柴油機(jī)冷起動(dòng)過(guò)程進(jìn)氣溫度較低，燃油霧化蒸發(fā)減弱，從而造成缸內(nèi)混合氣著火困難，出現(xiàn)燃燒不穩(wěn)定現(xiàn)象，甚至發(fā)生失火。進(jìn)氣火焰預(yù)熱系統(tǒng)可以通過(guò)點(diǎn)燃少量的燃油來(lái)加熱空氣，促使在壓縮上止點(diǎn)時(shí)缸內(nèi)溫度超過(guò)柴油噴霧的臨界自燃溫度，確保柴油機(jī)順利起動(dòng)。目前相關(guān)研究較少，且多為理論計(jì)算和模型仿真。本期推文筆者基于自行搭建的進(jìn)氣火焰預(yù)熱試驗(yàn)平臺(tái)，研究進(jìn)氣流量和燃油噴射方向?qū)M(jìn)氣火焰預(yù)熱系統(tǒng)著火臨界溫度和溫度升高的影響，通過(guò)高速攝像機(jī)直拍得到不同條件下的火焰圖像，對(duì)火焰形態(tài)進(jìn)行分析。

1、試驗(yàn)裝置

柴油機(jī)結(jié)構(gòu)布置非常緊湊，不便于布置傳感器和可視化設(shè)備，因而搭建了進(jìn)氣火焰預(yù)熱系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)，如圖1 所示。進(jìn)氣管路內(nèi)徑根據(jù)某款柴油機(jī)進(jìn)氣管結(jié)構(gòu)設(shè)定為160 mm，在進(jìn)氣管路中間安裝一個(gè)長(zhǎng)、寬和高為500 mm×190 mm×170 mm的長(zhǎng)方體燃燒室，在燃燒室頂板距離燃燒室空氣入口端150mm位置安裝進(jìn)氣火焰預(yù)熱塞，并且進(jìn)氣火焰預(yù)熱塞的安裝角度(燃油噴射方向)可在50°～130°范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。長(zhǎng)方體燃燒室側(cè)板開(kāi)有400 mm×150 mm 的可視化窗。相關(guān)測(cè)量參數(shù)請(qǐng)參閱原文[1]。

圖1 進(jìn)氣火焰預(yù)熱系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)示意

以一款商用進(jìn)氣火焰預(yù)熱塞為研究對(duì)象，工作原理如圖2a 所示。柴油從進(jìn)油口流入氣化管路，受電熱棒加熱氣化，并從環(huán)形噴油孔噴出，與空氣形成可燃混合氣后受高溫作用著火。進(jìn)氣火焰預(yù)熱塞的工作電壓為24 V，以柴油作為燃油，燃油流量為15 mL/min，噴油壓力為0.5 MPa，環(huán)境溫度為(23±2 ) ℃，采用單一變量法，分別改變進(jìn)氣流量和燃油噴射方向。進(jìn)氣流量設(shè)定為0～900 kg/h，每間隔100 kg/h 為一個(gè)工況，燃油噴射方向如圖2b 所示，設(shè)置為50°、70°、90°、110°和130°。每個(gè)試驗(yàn)工況重復(fù)6次，每次試驗(yàn)后需等待一段時(shí)間，確保試驗(yàn)平臺(tái)各設(shè)備溫度降至室溫。


