基于激光诱导光谱技术的发动机缸内燃料浓度和温度分布的试验研究

摘要

目前，在我国有关汽车方面的能源消耗和有害排放的逐年增加，导致了我国石油能源紧张，并对环境造成了极大的危害。石油资源是有限的，这也说明了将来的交通工具可能最终将完全由电力驱动，当然可能是传统意义上的电池，也有可能是燃料电池。但是这些新的技术的发展仍处于起步阶段，可以确信的是，在未来的几十年内内燃机仍然是绝大部分车辆的主要驱动力。新的历史时期对车用内燃机的要求已经从传统的“动力性、经济性、耐久性”发展到“高适应性、高效率、低排放、低噪声”的综合性指标，特别是高效率、低排放，是对内燃机提出的新挑战。
　　 稀燃、分层燃烧、缸内直喷以及可控自燃燃烧技术是目前汽油机发展的几个主要方向。其中分层燃烧是一个重要的发展方向，因为无论是稀燃还是缸内直喷，其根本目的都是要形成合理的分层结构，已达到优化燃烧的目的。已有的研究表明，分层燃烧有提高功率输出和燃油经济型的巨大潜力，这种优势的主要原因是由于在低负荷时，分层燃烧的泵气损失比较小。本文将研究的着重点放在分层燃烧的研究上即是基于此考虑。
　　 燃烧是发动机运行中的最重要的环节，发动机技术的发展依赖于燃烧机理研究的进步，要组织稳定和高效的燃烧，需要对燃料的喷射、雾化、混合及燃烧等物理和化学过程有深入和正确的理解。应用燃烧诊断技术，发现和掌握规律，是燃烧过程研究的主要任务，也是深化燃烧机理研究的主要方法。燃烧诊断技术的落后造成各种发动机燃烧流场的物理图像至今不清楚，成为发动机燃烧机理研究进一步深入的羁绊。而燃烧机理研究的不足，直接影响到新发动机的开发和研制。
　　 激光诊断技术是以激光为激励光源的非侵入式测量技术，测量能力非常突出，具有高灵敏度、非接触和高时间和空间分辨率等优点。在测量环境恶劣的燃烧参数中，激光诊断技术可以提供对燃烧温度、组分、速度等多种参量的测量能力。
　　 发动机技术发展的需要，便是本文的立题依据。在实现稀薄燃烧方面，分层燃烧和CAI燃烧都有能力实现比火花塞点火汽油机更大的潜力，并且能取得油耗和排放方面的优势。为了更好的研究分层充质对燃烧的影响，第一步必须能够控制缸内混合气的形成，使得缸内能够形成分层充质和均匀充质；其次要发展一种新的试验手段，能够用来研究燃烧；最后应用该试验手段研究分层及均质燃烧。为了开发基于激光测量的燃烧诊断技术，深化发动机燃烧机理研究，本文将对激光诊断技术以及在发动机分层和均质燃烧过程研究中的应用进行研究，论文工作主要包括以下几个方面：
　　 (1)本文通过对缸盖、进排气系统、供油系统的重新设计，将一台Lister-Petter单缸风冷柴油发动机改造为侧向换气，可以获得分层和均质燃烧的光学发动机。仅保留原发动机的机体部分，移除缸盖、风罩、以及凸轮轴结构。在新设计缸盖时，将进排气门侧置，这样做的好处有两个：一是利用进气惯性可以在缸内形成大尺度的涡流，非常有利于分层结构的形成；再就是燃烧室的整个顶部没有换气系统，可以设计为一个大的光学视窗，通过顶部光学视窗能够非常方便的观测整个燃烧室内的各种参数变化情况。同时考虑到光学测量的需要，在新的缸盖结构上设计了两个矩形的侧向光学视窗，使得激光片可以出入燃烧室；另外在缸盖上为缸压传感器、火花塞等部件预留了安装孔。另外为了方便调整进排凸轮的拆装以及气相位的调整，将凸轮轴设计为螺纹型。
　　 (2)通过初运行发现该发动机的换气效率很差，只有27％，通过优化进排气门升程以及进排气道结构，将该光学发动机的换气效率提高到55％。采取间隔喷油和点火的控制策略，实现了均质和分层燃烧，以每八个循环为一个周期，每个周期的前七个循环连续喷油，第八个循环停喷，可以形成中间浓，边界稀的分层结构；八个循环都喷油，则可以形成均质充质。点火控制策略与喷油控制类似，每八个循环为一个周期，只在每个周期的第八个循环点火，对应于分层和均质充质，可以实现分层和均质燃烧。
