劉天龍，張紹群，王述洋，張西洋，焦廣澤

(東北林業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，哈爾濱 150040)

生物燃油是21世紀(jì)一種新興產(chǎn)業(yè)能源，是由玉米秸桿、小麥以及灌木等生物質(zhì)通過一定的方法制成的可燃性液體燃料，其能量密度較高、易儲(chǔ)存、便于運(yùn)輸，在未來極有可能代替石油制品。但是由于生物燃油自身的一些特性，目前市場(chǎng)上的燃燒機(jī)并不能充分燃燒生物燃油，導(dǎo)致燃油能量利用率不高。本文主要依據(jù)生物燃油自身的特點(diǎn)對(duì)生物燃油燃燒器在結(jié)構(gòu)上做了一定改進(jìn)，以使生物燃油燃燒效率提高，并為將來的生物燃油燃燒機(jī)產(chǎn)業(yè)提供借鑒。

1 燃油燃燒機(jī)

1.1 傳統(tǒng)燃油燃燒機(jī)的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

傳統(tǒng)燃燒機(jī)由油噴嘴和配風(fēng)器組成。油噴嘴安置在配風(fēng)器軸心線上，將油霧化成細(xì)滴，以一定的擴(kuò)散角(也稱霧化角)噴入燃燒室內(nèi)，與配風(fēng)器送入的空氣相混后著火燃燒。由于傳統(tǒng)的燃燒機(jī)多用于燃燒汽油或者柴油，所以在保證霧化效果和良好配風(fēng)的前提下，這種經(jīng)典的結(jié)構(gòu)可以將燃油充分燃燒。

1.2 生物燃油燃燒機(jī)的特殊性

燃油燃燒機(jī)的結(jié)構(gòu)多是由燃油的性質(zhì)決定的。生物燃油具有特殊的分子結(jié)構(gòu)，其性質(zhì)不同于汽油、柴油等其他燃油，在燃燒特性方面，生物燃油的特點(diǎn)有以下幾個(gè)方面。

生物燃油不易燃。生物燃油雖有可燃性，但是可燃性較差，相對(duì)于其他燃油引燃較難。所以生物燃油在燃燒機(jī)內(nèi)霧化后的引燃不同于傳統(tǒng)燃燒機(jī)的直接引燃方式，其需要在一定的溫度下才能實(shí)現(xiàn)引燃的目的。

生物燃油酸性強(qiáng)。據(jù)相關(guān)實(shí)驗(yàn)測(cè)定，生物燃油的PH值為2，酸性較強(qiáng)。因此燃燒機(jī)長(zhǎng)時(shí)間燃燒生物燃油后，燃油會(huì)對(duì)油路系統(tǒng)以及燃油油槍造成一定的腐蝕，進(jìn)而影響燃燒效果，所以需要經(jīng)常對(duì)油路系統(tǒng)以及燃油油槍進(jìn)行清洗，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。

生物燃油熱值低。汽油的熱值為44MJ/Kg，柴油的熱值達(dá)到了46.04MJ/Kg，而生物燃油的熱值只有17MJ/Kg，熱值低是生物燃油至今還沒有被廣泛應(yīng)用的主要原因。較低的能量密度無法滿足工業(yè)需求，所以如何設(shè)計(jì)燃燒機(jī)，使其克服生物燃油該缺陷成為燃燒機(jī)改進(jìn)中的一個(gè)重要因素。

生物燃油含水量高。燃油含水量越高燃燒效率越低。生物燃油的含水量大約為10%，而汽油的含水量大約為0.1%。且生物燃油中的水絕大多數(shù)是以化合態(tài)存在的，其分子結(jié)構(gòu)中的水大多為結(jié)合水而非自由水，燃燒后生成游離水分子揮發(fā)出去。因此不能通過點(diǎn)燃前烘干等物理干燥方法來去除生物燃油中的水分。

生物燃油的特殊性使該燃油燃燒機(jī)也不同于傳統(tǒng)燃燒機(jī)形式。在改進(jìn)燃燒機(jī)時(shí)，必須以生物燃油在燃燒方面的四個(gè)特點(diǎn)為準(zhǔn)則。

2 生物燃油燃燒機(jī)的結(jié)構(gòu)及改進(jìn)

2.1 生物燃油燃燒機(jī)的整機(jī)結(jié)構(gòu)

與傳統(tǒng)燃燒機(jī)的結(jié)構(gòu)相類似，生物燃油燃燒機(jī)主要由五部分組成：燃油噴嘴，配風(fēng)器，燃燒室，燃油系統(tǒng)(油路系統(tǒng))和控制系統(tǒng)[1]。

生物燃油燃燒機(jī)的總體結(jié)構(gòu)方案如圖1所示。其大致工作原理是接通電源后，電機(jī)啟動(dòng)，風(fēng)門開關(guān)開啟，帶動(dòng)配風(fēng)器進(jìn)行預(yù)吹掃，規(guī)定時(shí)間之后，油泵開始工作，從油箱中給噴嘴供油，霧化開始，點(diǎn)火開關(guān)打開即可對(duì)然油進(jìn)行引燃。

