基于激光誘導(dǎo)光譜技術(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃料濃度和溫度分布的試驗(yàn)研究.pdf

1、目前，在我國有關(guān)汽車方面的能源消耗和有害排放的逐年增加，導(dǎo)致了我國石油能源緊張，并對(duì)環(huán)境造成了極大的危害。石油資源是有限的，這也說明了將來的交通工具可能最終將完全由電力驅(qū)動(dòng)，當(dāng)然可能是傳統(tǒng)意義上的電池，也有可能是燃料電池。但是這些新的技術(shù)的發(fā)展仍處于起步階段，可以確信的是，在未來的幾十年內(nèi)內(nèi)燃機(jī)仍然是絕大部分車輛的主要驅(qū)動(dòng)力。新的歷史時(shí)期對(duì)車用內(nèi)燃機(jī)的要求已經(jīng)從傳統(tǒng)的“動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、耐久性”發(fā)展到“高適應(yīng)性、高效率、低排放、低噪聲”的

2、綜合性指標(biāo)，特別是高效率、低排放，是對(duì)內(nèi)燃機(jī)提出的新挑戰(zhàn)。
　　 稀燃、分層燃燒、缸內(nèi)直噴以及可控自燃燃燒技術(shù)是目前汽油機(jī)發(fā)展的幾個(gè)主要方向。其中分層燃燒是一個(gè)重要的發(fā)展方向，因?yàn)闊o論是稀燃還是缸內(nèi)直噴，其根本目的都是要形成合理的分層結(jié)構(gòu)，已達(dá)到優(yōu)化燃燒的目的。已有的研究表明，分層燃燒有提高功率輸出和燃油經(jīng)濟(jì)型的巨大潛力，這種優(yōu)勢的主要原因是由于在低負(fù)荷時(shí)，分層燃燒的泵氣損失比較小。本文將研究的著重點(diǎn)放在分層燃燒的研究上即是基于

3、此考慮。
　　 燃燒是發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行中的最重要的環(huán)節(jié)，發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展依賴于燃燒機(jī)理研究的進(jìn)步，要組織穩(wěn)定和高效的燃燒，需要對(duì)燃料的噴射、霧化、混合及燃燒等物理和化學(xué)過程有深入和正確的理解。應(yīng)用燃燒診斷技術(shù)，發(fā)現(xiàn)和掌握規(guī)律，是燃燒過程研究的主要任務(wù)，也是深化燃燒機(jī)理研究的主要方法。燃燒診斷技術(shù)的落后造成各種發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒流場的物理圖像至今不清楚，成為發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒機(jī)理研究進(jìn)一步深入的羈絆。而燃燒機(jī)理研究的不足，直接影響到新發(fā)動(dòng)機(jī)的開發(fā)和研制

4、。
　　 激光診斷技術(shù)是以激光為激勵(lì)光源的非侵入式測量技術(shù)，測量能力非常突出，具有高靈敏度、非接觸和高時(shí)間和空間分辨率等優(yōu)點(diǎn)。在測量環(huán)境惡劣的燃燒參數(shù)中，激光診斷技術(shù)可以提供對(duì)燃燒溫度、組分、速度等多種參量的測量能力。
　　 發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)發(fā)展的需要，便是本文的立題依據(jù)。在實(shí)現(xiàn)稀薄燃燒方面，分層燃燒和CAI燃燒都有能力實(shí)現(xiàn)比火花塞點(diǎn)火汽油機(jī)更大的潛力，并且能取得油耗和排放方面的優(yōu)勢。為了更好的研究分層充質(zhì)對(duì)燃燒的影響，第一步

5、必須能夠控制缸內(nèi)混合氣的形成，使得缸內(nèi)能夠形成分層充質(zhì)和均勻充質(zhì)；其次要發(fā)展一種新的試驗(yàn)手段，能夠用來研究燃燒；最后應(yīng)用該試驗(yàn)手段研究分層及均質(zhì)燃燒。為了開發(fā)基于激光測量的燃燒診斷技術(shù)，深化發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒機(jī)理研究，本文將對(duì)激光診斷技術(shù)以及在發(fā)動(dòng)機(jī)分層和均質(zhì)燃燒過程研究中的應(yīng)用進(jìn)行研究，論文工作主要包括以下幾個(gè)方面：
　　 (1)本文通過對(duì)缸蓋、進(jìn)排氣系統(tǒng)、供油系統(tǒng)的重新設(shè)計(jì)，將一臺(tái)Lister-Petter單缸風(fēng)冷柴油發(fā)動(dòng)機(jī)改造為側(cè)