　　 (3)考虑到燃料的挥发特性以及荧光特性，选择异辛烷为燃料，3-戊酮作为添加剂进行缸内燃料分布的研究。为了后面的激光测试需要，应用球面透镜、柱面透镜以及光路变向镜片设计了光路结构，使得缸内形成宽度为40mm，厚度为1～1.2mm的激光片。为了确定润滑油的荧光干扰，本文对比了了两种低荧光润滑油和普通的矿物质润滑油的荧光特性，最终选择聚异丁烯合成润滑油(PIB)来降低润滑油的荧光干扰。另外为了降低背景以及激光均匀度等的影响，文中采用背景数据、平台数据对原始数据进行初步矫正。并且对不同温度和压力下的荧光特性进行了标定，得到了温度标定系数。针对缸内压力的变化情况，提出了应用“充质密度”来补偿缸内压力变化带来的荧光特性变化。
　　 (4)本文应用平面激光诱导荧光测试技术研究了不同进气压力下的发动机缸内的分层结构，结合燃烧放热率分析以及针对单个循环求解的瞬态排放分析，第一次详细研究了缸内燃料的分层结构及其燃烧与NOx和uHC瞬态排放的对应关系。通过对进气管压力的控制研究了不同进气压力下以及不同λ值下的的缸内分层结构，燃烧以及排放水平。试验研究发现，随着空燃比的增加，分层结构的燃烧性能远优于相对应的均质结构；并且在稀燃情况下，中间浓、边界稀的分层结构可以有效保持燃烧的稳定性，而均质充质结构则会发生严重的失火现象。因为在稀燃状态下，火花塞附近的浓混合气可以保证燃烧火核的顺利形成，并且可以在最短的时间内燃烧掉大部分的燃料，从而缩短燃烧持续期。虽然通过瞬态排放分析发现单个循环的绝对NOx及uHC排放水平较高，但是稀燃状态下相对于均质燃烧，分层燃烧可以取得较高的IMEP，因此相对应单位IMEP下的排放水平还是具有相当优势的。本文提出了“标准瞬态排放浓度”的概念，就是将单个循环得瞬态排放浓度除以该循环的IMEP所得到的瞬态排放浓度，这样可以比较燃烧做功及排放的效率。
　　 (5)瞬态的温度分布对于研究燃烧是十分重要的，尤其是对于研究湍流燃烧的热传递、传质以及物理化学变化是非常有帮助的，但是由于发动机缸内燃烧的特殊性，通常情况下要获得燃烧的瞬态温度分布是非常困难的，本文尝试在一台光学发动机上应用激光诱导磷光测温技术测试缸内燃烧的二维气态分布。根据发动机缸内燃烧的温度范围，选择Dy:YAG磷光剂作为测试对象，以Nd:YAG激光器的355nm的紫外激光为激发源。根据Dy:YAG磷光剂的激发特性，采用磷光强度比方法进行测量。应用高温陶瓷水泥将磷光剂粉末均匀的涂在标定原件的测量表面，厚度为0.2mm，标定原件通过筒式加热器加热，激光激发后的磷光数据被一装有图像加倍器的ICCD相机捕捉，标定了458nm和494nm磷光波长的强度比与温度的变化关系。
　　 (6)本文通过激光诱导磷光测温技术研究了发动机缸内的燃烧发展情况。由于Nd：YAG激光对频率有特殊的要求，必须为10Hz或20Hz，而该光学发动机转速又不能太高，因此与点火控制不同，激光的触发信号来自曲轴编码器，而不是凸轮轴，将发动机转速固定在600rpm，这样就可以得到10Hz的激发源；由于ICCD相机的反应速率较慢，为了保证系统的同步性，将激光触发信号除以16，得到频率为0.625Hz的相机快门控制信号。文中首先测量了发动机压缩冲程的缸内二维气态温度分布，并将实验测得的平均温度与通过缸压计算得到的平均温度做了比较，验证了该方法的有效性。随后将磷光测温应用到缸内燃烧得温度测试中，通过温度的分布研究了火焰的发展情况，并以二维温度分布的标准偏差为研究对象，可以清楚的将缸内燃烧划分为三个阶段：预燃期、主燃期和后燃期。通过比较发现，预燃期和后燃阶段的LIP结果与缸压计算所得的温度曲线吻合的较好，而对于主燃期，由于燃烧的化学发光的影响，误差较大。
　　 论文的创新之处在于：
　　 (1)首次尝试将激光诱导磷光测温技术用于发动机缸内燃烧的二维温度测量，通过压缩冲程的温度测量，验证了该方法在发动机缸内气体温度测量中的可行性；按照温度分布划分的缸内燃烧的预燃期、主燃期和后燃期，与通过放热率划分的结果基本吻合。
　　 (2)针对发动机的工作特点，矫正了缸内温度和压力的变化对激光诱导荧光强度的影响，通过试验标定了温度对荧光强度的影响系数；提出应用“充质密度”来矫正缸内压力变化对荧光强度的影响。
　　 (3)应用平面激光诱导荧光测试技术研究了不同进气压力下的均质和分层充质的燃料分布，实现了空燃比的定量测量，并结合放热率及瞬态排放分析，发现在稀混合气情况下的分层燃烧的各种指标均优于均质燃烧。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：Nomenclatur

