電預熱多孔介質燃燒器內柴油燃燒的實驗研究

劉宏升，王松祥，劉 林,姜霖松，解茂昭

(大連理工大學 海洋能源利用與節能教育部重點實驗室,遼寧 大連 116024)

多孔介質內的燃燒是自然界和工程中廣泛存在的一種燃燒現象，這種新型燃燒方式在提高燃燒效率、擴展貧燃極限、減輕環境污染等方面具有顯著優勢，已受到國內外學者越來越廣泛的關注[1].

近幾十年來，各國學者在多孔介質燃燒技術方面做了大量的研究工作，取得了豐碩的研究成果.根據燃料種類，多孔介質內的燃燒可分為氣體預混合燃燒和液體汽化燃燒兩種情況.氣體預混合燃燒主要涉及火焰穩定性、火焰傳播速度、排放特性等方面[2].液體過濾燃燒的研究目前主要集中在實驗方面，側重于不同燃燒器的可行性分析、火焰結構、溫度分布和排放特性方面[3].Kaplan等[4]最早通過表面輻射燃燒方法，實驗證明了液體庚烷在多孔介質中燃燒的可行性及其低排放性.此后各種結構的多孔介質液體燃燒器相繼出現，研究者們提出了兩類燃油供給方式：一類是采用霧化噴嘴供油，通過噴嘴形成細小的液體噴霧，噴射到多孔介質表面實現蒸發.Periasamy等[5]用噴嘴將煤油噴射到兩層多孔介質中，研究煤油噴霧火焰的熄火特性和穩定工作范圍.Fuse等[6]通過將超聲波輻射技術與多孔介質燃燒器相結合,提高了乙醇在點火時的蒸發速率，實現了瞬間點火.另一類是無霧化噴嘴的供油方式，將液體燃料直接注入到多孔介質中，在多孔介質的孔隙表面形成油膜進行蒸發.Jugjai等[7]采用順流逐滴供給的方式將煤油從上部注入到多孔介質中，在燃燒室中與旋流空氣混合后進行燃燒.隨后，Wongwatcharaphon等[8]對Jugjai等[7]的燃燒器結構進行了改進，采用多孔介質堆積床作為輻射器強化燃燒室溫度，改善了液體燃料蒸發與燃燒效果.

目前國內對液體燃料在多孔介質內燃燒的研究相對很少.林博穎等[9]模擬了正庚烷在多孔介質內的定容點火過程，發現多孔介質能夠縮短點火延遲并降低壓升速率；陳靖等[10]采用大渦模擬方法和火焰面/進度變量燃燒模型分析了乙醇-空氣稀液霧的火焰燃燒特性.孔文俊等[11]實驗研究了燃料特性和多孔介質類型對浸沒在多孔介質中液體燃料燃燒的影響.王關晴等[12]提出了一種液體燃料多孔介質燃燒裝置及其燃燒方法.Li等[13]建立了液體庚烷燃料微尺度燃燒實驗系統，分析了不同當量比與流動速度下的火焰特性，發現多孔介質能夠增加火焰穩定性.劉宏升等[14]采用底部旋轉進氣的方法，實現了對稱結構下的預蒸發自維持過濾燃燒.

本文采用第一類噴嘴供油方式，建立了電預熱式多孔介質燃燒實驗系統，研究柴油在多孔介質內的預蒸發燃燒特性.在實現穩定燃燒的基礎上，分析當量比和進氣量對燃燒室溫度的影響，旨在探索電預熱多孔介質情況下，燃油蒸汽的自維持燃燒特性.

1 實驗裝置和步驟

1.1 實驗裝置

實驗系統如圖1所示，主要包括供氣系統、供油系統、測量系統、電預熱系統及主燃燒室5大部分.供氣系統主要包括高壓空氣瓶、空氣干燥器、高精度數顯流量計等.空氣從高壓氣瓶經空氣干燥器、控制閥、數顯流量計后，由空氣進口進入預蒸發室.實驗中未采用空氣壓縮機供氣，這是為了防止壓氣機啟閉所產生的壓力波動對燃燒造成影響.