6、向換氣，可以獲得分層和均質(zhì)燃燒的光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)。僅保留原發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)體部分，移除缸蓋、風(fēng)罩、以及凸輪軸結(jié)構(gòu)。在新設(shè)計(jì)缸蓋時(shí)，將進(jìn)排氣門側(cè)置，這樣做的好處有兩個(gè)：一是利用進(jìn)氣慣性可以在缸內(nèi)形成大尺度的渦流，非常有利于分層結(jié)構(gòu)的形成；再就是燃燒室的整個(gè)頂部沒有換氣系統(tǒng)，可以設(shè)計(jì)為一個(gè)大的光學(xué)視窗，通過頂部光學(xué)視窗能夠非常方便的觀測整個(gè)燃燒室內(nèi)的各種參數(shù)變化情況。同時(shí)考慮到光學(xué)測量的需要，在新的缸蓋結(jié)構(gòu)上設(shè)計(jì)了兩個(gè)矩形的側(cè)向光學(xué)視窗，使得激光片可以

7、出入燃燒室；另外在缸蓋上為缸壓傳感器、火花塞等部件預(yù)留了安裝孔。另外為了方便調(diào)整進(jìn)排凸輪的拆裝以及氣相位的調(diào)整，將凸輪軸設(shè)計(jì)為螺紋型。
　　 (2)通過初運(yùn)行發(fā)現(xiàn)該發(fā)動(dòng)機(jī)的換氣效率很差，只有27％，通過優(yōu)化進(jìn)排氣門升程以及進(jìn)排氣道結(jié)構(gòu)，將該光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)的換氣效率提高到55％。采取間隔噴油和點(diǎn)火的控制策略，實(shí)現(xiàn)了均質(zhì)和分層燃燒，以每八個(gè)循環(huán)為一個(gè)周期，每個(gè)周期的前七個(gè)循環(huán)連續(xù)噴油，第八個(gè)循環(huán)停噴，可以形成中間濃，邊界稀的分層結(jié)構(gòu)；八

8、個(gè)循環(huán)都噴油，則可以形成均質(zhì)充質(zhì)。點(diǎn)火控制策略與噴油控制類似，每八個(gè)循環(huán)為一個(gè)周期，只在每個(gè)周期的第八個(gè)循環(huán)點(diǎn)火，對(duì)應(yīng)于分層和均質(zhì)充質(zhì)，可以實(shí)現(xiàn)分層和均質(zhì)燃燒。
　　 (3)考慮到燃料的揮發(fā)特性以及熒光特性，選擇異辛烷為燃料，3-戊酮作為添加劑進(jìn)行缸內(nèi)燃料分布的研究。為了后面的激光測試需要，應(yīng)用球面透鏡、柱面透鏡以及光路變向鏡片設(shè)計(jì)了光路結(jié)構(gòu)，使得缸內(nèi)形成寬度為40mm，厚度為1～1.2mm的激光片。為了確定潤滑油的熒光干擾，本

9、文對(duì)比了了兩種低熒光潤滑油和普通的礦物質(zhì)潤滑油的熒光特性，最終選擇聚異丁烯合成潤滑油(PIB)來降低潤滑油的熒光干擾。另外為了降低背景以及激光均勻度等的影響，文中采用背景數(shù)據(jù)、平臺(tái)數(shù)據(jù)對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行初步矯正。并且對(duì)不同溫度和壓力下的熒光特性進(jìn)行了標(biāo)定，得到了溫度標(biāo)定系數(shù)。針對(duì)缸內(nèi)壓力的變化情況，提出了應(yīng)用“充質(zhì)密度”來補(bǔ)償缸內(nèi)壓力變化帶來的熒光特性變化。
　　 (4)本文應(yīng)用平面激光誘導(dǎo)熒光測試技術(shù)研究了不同進(jìn)氣壓力下的發(fā)動(dòng)機(jī)缸

10、內(nèi)的分層結(jié)構(gòu)，結(jié)合燃燒放熱率分析以及針對(duì)單個(gè)循環(huán)求解的瞬態(tài)排放分析，第一次詳細(xì)研究了缸內(nèi)燃料的分層結(jié)構(gòu)及其燃燒與NOx和uHC瞬態(tài)排放的對(duì)應(yīng)關(guān)系。通過對(duì)進(jìn)氣管壓力的控制研究了不同進(jìn)氣壓力下以及不同λ值下的的缸內(nèi)分層結(jié)構(gòu)，燃燒以及排放水平。試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，隨著空燃比的增加，分層結(jié)構(gòu)的燃燒性能遠(yuǎn)優(yōu)于相對(duì)應(yīng)的均質(zhì)結(jié)構(gòu)；并且在稀燃情況下，中間濃、邊界稀的分層結(jié)構(gòu)可以有效保持燃燒的穩(wěn)定性，而均質(zhì)充質(zhì)結(jié)構(gòu)則會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的失火現(xiàn)象。因?yàn)樵谙∪紶顟B(tài)下，火花

