（动力机械及工程专业论文）柴油机全气缸取样系统改进及微粒生成历程的初步研究.pdf

中文摘要 本文着重介绍了作者改进、重新设计后的全气缸取样系统，并利用该系统对 燃烧过程中微粒的生成历程进行了研究。论文研究工作主要内容如下： 1 、对取样孔及压力传感器衬套位置进行重新设计加工，在设计过程中利用 了p r o 。e 的三维设计功能，应用细牙螺纹与高温密封胶，保证了压力传感器衬套 的密封；对筒刀进行重新设计加工，既保证膜片可顺利折起，又确保膜片不会发 生撕裂飞出意外状况。此外，设计搭建了一套稳定、可调的模拟增压中冷装置。 2 、建立缸压采集系统，利用该系统一方面可对取样时刻即当量取样角进行 精确确定，另一方面可对发动机的燃烧状况进行有效监测。 3 、完善了稀释机构，采用电磁阀与流量计对稀释气进行控制，使系统在完 成使样气迅速降温、淬灭化学反应的同时，又能准确计算出稀释气量。 4 、利用改进后的全气缸取样系统，对不同工况条件下的柴油机燃烧过程中 微粒生成历程、微粒形貌、基本粒子成分及化学结构进行了初步研究。实验结果 表明，微粒质量浓度曲线星单峰状，曲线峰值出现在约2 0 0 c a a t d c ，该相位对 应于柴油机扩散燃烧阶段；在燃烧后期，约7 0 8 0 碳微粒被再次氧化，此后微 粒质量浓度接近于排放水平。微粒生成过程中形貌呈现出链状结构，链状粒子由 直径为2 0 4 2 n m 准球状基本粒子连接而成，其主要由碳元素构成，而碳元素则 以无定型碳和微晶碳的形式存在。 关键词：柴油机全气缸取样系统颗粒物生成历程 a b s t r a c t t h ed i s s e r t a t i o ni se m p h a s i z e do nt h ei m p r o v e m e n to fat o t a lc y l i n d e rs a m p l i n g s y s t e m ，a n db a s e do nt h ei m p r o v e ds y s t e m ，t h ef o r m a t i o nh i s t o r yo fi n c y l i n d e r p a r t i c u l a t ed u r i n gd i e s e lc o m b u s t i o nh a sb e e ni n v e s t i g a t e d t h em a j o ra c h i e v e m e n t s a r el i s t e da sf o l l o w s ： 1 t h es a m p l i n gh o l ea n dt h el o c a t i o no ft h ep r e s s u r es e n s o rb u s h i n gw e r e r e d e s i g n e dt h r o u g h3 - d i m e n s i o ns i m u l a t i o nw i t hp r o e ，t h ef i n et h r e a da n ds e a l i n g g u mo fh i 曲t e m p e r a t u r er e s i s t a n tw e r eu t i l i z e df o ra i r p r o o f t h ec u t t e rt u b ew a sa l s o i m p r o v e dt oe n s u r et h ec o n v e n i e n tp u c k e ra n dt o a v o i da na c c i d e n t m o r e o v e r , a s t a b l e ，c o n t r o l l a b l ed e v i c ew h i c hc o u l ds i m u l a t et h et u r b o c h a r g e di n t e r c o o l e rs y s t e m w a se s t a b l i s h e d 2 an e wc y l i n d e rp r e s s u r ea c q u i s i t i o ns y s t e mw a sb u i l t t h es y s t e mc a n p r e c i s e l yd e t e r m i n et h en o m i n a ls a m p l i n gc r a n ka n g l ea n dm o n i t o rt h ec o m b u s t i o n c o n d i t i o ne f f e c t i v e l y 3 b ym e a n so ft h ee l e c t r o m a g n e t i