1.電動(dòng)機(jī)；2.點(diǎn)火控制器；3.法蘭；4.燃燒室；5.噴嘴；6.燃燒機(jī)殼體；7.主傳動(dòng)軸；8.油泵；9.軸承；10.風(fēng)門；11.配風(fēng)器

2.2 燃燒機(jī)噴嘴的改進(jìn)

決定燃燒機(jī)性能的一個(gè)主要的指標(biāo)就是噴嘴對(duì)燃油的霧化效果，經(jīng)典的霧化方法有機(jī)械霧化，發(fā)泡霧化，氣動(dòng)霧化等，這三種霧化方法在霧化效果上呈遞增效應(yīng)，但是在噴嘴結(jié)構(gòu)上卻趨于復(fù)雜化，由于生物燃油的粘度大于普通的汽油和柴油，燃油在流經(jīng)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的管路或者孔徑時(shí)可能會(huì)聚集在一起造成油路的堵塞，而且生物燃油在燃燒的過程中如溫度過高會(huì)結(jié)焦，故結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單的機(jī)械壓力霧化則成為了首選霧化方法。

壓力霧化的基本原理是，液體經(jīng)過加壓后具有較大的動(dòng)能，經(jīng)過小孔后會(huì)以很大的速度噴射出去，在液體表面張力，粘性和空氣阻力的相互作用下，液體由滴落，平滑流，波狀流逐漸向噴物流轉(zhuǎn)變。圖2(a)為傳統(tǒng)的機(jī)械式壓力霧化噴嘴，這種噴嘴結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，油管通過3連接口與噴嘴連接，經(jīng)2旋流片之后燃油帶有切向的速度，再通過1霧化片噴出，達(dá)到霧化效果，這種噴嘴可以滿足大多數(shù)燃燒器的霧化要求，因此被廣泛應(yīng)用在當(dāng)今的燃燒器當(dāng)中。

但是，這種噴嘴也存在著一定的弊端，液體只通過霧化片一次并不能完全保證霧化效果，針對(duì)此問題本文設(shè)計(jì)出三段式霧化噴嘴，如圖2(b)所示，就噴頭霧化片部分，設(shè)計(jì)了噴嘴直徑依次增大的三個(gè)霧化片，從圖中可知，d0

(1)

式中：r0為噴口半徑，m；P0為噴嘴入口處油壓，Pa；ρ為燃油密度，kg/m3；G為重力加速度，取9.81m/s2；μ為噴嘴的流量系數(shù)。

這種結(jié)構(gòu)的噴嘴雖然可以很好的解決燃油霧化的問題，但是對(duì)于燃油熱值較低這一限制，國(guó)內(nèi)相關(guān)研究實(shí)踐解決該問題的思路是增加單位時(shí)間的耗油量以獲取更多的能量。而事實(shí)上該種方法存在較大弊端，單位時(shí)間內(nèi)耗油量的過大會(huì)增加噴嘴的負(fù)荷導(dǎo)致其壽命大大縮短，所以擬解決方案為增加油槍噴嘴的數(shù)量，實(shí)現(xiàn)多噴嘴同時(shí)噴油。這種并聯(lián)式噴油可以緩解噴嘴的壓力，并且解決了單位體積內(nèi)低熱值油提供高能量難的問題，同時(shí)，該種方法對(duì)油泵和油管的要求相應(yīng)提高，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意油路管道的強(qiáng)度校核。

圖2 改進(jìn)前后噴嘴結(jié)構(gòu)對(duì)比圖

2.3 配風(fēng)器的設(shè)計(jì)

在燃燒機(jī)的構(gòu)造中與噴嘴同等重要的是配風(fēng)系統(tǒng)。一個(gè)好的配風(fēng)器不僅可以提供燃油燃燒所需的充足的空氣，還能很好的控制風(fēng)量把燃燒過程中產(chǎn)生的雜物吹掃干凈，保證燃燒機(jī)火焰的質(zhì)量。一般情況下，根據(jù)配風(fēng)器出口氣流的形式，可以將其分為直流式配風(fēng)器和旋流式配風(fēng)器。在工業(yè)中，旋流式配風(fēng)器應(yīng)用的較為廣泛，主要原因是，在旋流配風(fēng)器的出口，氣體不僅具有軸向速度，還有切向速度，做螺旋線的切向運(yùn)動(dòng)，形成輻射狀的環(huán)形氣流，這種氣流更易于與油霧混合，為燃油的燃燒創(chuàng)造良好的條件。

對(duì)于生物燃油來說，每千克燃油完全燃燒所需要的空氣量為6.38 m3，在工業(yè)中燃油每小時(shí)的消耗量一般為300 kg，所以配風(fēng)器每小時(shí)需要輸出1 914 m3的空氣量才能為燃油燃燒提供充足的空氣，那么在風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)中，葉片數(shù)目是一個(gè)比較關(guān)鍵的參數(shù)，一般條件下葉片數(shù)目的選擇見表1。

