用光学可视化方法研究乙醇柴油混合燃料的燃烧特征

第17卷第2期中国公路学报Vol 17 No. 22004年4月China Journal of highway and TransportApr.2004文章编号:1001-7372(2004)02010904用光学可视化方法研究乙醇柴油混合燃料的燃烧特征吕兴才,黄震,张武高,李德钢(上海交通大学内燃机研究所,海200030)摘要:应用直接图像法对乙醉柴油的燃烧过程进行研究。在一台单缸直接喷射式柴油机上,建立了直接图像法拍擾燃烧火焰图像的光学系统,对15%乙醇柴油、15%乙醇柴油加十六烷值改进剂、纯柴油在同一转速下的燃烧过程进行可视化研究。对火焰照片分析表明:柴油中加入乙醇后,无论是否恢复其十六烷值,其着火滞燃期都延长了,燃烧持续期缩短,火焰辉度减弱。在乙醇柴油中加入十六烷值改进剂后,着火滞燃期相对提前,燃烧持续期和火焰辉度增加,但仍然没有达到柴油机水平,这说明十六烷值改进剂有利于改善乙醇柴油的燃烧性能。通过温度场分析发现:乙醇柴油的缸内平均温度峰值要比纯柴油低很多,而且乙醇柴油燃烧时平均温度上升相当平缓。关键词:汽车工程;生物乙醇柴油;直接图像法;然烧特征;柴油机;光学可视化中图分类号:U473.1文献标识码: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,它可以从甘蔗、玉米、生物下脚料等各种农业产品转化,而且乙醇燃料产业化对开拓农业市场,提由于环境保护和资源短缺的双重压力乙醇柴高农民收入,增强国家能源安全,增加财政收入等有油燃料成为当前的研究热点。乙醇是一种含氧生物显著的效果。由于乙醇与柴油互溶性受到水分的限收稿日期:2003-0619中国煤化工基金项目:国家日然科学某金一福特金项目(5012260:国园家自然科学基作者简介:吕兴才(1970-),男,四川南江人,东风汽车有限公司工程师,上海CNMHG@可.edu,cn110学报2004年制,为了保持混合燃料的稳定性,必须在其中加入…高会发生分离,而且当温度降低后乙醇与柴油的互定比例的助溶剂。近期,国外多家公可开发出了成溶性变差2。本次试验采用常规的商业柴油和分析本低、操作简单的助溶剂后,乙醇的批量使用已经级无水乙醇(99.7%)为原料。配制程序如下:首先成为可能将体积比为1.5%的助溶剂加入15%的酒精中(两尽管各国已经对乙醇柴油燃料的性能与排放进份其中一份加入少量十六烷改进剂),混合均匀后行了较多的研究,但是对其着火过程研究不多。由将混合物混入83.5%的柴油中,搅拌均匀。于乙醇的卜六烷值很低,因此混合燃料的十六烷值表1试验发动机的技术参数也会降低,这对燃料的燃烧特征影响很大。为了深Tab. 1 Specifications of test engine入了解混合燃料的燃烧特点,笔者采用直接图像技缸径x行程100m×11m功率12.lkw(22术对15%乙醇柴油(E15-D)和15%乙醇柴油加十排量最大转矩58.9Nmn(1六烷改进剂(E15D+ CN Improver)两种燃料的燃型式直接喷射、水冷进气门开15 BTDXO烧过程进行记录,并与纯柴油的燃烧图像进行比较17.5:1进气门关从而分析其燃烧特点。缩比喷嘴开启压强18.1MPa排气门开43°B3BC发动机参数与燃料特性喷油提前角20°BTXC排气门关15 ATD本次试验是在一台单缸水冷、4冲程、直接喷射表2为试验柴油和无水乙醇的物理化学性质式柴油机上进行的,发动机的基本参数见表1。乙醇和柴油按照定比例互溶后,混合液的物理化无水匕醇常温下理论上能够以30%的比例与学特性如密度、粘度、表面张力、闪点、沸点、凝点等柴油互溶,但是由于乙醇对水分很敏感,当水含量较参数会发生变化,从而影响燃烧过程表2柴油和乙醇的主要物化特性比较Tab 2 Basic physical and chemical parameters of ethanol and diesel fuel密度(20C)冷艇点燃料自燃温度C烷值柴油0.829×10245~500.789×10378.4-117.3l3~141.202燃烧可视化的光学系统个燃烧室内的情况。另一种方法(也是最简单的)是直接图像法,它是对缸内总体情况进行最直接的观2.1光学研究方法察。前一种方法可以研究复杂过程的循环变动,随柴油机喷雾与燃烧是发动机最关键的过程,在时跟踪火焰结构、喷雾、着火、火焰传播等一系列过这一过程屮燃料的化学能转化为热能燃烧过程直程,但是系统复杂而昂贵。直接图像技术可以从总接决定了发动机的能量利用效率和排放特点。为了体上把握发动机的燃烧特征。因此,为了更直接地能够全面地理解油气混合过程和燃烧过程的基本特比较乙醇柴油与柴油燃烧过程的差别,笔者采用直征,光学诊断技术是一种最佳选择。通过光学诊接图像技术断可以得到缸内温度场分布、油束发展与火焰的形2.2光路与试验系统成、各种产物(SO0T、NOx、HC等)的生成过程与直接图像是通过内窥镜接受缸内的光,然后来分布。光学诊断系统可以分为两种。一种是激光诊形成图像。