1—高壓空氣瓶,2—變壓器,3—空氣干燥器,4—數顯流量計,5—空氣進口,6—預蒸發室,7—數據記錄儀,8—熱電偶,9—電加熱絲,10—主燃燒室,11—煙氣分析儀,12—高速攝像儀,13—燃油噴射器,14—回油閥,15—噴油控制電路,16—電動燃油泵,17—油箱圖1 實驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental apparatus

供油系統主要由油箱、電動燃油泵、噴油控制電路、回油閥及燃油噴射器組成，實驗所用燃油為普通的 -20#柴油.實驗時，電動燃油泵將燃油從油箱中抽出，經過濾器濾清雜質再經回油閥送至燃油噴射器，燃油噴射器采用脈沖式供油方式，噴油量由噴油控制電路調控.

圖2給出了燃油噴射器的控制電路圖.電路由電壓為12 V的直流電源驅動，噴油控制電路的核心為555定時器，電阻RA=100 kΩ，RB=100 kΩ，RC=1 kΩ，RD=200 kΩ，電位器電阻RP=1 000 kΩ，電容C=1 μF，C1=0.01 μF，電路中配有起保護作用的半導體二極管D，起放大作用的半導體三極管T，以及起指示作用的發光二極管Dz.

圖2 噴油器控制電路Fig.2 Control circuit of the injector

圖3 Q與R1之間的關系Fig.3 Relationship between Q and R1

實驗中通過調節變位器電阻R1的大小，可改變供電脈沖長度，進而控制噴油器油孔的開啟時間.因此在固定噴油壓力下，噴油量Q大小只取決于R1.圖3給出了實驗測得的變位器電阻R1與Q之間的關系，可以看出Q與R1近似成正比關系，于是在實驗中可以通過調整電阻R1對Q進行計算與控制，而不必每次實驗都進行噴油量測量.

測量系統主要包括熱電偶、數據記錄儀、煙氣分析儀、數字流量計及高速攝像儀.空氣流量采用北京七星華創公司生產的D08-1F型數字流量計測量，其量程為0～300 L/min，誤差為±2%；噴油控制電路的R1由萬用表測量；溫度由熱電偶測量，所用熱電偶為鎳鉻-鎳硅鎧裝型熱電偶，外徑為1.5 mm，測量溫度范圍為 -100～1 372 ℃，精度為±0.5 ℃.溫度數據采集采用橫河MV2000型無紙數據記錄儀.

電預熱系統主要由變壓器和電加熱絲組成.變壓器為上海朗歌電器有限公司生產的TDGC2J-10型變壓器，最大功率為10 kW，通過調整供電電壓可控制預熱溫度，當電壓范圍為14～18 V，對應的預熱區核心溫度為750～860 ℃；電加熱絲為興化市創鑫電熱儀表廠生產，所用材料為0Cr21AL6Nb，最高使用溫度為 1 350 ℃，熔點為 1 510 ℃.

如圖4所示，燃燒室包括石英管、氧化鋁小球、電加熱絲、泡沫陶瓷及不銹鋼底座等.燃燒室可分為主燃燒室和下方預熱室兩部分.主燃燒室為內徑60 mm、壁厚5 mm的氣煉型耐高溫石英管.燃燒器豎直布置，在燃燒器內填充直徑6 mm、總長度180 mm的氧化鋁小球，小球可耐 1 750 ℃高溫，小球由燃燒器底部的泡沫陶瓷支撐，內部布置螺旋狀電熱絲作為加熱裝置.為避免爆燃和防止火焰沖出，小球區的上方布置40 PPI(單位英寸長度上的平均孔數)的多孔泡沫陶瓷.熱電偶從石英管出口側壁處插入，測點間隔20 mm.燃燒室底座中心處留有開孔，作為燃油噴射口.在噴油口周圍有3個螺旋進氣口，空氣從此進入并形成旋轉上升的氣流，該結構設計有利于燃油蒸汽與空氣的充分混合.

