一種柴油機燃燒過程的可視化實驗裝置

劉勇強, 左承基, 楊緒元

(合肥工業(yè)大學 機械與汽車工程學院,安徽 合肥 230009)

近年來,對發(fā)動機缸內(nèi)燃燒的研究手段一直在不斷的發(fā)展,其中現(xiàn)代光學可視化方法能夠直觀地提供缸內(nèi)混合氣形成以及燃燒過程的大量信息,與其他發(fā)動機試驗手段及計算機模擬計算相比有著無可替代的優(yōu)勢[1-4]。

本文利用ZS195柴油機研制了一種缸內(nèi)燃燒過程的可視化實驗裝置,通過對進氣系統(tǒng)的改造,實現(xiàn)了對摻混不同氣體缸內(nèi)燃燒的可視化研究。實驗結(jié)果表明,該裝置可以獲得缸內(nèi)著火和燃燒過程的清晰圖像。

1 可視化實驗裝置

實驗裝置主要由進氣系統(tǒng)、光學發(fā)動機、電機、變頻器、角標發(fā)生器、高速攝影機及微機等組成,如圖1所示。

圖1系統(tǒng)中5、10、11組成一個簡單的控制系統(tǒng),7～9為高速攝影機系統(tǒng),1為變頻調(diào)速電機,由變頻器5控制,1～3組成光學發(fā)動機系統(tǒng),4為角標發(fā)生器,實現(xiàn)高速攝影與曲軸轉(zhuǎn)角同步。實驗前,先通過雙石英墑燈利用高速攝影機128×128分辨率進行對焦,對焦結(jié)束后即可關閉石英墑燈。

之后開啟變頻器,通過電機倒拖柴油機至恒定轉(zhuǎn)速,然后手動觸發(fā)油門,柴油機著火燃燒,高速攝影機就會通過可視化石英窗口記錄下整個燃燒過程。

圖1 實驗裝置

2 進氣系統(tǒng)

如圖2所示,為了對摻混不同氣體的缸內(nèi)燃燒過程進行可視化研究,本文對進氣系統(tǒng)進行了改造,可實現(xiàn)對氫氣、一氧化碳、甲烷和二氧化碳的摻混進氣。先利用空氣流量計測出某一工況下未進行摻混燃燒時的空氣流量,然后根據(jù)確定的摻混率分別計算所需摻混氣體的流量,再利用氣體流量計進行調(diào)節(jié)。

圖2 進氣系統(tǒng)示意圖

3 光學發(fā)動機

本文所用可視化發(fā)動機是通過對常州柴油機股份有限公司生產(chǎn)的ZS195直噴式柴油機設計改造而來的,主要參數(shù)如下:型式為四沖程、水冷、臥式、直噴式;缸徑×行程為95mm×115mm;排量為0.815 L;標定功率為8.802 kW;標定轉(zhuǎn)速為2 000 r/min;壓縮比為 17;燃油消耗率≤242.1 g/(kW ·h);供油提前角為 -20°±1°;噴油壓力為(15±0.5)M Pa。

裝置中的光學發(fā)動機采用視窗上置式結(jié)構(gòu),這樣對產(chǎn)品發(fā)動機的改動小,可以盡可能減少對缸內(nèi)燃燒過程的影響。采取視窗上置式的方案必須改造單缸柴油機的缸蓋部分,在滿足可加工性的前提下應盡可能保證足夠大的視窗面積。主要思想是通過在缸蓋部位加工孔,在孔的內(nèi)部固定石英玻璃,保證一定的光路能夠通過,然后利用高速攝影機拍攝其內(nèi)部的燃燒過程,并記錄下來以便進行后續(xù)的研究和分析。

3.1 可視窗口的選擇

在對ZS195缸蓋結(jié)構(gòu)進行尺寸測量[5]后,如何選取加工孔來拍攝清晰的缸內(nèi)燃燒過程成為首先需要解決的問題,其中包括窗口位置、面積的確定。為了能拍攝到著火、燃燒擴散等過程,就必須使可視窗口包含噴油油束,而ZS195柴油機采用的是四孔式噴油器,所以在這種情況下要想使全部油束進入窗口是不可能的,綜合考慮,只能保證一束油進入視窗,因此要確定窗口的位置必須先考察柴油機噴油情況。圖3所示為ZS195噴油情況,四束油的分布情況分別如圖3中的1～4,結(jié)合缸蓋外端面允許的空間結(jié)構(gòu),最佳方案就是將油束1包含到可視窗口內(nèi)部,即最終拍攝到的燃燒圖片是油束1從火焰形成到燃燒結(jié)束的過程。

圖3 ZS195柴油機噴油情況

然后選定視窗的位置和確定視窗面積的大小,視窗面積的大小直接影響拍攝照片的效果,進而影響到后續(xù)燃燒過程的分析,所以起著決定性作用。這里主要考慮缸蓋部分各零部件位置的關系,避免發(fā)生干涉,經(jīng)過對缸蓋整個結(jié)構(gòu)的分析,并對缸蓋進行嘗試剖切,最終選定在包含油束1的范圍內(nèi)加工傾斜孔,傾斜角度為與水平面45°夾角,在缸蓋內(nèi)表面為一個橢圓孔,如圖4所示。

