用光學(xué)可視化方法研究乙醇柴油混合燃料的燃燒特征

第17卷第2期中國公路學(xué)報Vol 17 No. 22004年4月China Journal of highway and TransportApr.2004文章編號:1001-7372(2004)02010904用光學(xué)可視化方法研究乙醇柴油混合燃料的燃燒特征呂興才,黃震,張武高,李德鋼(上海交通大學(xué)內燃機研究所,海200030)摘要:應用直接圖像法對乙醉柴油的燃燒過(guò)程進(jìn)行研究。在一臺單缸直接噴射式柴油機上,建立了直接圖像法拍擾燃燒火焰圖像的光學(xué)系統,對15%乙醇柴油、15%乙醇柴油加十六烷值改進(jìn)劑、純柴油在同一轉速下的燃燒過(guò)程進(jìn)行可視化研究。對火焰照片分析表明:柴油中加入乙醇后,無(wú)論是否恢復其十六烷值,其著(zhù)火滯燃期都延長(cháng)了,燃燒持續期縮短,火焰輝度減弱。在乙醇柴油中加入十六烷值改進(jìn)劑后,著(zhù)火滯燃期相對提前,燃燒持續期和火焰輝度增加,但仍然沒(méi)有達到柴油機水平,這說(shuō)明十六烷值改進(jìn)劑有利于改善乙醇柴油的燃燒性能。通過(guò)溫度場(chǎng)分析發(fā)現:乙醇柴油的缸內平均溫度峰值要比純柴油低很多,而且乙醇柴油燃燒時(shí)平均溫度上升相當平緩。關(guān)鍵詞:汽車(chē)工程;生物乙醇柴油;直接圖像法;然燒特征;柴油機;光學(xué)可視化中圖分類(lèi)號:U473.1文獻標識碼:AOptical visualization of combustion characteristics of diesel engine fueledwith ethanol-diesel blend fuelL U Xing-cai, HUANG Zhen, ZHANG Wugao, LI De-gang( Institute of Internal Combustion Engine, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200030, ChinaAbstract: Authors present the investigation on combustion process of a single-cylinder diesel en-gine fueled with diesohol using direct photography. Optical access was accomplished by using anendoscope-based measurement system. 15% diesohol blend with or without CN improver anddiesel were used in optical measurements. Some results can be deduced from the flame imagesthat: ignition delay increased, combustion duration and the luminosity of flame decreased for bothdiesohol blends compared to neat diesel. The ignition delay decreased, combustion duration andthe luminosity of flame increased when CN improver was added into blend fuel. From the temperature field of the combustion flame, it can be found that the peak mean temperature of diesoholblend is lower than that of diesel fuelKey words: automobile engineering bio-diesohol; direct photography; combustion characteristicdiesel engine; optical visualization0引言燃料,它可以從甘蔗、玉米、生物下腳料等各種農業(yè)產(chǎn)品轉化,而且乙醇燃料產(chǎn)業(yè)化對開(kāi)拓農業(yè)市場(chǎng),提由于環(huán)境保護和資源短缺的雙重壓力乙醇柴高農民收入,增強國家能源安全,增加財政收入等有油燃料成為當前的研究熱點(diǎn)。