劉勇強(qiáng), 左承基, 楊緒元

(合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院,安徽 合肥 230009)

近年來(lái),對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)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(xué)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(guò)程的大量信息,與其他發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)手段及計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算相比有著無(wú)可替代的優(yōu)勢(shì)[1-4]。

本文利用ZS195柴油機(jī)研制了一種缸內(nèi)燃燒過(guò)程的可視化實(shí)驗(yàn)裝置,通過(guò)對(duì)進(jìn)氣系統(tǒng)的改造,實(shí)現(xiàn)了對(duì)摻混不同氣體缸內(nèi)燃燒的可視化研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該裝置可以獲得缸內(nèi)著火和燃燒過(guò)程的清晰圖像。

1 可視化實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置主要由進(jìn)氣系統(tǒng)、光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)、變頻器、角標(biāo)發(fā)生器、高速攝影機(jī)及微機(jī)等組成,如圖1所示。

圖1系統(tǒng)中5、10、11組成一個(gè)簡(jiǎn)單的控制系統(tǒng),7～9為高速攝影機(jī)系統(tǒng),1為變頻調(diào)速電機(jī),由變頻器5控制,1～3組成光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng),4為角標(biāo)發(fā)生器,實(shí)現(xiàn)高速攝影與曲軸轉(zhuǎn)角同步。實(shí)驗(yàn)前,先通過(guò)雙石英墑燈利用高速攝影機(jī)128×128分辨率進(jìn)行對(duì)焦,對(duì)焦結(jié)束后即可關(guān)閉石英墑燈。

之后開啟變頻器,通過(guò)電機(jī)倒拖柴油機(jī)至恒定轉(zhuǎn)速,然后手動(dòng)觸發(fā)油門,柴油機(jī)著火燃燒,高速攝影機(jī)就會(huì)通過(guò)可視化石英窗口記錄下整個(gè)燃燒過(guò)程。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置

2 進(jìn)氣系統(tǒng)

如圖2所示,為了對(duì)摻混不同氣體的缸內(nèi)燃燒過(guò)程進(jìn)行可視化研究,本文對(duì)進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)行了改造,可實(shí)現(xiàn)對(duì)氫氣、一氧化碳、甲烷和二氧化碳的摻混進(jìn)氣。先利用空氣流量計(jì)測(cè)出某一工況下未進(jìn)行摻混燃燒時(shí)的空氣流量,然后根據(jù)確定的摻混率分別計(jì)算所需摻混氣體的流量,再利用氣體流量計(jì)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

圖2 進(jìn)氣系統(tǒng)示意圖

3 光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)

本文所用可視化發(fā)動(dòng)機(jī)是通過(guò)對(duì)常州柴油機(jī)股份有限公司生產(chǎn)的ZS195直噴式柴油機(jī)設(shè)計(jì)改造而來(lái)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(biāo)定功率為8.802 kW;標(biāo)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(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)采用視窗上置式結(jié)構(gòu),這樣對(duì)產(chǎn)品發(fā)動(dòng)機(jī)的改動(dòng)小,可以盡可能減少對(duì)缸內(nèi)燃燒過(guò)程的影響。采取視窗上置式的方案必須改造單缸柴油機(jī)的缸蓋部分,在滿足可加工性的前提下應(yīng)盡可能保證足夠大的視窗面積。主要思想是通過(guò)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(guò),然后利用高速攝影機(jī)拍攝其內(nèi)部的燃燒過(guò)程,并記錄下來(lái)以便進(jìn)行后續(xù)的研究和分析。

3.1 可視窗口的選擇

在對(duì)ZS195缸蓋結(jié)構(gòu)進(jìn)行尺寸測(cè)量[5]后,如何選取加工孔來(lái)拍攝清晰的缸內(nèi)燃燒過(guò)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(kuò)散等過(guò)程,就必須使可視窗口包含噴油油束,而ZS195柴油機(jī)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(jìn)入窗口是不可能的,綜合考慮,只能保證一束油進(jìn)入視窗,因此要確定窗口的位置必須先考察柴油機(jī)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(guò)程。