圖4 燃燒室示意圖Fig.4 Structure schematic of the combustor

1.2 實驗步驟

在實驗初始階段，通過電預熱系統對燃燒室進行預熱，當燃燒室最高溫度達到800 ℃時預熱完成，關閉電源；同時開啟空氣閥門，并接通噴射器電源噴入燃油，由于預熱溫度較高，足以保證燃油的汽化燃燒，并不需要二次點火；實驗中通過控制電加熱絲的變壓器電壓調整預熱溫度，調整空氣流量計旋鈕控制空氣流量，調整變位器電阻R1控制噴油量Q，從而進行變工況實驗.當一組實驗結束后，待整個燃燒室冷卻至室溫后，再進行下一組實驗.

圖5 預熱溫度穩定性分析圖Fig.5 Analysis of preheating temperature stability

2 實驗結果與討論

2.1 預熱溫度分布規律

為了分析預熱溫度場的穩定性，圖5給出了當中心點溫度分別達到750 ℃(T01)及800 ℃(T02)時，多孔介質區預熱溫度的空間分布.圖中數字1，2，3表示實驗組數.

可以看出，預熱區溫度呈現中心高兩側低的分布趨勢，但沿燃燒室的軸線方向溫度并非完全對稱，接近出口處(下游)的溫度要低于空氣入口處(上游)492 ℃；對比同一位置不同實驗組數的溫度可知，3組實驗的溫度分布極為接近，溫度波動在3%以內，這種誤差首先是由數據采集頻率引起的，因為實驗的溫度數據每10 s記錄一次，當中心點溫度達到750 ℃時，測點二在10 s內第一秒和最后一秒的溫度相差2.8 ℃；其次是因為實驗用電為普通民用220 V電源，電網存在一定的波動會導致電壓不穩，進而影響供熱功率的穩定性.整體上看，在相同供熱電壓下，預熱溫度與預熱時間基本保持一一對應關系，預熱溫度場的可重復性較好，這為后續實驗提供了一個穩定且可控的預熱溫度場，同時可以為下一步的模擬研究提供相對準確的初始條件.

圖7 液體預蒸發燃燒的火焰傳播現象Fig.7 Flame propagation phenomena in liquid pre-evaporation combustion

圖6給出了在噴油后300 s時，不同預熱溫度對應的燃燒室溫度分布曲線.從圖中可以看出，當中心點預熱溫度T0=750 ℃時，300 s后燃燒室最高溫度可以達到962 ℃，表明柴油在燃燒室已實現了自維持穩定燃燒；而當預熱溫度T0=740 ℃時，300 s后燃燒室最高溫度降至687 ℃，說明柴油進入燃燒室后并未燃燒或是著火后又熄滅，未能實現穩定燃燒.需要說明的是：在本文燃燒器結構下，燃油噴入以后，先經過預熱蒸發后再進行燃燒，因沒有二次點火過程，多孔介質的預熱溫度是決定燃油能否穩定燃燒的關鍵因素.本文通過大量實驗發現，只有當預熱區核心溫度高于750 ℃時，才能實現柴油在多孔介質內穩定的自維持燃燒，且穩定火焰出現時間在240 s左右,為了避免預熱溫度對自維持燃燒溫度的干擾，故而選取噴油后300 s作為測量時間點.