乙醇是一種含氧生物顯著(zhù)的效果。由于乙醇與柴油互溶性受到水分的限收稿日期:2003-0619中國煤化工基金項目:國家日然科學(xué)某金一福特金項目(5012260:國園家自然科學(xué)基作者簡(jiǎn)介:呂興才(1970-),男,四川南江人,東風(fēng)汽車(chē)有限公司工程師,上海CNMHG@可.edu,cn110學(xué)報2004年制,為了保持混合燃料的穩定性,必須在其中加入…高會(huì )發(fā)生分離,而且當溫度降低后乙醇與柴油的互定比例的助溶劑。近期,國外多家公可開(kāi)發(fā)出了成溶性變差2。本次試驗采用常規的商業(yè)柴油和分析本低、操作簡(jiǎn)單的助溶劑后,乙醇的批量使用已經(jīng)級無(wú)水乙醇(99.7%)為原料。配制程序如下:首先成為可能將體積比為1.5%的助溶劑加入15%的酒精中(兩盡管各國已經(jīng)對乙醇柴油燃料的性能與排放進(jìn)份其中一份加入少量十六烷改進(jìn)劑),混合均勻后行了較多的研究,但是對其著(zhù)火過(guò)程研究不多。由將混合物混入83.5%的柴油中,攪拌均勻。于乙醇的卜六烷值很低,因此混合燃料的十六烷值表1試驗發(fā)動(dòng)機的技術(shù)參數也會(huì )降低,這對燃料的燃燒特征影響很大。為了深Tab. 1 Specifications of test engine入了解混合燃料的燃燒特點(diǎn),筆者采用直接圖像技缸徑x行程100m×11m功率12.lkw(22術(shù)對15%乙醇柴油(E15-D)和15%乙醇柴油加十排量最大轉矩58.9Nmn(1六烷改進(jìn)劑(E15D+ CN Improver)兩種燃料的燃型式直接噴射、水冷進(jìn)氣門(mén)開(kāi)15 BTDXO燒過(guò)程進(jìn)行記錄,并與純柴油的燃燒圖像進(jìn)行比較17.5:1進(jìn)氣門(mén)關(guān)從而分析其燃燒特點(diǎn)?？s比噴嘴開(kāi)啟壓強18.1MPa排氣門(mén)開(kāi)43°B3BC發(fā)動(dòng)機參數與燃料特性噴油提前角20°BTXC排氣門(mén)關(guān)15 ATD本次試驗是在一臺單缸水冷、4沖程、直接噴射表2為試驗柴油和無(wú)水乙醇的物理化學(xué)性質(zhì)式柴油機上進(jìn)行的,發(fā)動(dòng)機的基本參數見(jiàn)表1。乙醇和柴油按照定比例互溶后,混合液的物理化無(wú)水匕醇常溫下理論上能夠以30%的比例與學(xué)特性如密度、粘度、表面張力、閃點(diǎn)、沸點(diǎn)、凝點(diǎn)等柴油互溶,但是由于乙醇對水分很敏感,當水含量較參數會(huì )發(fā)生變化,從而影響燃燒過(guò)程表2柴油和乙醇的主要物化特性比較Tab 2 Basic physical and chemical parameters of ethanol and diesel fuel密度(20C)冷艇點(diǎn)燃料自燃溫度C烷值柴油0.829×10245~500.789×10378.4-117.3l3~141.202燃燒可視化的光學(xué)系統個(gè)燃燒室內的情況。另一種方法(也是最簡(jiǎn)單的)是直接圖像法,它是對缸內總體情況進(jìn)行最直接的觀(guān)2.1光學(xué)研究方法察。前一種方法可以研究復雜過(guò)程的循環(huán)變動(dòng),隨柴油機噴霧與燃燒是發(fā)動(dòng)機最關(guān)鍵的過(guò)程,在時(shí)跟蹤火焰結構、噴霧、著(zhù)火、火焰傳播等一系列過(guò)這一過(guò)程屮燃料的化學(xué)能轉化為熱能燃燒過(guò)程直程,但是系統復雜而昂貴。直接圖像技術(shù)可以從總接決定了發(fā)動(dòng)機的能量利用效率和排放特點(diǎn)。為了體上把握發(fā)動(dòng)機的燃燒特征。因此,為了更直接地能夠全面地理解油氣混合過(guò)程和燃燒過(guò)程的基本特比較乙醇柴油與柴油燃燒過(guò)程的差別,筆者采用直征,光學(xué)診斷技術(shù)是一種最佳選擇。