圖3 ZS195柴油機(jī)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(jìn)而影響到后續(xù)燃燒過(guò)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(guān)系,避免發(fā)生干涉,經(jīng)過(guò)對(duì)缸蓋整個(gè)結(jié)構(gòu)的分析,并對(duì)缸蓋進(jìn)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(gè)橢圓孔,如圖4所示。

圖4 ZS195柴油機(jī)可視窗口

3.2 石英玻璃

采用江蘇海安教育光學(xué)鏡片廠生產(chǎn)的JSG3石英玻璃,通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試,其機(jī)械性能、耐熱性能以及波長(zhǎng)透過(guò)率等各項(xiàng)指標(biāo)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(shí)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(gè)帶有凸臺(tái)的套筒,通過(guò)燃燒壓力的作用進(jìn)一步增強(qiáng)密封和固定,經(jīng)過(guò)試驗(yàn)證明可以達(dá)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(jī)構(gòu)

由于鑲嵌在缸蓋上的光學(xué)石英玻璃將會(huì)組成燃燒室的一部分,可視化柴油機(jī)在工作過(guò)程中,即使運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間很短,石英玻璃也會(huì)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(dòng)機(jī)每次工作后將缸蓋拆下來(lái)進(jìn)行去污處理,以保證下一次工作的正常進(jìn)行。

為減少每2次試驗(yàn)中拆卸缸蓋以及清洗光學(xué)玻璃的時(shí)間間隔,本文設(shè)計(jì)并加工了一套快速卸載夾具機(jī)構(gòu),參見文獻(xiàn)[6],有效地節(jié)約了時(shí)間,提高了試驗(yàn)效率。

當(dāng)完成一次拍攝試驗(yàn)時(shí),首先將缸蓋上的進(jìn)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(dòng)螺桿(2根),即可松動(dòng)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(jī)體將完全脫離,這樣可快速進(jìn)行缸蓋上光學(xué)石英玻璃的去污處理,結(jié)束后按卸載過(guò)程的相反順序進(jìn)行安裝,通過(guò)熟練的操作,可快速完成整個(gè)過(guò)程。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)前,將發(fā)動(dòng)機(jī)的循環(huán)水加熱至85℃左右,然后起動(dòng)調(diào)速電機(jī)倒拖發(fā)動(dòng)機(jī),通過(guò)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)到1 020 r/min。

實(shí)驗(yàn)中高速攝影機(jī)的參數(shù)設(shè)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(shí)驗(yàn)中每拍攝1張照片所對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)過(guò)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(jī)噴油方向示意

發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒可視化照片,如圖7所示。為了分析方便,對(duì)圖7中的燃燒火焰照片排列作如下處理:燃燒照片是一個(gè)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(duì)應(yīng)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(dòng)機(jī)處于低速狀態(tài),缸內(nèi)的空氣渦流強(qiáng)度不是很強(qiáng)。

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

圖7 發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒可視化照片

5 結(jié)束語(yǔ)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,所研制的柴油機(jī)燃燒過(guò)程可視化裝置可以清晰地拍攝柴油機(jī)整個(gè)著火和燃燒過(guò)程,對(duì)進(jìn)一步深入分析柴油機(jī)的燃燒過(guò)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(jī)排放物有害成分的分析與控制[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào),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(cè)溫法在柴油機(jī)燃燒溫度場(chǎng)測(cè)量中的應(yīng)用研究[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào),2001,19(6):526-530.

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

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

[6]楊黎明.機(jī)床夾具設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,1996:20-80.

[7]錢葉劍,左承基,徐天玉,等.EGR率對(duì)ZS195柴油機(jī)性能和排放的影響[J]..合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2009,32(9):1361-1364.

[8]錢多德.某493柴油機(jī)的噪聲優(yōu)化[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2007,30(Z1):159-161,164.