一种柴油机燃烧过程的可视化实验装置

刘勇强, 左承基, 杨绪元

(合肥工业大学 机械与汽车工程学院,安徽 合肥 230009)

近年来,对发动机缸内燃烧的研究手段一直在不断的发展,其中现代光学可视化方法能够直观地提供缸内混合气形成以及燃烧过程的大量信息,与其他发动机试验手段及计算机模拟计算相比有着无可替代的优势[1-4]。

本文利用ZS195柴油机研制了一种缸内燃烧过程的可视化实验装置,通过对进气系统的改造,实现了对掺混不同气体缸内燃烧的可视化研究。实验结果表明,该装置可以获得缸内着火和燃烧过程的清晰图像。

1 可视化实验装置

实验装置主要由进气系统、光学发动机、电机、变频器、角标发生器、高速摄影机及微机等组成,如图1所示。

图1系统中5、10、11组成一个简单的控制系统,7～9为高速摄影机系统,1为变频调速电机,由变频器5控制,1～3组成光学发动机系统,4为角标发生器,实现高速摄影与曲轴转角同步。实验前,先通过双石英墒灯利用高速摄影机128×128分辨率进行对焦,对焦结束后即可关闭石英墒灯。

之后开启变频器,通过电机倒拖柴油机至恒定转速,然后手动触发油门,柴油机着火燃烧,高速摄影机就会通过可视化石英窗口记录下整个燃烧过程。

图1 实验装置

2 进气系统

如图2所示,为了对掺混不同气体的缸内燃烧过程进行可视化研究,本文对进气系统进行了改造,可实现对氢气、一氧化碳、甲烷和二氧化碳的掺混进气。先利用空气流量计测出某一工况下未进行掺混燃烧时的空气流量,然后根据确定的掺混率分别计算所需掺混气体的流量,再利用气体流量计进行调节。

图2 进气系统示意图

3 光学发动机

本文所用可视化发动机是通过对常州柴油机股份有限公司生产的ZS195直喷式柴油机设计改造而来的,主要参数如下:型式为四冲程、水冷、卧式、直喷式;缸径×行程为95mm×115mm;排量为0.815 L;标定功率为8.802 kW;标定转速为2 000 r/min;压缩比为 17;燃油消耗率≤242.1 g/(kW ·h);供油提前角为 -20°±1°;喷油压力为(15±0.5)M Pa。

装置中的光学发动机采用视窗上置式结构,这样对产品发动机的改动小,可以尽可能减少对缸内燃烧过程的影响。采取视窗上置式的方案必须改造单缸柴油机的缸盖部分,在满足可加工性的前提下应尽可能保证足够大的视窗面积。主要思想是通过在缸盖部位加工孔,在孔的内部固定石英玻璃,保证一定的光路能够通过,然后利用高速摄影机拍摄其内部的燃烧过程,并记录下来以便进行后续的研究和分析。

3.1 可视窗口的选择

在对ZS195缸盖结构进行尺寸测量[5]后,如何选取加工孔来拍摄清晰的缸内燃烧过程成为首先需要解决的问题,其中包括窗口位置、面积的确定。为了能拍摄到着火、燃烧扩散等过程,就必须使可视窗口包含喷油油束,而ZS195柴油机采用的是四孔式喷油器,所以在这种情况下要想使全部油束进入窗口是不可能的,综合考虑,只能保证一束油进入视窗,因此要确定窗口的位置必须先考察柴油机喷油情况。图3所示为ZS195喷油情况,四束油的分布情况分别如图3中的1～4,结合缸盖外端面允许的空间结构,最佳方案就是将油束1包含到可视窗口内部,即最终拍摄到的燃烧图片是油束1从火焰形成到燃烧结束的过程。

图3 ZS195柴油机喷油情况

然后选定视窗的位置和确定视窗面积的大小,视窗面积的大小直接影响拍摄照片的效果,进而影响到后续燃烧过程的分析,所以起着决定性作用。这里主要考虑缸盖部分各零部件位置的关系,避免发生干涉,经过对缸盖整个结构的分析,并对缸盖进行尝试剖切,最终选定在包含油束1的范围内加工倾斜孔,倾斜角度为与水平面45°夹角,在缸盖内表面为一个椭圆孔,如图4所示。