通過(guò)光學(xué)診接圖像技術(shù)斷可以得到缸內溫度場(chǎng)分布、油束發(fā)展與火焰的形2.2光路與試驗系統成、各種產(chǎn)物(SO0T、NOx、HC等)的生成過(guò)程與直接圖像是通過(guò)內窺鏡接受缸內的光,然后來(lái)分布。光學(xué)診斷系統可以分為兩種。一種是激光診形成圖像。由于噴油過(guò)程中沒(méi)有燃燒發(fā)生,而為了斷,可以揭示噴霧和燃燒的內部結構,通過(guò)將光束形能夠同時(shí)獲取油束圖像和火焰圖像,需要向燃燒室成一個(gè)二維激光片,并用CCD相機系統接收,就可中引入光源(冷光源)才能得到噴油過(guò)程的圖像。因以得到任意時(shí)刻燃油和噴霧內部的任意位置的截面此在缸頭上布置有兩個(gè)內窺鏡,一個(gè)引人光源(選用圖像。通過(guò)記錄某一曲軸轉角不同循環(huán)的大量二維70視角),另一個(gè)接收光源(選用30°視角)。內窺鏡圖像,然后得到平均信息。二維圖像技術(shù)進(jìn)一步擴中國煤化工要伸入到燃燒室內展,通過(guò)光東掃描燃燒室并快速記錄某一空間位置CNMHG角因此必須對燃燒附近的平面信號得到準三維圖像,從而了解到整室做微小的修正以防止內窺鏡與燃燒室邊沿發(fā)生干第2期呂興才,等:用光學(xué)可視化方法研究乙醇柴油混合燃料的燃燒特征111涉。但是伸入不能太長(cháng),一方面影響缸內流場(chǎng);另一2.3試驗流程方面燃燒室中心部位碳煙較多,容易污染玻璃鏡試驗前先用頻內儀確定出發(fā)動(dòng)機的上止點(diǎn)位另外,由于內窺鏡不能經(jīng)受高溫,因此必須對其采取置,然后在控制單元上輸入火焰照片的間隔角及誤冷卻措施。整個(gè)系統的布置見(jiàn)圖2。差。本次試驗設定間隔角為0.4°,誤差為士0.1°嘴中心內窺鏡中心火焰照片的拍攝范圍為20°BTDC(上止點(diǎn)前)到20°ATDC(上止點(diǎn)后),包括了從噴油開(kāi)始到主燃結束的持續時(shí)間。調整內窺鏡的角度,以獲得更清晰、視蓋底平面角更寬的圖像。引入光源發(fā)動(dòng)機起動(dòng)后轉速穩定立即開(kāi)始拍攝。為了燃燒省中心燃燒室中心縮短拍攝時(shí)間而得到更清晰的圖像,采用隨機抓圖(a)筒視b)縱剖圖1內窺鏡在氣缸蓋上的位置法。由于內窺鏡容易積碳而導致圖像不清楚,因此每拍攝一個(gè)工況后,取出玻璃鏡去除積碳后再次使Fig. 1 Location of the endoscope in cylinder head用。更換燃料時(shí),應當將整個(gè)低壓油路和高壓油路HIS14中積存的上一次的燃油全部放完,以免影響燃料的燃燒特性。3燃燒特性與溫度場(chǎng)分析圖3為三種燃料在同一工況下的試驗結果。從柴油、E15D、E15-D+CN三種燃料在同工況下1-柴油機:2測功機:3燃油流量計;4油箱:5-曲軸轉角角標器:燃燒歷程的照片可以分析如下6光脈沖轉換器:7控制單元;8錄像機;9藍視器:10內復鏡A內邃餓B12相機;13冷卻空’過(guò)濾器:14壓縮空氣(1)著(zhù)火延遲:在柴油中加入乙醇后著(zhù)火延遲大計算機大增加。純柴油在9.8°BTDC已經(jīng)處于急燃期,而圖2直接圖像法的系統布置E15D在9.8°BTDC才開(kāi)始燃燒。但是在E15DFig 2 Arrangement of direct photography system中加入十六烷值改進(jìn)劑后,使混合燃料的十六烷值122·3TDC9.83TDXU HDC 1.2 BIDCs0 RTDC 3 K RTnC2°BDCD.8°BTDC(a柴油(N HI XBO BTDC 9.2 ETDC5.( DTDC1.8 IDc()5乙醇油1.8·BTDC10.0°BTDC8.2”BTDC5.2BTDC34°BTDC2.2°BTDc04°BTDC(c)15%乙醇柴油加十六烷中國煤化工圖3三種燃料在統一工況CNMHGFig 3 Combustion flame of three kinds of fuels at the same operation conditions112中國公路學(xué)報2004年接近原柴油的水平時(shí),著(zhù)火延遲縮短,從圖3(c)中可以看出,柴油燃燒時(shí)的溫度分布主要在2000~2可以見(jiàn)到在11.8°BTDC時(shí)出現明顯的火焰500°C之間,而15%乙醇柴油溫度主要分布在1800(2)著(zhù)火持續期:比較圖3(b)與圖3(a)可以發(fā)2100°C之間,在15%乙醇柴油中加入十六烷值現El5D的燃燒持續期很短,只有在9.8°BTDC~改進(jìn)劑后,溫度有所升高,幾乎平均分布在2000°C3.8BTDC之間可以見(jiàn)到明顯的火焰,之后和之前附近。