11、塞附近的濃混合氣可以保證燃燒火核的順利形成，并且可以在最短的時(shí)間內(nèi)燃燒掉大部分的燃料，從而縮短燃燒持續(xù)期。雖然通過瞬態(tài)排放分析發(fā)現(xiàn)單個(gè)循環(huán)的絕對(duì)NOx及uHC排放水平較高，但是稀燃狀態(tài)下相對(duì)于均質(zhì)燃燒，分層燃燒可以取得較高的IMEP，因此相對(duì)應(yīng)單位IMEP下的排放水平還是具有相當(dāng)優(yōu)勢的。本文提出了“標(biāo)準(zhǔn)瞬態(tài)排放濃度”的概念，就是將單個(gè)循環(huán)得瞬態(tài)排放濃度除以該循環(huán)的IMEP所得到的瞬態(tài)排放濃度，這樣可以比較燃燒做功及排放的效率。
　

12、　 (5)瞬態(tài)的溫度分布對(duì)于研究燃燒是十分重要的，尤其是對(duì)于研究湍流燃燒的熱傳遞、傳質(zhì)以及物理化學(xué)變化是非常有幫助的，但是由于發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃燒的特殊性，通常情況下要獲得燃燒的瞬態(tài)溫度分布是非常困難的，本文嘗試在一臺(tái)光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)上應(yīng)用激光誘導(dǎo)磷光測溫技術(shù)測試缸內(nèi)燃燒的二維氣態(tài)分布。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃燒的溫度范圍，選擇Dy:YAG磷光劑作為測試對(duì)象，以Nd:YAG激光器的355nm的紫外激光為激發(fā)源。根據(jù)Dy:YAG磷光劑的激發(fā)特性，采用磷光強(qiáng)

13、度比方法進(jìn)行測量。應(yīng)用高溫陶瓷水泥將磷光劑粉末均勻的涂在標(biāo)定原件的測量表面，厚度為0.2mm，標(biāo)定原件通過筒式加熱器加熱，激光激發(fā)后的磷光數(shù)據(jù)被一裝有圖像加倍器的ICCD相機(jī)捕捉，標(biāo)定了458nm和494nm磷光波長的強(qiáng)度比與溫度的變化關(guān)系。
　　 (6)本文通過激光誘導(dǎo)磷光測溫技術(shù)研究了發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)的燃燒發(fā)展情況。由于Nd：YAG激光對(duì)頻率有特殊的要求，必須為10Hz或20Hz，而該光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速又不能太高，因此與點(diǎn)火控制不同，

14、激光的觸發(fā)信號(hào)來自曲軸編碼器，而不是凸輪軸，將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速固定在600rpm，這樣就可以得到10Hz的激發(fā)源；由于ICCD相機(jī)的反應(yīng)速率較慢，為了保證系統(tǒng)的同步性，將激光觸發(fā)信號(hào)除以16，得到頻率為0.625Hz的相機(jī)快門控制信號(hào)。文中首先測量了發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮沖程的缸內(nèi)二維氣態(tài)溫度分布，并將實(shí)驗(yàn)測得的平均溫度與通過缸壓計(jì)算得到的平均溫度做了比較，驗(yàn)證了該方法的有效性。隨后將磷光測溫應(yīng)用到缸內(nèi)燃燒得溫度測試中，通過溫度的分布研究了火焰的發(fā)展情況

15、，并以二維溫度分布的標(biāo)準(zhǔn)偏差為研究對(duì)象，可以清楚的將缸內(nèi)燃燒劃分為三個(gè)階段：預(yù)燃期、主燃期和后燃期。通過比較發(fā)現(xiàn)，預(yù)燃期和后燃階段的LIP結(jié)果與缸壓計(jì)算所得的溫度曲線吻合的較好，而對(duì)于主燃期，由于燃燒的化學(xué)發(fā)光的影響，誤差較大。
　　 論文的創(chuàng)新之處在于：
　　 (1)首次嘗試將激光誘導(dǎo)磷光測溫技術(shù)用于發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃燒的二維溫度測量，通過壓縮沖程的溫度測量，驗(yàn)證了該方法在發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)氣體溫度測量中的可行性；按照溫度分布劃分的

16、缸內(nèi)燃燒的預(yù)燃期、主燃期和后燃期，與通過放熱率劃分的結(jié)果基本吻合。
　　 (2)針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作特點(diǎn)，矯正了缸內(nèi)溫度和壓力的變化對(duì)激光誘導(dǎo)熒光強(qiáng)度的影響，通過試驗(yàn)標(biāo)定了溫度對(duì)熒光強(qiáng)度的影響系數(shù)；提出應(yīng)用“充質(zhì)密度”來矯正缸內(nèi)壓力變化對(duì)熒光強(qiáng)度的影響。
　　 (3)應(yīng)用平面激光誘導(dǎo)熒光測試技術(shù)研究了不同進(jìn)氣壓力下的均質(zhì)和分層充質(zhì)的燃料分布，實(shí)現(xiàn)了空燃比的定量測量，并結(jié)合放熱率及瞬態(tài)排放分析，發(fā)現(xiàn)在稀混合氣情況下的分層燃燒的