由于喷油过程中没有燃烧发生,而为了断,可以揭示喷雾和燃烧的内部结构,通过将光束形能够同时获取油束图像和火焰图像,需要向燃烧室成一个二维激光片,并用CCD相机系统接收,就可中引入光源(冷光源)才能得到喷油过程的图像。因以得到任意时刻燃油和喷雾内部的任意位置的截面此在缸头上布置有两个内窥镜,一个引人光源(选用图像。通过记录某一曲轴转角不同循环的大量二维70视角),另一个接收光源(选用30°视角)。内窥镜图像,然后得到平均信息。二维图像技术进一步扩中国煤化工要伸入到燃烧室内展,通过光東扫描燃烧室并快速记录某一空间位置CNMHG角因此必须对燃烧附近的平面信号得到准三维图像,从而了解到整室做微小的修正以防止内窥镜与燃烧室边沿发生干第2期吕兴才,等:用光学可视化方法研究乙醇柴油混合燃料的燃烧特征111涉。但是伸入不能太长,一方面影响缸内流场;另一2.3试验流程方面燃烧室中心部位碳烟较多,容易污染玻璃镜试验前先用频內仪确定出发动机的上止点位另外,由于内窥镜不能经受高温,因此必须对其采取置,然后在控制单元上输入火焰照片的间隔角及误冷却措施。整个系统的布置见图2。差。本次试验设定间隔角为0.4°,误差为士0.1°嘴中心内窥镜中心火焰照片的拍摄范围为20°BTDC(上止点前)到20°ATDC(上止点后),包括了从喷油开始到主燃结束的持续时间。调整内窥镜的角度,以获得更清晰、视盖底平面角更宽的图像。引入光源发动机起动后转速稳定立即开始拍摄。为了燃烧省中心燃烧室中心缩短拍摄时间而得到更清晰的图像,采用随机抓图(a)筒视b)纵剖图1内窥镜在气缸盖上的位置法。由于内窥镜容易积碳而导致图像不清楚,因此每拍摄一个工况后,取出玻璃镜去除积碳后再次使Fig. 1 Location of the endoscope in cylinder head用。更换燃料时,应当将整个低压油路和高压油路HIS14中积存的上一次的燃油全部放完,以免影响燃料的燃烧特性。3燃烧特性与温度场分析图3为三种燃料在同一工况下的试验结果。从柴油、E15D、E15-D+CN三种燃料在同工况下1-柴油机:2测功机:3燃油流量计;4油箱:5-曲轴转角角标器:燃烧历程的照片可以分析如下6光脉冲转换器:7控制单元;8录像机;9蓝视器:10内复镜A内邃饿B12相机;13冷却空’过滤器:14压缩空气(1)着火延迟:在柴油中加入乙醇后着火延迟大计算机大增加。纯柴油在9.8°BTDC已经处于急燃期,而图2直接图像法的系统布置E15D在9.8°BTDC才开始燃烧。但是在E15DFig 2 Arrangement of direct photography system中加入十六烷值改进剂后,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国煤化工图3三种燃料在统一工况CNMHGFig 3 Combustion flame of three kinds of fuels at the same operation conditions112中国公路学报2004年接近原柴油的水平时,着火延迟缩短,从图3(c)中可以看出,柴油燃烧时的温度分布主要在2000~2可以见到在11.8°BTDC时出现明显的火焰500°C之间,而15%乙醇柴油温度主要分布在1800(2)着火持续期:比较图3(b)与图3(a)可以发2100°C之间,在15%乙醇柴油中加入十六烷值现El5D的燃烧持续期很短,只有在9.8°BTDC~改进剂后,温度有所升高,几乎平均分布在2000°C3.8BTDC之间可以见到明显的火焰,之后和之前附近。另一方面,从图4(d)中燃料燃烧历程的平均均见不到火焰,而柴油在整个燃烧期间都可以看见温度也可以发现柴油燃烧的平均温度峰值很高,而火焰。这可能是由于两方而的原因造成的:一方面且相当突出,两种乙醇柴油的温度升高历程很平缓,因为在柴油中加入乙醇后,乙醇的沸点比柴油低很且峰值温度比柴油低很多,另外也发现在柴油中加多,向在高压喷射后因乙醇的“闪急沸腾”而改善雾入十六烷值改进剂后平均温度稍有升高,但远低于化效果,另一方面因为乙醇柴油的着火滞燃期相当柴油燃烧时的平均温度。长,因此一旦燃烧开始,混合气就很快完全燃烧。综合这两方面原因,E15D的燃烧持续期很短。结语(3)火焰辉度:乙醇柴油燃料在燃烧时火焰亮度(1)柴油中加人乙醇后,无论是否恢复其十六烷很弱,柴油火焰在9.8°~8.◎°BTDC之间最亮,而值,其着火滞燃期都延长了,燃烧持续期缩短,火焰El5D在8.0”BTDC最亮,但是相对柴油要暗很多,辉度减弱在E15D中加入十六烷值改进剂后,火焰亮度增(2)乙醇柴油混合燃料中加入十六烷值改进剂加,但是仍然要比柴油火焰亮度低后,着火滞燃期相对提前燃烧持续期和火焰辉度增为了进一步分析缸内的温度场分布笔者采用加,但仍然没有达到柴油机水平三基色法分析软件对火焰温度进行分析{。图4(3)乙醇柴油的最高温度要比纯柴油低很多,而a)~(ω)为对三种燃料在同一曲轴转角下的温度场且乙醇柴油燃烧时平均温度上升平缓分布,图4中纵坐标为某一温度的像素。从图4中参考文献[1] AL.AN RAE. 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