另一方面,從圖4(d)中燃料燃燒歷程的平均均見(jiàn)不到火焰,而柴油在整個(gè)燃燒期間都可以看見(jiàn)溫度也可以發(fā)現柴油燃燒的平均溫度峰值很高,而火焰。這可能是由于兩方而的原因造成的:一方面且相當突出,兩種乙醇柴油的溫度升高歷程很平緩,因為在柴油中加入乙醇后,乙醇的沸點(diǎn)比柴油低很且峰值溫度比柴油低很多,另外也發(fā)現在柴油中加多,向在高壓噴射后因乙醇的“閃急沸騰”而改善霧入十六烷值改進(jìn)劑后平均溫度稍有升高,但遠低于化效果,另一方面因為乙醇柴油的著(zhù)火滯燃期相當柴油燃燒時(shí)的平均溫度。長(cháng),因此一旦燃燒開(kāi)始,混合氣就很快完全燃燒。綜合這兩方面原因,E15D的燃燒持續期很短。結語(yǔ)(3)火焰輝度:乙醇柴油燃料在燃燒時(shí)火焰亮度(1)柴油中加人乙醇后,無(wú)論是否恢復其十六烷很弱,柴油火焰在9.8°~8.◎°BTDC之間最亮,而值,其著(zhù)火滯燃期都延長(cháng)了,燃燒持續期縮短,火焰El5D在8.0”BTDC最亮,但是相對柴油要暗很多,輝度減弱在E15D中加入十六烷值改進(jìn)劑后,火焰亮度增(2)乙醇柴油混合燃料中加入十六烷值改進(jìn)劑加,但是仍然要比柴油火焰亮度低后,著(zhù)火滯燃期相對提前燃燒持續期和火焰輝度增為了進(jìn)一步分析缸內的溫度場(chǎng)分布筆者采用加,但仍然沒(méi)有達到柴油機水平三基色法分析軟件對火焰溫度進(jìn)行分析{。圖4(3)乙醇柴油的最高溫度要比純柴油低很多,而a)~(ω)為對三種燃料在同一曲軸轉角下的溫度場(chǎng)且乙醇柴油燃燒時(shí)平均溫度上升平緩分布,圖4中縱坐標為某一溫度的像素。從圖4中參考文獻[1] AL.AN RAE. E-dicsel: an immediate & practical airquality and energy security solution[A. The 14th International Symposium on Alcohol Fuels( ISAF XIV)[C]. Phuket: International Organization Committee for0100020003000International Symposium on Alcohol Fuels, 2002溫度/C2] DE CARO PS, MOULOUNGUI Z, VAITILINGOMb)15%乙醇柴油G, et al. Interest of combining an additive with diesel-ethanol blends for use in diesel engines [J].Fuel顓古鑒十六烷改進(jìn)劑2001,80(4):565—574[3] ANDERS LARSSON. Optical studies in a dI dieselengine[j]. SAE Transactions 1999-01-3650[4 ANDERS HULTQVIST, MAGNUS CHRISTENSE100020003000N, BENGT JOHANSON, et al. The HCCI combus-軸轉角秋tc)15%乙醇柴淘十六烷值改進(jìn)劑(d)3種燃料的缸內平均溫度歷程tion process in a single cycle high speed fuel tracerSAE Trans-圖43種燃料在8.0°BTDC的燃燒溫度場(chǎng)分布和IF and chemiluminescence imaging氣缸平均溫度的比較Fig 4 Comparision on temperature field and mean[5]程曉舫,周洲.彩色三基色溫度測量原理的研究[門(mén)temperature for three kinds of fuels中國科學(xué)(E輯),1997,27(8):324-345中國煤化工CNMHG