圖2 進(jìn)氣火焰預(yù)熱塞結(jié)構(gòu)和其噴油方向示意

2、結(jié)果分析

2.1 進(jìn)氣火焰預(yù)熱塞的火焰發(fā)展

圖3示出噴油方向?yàn)?0°、進(jìn)氣流量為400 kg/h工況下進(jìn)氣火焰預(yù)熱塞的火焰發(fā)展過(guò)程。0 ms 為噴油時(shí)刻，柴油經(jīng)過(guò)進(jìn)氣火焰預(yù)熱塞內(nèi)部電熱棒的加熱后噴入進(jìn)氣火焰預(yù)熱塞裙部空間，經(jīng)過(guò)蒸發(fā)、霧化形成可燃混合氣，受到電加熱棒高溫作用，在23 ms 時(shí)刻首次觀察到燃燒器裙部有微弱的亮光，認(rèn)為此時(shí)進(jìn)氣火焰預(yù)熱塞著火。隨后火焰持續(xù)發(fā)展，可以看出，火焰發(fā)展前期主要向進(jìn)氣火焰預(yù)熱塞噴油方向發(fā)展，在火焰發(fā)展中、后期，火焰透過(guò)進(jìn)氣火焰預(yù)熱塞裙部的孔，沿著進(jìn)氣流動(dòng)方向發(fā)展。這是由于在火焰發(fā)展前期，進(jìn)氣火焰預(yù)熱塞裙部溫度較低，柴油噴霧的蒸發(fā)、霧化較差，混合氣無(wú)法在裙部空間內(nèi)快速點(diǎn)燃，受到噴油動(dòng)能的影響，火焰主要沿著燃油噴射方向發(fā)展。隨著燃燒的進(jìn)行，進(jìn)氣火焰預(yù)熱塞裙部空間的溫度迅速升高，促進(jìn)了隨后噴出柴油的蒸發(fā)和霧化，混合氣在進(jìn)氣火焰預(yù)熱塞裙部空間迅速被點(diǎn)燃。在高速氣流的作用下，可燃混合氣隨氣流向下游運(yùn)動(dòng)，同時(shí)，火焰也沿著氣流運(yùn)動(dòng)方向向下游延伸，表現(xiàn)為火焰透過(guò)裙部的孔沿著進(jìn)氣流動(dòng)方向發(fā)展。另外，空氣流經(jīng)進(jìn)氣火焰預(yù)熱塞后形成的渦流對(duì)火焰形態(tài)有較大的影響，有明顯的隨渦流浮起現(xiàn)象。


圖3 噴油方向?yàn)?0°、進(jìn)氣流量為400 kg/h時(shí)進(jìn)氣火焰預(yù)熱塞火焰發(fā)展形態(tài)

2.2 噴油方向?qū)χ鹋R界溫度的影響

筆者將不同工況下能夠著火的最低進(jìn)氣火焰預(yù)熱塞裙部溫度定義為進(jìn)氣火焰預(yù)熱系統(tǒng)在該工況下的著火臨界溫度。圖4示出進(jìn)氣流量為400 kg/h 時(shí)不同燃油噴射方向的著火臨界溫度和相應(yīng)的預(yù)熱時(shí)間。隨著進(jìn)氣火焰預(yù)熱塞軸線和進(jìn)氣管內(nèi)空氣流動(dòng)方向的夾角增大，著火臨界溫度呈先降低后增大的變化，并在90°時(shí)達(dá)到最低著火臨界溫度(106 ℃)。當(dāng)夾角≤90°時(shí)，隨著夾角的增大，燃油噴霧和進(jìn)氣管內(nèi)氣體的接觸面積增大，油、氣混合質(zhì)量提高，當(dāng)量比降低。雖然燃油和空氣流動(dòng)的相對(duì)速度逐漸增大，使得空氣流動(dòng)帶走的燃油熱量升高。但在著火前，進(jìn)氣管內(nèi)空氣流動(dòng)只能帶走極少的熱量，導(dǎo)致此時(shí)著火臨界溫度隨著夾角的增大而降低。


圖4 噴油方向?qū)χ鹋R界溫度的影響

當(dāng)噴油方向與進(jìn)氣管內(nèi)空氣流動(dòng)方向之間的夾角大于90°時(shí)，隨著夾角的增大，燃油噴霧和進(jìn)氣管內(nèi)氣體的接觸面積進(jìn)一步增大，并且受氣流的作用，促進(jìn)了燃油的破碎和霧化，使得油、氣混合更加充分，當(dāng)量比大幅度降低，過(guò)稀的混合氣導(dǎo)致燃油著火臨界溫度增加。當(dāng)安裝角度大于110°時(shí)，未觀察到著火現(xiàn)象，這可能是由于此時(shí)燃油和空氣之間較大的相對(duì)速度使混合氣的當(dāng)量比低于著火范圍，同時(shí)氣流帶走燃燒大量的熱量，燃油無(wú)法被點(diǎn)燃。