cv a l v ea n df l o w m e t e rt oc o n t r o lt h ed i l u t i o n g a s ，t h ed i l u t i o ns y s t e mw a sa b l et od r o pd o w nt h et e m p e r a t u r eo fs a m p l i n gg a s q u i c k l y , 丘e e z et h ec h e m i c a lr e a c t i o na n dg a u g et h ef l o wa c c u r a t e l y 4 w i t ht h ei m p r o v e dt o t a lc y l i n d e rs a m p l i n gs y s t e m t h ef o r m a t i o nh i s t o r y , s h a p e c h a r a c t e ra n dp h 3 7 s i o c h e m i c a s l p r o p e r t yo fi n c y l i n d e rp a r t i c u l a t eu n d e r d i f f e r e n t d i e s e le n g i n eo p e r a t i n gc o n d i t i o n sw e r ep r e l i m i n a r i l yi n v e s t i g a t e d t h e e x p e r i m e n tr e s u l t si n d i c a t et h a tm a s sc o n c e n t r a t i o no fp a r t i c u l a t es h o w su n i m o d a l d i s t r i b u t i o n ，a n dt h ep e a kp o i n tl i e sa ta b o u t2 0 。c aa t d c ，c o r r e s p o n d i n gt ot h e d i f f u s i o nc o m b u s t i o np h a s eo fd i e s e lc o m b u s t i o n t h es o o tp a r t i c l e sa r eo x i d i z e db y a b o u t7 0 - 8 0 i nt h el a t ec o m b u s t i o np h a s e a n dt h e n ，t h em a s sc o n c e n t r a t i o no f p a r t i c u l a t ee q u a l st ot h ec o n c e n t r a t i o ni nt h et a i lp i p e p a r t i c u l a t e sa r ei nc h a i n s t r u c t u r ea n da g g l o m e r a t e db ye l e m e n t a r yp a r t i c l e so fs p h e r e l i k es t r u c t u r e s + t h es i z e o fe l e m e n t a r yp a r t i c l e si sb e t w e e n2 0 4 21 1 l 】1 a n dt h ec o n t e n t sd o m i n a t e l yc o n s i s t so f w h a ta r ea m o r p h o u sc a r b o na n dm i c r o c r y s t a l l i n ec a r b o n ， k e yw o r d s ：d i e s e le n g i n e ，t o t a lc y l i n d e r s a m p l i n gs y s t e m ，p a r t i c u l a t e ， f o r m a t i o nh i s t o r y 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨盗盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签锄舷慨字隰矽年，月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨注基堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨壅盘茎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名毒矽诹彩 签字日期： 矽辟 ，月，6 日 ， 导师签名 签字日期：) 负形年，月，日 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 1引言 第一章绪论 空气颗粒物是悬浮在空气中的一种复杂的颗粒混合物，颗粒物根据其粒径大 小可以分为总悬浮颗粒物( t s p ) 、可吸入颗粒物( i p ) 、细颗粒物等。 ( 1 ) 总悬浮颗粒物：指空气动力学直径1 0 0 i tm 的颗粒物，包括液体、固 体或者液体和固体结合存在的，并悬浮在空气介质中的颗粒。 ( 2 ) 可吸入颗粒物：指空气动力学直径1 0 um 的颗粒物( p m l o ) 。由于 其能被人体吸入呼吸道，因此具有重要的毒理学意义。 ( 3 ) 细颗粒物：指空气动力学直径2 5l im 的颗粒物( p m 25 ) 。由于这种 颗粒在空气中悬浮的时间较长，可以到达终末细支气管和肺泡，而且其表面积大， 吸附的重金属、有机物等较多，因此对健康的危害也比较大。 空气动力学当量直径( d p ) 概念是：在气流中，被测颗粒物与一个单位密 度的球形粒子具有相同的沉降速率，则该球形粒子的直径就定义为被测颗粒物的 空气动力学当量直径。即在通常的温度、压力及相对湿度下，层流气流中与单位 密度( 1 9 c m 3 ) 球体具有相同沉降速度的颗粒物的直径。 颗粒物对健康的影响主要表现在： 1 、对呼吸道的毒性效应，包括引起呼吸道炎症、哮喘，抑制呼吸道免疫功 能，增加气道阻力，影响肺通气功能。 2 、对心血管的影响，通过干扰中枢神经系统功能，诱发血栓和直接诱发血 栓形成，释放细胞因子等引起血管损伤，导致血栓形成，进而引起缺血性心脏病、 心律失常等病变。 3 、具有致突变效应和潜在的致癌效应。 颗粒物的主要成分及其对健康影响的生物学效应见表1 1 。 表1 1 颗粒物的成分及其生物学效应 天津大学硕士学位论文第一章绪论 随着对大气颗粒物研究的深入，人们认识到可吸入颗粒物p m l o 是大气颗粒 物中对环境和人体健康危害最大的一类，与总悬浮颗粒物t s p 相比，p m i o 本身 多是有毒有害物质，同时由于比表面积较大而易成为其他有毒有害物质的运载体 或反应体【”，故而美国国家环保局( e p a ) 于1 9 8 5 年将原始颗粒物指示物质由t s p 项目修改为p m l 0 ，我国也在1 9 9 6 年颁布的环境空气质量标准( g b 3 0 9 5 1 9 9 6 ) 中规定了p m l o 的标准，并统一在空气质量日报中采用p m l o 指标 2 】。近年来，人 们进一步认识到飘尘中空气动力学直径小于或等于2 5um 的可入肺颗粒物 p m 25 ( i n h a l a b l ep a r t i c l em a t t e r ，简称i p ) ，易于富集空气中的有毒重会属、酸性 氧化物、有机污染物、细菌和病毒等，其对人体健康的危害远比空气动力学直径 在2 5 u m - 1 0 u m 之间的粒子大。因此，美国国家环保局于1 9 9 7 年再一次修改 了大气质量标淮，并规定了p m 25 的最高限值，以保护人体健康。据研究，p m 2s 在大气中的停留时间为7 - 3 0 天，这种颗粒物可随气流被输送到几百公里甚至上 千公里以外的地方，造成大范围的污染危害【3 1 。 可吸入颗粒物的来源可分为天然源和人为源。天然源包括地面扬尘、海浪溅 出的浪沫和盐粒、火山爆发所释放出来的火山灰、森林火灾的燃烧物、宇宙陨星 尘以及植物的花粉、孢子等。人为源主要是燃料燃烧过程中形成的烟尘、飞灰， 各种工业生产所散发出来的原料或产品微粒、汽车排放出来的含铅化合物以及矿 物燃料燃烧所排放出来的s 0 2 在一定的条件下转化成的硫酸赫粒子等。燃烧排放 在人为源中占有非常大的比例。目前，燃烧煤炭、石油、天然气、生物质和废弃 物的固定源以及燃用汽油、柴油的内燃机等移动源已成为大气环境中可吸入颗粒 物含量增加的主要原因。汽车作为主要的移动污染源，在人口稠密，交通发达的 城市及工矿区排出大量的有害气体，严重地危害人类健康，破坏生态平衡，构成 社会危害。柴油机由于具有良好的燃油经济性、动力性和可靠性，得到广泛的应 用。随着柴油车销售持续增长，柴油车在各种车辆中所占的比重越来越大，其排 放污染问题日益严重。 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 柴油机排气的有害成分主要是微粒、n o x 、h c 和c o ，这些污染物具有毒 性和刺激性，对人体、生态环境构成不同程度的威胁。微粒是柴油机主要污染物， 其由无定型碳、未氧化或未完全氧化的碳氢化合物、硫酸盐、金属物质和水组成。 