基于傳統燃燒機的生物燃油燃燒機優化與改進

劉天龍，張紹群，王述洋，張西洋，焦廣澤

(東北林業大學 機電工程學院，哈爾濱 150040)

生物燃油是21世紀一種新興產業能源，是由玉米秸桿、小麥以及灌木等生物質通過一定的方法制成的可燃性液體燃料，其能量密度較高、易儲存、便于運輸，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，目前市場上的燃燒機并不能充分燃燒生物燃油，導致燃油能量利用率不高。本文主要依據生物燃油自身的特點對生物燃油燃燒器在結構上做了一定改進，以使生物燃油燃燒效率提高，并為將來的生物燃油燃燒機產業提供借鑒。

1 燃油燃燒機

1.1 傳統燃油燃燒機的結構及特點

傳統燃燒機由油噴嘴和配風器組成。油噴嘴安置在配風器軸心線上，將油霧化成細滴，以一定的擴散角(也稱霧化角)噴入燃燒室內，與配風器送入的空氣相混后著火燃燒。由于傳統的燃燒機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的前提下，這種經典的結構可以將燃油充分燃燒。

1.2 生物燃油燃燒機的特殊性

燃油燃燒機的結構多是由燃油的性質決定的。生物燃油具有特殊的分子結構，其性質不同于汽油、柴油等其他燃油，在燃燒特性方面，生物燃油的特點有以下幾個方面。

生物燃油不易燃。生物燃油雖有可燃性，但是可燃性較差，相對于其他燃油引燃較難。所以生物燃油在燃燒機內霧化后的引燃不同于傳統燃燒機的直接引燃方式，其需要在一定的溫度下才能實現引燃的目的。

生物燃油酸性強。據相關實驗測定，生物燃油的PH值為2，酸性較強。因此燃燒機長時間燃燒生物燃油后，燃油會對油路系統以及燃油油槍造成一定的腐蝕，進而影響燃燒效果，所以需要經常對油路系統以及燃油油槍進行清洗，費時費力。

生物燃油熱值低。汽油的熱值為44MJ/Kg，柴油的熱值達到了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用的主要原因。較低的能量密度無法滿足工業需求，所以如何設計燃燒機，使其克服生物燃油該缺陷成為燃燒機改進中的一個重要因素。

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是以化合態存在的，其分子結構中的水大多為結合水而非自由水，燃燒后生成游離水分子揮發出去。因此不能通過點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也不同于傳統燃燒機形式。在改進燃燒機時，必須以生物燃油在燃燒方面的四個特點為準則。

2 生物燃油燃燒機的結構及改進

2.1 生物燃油燃燒機的整機結構

與傳統燃燒機的結構相類似，生物燃油燃燒機主要由五部分組成：燃油噴嘴，配風器，燃燒室，燃油系統(油路系統)和控制系統[1]。

生物燃油燃燒機的總體結構方案如圖1所示。其大致工作原理是接通電源后，電機啟動，風門開關開啟，帶動配風器進行預吹掃，規定時間之后，油泵開始工作，從油箱中給噴嘴供油，霧化開始，點火開關打開即可對然油進行引燃。

1.電動機；2.點火控制器；3.法蘭；4.燃燒室；5.噴嘴；6.燃燒機殼體；7.主傳動軸；8.油泵；9.軸承；10.風門；11.配風器

2.2 燃燒機噴嘴的改進

決定燃燒機性能的一個主要的指標就是噴嘴對燃油的霧化效果，經典的霧化方法有機械霧化，發泡霧化，氣動霧化等，這三種霧化方法在霧化效果上呈遞增效應，但是在噴嘴結構上卻趨于復雜化，由于生物燃油的粘度大于普通的汽油和柴油，燃油在流經結構較復雜的管路或者孔徑時可能會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結焦，故結構較為簡單的機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，液體經過加壓后具有較大的動能，經過小孔后會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變。圖2(a)為傳統的機械式壓力霧化噴嘴，這種噴嘴結構簡單，油管通過3連接口與噴嘴連接，經2旋流片之后燃油帶有切向的速度，再通過1霧化片噴出，達到霧化效果，這種噴嘴可以滿足大多數燃燒器的霧化要求，因此被廣泛應用在當今的燃燒器當中。

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，針對此問題本文設計出三段式霧化噴嘴，如圖2(b)所示，就噴頭霧化片部分，設計了噴嘴直徑依次增大的三個霧化片，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。

這種結構的噴嘴雖然可以很好的解決燃油霧化的問題，但是對于燃油熱值較低這一限制，國內相關研究實踐解決該問題的思路是增加單位時間的耗油量以獲取更多的能量。而事實上該種方法存在較大弊端，單位時間內耗油量的過大會增加噴嘴的負荷導致其壽命大大縮短，所以擬解決方案為增加油槍噴嘴的數量，實現多噴嘴同時噴油。這種并聯式噴油可以緩解噴嘴的壓力，并且解決了單位體積內低熱值油提供高能量難的問題，同時，該種方法對油泵和油管的要求相應提高，在設計時應注意油路管道的強度校核。