另外，當(dāng)噴油方向與進(jìn)氣管內(nèi)空氣流動(dòng)方向之間的夾角在90°以?xún)?nèi)時(shí)，雖然著火臨界溫度約有80 ℃的變化，但相應(yīng)的預(yù)熱時(shí)間相同，即在某一時(shí)刻，進(jìn)氣火焰預(yù)熱塞裙部的溫度隨著噴油方向與進(jìn)氣流動(dòng)方向之間夾角的增加而降低。對(duì)比分析安裝角度為50°和110°時(shí)的著火臨界溫度，發(fā)現(xiàn)這兩個(gè)工況的著火臨界溫度基本相同，但110°的預(yù)熱時(shí)長(zhǎng)為18 s，高于50°的預(yù)熱時(shí)長(zhǎng)(13 s)。這是由于隨著噴油方向與進(jìn)氣管內(nèi)空氣流動(dòng)方向之間夾角的增大，在進(jìn)氣管路中流動(dòng)的空氣竄入進(jìn)氣火焰預(yù)熱塞裙部空間的流速增大，導(dǎo)致表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)增大，單位時(shí)間有更多的空氣參與對(duì)流傳熱，更多的熱量被帶走，從而使得進(jìn)氣火焰預(yù)熱塞裙部溫度較低。

2.3 噴油方向?qū)鹧嫘螒B(tài)的影響

為了得到清晰的火焰邊界并直觀地得到火焰面積，將穩(wěn)定著火時(shí)的火焰形態(tài)圖像轉(zhuǎn)化為灰度圖后進(jìn)行了二值化處理。同時(shí)，以進(jìn)氣火焰預(yù)熱塞伸入進(jìn)氣管路中的長(zhǎng)度為標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算火焰面積。圖5示出進(jìn)氣質(zhì)量流量為400 kg/h、噴油量為15 mL/min，不同噴油方向下穩(wěn)定著火時(shí)火焰形態(tài)和火焰面積。當(dāng)噴油方向與進(jìn)氣管內(nèi)空氣流動(dòng)方向之間的夾角小于90°時(shí)，穩(wěn)定著火時(shí)的火焰面積隨著燃油噴射角度的增大而逐漸增大。這是由于隨著角度的增大，進(jìn)氣火焰預(yù)熱塞前處于層流狀態(tài)的空氣受到進(jìn)氣火焰預(yù)熱塞的作用增強(qiáng)，流經(jīng)進(jìn)氣火焰預(yù)熱塞后形成渦的尺度逐漸增大。同時(shí)，又由于燃油噴霧與空氣的接觸面積隨著角度的增大而增大，形成的混合氣質(zhì)量逐漸升高，使得更多的燃油充分燃燒，從而造成當(dāng)噴油角度小于90°時(shí)，火焰面積隨著夾角的增大而增大。當(dāng)燃油噴射角度超過(guò)90°，穩(wěn)定著火時(shí)的火焰面積隨著燃油噴射角度的增大而減小。這主要是由于隨著角度的增大，進(jìn)氣火焰預(yù)熱塞對(duì)進(jìn)氣管路中空氣的擋板作用減弱，空氣流經(jīng)進(jìn)氣火焰預(yù)熱塞后形成渦的尺度逐漸減小。


圖5 不同噴油方向下穩(wěn)定著火時(shí)的火焰形態(tài)和火焰面積
“進(jìn)氣流量對(duì)進(jìn)氣火焰預(yù)熱系統(tǒng)的影響”相關(guān)詳細(xì)內(nèi)容請(qǐng)參閱原文[1]。

3、結(jié)論

噴油方向會(huì)影響進(jìn)氣火焰預(yù)熱塞的著火性能，當(dāng)噴油方向和進(jìn)氣方向呈銳角時(shí)，著火臨界溫度隨著夾角的增大而降低；當(dāng)夾角為鈍角時(shí)，著火臨界溫度隨著夾角的增大而升高；當(dāng)夾角為90°時(shí)，著火臨界溫度最低；當(dāng)燃油噴射方向小于90°時(shí)，不同噴射方向的著火臨界溫度所對(duì)應(yīng)的預(yù)熱時(shí)間基本不變，即在某一時(shí)刻，進(jìn)氣火焰預(yù)熱塞的裙部溫度隨著角度的增加而降低。


文獻(xiàn)來(lái)源

[1]王東方,王 ?,黎一鍇,等.柴油機(jī)進(jìn)氣火焰預(yù)熱系統(tǒng)著火臨界溫度的研究[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào),2021,(04):289-296.