柴油机进气火焰预热系统着火临界温度的研究

柴油机冷起动过程进气温度较低，燃油雾化蒸发减弱，从而造成缸内混合气着火困难，出现燃烧不稳定现象，甚至发生失火。进气火焰预热系统可以通过点燃少量的燃油来加热空气，促使在压缩上止点时缸内温度超过柴油喷雾的临界自燃温度，确保柴油机顺利起动。目前相关研究较少，且多为理论计算和模型仿真。本期推文笔者基于自行搭建的进气火焰预热试验平台，研究进气流量和燃油喷射方向对进气火焰预热系统着火临界温度和温度升高的影响，通过高速摄像机直拍得到不同条件下的火焰图像，对火焰形态进行分析。

1、试验装置

柴油机结构布置非常紧凑，不便于布置传感器和可视化设备，因而搭建了进气火焰预热系统试验平台，如图1 所示。进气管路内径根据某款柴油机进气管结构设定为160 mm，在进气管路中间安装一个长、宽和高为500 mm×190 mm×170 mm的长方体燃烧室，在燃烧室顶板距离燃烧室空气入口端150mm位置安装进气火焰预热塞，并且进气火焰预热塞的安装角度(燃油喷射方向)可在50°～130°范围内调节。长方体燃烧室侧板开有400 mm×150 mm 的可视化窗。相关测量参数请参阅原文[1]。

图1 进气火焰预热系统试验平台示意

以一款商用进气火焰预热塞为研究对象，工作原理如图2a 所示。柴油从进油口流入气化管路，受电热棒加热气化，并从环形喷油孔喷出，与空气形成可燃混合气后受高温作用着火。进气火焰预热塞的工作电压为24 V，以柴油作为燃油，燃油流量为15 mL/min，喷油压力为0.5 MPa，环境温度为(23±2 ) ℃，采用单一变量法，分别改变进气流量和燃油喷射方向。进气流量设定为0～900 kg/h，每间隔100 kg/h 为一个工况，燃油喷射方向如图2b 所示，设置为50°、70°、90°、110°和130°。每个试验工况重复6次，每次试验后需等待一段时间，确保试验平台各设备温度降至室温。


图2 进气火焰预热塞结构和其喷油方向示意

2、结果分析

2.1 进气火焰预热塞的火焰发展

图3示出喷油方向为90°、进气流量为400 kg/h工况下进气火焰预热塞的火焰发展过程。0 ms 为喷油时刻，柴油经过进气火焰预热塞内部电热棒的加热后喷入进气火焰预热塞裙部空间，经过蒸发、雾化形成可燃混合气，受到电加热棒高温作用，在23 ms 时刻首次观察到燃烧器裙部有微弱的亮光，认为此时进气火焰预热塞着火。随后火焰持续发展，可以看出，火焰发展前期主要向进气火焰预热塞喷油方向发展，在火焰发展中、后期，火焰透过进气火焰预热塞裙部的孔，沿着进气流动方向发展。这是由于在火焰发展前期，进气火焰预热塞裙部温度较低，柴油喷雾的蒸发、雾化较差，混合气无法在裙部空间内快速点燃，受到喷油动能的影响，火焰主要沿着燃油喷射方向发展。随着燃烧的进行，进气火焰预热塞裙部空间的温度迅速升高，促进了随后喷出柴油的蒸发和雾化，混合气在进气火焰预热塞裙部空间迅速被点燃。在高速气流的作用下，可燃混合气随气流向下游运动，同时，火焰也沿着气流运动方向向下游延伸，表现为火焰透过裙部的孔沿着进气流动方向发展。另外，空气流经进气火焰预热塞后形成的涡流对火焰形态有较大的影响，有明显的随涡流浮起现象。