固态碳是在局部富氧区域产生的，其中大部分在随后的氧化过程中被氧化成c o 或者c 0 2 ，剩余的没有被氧化的残渣以颗粒物的形式随尾气排放出来；碳氢化合 物主要包括一些多环芳烃、直链烷烃、中极性有机物、高极性有机物等【4 5 】，都 是有毒物质；硫酸盐主要成分来源于燃料中的硫，在燃料燃烧过程中，燃料中的 大部分硫被氧化为s 0 2 ，但是也有一部分硫被氧化成s 0 3 ，s 0 3 进而转化成硫酸， 然后通过吸附一些金属离子转化为硫酸盐微粒。柴油机排气微粒大小一般为 0 0 1 o 3 u m ，属于可入肺颗粒物( p m 2s ) ，其重量轻，能长时间悬浮在大气中， 人吸入后可集中在肺的底部，引起多种疾病。微粒中的多环芳香烃和多环芳香烃 的硝基化合物已经证明具有很强的致癌、致突变性。这些聚合物易沉积在人体的 呼吸道和肺泡上，容易引发呼吸道肿瘤或肺癌，并加重哮喘病人已有的临床症状， 对人类健康具有极大的危害。 为了保护大气环境和人类的健康，美国、日本和欧洲等发达国家相继制定了 限制柴油汽车排放的法规。欧洲联盟从1 9 7 0 年起开始推行汽车排放标准。起初， 只限制h c 和c o 的排放，1 9 7 7 年开始限制n o x 排放，在1 9 8 4 年以后的欧洲标 准中，对h c 和n o x 的排放是限制这两项的总和。从1 9 8 8 年开始对柴油机的微 粒排放也进行了限制，在2 0 0 5 年实行的e u r oi v 标准( 各种污染物要在e u r oi i i 限值的基础上再降低5 0 左右) ，对各种污染物的排放限制已达到前所未有的水 平( 见表1 2 ) t 6 】 表1 2 欧洲轻型柴油车的排放限值( g k i n ) 标准生效日期c 0 h cn o x 微粒 欧洲1 1 9 9 22 7 20 9 7 ( h c + n o x )0 1 4 欧洲2 1 9 9 5 1 02 2o 5 ( h c + n o x )0 0 8 欧洲2 1 9 9 5 1 01 o0 9 ( h c + n o x )0 1 欧洲3 2 0 0 00 6 40 5 60 5 0o 0 5 欧洲4 2 0 0 5o 5 00 3 0 0 2 50 0 2 5 间接喷射式直接喷射式 为满足日益严格的排放法规，世界各国汽车生产厂相继采用了许多先进技 术，进一步降低柴油机污染物排放。目前，现代柴油机降低有害污染物排放的技 术措施主要有以下几个方面： 增压中冷技术 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 燃油喷射率的优化 空气流动与燃油喷射最佳匹配及燃烧室空间形状的优化 废气再循环( e g r ) 各种电控技术 燃油品质的改善 由于大量新技术、新装置的采用以及燃料理化特性的改变，必然导致现代柴 油机的燃油喷雾特性、混合气形成及燃烧过程与以往有很大不同，微粒作为柴油 机主要燃烧产物之一，其生成与演化历程、高温反应热力学和动力学及理化性质 也会随之变化。 柴油机排气微粒按粒径分布可分为粗态( c o a r s em o d e ) 、聚集态( a c c u m u l a t i o n m o d e ) 、核态( n u c l e im o d e ) - 一种形态【7 1 ，图1 1 为三种不同形态颗粒物的分布示意 图。在这三种形态中，粗态主要为沉积于气缸和排气管表面的颗粒物，发动机振 动及气流冲击将其带入排气中，此形态物质在柴油机颗粒物中所占的比例非常 小：聚集态颗粒物是由无定形碳和吸附在它表面的碳氢化合物及少量无机化合物 构成，以团聚物的形式存在，粒径一般为o 0 5 - - 9 4l - tm ，在总质量中所占比例最 大；核态颗粒物粒径均小于5 0n m ，属于纳米微粒( n a n o p a r t i c l e ) ，成分组成现在 还不十分清楚，一般认为可能由挥发性有机物( v o l a t i l eo r g a n i cc o m p o u n d s ) 和半 挥发性有机物( s e m i v o l a t i l eo r g a n i cc o m p o u n d s ) 、含硫化合物、固体碳及金属盐 类组成，现代柴油机核态颗粒物的数量占微粒总数量的9 0 以上【7 】。 d i a m e t e r ( pm ) 图1 1 柴油机不同形态排气微粒的几何尺寸示意图 现代柴油机排气微粒的变化主要表现为：微粒数量增多，粒径变小，呈纳米 化趋势，核态微粒的数量和质量增加，而聚集态微粒数量和质量减少。