圖6 預熱溫度對燃燒溫度的影響Fig.6 Effect of preheating temperature on combustion temperature

2.2 火焰傳播

圖7給出了燃油噴射后0.05～0.3 s內燃燒室火焰分布情況.由圖可見，在燃燒室內出現了兩種類型的火焰形態，一是溫度較高的穩定火焰，另一種是傳播速率較快的過濾燃燒火焰.其中穩定火焰區內火焰充滿燃燒室內徑，火焰前緣接近拋物線形狀，該火焰隨燃燒進行呈現出火焰擴大并向下游移動的趨勢；而過濾燃燒火焰的形狀受多孔介質分布的影響較大，無明顯形狀，為淡藍色的閃爍火焰.過濾燃燒火焰最早(0.05 s)出現在穩定火焰區，并立刻向進口方向(上游)傳播，到達預蒸發室受底座阻擋后迅速變向，再往出口方向(下游)傳播；這種過濾燃燒火焰的傳播速度約為1.2 m/s,遠超過氣體預混合燃燒的火焰傳播速度(約0.1 mm/s)，與預混合燃燒中的爆燃現象非常相似.這表明電預熱系統對多孔介質實現了充分預熱，能夠保證液體燃料在預蒸發室內完全汽化蒸發，形成可燃混合蒸氣并在高溫區著火，從而形成與預混合燃燒相類似的火焰傳播現象.

圖8給出了多孔介質燃燒器內預熱與燃燒火焰的對比.圖中0 s對應為預熱階段，可以看出電加熱對多孔介質區的預熱相對均勻，預熱區溫度場呈層狀分布；在燃燒階段，當燃燒進行到480 s時，高溫區移動到了燃燒室的中間位置，燃燒火焰亮度明顯高于電預熱階段，高溫區充滿燃燒室內徑，呈現橙黃色，前沿形狀類似于拋物線，火焰形狀與預熱溫度分布存在明顯區別；當燃燒進行到960 s時，高溫區移動到了燃燒室下游區域，由于受到燃燒室尺寸限制及出口散熱影響，亮度有所降低，但仍可觀察到管中心部分依舊呈現橙黃色.

圖8 多孔介質中預蒸發燃燒現象Fig.8 Phenomena of premixed combustion in porous medium

2.3 溫度分布規律與排放特性

圖9給出了當量比為0.7，空氣流量為0.5 L/s下，燃燒室中心溫度隨時間的變化規律.可以看出，噴油后燃燒室整體溫度迅速上升、發生點火，隨時間推移，燃燒室中心區域溫度形成高溫區，該高溫區寬度逐漸變大并緩慢向下游移動，移動速度約為0.06 mm/s，燃燒室最高溫度并維持在970～1 010 ℃的范圍內，其位置亦隨高溫區向下游緩慢移動.高溫區上游(40 mm處)溫度梯度較大，溫度隨時間急劇下降、并穩定在385 ℃.這是由于預蒸發室內支撐小球的泡沫陶瓷上會殘留一些燃料，這部分燃料的燃燒有利于維持預熱室溫度穩定，從而促進新噴入燃油的預熱蒸發.在高溫區下游溫度分布相對平緩，這是由于下游區域受預熱溫度影響很小，其溫度主要取決于燃燒釋放的熱量.因燃燒主要發生在燃燒室中心區，下游吸熱相對較少，加之受出口散熱影響，導致下游溫度相對較低.

圖9 過濾燃燒溫度分布圖Fig.9 The temperature profiles of filtration combustion

圖10 氣體與固體溫度對比Fig.10 Contrast of temperature between gas and solid

圖10給出了兩種空氣流量(0.5和0.7 L/s)下，位于中心線80 mm處的小球球面與球心溫度對比圖.可以看出，在燃燒初期(480 s之前)球面溫度均要高于球心溫度，最大溫差分別為156.2 ℃(0.5 L/s)和164.7 ℃(0.7 L/s)，表明該位置上固體的溫度低于周圍氣體，小球尚處于吸熱階段；隨著燃燒進行，小球內部溫度逐漸升高，在 500～700 s期間，小球球心溫度已略高于球面溫度，但兩者數值非常接近，溫差在177 ℃以內.這表明氣固相溫度相對均衡，燃燒進入穩定燃燒階段；700 s以后由于火焰區逐漸離開該位置(中心線80 mm處)，導致球面溫度迅速下降而球心溫度則緩慢下降，這說明小球因具有較大的熱容而溫度相對穩定.從圖10可以看出，隨著空氣流量的增加，火焰移動速度加快，當火焰離開后，小球內外溫度均明顯下降.

