2021-4-9 | 工业设计论文
煤制油的理化性质
实验所用的对比柴油为某石油化工股份有限公司提供的相当于欧四标准的车用柴油，记为DF。表1给出了两种煤制柴油及对比柴油的主要理化性质。从表1可以看出，两种煤制油的密度和DF相差不大，DDCL比DF高5.27%，而F-T比DF低7.36%；两种煤制油的热值和DF非常接近，DDCL热值比DF仅低0.79%，而F-T比DF高1.89%；在十六烷值方面三者的差异较大，DDCL最小，比DF低12.72%，F-T最大，比DF高40.5%；燃油的芳烃含量一定程度上影响了燃油的品质，两种燃油均主要由饱和烃构成，芳烃的含量极少，差别在于DDCL含有大量的环烷烃，而F-T含有较多的链烷烃。另外，两种煤制油的馏程温度和粘度相对于DF较低，几乎不含硫。
实验设备与方法
1.喷雾实验系统简介
图1是喷雾实验所用的平面激光诱导荧光实验系统布局图。该系统包括：光路系统、预燃烧定容弹系统、控制系统、温度与压力采集系统、单次高压燃油喷射系统。实验时，根据实验所需环境空气密度按照调试好的比例向定容燃烧弹内依次充入惰性气体SF6、H2和O2，然后使用火花塞点燃H2和O2获得高温高压环境，之后增压燃油系统开始工作，使得高压油管内到达喷射所需喷射压力，当温度下降到实验设定值时开始喷油，根据拍摄设定的ASOI时刻准分子激光器产生的激光束依次经过反光镜、扩束镜、准直镜和压缩镜，最后形成约80×1.0mm2的激光薄片，穿过定容燃烧弹侧面的石英窗口沿着与喷雾轴线平行方向照射到喷雾上。燃油中的荧光物质发出的荧光透过另一个石英窗口，被高速摄像机ICCD接收，完成图像采集。通过协同控制点火、喷油、激光、ICCD等信号，保证了实验在表2条件下进行。
2.发动机台架简介
燃烧及排放特性实验是在一台重型6缸高压共轨柴油机改装而成的单缸机上进行的，整个发动机实验系统结构见图2。实验进气系统由空气压缩机模拟进气增压，进气压力调节阀调节进气压力，空气质量流量传感器测试进气流量。排气系统使用HoribaMEXA-7100E废气分析仪测量排气成分中的常规排放物，用AVL的415烟度计测量排气中的碳烟排放物,采用KISTLER缸压传感器和KISTLER电荷放大器测量缸内压力。喷油器为标准的重型柴油发动机用喷油器，8个喷孔，喷射锥角为143°，发动机的主要结构参数见表3。实验数据处理过程中对缸压及放热率进行了多次滤波，在能真实反应缸内的燃烧状况的同时，消除了杂波等不确定因素的影响。为保证对比的有效性，在换用两种煤制油时，不对发动机的参数做任何调整。
结果与讨论
1.两种煤制油喷雾特性
1）PLIEF图像处理原则及喷雾参数定义：图3是喷雾前锋贯穿距离和喷雾锥角的定义：喷雾前锋贯穿距离：从喷嘴出口处到喷雾前锋的轴向距离，图中S所示。喷雾锥角：由喷孔引出的两条喷雾包络线之间的夹角，图中θ所示。由于燃油中含有荧光物质的不确定性，实验中利用PLIEF捕获的喷雾不能区分气相和液相，在950K的蒸发环境，捕获的燃油喷雾外缘偏向气相多一些。实验所得喷雾图像减去背景噪声后使用Matlab程序处理，最后将图像用伪彩色显示。