表1 軸向葉片旋流器葉片數(shù)目的選擇

確定了風(fēng)機(jī)的葉片數(shù)量之后，風(fēng)機(jī)的一些其他基本參數(shù)就可以確定出來了。然而由于生物燃油自身的特性，其燃燒過程中會(huì)結(jié)焦，導(dǎo)致有大質(zhì)量的分子產(chǎn)物生成，因此需要提高風(fēng)量把這種廢棄產(chǎn)物吹出燃燒室。在本課題風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)中，由于主傳動(dòng)軸即為風(fēng)機(jī)軸，由電動(dòng)機(jī)輸入的轉(zhuǎn)速為1 800 r/min，這樣的轉(zhuǎn)速限制了風(fēng)機(jī)提供的風(fēng)量，因此借鑒了農(nóng)業(yè)機(jī)械中升運(yùn)器的風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)(如圖3所示)，尤其是葉片結(jié)構(gòu)，這種形式的風(fēng)機(jī)可以實(shí)現(xiàn)在規(guī)定轉(zhuǎn)速下提供盡量多的風(fēng)量[3]。

1.軸套；2.轉(zhuǎn)軸；3.葉片；4.安裝板

2.4 燃燒室的改進(jìn)

傳統(tǒng)燃燒機(jī)的燃燒室是依據(jù)傳熱學(xué)，流體力學(xué)和空氣動(dòng)力學(xué)等相關(guān)學(xué)科理論來設(shè)計(jì)改進(jìn)的。一般汽油和柴油燃燒機(jī)在室溫(20℃)下即可引燃，但是相關(guān)實(shí)驗(yàn)測(cè)定表明，生物燃油需要預(yù)熱至60℃時(shí)可燃性才會(huì)提高。在燃燒室的外部纏繞電阻絲，可以解決燃油預(yù)熱的問題[4-5]。這種方法操作簡(jiǎn)單，可以保證在恒溫的條件下對(duì)燃油進(jìn)行均勻的加熱，避免燃油忽冷忽熱對(duì)其性質(zhì)產(chǎn)生的影響，而且大大減小了熱量的損失，加熱效果好。

2.5 燃油系統(tǒng)的改進(jìn)

根據(jù)不同的燃油性質(zhì)，傳統(tǒng)燃燒機(jī)在工作完畢后無需對(duì)燃燒機(jī)內(nèi)部管路進(jìn)行清洗，而生物燃油具有較強(qiáng)的酸性，所以在燃燒器每次停機(jī)之前，需要對(duì)內(nèi)部管路進(jìn)行一定的清洗?？捎靡掖甲鳛槿紵饔吐泛陀蜆尩那逑磩5]，即在供油系統(tǒng)停止供油之后，控制系統(tǒng)應(yīng)使油泵抽取乙醇至油路中進(jìn)入油槍并由制定容器收集以循環(huán)使用。使用乙醇作為清洗劑的原因有：

首先，乙醇可以中和燃油中的酸性，而且不會(huì)對(duì)油路和油槍產(chǎn)生任何不良影響；其次，乙醇易揮發(fā)，清洗后殘留在油路管道中的乙醇可以靠自身蒸發(fā)掉，不會(huì)大量殘留在管道內(nèi)；最后，殘留乙醇不影響燃燒效果，即使一部分乙醇液體殘留在管道內(nèi)，在下一次燃燒器開機(jī)工作時(shí)可以與燃油很好的混合，而且也會(huì)提高燃油的燃燒效果。

2.6 控制系統(tǒng)

由于以上部分結(jié)構(gòu)的改進(jìn)使生物燃油燃燒機(jī)的控制系統(tǒng)流程也需要進(jìn)行相應(yīng)變更，具體如圖4所示。

圖4 改進(jìn)后的生物燃油燃燒機(jī)控制系統(tǒng)流程圖

3 結(jié)束語(yǔ)

當(dāng)今在我國(guó)江南某些省份已經(jīng)有企業(yè)使用生物燃油燃燒機(jī)供能，但是由于相關(guān)技術(shù)的不完善，以及民營(yíng)企業(yè)的局限性，這類燃燒器還十分簡(jiǎn)陋，完全不能達(dá)到完整的設(shè)備的階段。本文提出了生物燃油燃燒機(jī)的總體方案及細(xì)部改進(jìn)，一定程度上解決了該類燃燒機(jī)的一些技術(shù)難題，對(duì)燃燒機(jī)的主要部件，噴嘴和配風(fēng)器，進(jìn)行了比較詳細(xì)的設(shè)計(jì)方法的介紹，最后給出了該產(chǎn)品的控制流程圖，比較完整的闡述了生物燃油燃燒機(jī)的設(shè)計(jì)理念以及重要結(jié)構(gòu)，一定程度上完善了燃燒機(jī)技術(shù)，為今后的生物燃油燃燒機(jī)研究提供參考。

【參 考 文 獻(xiàn)】

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