圖2 改進前后噴嘴結構對比圖

2.3 配風器的設計

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

對于生物燃油來說，每千克燃油完全燃燒所需要的空氣量為6.38 m3，在工業中燃油每小時的消耗量一般為300 kg，所以配風器每小時需要輸出1 914 m3的空氣量才能為燃油燃燒提供充足的空氣，那么在風機的設計中，葉片數目是一個比較關鍵的參數，一般條件下葉片數目的選擇見表1。

表1 軸向葉片旋流器葉片數目的選擇

確定了風機的葉片數量之后，風機的一些其他基本參數就可以確定出來了。然而由于生物燃油自身的特性，其燃燒過程中會結焦，導致有大質量的分子產物生成，因此需要提高風量把這種廢棄產物吹出燃燒室。在本課題風機的設計中，由于主傳動軸即為風機軸，由電動機輸入的轉速為1 800 r/min，這樣的轉速限制了風機提供的風量，因此借鑒了農業機械中升運器的風機結構(如圖3所示)，尤其是葉片結構，這種形式的風機可以實現在規定轉速下提供盡量多的風量[3]。

1.軸套；2.轉軸；3.葉片；4.安裝板

2.4 燃燒室的改進

傳統燃燒機的燃燒室是依據傳熱學，流體力學和空氣動力學等相關學科理論來設計改進的。一般汽油和柴油燃燒機在室溫(20℃)下即可引燃，但是相關實驗測定表明，生物燃油需要預熱至60℃時可燃性才會提高。在燃燒室的外部纏繞電阻絲，可以解決燃油預熱的問題[4-5]。這種方法操作簡單，可以保證在恒溫的條件下對燃油進行均勻的加熱，避免燃油忽冷忽熱對其性質產生的影響，而且大大減小了熱量的損失，加熱效果好。

2.5 燃油系統的改進

根據不同的燃油性質，傳統燃燒機在工作完畢后無需對燃燒機內部管路進行清洗，而生物燃油具有較強的酸性，所以在燃燒器每次停機之前，需要對內部管路進行一定的清洗?？捎靡掖甲鳛槿紵饔吐泛陀蜆尩那逑磩5]，即在供油系統停止供油之后，控制系統應使油泵抽取乙醇至油路中進入油槍并由制定容器收集以循環使用。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，而且不會對油路和油槍產生任何不良影響；其次，乙醇易揮發，清洗后殘留在油路管道中的乙醇可以靠自身蒸發掉，不會大量殘留在管道內；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，在下一次燃燒器開機工作時可以與燃油很好的混合，而且也會提高燃油的燃燒效果。

2.6 控制系統

由于以上部分結構的改進使生物燃油燃燒機的控制系統流程也需要進行相應變更，具體如圖4所示。

圖4 改進后的生物燃油燃燒機控制系統流程圖

3 結束語

當今在我國江南某些省份已經有企業使用生物燃油燃燒機供能，但是由于相關技術的不完善，以及民營企業的局限性，這類燃燒器還十分簡陋，完全不能達到完整的設備的階段。本文提出了生物燃油燃燒機的總體方案及細部改進，一定程度上解決了該類燃燒機的一些技術難題，對燃燒機的主要部件，噴嘴和配風器，進行了比較詳細的設計方法的介紹，最后給出了該產品的控制流程圖，比較完整的闡述了生物燃油燃燒機的設計理念以及重要結構，一定程度上完善了燃燒機技術，為今后的生物燃油燃燒機研究提供參考。

【參 考 文 獻】

[1] 易 磊，龔金科.全自動輕油燃燒機的設計與分析[J].工業加熱，2004，33(6)：21-22.

[2] 江蘇省機械工業鍋爐科技情報網.工業鍋爐實用手冊[M].蘇州，江蘇科技出版社，1991.

[3] John Deer.4YZ-4(210)自走式玉米收獲機零件目錄[M].佳木斯：約翰迪爾(佳木斯)農業機械有限公司，2010.

[4] 李心月，楊榮海，韓慧岷，等.柴油燃燒室外預熱對發動機性能的影響[J].森林工程，2011，27(3)：64-66.

[5] 李七軍.BGH型生物質燃氣燃燒機設計及冷態試驗研究[D].哈爾濱：東北林業大學，2011.

[6] Lu Z，Ping K.Spray combustion properties of fast pyrolysis bio-oil produced from rice husk[J].Energy Conversion and Management，2010，51：187-188.