圖4 ZS195柴油機可視窗口

3.2 石英玻璃

采用江蘇海安教育光學鏡片廠生產(chǎn)的JSG3石英玻璃,通過試驗測試,其機械性能、耐熱性能以及波長透過率等各項指標均可以滿足要求。

由于石英玻璃是直接附加于缸蓋上的,與缸蓋成為一體,所以必須考慮其固定和密封的問題,之后才能最終確定石英玻璃的結(jié)構(gòu)尺寸。

采用高溫密封膠解決密封問題,注意涂抹時要盡量做到柱體表面密封膠均勻,以免影響密封效果。而固定問題的解決,是在孔內(nèi)嵌套一個帶有凸臺的套筒,通過燃燒壓力的作用進一步增強密封和固定,經(jīng)過試驗證明可以達到良好的密封和固定效果,沒有出現(xiàn)漏氣現(xiàn)象,如圖5所示。

圖5 可視窗口套筒

3.3 快卸機構(gòu)

由于鑲嵌在缸蓋上的光學石英玻璃將會組成燃燒室的一部分,可視化柴油機在工作過程中,即使運轉(zhuǎn)時間很短,石英玻璃也會受到燃燒生成的碳煙、未燃柴油油污以及微粒污染物的污染,因此為保證能夠拍攝到清晰的燃燒照片,必須在發(fā)動機每次工作后將缸蓋拆下來進行去污處理,以保證下一次工作的正常進行。

為減少每2次試驗中拆卸缸蓋以及清洗光學玻璃的時間間隔,本文設計并加工了一套快速卸載夾具機構(gòu),參見文獻[6],有效地節(jié)約了時間,提高了試驗效率。

當完成一次拍攝試驗時,首先將缸蓋上的進排氣門頂桿取出,接著將翻轉(zhuǎn)架支承上的定位銷拔掉,然后用扳手松動螺桿(2根),即可松動缸蓋,直到壓板固定螺栓與缸蓋脫離后,整體旋轉(zhuǎn)翻轉(zhuǎn)架,缸蓋與機體將完全脫離,這樣可快速進行缸蓋上光學石英玻璃的去污處理,結(jié)束后按卸載過程的相反順序進行安裝,通過熟練的操作,可快速完成整個過程。

4 實驗結(jié)果

實驗前,將發(fā)動機的循環(huán)水加熱至85℃左右,然后起動調(diào)速電機倒拖發(fā)動機,通過變頻器調(diào)節(jié)頻率至17 Hz(n=17×60=1 020 r/m in),即將發(fā)動機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)到1 020 r/min。

實驗中高速攝影機的參數(shù)設置如下:拍攝快門影像尺寸為128×128;變頻器頻率為17 H z;FPS=8 000幀/s。

所以,實驗中每拍攝1張照片所對應的曲軸轉(zhuǎn)過的角度為:

圖6所示為缸內(nèi)噴油方向和觀察窗位置的示意圖。

圖6 柴油機噴油方向示意

發(fā)動機燃燒可視化照片,如圖7所示。為了分析方便,對圖7中的燃燒火焰照片排列作如下處理:燃燒照片是一個6×8的矩陣,行數(shù)用i表示(1≤i≤6),列數(shù)用j表示(1≤j≤8),對應照片用 Pi表示,燃燒照片的順序是P11,P12,…,P21,P22,…,P64。

結(jié)合圖6噴油方向與P14照片可以看出,油束燃燒后火焰前端面為P14中1面,后端面為2面,由于可視化發(fā)動機處于低速狀態(tài),缸內(nèi)的空氣渦流強度不是很強。

整個燃燒區(qū)域基本上是沿噴油方向發(fā)展的,符合實際燃燒火焰的發(fā)展規(guī)律[7-8]。

圖7 發(fā)動機燃燒可視化照片

5 結(jié)束語

實驗結(jié)果表明,所研制的柴油機燃燒過程可視化裝置可以清晰地拍攝柴油機整個著火和燃燒過程,對進一步深入分析柴油機的燃燒過程,尋求降低油耗、改善排放的措施具有重要的意義。

[1]胡 群.車用柴油機排放物有害成分的分析與控制[J].內(nèi)燃機學報,2003(6):24-25,33.

[2]Shiozaki T,Nakajima H,Yokota H,et al.The visualization and its analysis of combustion flam e in a DI diesel engine[J].SAE Paper,2007,98:141-145.

[3]何邦全,姚春德,劉增勇,等.三基色測溫法在柴油機燃燒溫度場測量中的應用研究[J].內(nèi)燃機學報,2001,19(6):526-530.

[4]王麗雯,何 旭,王建昕,等.用雙色法研究汽油機燃燒火焰的溫度分布[J].燃燒科學與技術,2007,13(4):294-298.

[5]金大鷹.機械制圖[M].北京:機械工業(yè)出版社,2008:10-100.

[6]楊黎明.機床夾具設計手冊[M].北京:國防工業(yè)出版社,1996:20-80.

[7]錢葉劍,左承基,徐天玉,等.EGR率對ZS195柴油機性能和排放的影響[J]..合肥工業(yè)大學學報:自然科學版,2009,32(9):1361-1364.

[8]錢多德.某493柴油機的噪聲優(yōu)化[J].合肥工業(yè)大學學報:自然科學版,2007,30(Z1):159-161,164.