图3 喷油方向为90°、进气流量为400 kg/h时进气火焰预热塞火焰发展形态

2.2 喷油方向对着火临界温度的影响

笔者将不同工况下能够着火的最低进气火焰预热塞裙部温度定义为进气火焰预热系统在该工况下的着火临界温度。图4示出进气流量为400 kg/h 时不同燃油喷射方向的着火临界温度和相应的预热时间。随着进气火焰预热塞轴线和进气管内空气流动方向的夹角增大，着火临界温度呈先降低后增大的变化，并在90°时达到最低着火临界温度(106 ℃)。当夹角≤90°时，随着夹角的增大，燃油喷雾和进气管内气体的接触面积增大，油、气混合质量提高，当量比降低。虽然燃油和空气流动的相对速度逐渐增大，使得空气流动带走的燃油热量升高。但在着火前，进气管内空气流动只能带走极少的热量，导致此时着火临界温度随着夹角的增大而降低。


图4 喷油方向对着火临界温度的影响

当喷油方向与进气管内空气流动方向之间的夹角大于90°时，随着夹角的增大，燃油喷雾和进气管内气体的接触面积进一步增大，并且受气流的作用，促进了燃油的破碎和雾化，使得油、气混合更加充分，当量比大幅度降低，过稀的混合气导致燃油着火临界温度增加。当安装角度大于110°时，未观察到着火现象，这可能是由于此时燃油和空气之间较大的相对速度使混合气的当量比低于着火范围，同时气流带走燃烧大量的热量，燃油无法被点燃。

另外，当喷油方向与进气管内空气流动方向之间的夹角在90°以内时，虽然着火临界温度约有80 ℃的变化，但相应的预热时间相同，即在某一时刻，进气火焰预热塞裙部的温度随着喷油方向与进气流动方向之间夹角的增加而降低。对比分析安装角度为50°和110°时的着火临界温度，发现这两个工况的着火临界温度基本相同，但110°的预热时长为18 s，高于50°的预热时长(13 s)。这是由于随着喷油方向与进气管内空气流动方向之间夹角的增大，在进气管路中流动的空气窜入进气火焰预热塞裙部空间的流速增大，导致表面传热系数增大，单位时间有更多的空气参与对流传热，更多的热量被带走，从而使得进气火焰预热塞裙部温度较低。

2.3 喷油方向对火焰形态的影响

为了得到清晰的火焰边界并直观地得到火焰面积，将稳定着火时的火焰形态图像转化为灰度图后进行了二值化处理。同时，以进气火焰预热塞伸入进气管路中的长度为标准，计算火焰面积。图5示出进气质量流量为400 kg/h、喷油量为15 mL/min，不同喷油方向下稳定着火时火焰形态和火焰面积。当喷油方向与进气管内空气流动方向之间的夹角小于90°时，稳定着火时的火焰面积随着燃油喷射角度的增大而逐渐增大。这是由于随着角度的增大，进气火焰预热塞前处于层流状态的空气受到进气火焰预热塞的作用增强，流经进气火焰预热塞后形成涡的尺度逐渐增大。同时，又由于燃油喷雾与空气的接触面积随着角度的增大而增大，形成的混合气质量逐渐升高，使得更多的燃油充分燃烧，从而造成当喷油角度小于90°时，火焰面积随着夹角的增大而增大。当燃油喷射角度超过90°，稳定着火时的火焰面积随着燃油喷射角度的增大而减小。这主要是由于随着角度的增大，进气火焰预热塞对进气管路中空气的挡板作用减弱，空气流经进气火焰预热塞后形成涡的尺度逐渐减小。


图5 不同喷油方向下稳定着火时的火焰形态和火焰面积
“进气流量对进气火焰预热系统的影响”相关详细内容请参阅原文[1]。

3、结论

喷油方向会影响进气火焰预热塞的着火性能，当喷油方向和进气方向呈锐角时，着火临界温度随着夹角的增大而降低；当夹角为钝角时，着火临界温度随着夹角的增大而升高；当夹角为90°时，着火临界温度最低；当燃油喷射方向小于90°时，不同喷射方向的着火临界温度所对应的预热时间基本不变，即在某一时刻，进气火焰预热塞的裙部温度随着角度的增加而降低。


文献来源

[1]王东方,王 䶮,黎一锴,等.柴油机进气火焰预热系统着火临界温度的研究[J].内燃机学报,2021,(04):289-296.