声明

CHAPTER 1 INTRODUCTION

1.1 Introduction

1.1.1 World emission standards

1.1.1 Measuring Absolute Fuel Efficiency

1.2 Current and Near-Future Engine Technology

1.2.1 Lean Burn

1.2.2 Stratified Charge Combustion

1.2.3 Direct Injection

1.2.4 Controlled Auto-Ignition

1.3 Advanced Diagnostics for Study of Combustion Mechanics

1.3.1 Laser Spectrum Diagnostics is Advanced Tools on Combustion Study

1.3.2 Elementary Conception of Laser Spectrum Diagnostics

1.4 Laser Diagnostics for Engine Combustion

1.4.1 Coherent Anti-strokes Raman Spectroscopy(CARS)

1.4.2 Laser Induced Fluorescence Technique

1.4.3 Absorption Spectroscopy

1.4.4Laser-Induced Phoshorescence

1.5 Project Objective

1.6 Thesis Structure

CHAPTER 2 DESIGN OF SIDE-INDUCTION OPTICAL ENGlNE

2.1 Introduction

2.2 Basic Design of the Engine

2.2.1 Concept Design of Cylinder Head

2.2.2 Selection of Original Engine

2.2.3 Design of Cylinder Head

2.3 Other Modification of Engine

2.3.1 Block

2.3.2 Intake System and Fuel Supply System

2.3.3 Piston

2.3.4 Camshaft and Valve Gear

2.3.5 Optical Windows

2.3.6 Spark Plug

2.4 Control System

2.4.1 Engine Test Bed

2.4.2 Spark and Laser Timing control Box

2.4.3 Fuel Injection

2.4.4 Temperature Monitoring and Control

2.5 Data-Acquisition and Heat Release Analysis

2.5.1 Data-acquisiton

2.5.2 Heat Release

2.5.3 Exhaust Gas Analysis

2.6 Intial Engine Testing

2.7 Acquisition of Stratified and Homogenous Charge

2.8 Summary

CHAPTER 3 PLANAR LASER INDUCED FLUORESCENCE AND CALIBRATION

3.1 Introduction

3.2 Principles of Fluorescence

3.3 Suitable Fuel and Dopant Selection

3.3.1 Requirement for a Dopent

3.3.2 Selection of Dopant

3.3.3 Temperature and Pressure Dependence

3.4 Experimental PLIF Setup

3.4.1 Selection of Suitable Laser and ICCD Camera

3.4.2 Transmitting Optics

3.4.3 Engine Adaptations for Optical Measurement

3.4.4 Experimental Method

3.5 Quantitative AFR Measurement

3.6 Temperature Correction

3.7 Summary

4.1 Introduction

4.2 Experimentation

4.2.1 Test Procedures

4.2.2 Determination of Firing Lambda

4.2.3 Data Synchronization

4.3 Charge Structure and Heat Release Analysis

4.3.1 PLIF images

4.3.2 Heat-Release Analysis

4.4 Exhaust Emissions

4.5 Summary

5 LASER INDUCED PHOSPHORESCENCE THERMOGRAPHY AND CALIBRATION

5.1 Introduction

5.2 Principles of phosphorescence

5.3The nature of phosphor

5.4 Theoty of LIP thermometry

5.4.1 Line-intensity based approaches

5.4.1 Decay time method

5.4 Choice of phosphor and laser

5.5 Systemic calibration

5.5.1 Test cell

5.5.2 Image doubler

5.5.3 Calibration

5.6 Summary

6 TWO DIMENSlONAL GAS-PHASE TEMPERATURE MEASUREMENTS lN ENGINE COMBUSTION USING PHOSPHOR THERMOMETRY

6.1 Induction

6.2 Setup and Synchronization

6.2.1 Setup

6.2.2 Synchronization

6.2.3 Phosphor seeding system

6.2.4 Measurement area

6.2 Temperature meaurement of compression stroke

6.2.1 Temperature distribution

6.2.1 Histograms of temperature distribution

6.3 Combutsion temperature measurements using LIP

6.3.1 2D temperature distribution

6.4.3 Compare between LIP results with numerical results

6.4.4Discussion

6.5 Summary

7 CONCLUSIONS

7.1 Main conclusions

7.2 Innovations of thesis

7.3 Suggests for future study

Reference

Acknowledgement

PAPER PUBLISHING LIST DURlNG PH.D STUDY

ENGLISH DISSERTATION

发表论文一

发表论文二