对于现代 柴油机排气微粒的粒径变化，k j t t e l s o n t 7 】曾选用两台代表不同技术水平的柴油机 o g ，r i n)(1)墨口趟擞嚣母 天津大学硕士学位论文第一章绪论 进行了研究和对比，其中一台为1 9 9 5 年生产的柴油机，最高喷射压力为9 5 m p a ， 而另一台为改装的、具有现代技术水平的电控柴油机，最高喷射压力可达 1 5 0 m p a ，对比分析结果发现：装有电控喷射系统的现代柴油机微粒的粒数平均 直径( g e o m e t r i c n u m b e r m e a n d i a m e t e r ) 为o 0 1 1 m ，比另一台柴油机小4 倍，体 积平均直径( g e o m e t r i cv o l u m em e a nd i a m e t e r ) 为0 0 6 4 p m ，比1 9 9 5 年产的柴油机 小2 倍，而微粒总数量多了1 5 0 倍；从粒数粒度分布( n u m b e rw e i g h t e ds i z e d i s t r i b u t i o n ) 来看，现代柴油机排气微粒几乎均为小于5 0 n m 的纳米微粒，以核态 形式存在，而另一台1 9 9 5 年产的柴油机微粒主要以核态和聚集态存在，其中聚 集态粒子还占有相当大的比例；从体积粒度分布( v o l u m ew e i g h t e ds i z e d i s t r i b u t i o n ) 来看，现代柴油机排气微粒以核态和聚集态存在，而另一台主要以 聚集态存在。研究发现，对几乎所有的发动机工况，数目超过5 0 但质量小于 1 的微粒是原子核形式的微粒i s 。另有研究表明，超过微粒总质量的8 5 ( 总数 目的9 9 ) 的微粒其直径小于l um 【9 】。由于微粒形态的变化，y u i c h i ，w a t e r 研究 发现，现代柴油机微粒化学成分同八十年代相比已有很大的变化，其中多环芳香 烃和二嗯映等致癌物含量有所增加。此外，s t e p h e n i l 州等研究结果表明，废气再 循环技术，也可导致纳米微粒数量的增长。鉴于此，欧、美等国家证在酝酿修改 现有的微粒排放法规，使之同时兼顾微粒的质量和数量。目前，国内外关于柴油 机微粒的研究几乎还停留在九十年代初的聚集态水平，而对于以核态形式存在的 纳米微粒的基础研究几乎还没有开展。因此，为保护环境和人体健康，现代柴油 机排气微粒的重新认识和研究势在必行，而缸内取样技术可精确地在任意指定的 曲轴转角位置，采集缸内充量进行分析，是用于研究柴油机颗粒物生成机理和演 化过程的重要手段之一。 1 2国内外研究现状 全气缸取样法叫】：全气缸取样方法是指在柴油机燃烧过程的任选时刻打开 燃烧空间，中断燃烧，抽取气缸内的绝大部分充量( 空气+ 燃烧产物) ，然后对样 气进行分析测量的方法。此方法可得到精确的样气组成，并且一次取样就可以得 到足够数量的气体，因此，可进行任何种类的分析测量。一般采用薄的金属片在 取样前密封燃烧空间。全气缸取样法得到的是时间上的一点，整个燃烧空| 日j 的平 均成分，这是全气缸取样法和点状取样法的根本差异。 全气缸取样法与点状取样法 2 2 3 2 】相比具有以下优点： 1 、样气的时日j 分辨率好。 2 、样气充足，分析结果可靠性高。 天津大学硕十学位论文 第一章绪论 3 、测试数据为整个燃烧空间积分的结果，对柴油机非均质燃烧来说，它更 能反映污染物形成的宏观历程。 4 、实验结果更适应于验证燃烧模拟结果。 5 、适于研究缸内微粒质量的生成历程。 但是，全气缸取样法装置结构比点状取样法复杂，每进行一次取样后，都必 须停机，试验周期相对较长。 七十年代末，i a v o i e e l e s c u 和g l b o r m a n 等 1 l 】在美国威斯康星大学首次研 制成适用于柴油机的全气缸取样系统并用其研究了缸内n o x 生成历程。该取样 系统结构和取样机构的安装示意如图1 2 所示。试验是在一个单缸直喷柴油机上 进行的。膜片被压套( c l a m p i n gt u b e ) 压紧，在直径方向上的横梁进一步加固 了膜片。膜片厚度是0 5 0 m m 。筒刀是用不锈钢管做成的，末端作淬硬和磨尖处 理。在此之后，t u n gt a tc h a n 和g l b o r m a n 1 2 用这个系统研究了在当量比和转 速一定的条件下，涡流、废气再循环( e g r ) 、喷油定时和喷油孔数对柴油机燃烧 的影响。 八十年代初，g h h e d d i n g 和d b k i t t e l s o n 1 3 1 等人又发展了一套新的全气缸 取样系统；x l i u 和d ，b k i t t e l s o n 【1 4 】对此系统关键结构做了改进，研究了取样过 程中监测参数间的关系，并用它测量了缸内n o x 生成历程： c a oj a nd u 和 d b k i t t e l s o n i l 纠还用这套系统装置研究了缸内微粒粒数浓度的变化历程： d b k i t t e l s o n 和m i c h a lj p i p h o 等人【1 6 】用这套系统研究了关于柴油机缸内微粒浓 度的理论与实际的对比试验。