图4 ZS195柴油机可视窗口

3.2 石英玻璃

采用江苏海安教育光学镜片厂生产的JSG3石英玻璃,通过试验测试,其机械性能、耐热性能以及波长透过率等各项指标均可以满足要求。

由于石英玻璃是直接附加于缸盖上的,与缸盖成为一体,所以必须考虑其固定和密封的问题,之后才能最终确定石英玻璃的结构尺寸。

采用高温密封胶解决密封问题,注意涂抹时要尽量做到柱体表面密封胶均匀,以免影响密封效果。而固定问题的解决,是在孔内嵌套一个带有凸台的套筒,通过燃烧压力的作用进一步增强密封和固定,经过试验证明可以达到良好的密封和固定效果,没有出现漏气现象,如图5所示。

图5 可视窗口套筒

3.3 快卸机构

由于镶嵌在缸盖上的光学石英玻璃将会组成燃烧室的一部分,可视化柴油机在工作过程中,即使运转时间很短,石英玻璃也会受到燃烧生成的碳烟、未燃柴油油污以及微粒污染物的污染,因此为保证能够拍摄到清晰的燃烧照片,必须在发动机每次工作后将缸盖拆下来进行去污处理,以保证下一次工作的正常进行。

为减少每2次试验中拆卸缸盖以及清洗光学玻璃的时间间隔,本文设计并加工了一套快速卸载夹具机构,参见文献[6],有效地节约了时间,提高了试验效率。

当完成一次拍摄试验时,首先将缸盖上的进排气门顶杆取出,接着将翻转架支承上的定位销拔掉,然后用扳手松动螺杆(2根),即可松动缸盖,直到压板固定螺栓与缸盖脱离后,整体旋转翻转架,缸盖与机体将完全脱离,这样可快速进行缸盖上光学石英玻璃的去污处理,结束后按卸载过程的相反顺序进行安装,通过熟练的操作,可快速完成整个过程。

4 实验结果

实验前,将发动机的循环水加热至85℃左右,然后起动调速电机倒拖发动机,通过变频器调节频率至17 Hz(n=17×60=1 020 r/m in),即将发动机转速调节到1 020 r/min。

实验中高速摄影机的参数设置如下:拍摄快门影像尺寸为128×128;变频器频率为17 H z;FPS=8 000帧/s。

所以,实验中每拍摄1张照片所对应的曲轴转过的角度为:

图6所示为缸内喷油方向和观察窗位置的示意图。

图6 柴油机喷油方向示意

发动机燃烧可视化照片,如图7所示。为了分析方便,对图7中的燃烧火焰照片排列作如下处理:燃烧照片是一个6×8的矩阵,行数用i表示(1≤i≤6),列数用j表示(1≤j≤8),对应照片用 Pi表示,燃烧照片的顺序是P11,P12,…,P21,P22,…,P64。

结合图6喷油方向与P14照片可以看出,油束燃烧后火焰前端面为P14中1面,后端面为2面,由于可视化发动机处于低速状态,缸内的空气涡流强度不是很强。

整个燃烧区域基本上是沿喷油方向发展的,符合实际燃烧火焰的发展规律[7-8]。

图7 发动机燃烧可视化照片

5 结束语

实验结果表明,所研制的柴油机燃烧过程可视化装置可以清晰地拍摄柴油机整个着火和燃烧过程,对进一步深入分析柴油机的燃烧过程,寻求降低油耗、改善排放的措施具有重要的意义。

[1]胡 群.车用柴油机排放物有害成分的分析与控制[J].内燃机学报,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,刘增勇,等.三基色测温法在柴油机燃烧温度场测量中的应用研究[J].内燃机学报,2001,19(6):526-530.

[4]王丽雯,何 旭,王建昕,等.用双色法研究汽油机燃烧火焰的温度分布[J].燃烧科学与技术,2007,13(4):294-298.

[5]金大鹰.机械制图[M].北京:机械工业出版社,2008:10-100.

[6]杨黎明.机床夹具设计手册[M].北京:国防工业出版社,1996:20-80.

[7]钱叶剑,左承基,徐天玉,等.EGR率对ZS195柴油机性能和排放的影响[J]..合肥工业大学学报:自然科学版,2009,32(9):1361-1364.

[8]钱多德.某493柴油机的噪声优化[J].合肥工业大学学报:自然科学版,2007,30(Z1):159-161,164.