基于激光誘導光譜技術的發(fā)動機缸內燃料濃度和溫度分布的試驗研究.pdf

1、目前，在我國有關汽車方面的能源消耗和有害排放的逐年增加，導致了我國石油能源緊張，并對環(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動，當然可能是傳統(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，在未來的幾十年內內燃機仍然是絕大部分車輛的主要驅動力。新的歷史時期對車用內燃機的要求已經從傳統(tǒng)的“動力性、經濟性、耐久性”發(fā)展到“高適應性、高效率、低排放、低噪聲”的

2、綜合性指標，特別是高效率、低排放，是對內燃機提出的新挑戰(zhàn)。
　　 稀燃、分層燃燒、缸內直噴以及可控自燃燃燒技術是目前汽油機發(fā)展的幾個主要方向。其中分層燃燒是一個重要的發(fā)展方向，因為無論是稀燃還是缸內直噴，其根本目的都是要形成合理的分層結構，已達到優(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濟型的巨大潛力，這種優(yōu)勢的主要原因是由于在低負荷時，分層燃燒的泵氣損失比較小。本文將研究的著重點放在分層燃燒的研究上即是基于

3、此考慮。
　　 燃燒是發(fā)動機運行中的最重要的環(huán)節(jié)，發(fā)動機技術的發(fā)展依賴于燃燒機理研究的進步，要組織穩(wěn)定和高效的燃燒，需要對燃料的噴射、霧化、混合及燃燒等物理和化學過程有深入和正確的理解。應用燃燒診斷技術，發(fā)現(xiàn)和掌握規(guī)律，是燃燒過程研究的主要任務，也是深化燃燒機理研究的主要方法。燃燒診斷技術的落后造成各種發(fā)動機燃燒流場的物理圖像至今不清楚，成為發(fā)動機燃燒機理研究進一步深入的羈絆。而燃燒機理研究的不足，直接影響到新發(fā)動機的開發(fā)和研制

4、。
　　 激光診斷技術是以激光為激勵光源的非侵入式測量技術，測量能力非常突出，具有高靈敏度、非接觸和高時間和空間分辨率等優(yōu)點。在測量環(huán)境惡劣的燃燒參數中，激光診斷技術可以提供對燃燒溫度、組分、速度等多種參量的測量能力。
　　 發(fā)動機技術發(fā)展的需要，便是本文的立題依據。在實現(xiàn)稀薄燃燒方面，分層燃燒和CAI燃燒都有能力實現(xiàn)比火花塞點火汽油機更大的潛力，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對燃燒的影響，第一步

5、必須能夠控制缸內混合氣的形成，使得缸內能夠形成分層充質和均勻充質；其次要發(fā)展一種新的試驗手段，能夠用來研究燃燒；最后應用該試驗手段研究分層及均質燃燒。為了開發(fā)基于激光測量的燃燒診斷技術，深化發(fā)動機燃燒機理研究，本文將對激光診斷技術以及在發(fā)動機分層和均質燃燒過程研究中的應用進行研究，論文工作主要包括以下幾個方面：
　　 (1)本文通過對缸蓋、進排氣系統(tǒng)、供油系統(tǒng)的重新設計，將一臺Lister-Petter單缸風冷柴油發(fā)動機改造為側

6、向換氣，可以獲得分層和均質燃燒的光學發(fā)動機。僅保留原發(fā)動機的機體部分，移除缸蓋、風罩、以及凸輪軸結構。在新設計缸蓋時，將進排氣門側置，這樣做的好處有兩個：一是利用進氣慣性可以在缸內形成大尺度的渦流，非常有利于分層結構的形成；再就是燃燒室的整個頂部沒有換氣系統(tǒng)，可以設計為一個大的光學視窗，通過頂部光學視窗能夠非常方便的觀測整個燃燒室內的各種參數變化情況。同時考慮到光學測量的需要，在新的缸蓋結構上設計了兩個矩形的側向光學視窗，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、火花塞等部件預留了安裝孔。另外為了方便調整進排凸輪的拆裝以及氣相位的調整，將凸輪軸設計為螺紋型。
　　 (2)通過初運行發(fā)現(xiàn)該發(fā)動機的換氣效率很差，只有27％，通過優(yōu)化進排氣門升程以及進排氣道結構，將該光學發(fā)動機的換氣效率提高到55％。采取間隔噴油和點火的控制策略，實現(xiàn)了均質和分層燃燒，以每八個循環(huán)為一個周期，每個周期的前七個循環(huán)連續(xù)噴油，第八個循環(huán)停噴，可以形成中間濃，邊界稀的分層結構；八

