5 42 7 52 8 4 62 9 4 23 0 3 83 1 3 4 3 6 1 4 3 8 0 6 3 90 23 9 9 84 0 9 44 19 4 2 8 64 3 8 2 p l 江苏大学硕士学位论文 3 2 1 喷油过程分析 图3 7 气缸压力曲线与针阀升程对比 燃油喷射从2 0 。c ab t d c 开始。以生物柴油和0 # 柴油作为燃料供给柴油机 时，两者的开始供油时刻大致相当。由图3 7 中柴油机燃用生物柴油和0 # 柴油 时喷油器针阀升程的对比可看出，生物柴油喷油始点和喷油终点提前。从高速摄 影的系列喷雾和燃烧过程图片亦可以看出柴油机燃用生物柴油的可见喷油时刻 为- 1 5 3 6 。c a ，燃用o # 柴油的可见喷油时刻为一1 3 7 8 。c a ，两者相差1 5 2 。c a 。 可以判断生物柴油的喷油时刻较早一些，即喷油延迟期短。这可以解释为生物柴 油燃料结构中含有氧，其密度增加，在高压下的压缩性能较0 # 柴油低，弹性模 量大。因而，生物柴油在管路中的输运延迟较短。 3 2 2 着火过程分析 燃料的滞燃期对燃烧过程有很大的影响，是柴油机着火过程和燃烧过程中的 一个重要时期。如图3 5 、3 6 中拍摄的两种燃料从喷油至着火时刻的照片中可 以看出：生物柴油的喷雾特性在规律上与0 # 柴油基本一致。在开始喷油后曲轴 转过相同的转角下，生物柴油的油束雾化角度与0 # 柴油相差不多；由于生物柴 油的动力黏度大于柴油，油滴的惯性大，虽然在燃油喷射的初期，0 # 柴油和生 物柴油喷雾油束的贯穿距相差不大，但随着时间的增加，在燃油喷射稳定期，生 物柴油的喷雾油束的贯穿距离大于0 # 柴油，这一点会在下面做更进一步的证 明。在图中还可清晰的看到两种燃料喷出的四油束末梢均碰壁反弹( 生物柴油在 1 1 0 4 , - - , 7 6 8 。c ab t d c ；0 # 柴油在1 0 4 2 5 6 2 。c ab t d c ) ，油束一部分随涡 3 0 江苏大学硕士学位论文 流方向沿壁扩展，一部分反向沿壁扩散，与空气混合并形成可燃混合气。图中显 示反弹后生物柴油的整个燃烧室颜色更暗一些，表明生物柴油油束碰壁后反弹作 用更强烈一些，这正是由于生物柴油喷雾油束的贯穿距离大于0 # 柴油的原因。 图中生物柴油的可见燃烧始点在5 7 6 。c ab t d c ，0 # 柴油可见燃烧始点在2 7 4 。c ab t d c ，并且生物柴油在3 8 4 。c ab t d c 时的燃烧区域的明亮程度与0 # 柴 油在o 1 4 。c aa t d c 时的相近。这表明生物柴油着火时刻比o # 柴油有所提前， 且燃烧速度比0 # 柴油快。由此可以判断0 # 柴油的滞燃期较生物柴油长。这主 要是由于生物柴油是含氧燃料，在相对于柴油缺氧的局部区域，生物柴油却可以 达到着火的条件；而从燃料特性上讲，生物柴油的十六烷值高于0 # 柴油，因而 其着火性能好。由图中所知，生物柴油的滞燃期缩短了1 4 4 。c a ，相应的着火 时刻提前了约3 。c a 。 在油束的边缘区域，燃料与空气形成较浓的混合气，燃空当量比为2 4 【4 3 1 。 在柴油机燃烧室内经过低温多阶段着火，随后在蒸气区观察到化学发光，火焰最 先出现在混合气浓度合适的区域。由于生物柴油的含氧量高达1 0 ，在相对于0 # 柴油缺氧的局部区域，生物柴油可以达到着火条件，因此0 # 柴油相对于生物 柴油的着火点比较少且大量的着火点出现在燃油喷柱的周围和较近缸盖的位置， 而生物柴油的着火点主要分布在燃油喷柱周围和上下两侧且在燃油喷柱的内部。 从( 图3 5 和图3 6 ) 燃烧过程的系列图像可见，生物柴油的自燃首先发生在燃烧 室壁面边缘部位即液态喷注前端的边缘处，而0 # 柴油的自燃首先发生在燃烧室 内左下方即燃油喷注根部较近缸盖的位置，并且随温度的升高自燃点愈向周围扩 散。这种自燃位置的不同也受其本身燃烧室结构的影响，由于生物柴油喷雾油束 的贯穿距离大，油束末梢与燃烧室壁面反弹作用更强，加强了燃烧室内涡流和挤 流作用，可燃混合气更容易形成，使得在燃烧室边缘首先出现可燃混合气的自燃， 而o # 柴油在燃烧室内喷雾油束的贯穿距离相对较小，碰壁作用较小即反弹作用 不大，为此在沿燃油喷柱周围更容易形成可燃混合气。 3 2 3 燃烧过程分析 图3 5 ，3 6 中可看出柴油机燃用生物柴油与0 # 柴油出现可见明显火焰的 时刻。生物柴油在4 8 。c ab t d c 就可观察到明显的火焰，而0 # 柴油在1 7 8 。 c ab t d c 才观察到明显的火焰，且着火区域可见光的亮度也相对较弱。 3 】 江苏大学硕士学位论文 在上止点附近，两种燃料的燃烧区域不同，生物柴油己基本充满整个燃烧室， 生物柴油的燃烧区域要大于0 # 柴油的燃烧区域。表明相同转速时，生物柴油的 燃烧区域的面积大于0 # 柴油的燃烧区域的面积。这也说明了生物燃料的十六烷 值提高，使得生物柴油在早期预混燃烧阶段的燃烧速度大于0 # 柴油。 随着燃烧的推进，预混阶段的可燃混合气迅速烧尽，预混燃烧期结束，转而 进入扩散燃烧阶段。这时由于缸内温度较高，燃油气化速度很快，但由于空气与 燃料的相互之间的扩散速度有限，混合速度有限，限制了燃烧的速度。从扩散燃 烧开始后，火焰逐渐向四周传播，已燃区域逐渐扩大；火焰在沿涡流运动方向运 动的同时，也沿逆涡流方向传播。涡流对混合的促进作用使得沿涡流方向的混合 速度最快，更先形成可燃混合气；由于先期燃烧的作用及涡流的作用，在逆涡流 方向也逐渐形成可燃混合气，火焰接着就传播到该区域。由于燃料在该结构燃烧 室内均出现喷雾碰壁和反弹，油雾大部