复合激光诱导荧光定量标定技术及其对柴油喷雾特性研究的应用

论文摘要

低温燃烧概念给出了实现内燃机高效、低污染的新途径,是目前国际内燃机界研究的热点。但是在柴油机上实现低温燃烧仍有许多理论和技术上的难题。全历程加速油气混合,提高喷雾和环境气体之间的混合速率是实现低温燃烧,控制燃烧速度和始点的重要技术手段之一。本文应用复合激光诱导荧光技术,以MULINBUMP-HCCI复合燃烧系统为研究对象,通过光学测量喷雾气相、液相图像、获得喷雾特性信息的方法,开展柴油喷雾基础理论及其控制技术的研究,为全历程加速油气混合提出控制方法和策略手段。为了研究蒸发喷雾的喷雾特性,模拟发动机中的高温、高压环境,本研究设计开发了定容燃烧弹实验装置,并建立起一套围绕定容燃烧弹开展的复合激光诱导荧光实验系统。该系统能实现柴油喷雾气相、液相浓度场的同时测量;定容燃烧弹最高爆发压力14Mpa、最高模拟温度可达1200K;还开发了一套脉动燃油喷射系统,通过大小活塞面积比为7.5:1或10.5:1的增压装置,可实现高压燃油喷射;另外还开发了实验信号控制系统,可以实现喷油、点火、激光、拍摄、充气等多项工作的信号协同处理。研究中应用复合激光诱导荧光技术建立起了荧光强度和荧光物质浓度间定量标定的研究方法,获得柴油喷雾气相、液相浓度量化数值,并针对影响定量标定的各种控制参数和影响因素开展了量化研究。实验中,研究了气相荧光强度和荧光物质浓度间系数Kvapor随环境条件变化的情况,并发现,系数Kvapor随环境压力升高而降低,高环境温度下这种效果更为明显,系数Kvapor下降趋势更快;环境气体成分的变化对系数Kvapor并没有明显影响;环境温度升高使得系数Kvapor呈现先上升后下降的趋势,600K左右是拐点位置。最终,根据实验结果建立了系数Kvapor的受环境温度和环境压力影响的三维Map图,并应用其获得喷雾气相当量比浓度数值和液相浓度数值的定量结果。在改变喷射控制参数和环境参数的喷雾特性研究中,应用定量标定的实验结果深入开展了喷油压力、喷孔孔径、环境压力、环境密度和环境温度对喷雾各个特性参数影响的实验研究。研究中发现,提高喷射压力能提高了喷雾动能,加速液相喷雾的破碎、促进液相蒸发形成气相喷雾,提高喷雾贯穿速率,有利于较均匀的喷雾的形成;小孔径的喷油嘴,由于较短的贯穿距离和喷雾锥角,减弱了喷雾和空气的混合条件、降低了扩散速率,但另一方面,小孔径喷油嘴又促进了喷雾的破碎和蒸发,使得气相喷雾分布均匀程度明显提高,高浓区域浓度值下降;环境密度高的条件下喷雾的贯穿距离明显减小,这样虽然导致喷雾的扩散速率降低,但由于单位体积内气体量的大幅增加,加快了环境气体和喷雾之间的互相作用,更容易形成气相,分布也更为均匀;环境温度对喷雾的蒸发速率起到关键作用,液相喷雾贯穿距离随温度升高而减小,喷雾锥角变大,同时,气相最大当量比出现时间提前,这些说明环境温度升高,加速了环境气体和喷雾间的热交换,提高了喷雾的蒸发速率,最终促进气相快速形成。在光学发动机实验中发现,BUMP燃烧室限流沿能剥离撞壁喷雾,形成空间二次射流,加速了喷雾和空气间的混合,这种效果在喷油压力提高的条件下,尤其明显。但是有使限流沿有效工作的最小高度存在,并且合适的二次撞壁距离是形成理想的二次射流的关键。另外,多切片扫描（CT）技术可以实现喷雾三维浓度场数据的获得,为分析喷雾特性提出了一个新的分析角度和可能性。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 概述
• 1.1.1 发动机面临的主要问题之一：能源危机
• 1.1.2 发动机面临的主要问题之二：环境保护
• 1.2 解决方法和技术实施路线
• 1.2.1 新概念低温燃烧的提出和发展
• 1.2.2 传统柴油机燃烧方式
• 1.2.3 HCCI 燃烧
• 1.2.4 低温燃烧
• 1.3 柴油喷雾特性和研究现状
• 1.3.1 柴油喷雾破碎和雾化机理
• 1.3.2 喷雾宏观特性研究现状
• 1.3.3 喷雾气液相浓度场分布量化研究现状
• 1.4 本课题研究内容及其意义
• 第二章 复合激光诱导荧光实验系统原理和构建
• 2.1 复合激光诱导荧光技术原理
• 2.1.1 荧光成因
• 2.1.2 复合激光诱导荧光技术原理
• 2.1.3 荧光添加剂的选择
• 2.2 复合激光诱导荧光测试系统的构建
• 2.2.1 定容燃烧弹
• 2.2.2 光学发动机和BUMP 燃烧室
• 2.2.3 激光器、ICCD、DG535 和光路系统
• 2.2.3.1 准分子激光器
• 2.2.3.2 ICCD 图像采集装置
• 2.2.3.3 光路系统
• 2.2.4 信号控制系统
• 2.2.4.1 控制信号的产生及逻辑合成
• 2.2.4.2 功率驱动
• 2.2.4.3 信号控制时序图
• 2.2.5 高压燃油喷射系统
• 2.2.6 压力采集系统和温度计算
• 2.3 本章小结
• 第三章 复合激光诱导荧光定量标定的基本原理和实验方法
• 3.1 复合激光诱导荧光定量标定的基本原理
• 3.2 定量标定实验和结果分析
• 3.2.1 喷油量的精确测量以及喷油规律的获得
• 3.2.2 光学影响因素
• 3.2.3 喷雾完全蒸发时间的确定
• 3.2.4 均相混合气生成器对点火后温度的影响确定
• 3.2.5 荧光强度和喷雾浓度之间关系的基准值测量
• 3.2.6 环境压力、温度对系数Kvapor 的影响
• 3.2.7 环境气体成分对系数Kvapor 的影响
• 3.2.8 系数Kvapor Map 图的最终得出
• 3.2.9 实验误差分析
• 3.2.10 气相当量比Φ的计算和液相量化浓度的获得
• 3.3 本章小结
• 第四章 柴油喷雾特性研究.
• 4.1 定量标定在喷雾特性上的应用和喷雾特性分析方法
• 4.2 喷油压力对喷雾特性的影响
• 4.3 喷孔直径对喷雾特性的影响
• 4.4 环境压力对喷雾特性的影响
• 4.5 环境密度对喷雾特性的影响
• 4.6 环境温度对喷雾特性的影响
• 4.7 本章小结
• 第五章 BUMP 燃烧室内喷雾特性研究
• 5.1 BUMP 燃烧室特性
• 5.2 BUMP 燃烧室对喷雾分布的影响
• 5.3 变喷油压力下的BUMP 燃烧室内喷雾分布特性
• 5.4 CT 技术在喷雾研究中的应用
• 5.5 本章小结
• 第六章 全文总结
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明