8、個循環(huán)都噴油，則可以形成均質充質。點火控制策略與噴油控制類似，每八個循環(huán)為一個周期，只在每個周期的第八個循環(huán)點火，對應于分層和均質充質，可以實現(xiàn)分層和均質燃燒。
　　 (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-戊酮作為添加劑進行缸內燃料分布的研究。為了后面的激光測試需要，應用球面透鏡、柱面透鏡以及光路變向鏡片設計了光路結構，使得缸內形成寬度為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、文對比了了兩種低熒光潤滑油和普通的礦物質潤滑油的熒光特性，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，文中采用背景數據、平臺數據對原始數據進行初步矯正。并且對不同溫度和壓力下的熒光特性進行了標定，得到了溫度標定系數。針對缸內壓力的變化情況，提出了應用“充質密度”來補償缸內壓力變化帶來的熒光特性變化。
　　 (4)本文應用平面激光誘導熒光測試技術研究了不同進氣壓力下的發(fā)動機缸

10、內的分層結構，結合燃燒放熱率分析以及針對單個循環(huán)求解的瞬態(tài)排放分析，第一次詳細研究了缸內燃料的分層結構及其燃燒與NOx和uHC瞬態(tài)排放的對應關系。通過對進氣管壓力的控制研究了不同進氣壓力下以及不同λ值下的的缸內分層結構，燃燒以及排放水平。試驗研究發(fā)現(xiàn)，隨著空燃比的增加，分層結構的燃燒性能遠優(yōu)于相對應的均質結構；并且在稀燃情況下，中間濃、邊界稀的分層結構可以有效保持燃燒的穩(wěn)定性，而均質充質結構則會發(fā)生嚴重的失火現(xiàn)象。因為在稀燃狀態(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間內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)單個循環(huán)的絕對NOx及uHC排放水平較高，但是稀燃狀態(tài)下相對于均質燃燒，分層燃燒可以取得較高的IMEP，因此相對應單位IMEP下的排放水平還是具有相當優(yōu)勢的。本文提出了“標準瞬態(tài)排放濃度”的概念，就是將單個循環(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)的溫度分布對于研究燃燒是十分重要的，尤其是對于研究湍流燃燒的熱傳遞、傳質以及物理化學變化是非常有幫助的，但是由于發(fā)動機缸內燃燒的特殊性，通常情況下要獲得燃燒的瞬態(tài)溫度分布是非常困難的，本文嘗試在一臺光學發(fā)動機上應用激光誘導磷光測溫技術測試缸內燃燒的二維氣態(tài)分布。根據發(fā)動機缸內燃燒的溫度范圍，選擇Dy:YAG磷光劑作為測試對象，以Nd:YAG激光器的355nm的紫外激光為激發(fā)源。根據Dy:YAG磷光劑的激發(fā)特性，采用磷光強

13、度比方法進行測量。應用高溫陶瓷水泥將磷光劑粉末均勻的涂在標定原件的測量表面，厚度為0.2mm，標定原件通過筒式加熱器加熱，激光激發(fā)后的磷光數據被一裝有圖像加倍器的ICCD相機捕捉，標定了458nm和494nm磷光波長的強度比與溫度的變化關系。
　　 (6)本文通過激光誘導磷光測溫技術研究了發(fā)動機缸內的燃燒發(fā)展情況。由于Nd：YAG激光對頻率有特殊的要求，必須為10Hz或20Hz，而該光學發(fā)動機轉速又不能太高，因此與點火控制不同，

14、激光的觸發(fā)信號來自曲軸編碼器，而不是凸輪軸，將發(fā)動機轉速固定在600rpm，這樣就可以得到10Hz的激發(fā)源；由于ICCD相機的反應速率較慢，為了保證系統(tǒng)的同步性，將激光觸發(fā)信號除以16，得到頻率為0.625Hz的相機快門控制信號。文中首先測量了發(fā)動機壓縮沖程的缸內二維氣態(tài)溫度分布，并將實驗測得的平均溫度與通過缸壓計算得到的平均溫度做了比較，驗證了該方法的有效性。隨后將磷光測溫應用到缸內燃燒得溫度測試中，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準偏差為研究對象，可以清楚的將缸內燃燒劃分為三個階段：預燃期、主燃期和后燃期。通過比較發(fā)現(xiàn)，預燃期和后燃階段的LIP結果與缸壓計算所得的溫度曲線吻合的較好，而對于主燃期，由于燃燒的化學發(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磷光測溫技術用于發(fā)動機缸內燃燒的二維溫度測量，通過壓縮沖程的溫度測量，驗證了該方法在發(fā)動機缸內氣體溫度測量中的可行性；按照溫度分布劃分的

16、缸內燃燒的預燃期、主燃期和后燃期，與通過放熱率劃分的結果基本吻合。
　　 (2)針對發(fā)動機的工作特點，矯正了缸內溫度和壓力的變化對激光誘導熒光強度的影響，通過試驗標定了溫度對熒光強度的影響系數；提出應用“充質密度”來矯正缸內壓力變化對熒光強度的影響。
　　 (3)應用平面激光誘導熒光測試技術研究了不同進氣壓力下的均質和分層充質的燃料分布，實現(xiàn)了空燃比的定量測量，并結合放熱率及瞬態(tài)排放分析，發(fā)現(xiàn)在稀混合氣情況下的分層燃燒的