2）两种煤制油与DF的喷雾特性对：比图4是环境空气密度为60kg/m3时三种燃油在0.1ms-1.0ms时刻的喷雾瞬态发展图像，从图中能够定性的看出喷雾的浓度场分布情况，喷雾中间区域的浓度要比周围的浓度高，这说明喷雾的外围区域蒸发雾化和卷吸空气的速率比中间区域要快，并且随着喷雾的持续，中间区域的高浓度范围在扩大。图5为三种燃油的喷雾前锋贯穿距离及锥角在0.1ms-1.0ms时刻的变化情况，其中DDCL喷雾前锋贯穿距离大于DF（平均长4.43%），而F-T与DF相差不大。主要原因是馏程温度方面DDCL小于DF，挥发性好，在蒸发环境下，燃油的挥发性越高，喷雾蒸发越充分，在动能和浓度差的双重作用下，喷雾向前贯穿愈明显，同时Bolt等人的研究也表明蒸发性好使液滴表面蒸发产生的气体环流减小了液滴运动阻力，导致速度衰减较慢，喷雾拥有更高的贯穿速率向前贯穿，使喷雾前锋贯穿距离延长。由于燃油的粘度影响着喷雾破碎过程，进而影响喷雾雾化，燃油粘度越高（DF>DDCL），造成喷孔出口喷雾的初速度比较小，喷雾的初次破碎和二次破碎过程越困难，导致蒸发环境下喷雾蒸发雾化受限，使喷雾前锋贯穿距离变短。F-T虽然也具有较低的馏程温度及粘度，但由于密度（DF>F-T）和DF相差较大，理论上会使液相贯穿距离变短，因此F-T和DF在蒸发环境下的喷雾前锋贯穿距离差别不大。在喷雾锥角方面，三种燃油均呈现先减小后稳定再增大的趋势，DDCL和F-T的喷雾锥角要略大于DF，这可能是两种煤制油较低的粘度和较快的蒸发速度使油束更容易破碎且更容易卷吸环境气体而扩大形体范围，使喷雾锥角变大。但值得注意是两种煤制油的喷雾前锋贯穿距离和锥角与DF虽有所差别，但差异较小。
3）喷油压力对两种煤制油的喷雾特性的影响：从图6-7中可以看出，随着喷射压力的提高，喷雾前锋贯穿距离和锥角随之增大，喷油压力从140MPa增长到220MPa，喷雾前锋贯穿距离和锥角分别增加13%和7.5%左右。这主要是由于喷射压力的提高使喷雾获得了更高的动能，喷雾具有更大的能量向前贯穿。另外，在140MPa、180MPa和220MPa三种不同的喷射压力下，DDCL的喷雾前锋贯穿距离均大于DF，F-T与DF差别不大，两种煤制油的喷雾锥角均大于DF。
2.两种煤制油与DF的燃烧特性对比
直喷式柴油机的燃烧过程可分为滞燃期、预混燃烧期、扩散燃烧期和后燃期，其中预混燃烧期和扩散燃烧期所占比例及燃烧持续期的长短对柴油机的性能有重要影响。两种煤制油和DF由于十六烷值等理化性质的差异导致其滞燃期长短有所不同，进而燃烧特性也有一定的区别。从图8可以看出，低负荷时三种燃油的预混燃烧和扩散燃烧的放热峰值有所不同，DDCL在预混燃烧阶段的放热峰值最高，比DF高出29.93%，F-T则相对较低，比DF低23.57%。而扩散燃烧阶段三种燃油的放热峰值与之相反，DDCL比DF低4.89%，F-T比DF高11.19%。这是因为三种燃油的十六烷值不同，F-T的十六烷值较高(比DF高40.5%），其滞燃期比其他两种燃油要短，放热时刻早，因而预混燃烧阶段参与燃烧的油量较少，预混放热峰值要比其他两种燃油低,在扩散燃烧阶段，因参与的燃油较多，且F-T的馏程温度较低，燃油中所含的重馏成分较少，蒸发、扩散速度较快，因而扩散燃烧阶段放热峰值较高。DDCL的十六烷值最低，比DF低12.72%，因而滞燃期较长，放热始点靠后，较长的滞燃期使参与预混燃烧的油量较多，扩散燃烧阶段油量较少，故预混燃烧阶段放热峰值较高，扩散放热峰值较低。从图9可以看出，三种燃油的压力升高率有所不同，DDCL由于较长的燃烧滞燃期导致最大压力升高率较大，且对应的曲轴转角靠后，而F-T的滞燃期较短，最大压力升高率较小，燃烧相对柔和，而三种燃油最高缸内燃烧压力相差不大。从图10-11中可以看出，随着负荷的增大，三种燃油的预混放热阶段所占比例减少，燃烧始点和两个不同阶段的放热峰值逐渐接近，在大负荷时三条瞬时放热率曲线几乎重合。这是因为随着负荷的增大，气缸内的压缩温度和压力升高，进而导致三种燃油的滞燃期均缩短，燃油十六烷值不同所带来的滞燃期上的差异在这种较高温度和压力的情况下并不明显，因而，三种燃油的瞬时放热率曲线随着负荷的增大逐渐接近。