圖11給出了燃燒室位于80和120 mm截面上的軸線溫度與壁面溫度對比.可以看出，在同一截面上，燃燒室軸線與壁面上的溫度變化趨勢基本一致，穩定燃燒時的溫差在350.1 ℃左右.這是因為柴油從底部中心處噴入預蒸發室，燃油蒸汽組分主要分布在軸線附近，該區域是燃燒核心區，放熱量相對集中，同時側壁散熱對也會造成壁面溫度降低，從而導致軸線與壁面溫差較大.由圖可知，預熱階段燃燒室下游(120 mm)的溫度整體較低，中心與壁面溫差僅為91.6 ℃，隨著燃燒的進行，該溫差逐漸增大并趨于穩定；可以看出，軸線上的最高溫度與同截面上壁面處最高溫度并不是出現在同一時刻，壁面最高溫度要比軸線處稍早出現，這是因為火焰前緣形狀接近拋物線，火焰區等溫線并非像預熱溫度場呈層狀分布.

圖11 同截面處中心與壁面溫度對比Fig.11 Contrast of temperature between center and wall on the same section

圖12給出了當量比為0.7時，不同空氣流量下的燃燒室溫度分布圖，對應的時間為噴油后300和600 s.由圖可知，隨著空氣流量的增加，相同時刻的最高溫度略有升高，如：在300 s時，當空氣流量從0.43升到0.63 L/s，燃燒室最高溫度從921.8升到 1 016 ℃，這是因為在當量比不變的情況下，空氣流量增加，單位時間進入燃燒室的燃料量增加，燃燒放熱量增大，使最高溫度升高.隨著空氣流量的增加，高溫區范圍變得狹窄，火焰整體遷移速度從0.06增至0.12 mm/s，因為隨著空氣流量的增加，入口速度會變大，高速氣流更容易將火焰推向下游，而且氣體膨脹速度也隨放熱量的增大而增加，從而導致高溫區移動速度加快.需要注意的是，隨著空氣流量的增加，高溫區上游溫度存在明顯的下降趨勢，這一方面是因火焰遷移速度變大所致，另一方面是因為隨著空氣流量的增加，燃油噴霧在燃燒室停留時間縮短，這將導致噴霧預熱不充分而對后續的燃燒過程產生不利影響.因此為了保證噴霧能夠充分預熱蒸發，空氣流量不宜過高，實驗表明：當量比為0.7的工況下，空氣流量在0.6 L/s以下為宜.

圖12 空氣流量對溫度分布的影響Fig.12 The effect of air flow on the temperature distribution

圖13 當量比對溫度的影響Fig.13 The effect of equivalence ratio on the temperature

圖13給出了空氣流量為0.5 L/s時，不同當量比條件下溫度分布的對比圖.圖中選取了當量比分別為0.55，0.70，0.90的3種工況.從圖中可以發現，不同當量比條件下燃燒室溫度分布較為相似，表明當量比對火焰傳播的影響比較小.此外，當量比為0.70時,中心區燃燒溫度最高達到992.2 ℃.這是由于在此當量比條件下，燃油蒸汽能夠實現完全燃燒，且空氣流量也相對合適，高溫火焰區移動速度緩慢，溫度分布較理想；而當量比為0.90時，因噴油量增多，出現了不完全燃燒現象，導致燃燒熱沒有完全釋放出來，最高溫度反而降低；當量比為0.55時，因燃料減少導致燃燒釋放的熱量也相對較少.因此隨著當量比的增大，燃燒溫度并不是單調增加，例如在空氣流量為0.5 L/s時，最高溫度對應的當量比為0.70.

3 結語

本文通過搭建多孔介質燃燒實驗臺研究了液體燃料在電預熱式多孔介質內的燃燒特性，結果表明：電預熱溫度場呈穩定的層狀分布，當最高預熱溫度高于750 ℃時可實現自維持燃燒；液體噴霧在多孔介質內自維持燃燒火焰分為穩定火焰和過濾燃燒火焰，前者隨時間向下游移動；火焰面向下游移動速度隨空氣流量增大而加快；隨著當量比的增大，高溫區移動速度幾乎不變，但最高燃燒溫度升高較大.