m i c h a lj p i p h o t l 7 】等人进一步改进了部分结构，使 其更适用于微粒质量浓度变化历程的测量。之后d b ，k i t t e l s o n 和m i c h a lj p i p h o 1 8 】 等人又用这套系统，研究了直喷柴油机缸内微粒形成历程。该系统同样用膜片密 封住燃烧室空间，以保证正常的燃烧。膜片利用黄铜制成，并且进行了高温回火。 筒刀中心孔的直径为1 3 r a m ，末端形状进行了特别设计。当要进行取样时，快速 响应的电磁阀打开高压氦气瓶，高压氦气作用在驱动活塞上，促使中空的筒刀切 割膜片，膜片折起的形状是蝶形。k i t t e l s o n 等人做了两种类型的全气缸取样试验： 发动机着火和不着火试验。着火试验是在取样之前发动机着火一次，这是为了确 定残存在缸内的燃烧产物的代表性质量。在进行全气缸取样试验时，发动机的转 速保持恒定，在合适的时间，控制发动机只在取样之前两个循环喷油运转，这样 就使发动机只在两个连续的循环内着火。在第二次着火循环的压缩冲程时，进气 门和排气门被停开，进气门和排气门停开是为了保证没有外部的污染气体进入缸 内，以免污染样气。不着火试验与着火试验相同，只是在第一个循环着火，取样 是在第二次循环发动机没有着火的情况下进行的。该系统的总体结构如图1 3 所 示。实验是在发动机处于1 0 0 0 转分和1 5 0 0 转分两种工况下进行的，结果表明， 天津大学硕士学位论文第一章绪论 碳烟浓度的峰值出现在上止点后1 5 3 0 0 c a ，在上止点后4 0 6 0 。c a 时接近排 放水平。低负荷时，排气碳烟浓度仅为峰值浓度的1 5 左后，在高负荷下，排气 碳烟浓度增加到峰值浓度的6 0 8 0 。可以看出，已生成颗粒物的氧化是决定排 气碳烟浓度的一个重要因素。对颗粒物粒径的研究表明：基本粒子的平均直径有 燃烧初期的3 0 n m 降低到排气时刻的2 3 n m ，同时团聚粒子的直径则由1 2 0 n m 增 加到2 9 4 n m 。结果显示，在燃烧过程中，团聚作用和氧化作用同时发生。 我国八十年代中期，刘仪、季雨、郭英男和刘巽俊【2 0 】等人首次应用全气缸取 样系统对涡流室式单缸柴油机进行缸内微粒形成过程的研究，试验用膜片厚 o 5 m m 铝合金薄板经3 0 0 回火处理制成，取样机构如图1 4 ；作者进行6 种工 况下的发动机实验，分别研究了负荷、喷油压力、喷油提前角，转速等参数对发 动机微粒形成的影响。结果表明，微粒形成历程质量浓度呈单峰形状，峰值约为 1 2 7 m g ，峰值水平为排放水平的4 1 2 倍，提高喷油压力时，大负荷下微粒质 量峰值和排放水平均下降，而小负荷时，峰值下降而排放水平提高，推迟喷油正 时，峰值下降，排放水平提高。九十年代中，刘仪f 2 i 】等结合在非直喷式柴油机上 开发全气缸取样系统的经验，成功地在直喷式柴油机上开发了一套结构设计新颖 的全气缸取样系统，并用它研究了6 1 0 2 q 型直喷式柴油机缸内微粒的形成过程。 试验用膜片厚o 7 m m 纯铝板经3 0 0 高温回火处理制成，取样机构原理与单缸机 基本相同。 图1 2i a v o i c e l e s c u 等人设计的全气缸取样系统和取样机构的安装示意图 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 图1 3 k i t t e l s o n 等人设计的取样机构图1 4 刘仪等人设计的取样机构 1 3本文的研究内容 前期开发的柴油机全气缸取样系统【3 3 】较好的满足了以下的要求： 1 、开发了基于微机的单缸供油燃油喷射系统。其选用高压共轨系统作为单 缸供油喷射系统，开发了单缸高压共轨e c d - u 2 的电控单元。根据共轨压力传感 器和高压油泵的同步信号对高压油泵进行控制，根据凸轮轴传感器信号和共轨压 力信号对喷油定时进行控制，实现较高的喷油压力，以及喷油定时和喷油量的灵 活可调控制。 2 、设计加工了包括取样机构，气门停开机构在内的取样系统。在借鉴已有 的设计和结构的基础上，对取样机构和外围驱动部分进行了设计，使其结构简单， 控制灵活，能够满足取样系统的要求。气门停开机构采用对单缸摇臂轴进行单独 设计，在保证其具有正常功能的情况下，实现了气门停歼。 3 、利用p c 机和板卡，选用m o s f e t 晶体管作为驱动的核心，通过软件编 程，对取样机构，气门停开机构进行精确控制。 在使用过程中发现该系统存在以下问题： 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 1 、无法模拟现代柴油机增压中冷技术。 2 、取样时刻不能进行准确判断。 3 、在筒刀切割密封膜片时，容易产生膜片撕裂、飞出意外事件。 4 、稀释系统、取样袋设计不够完善，无法进行有效操作，以及准确确定稀 释比。 5 、缺少缸压采集系统，无法准确确定取样时刻 6 、单独采用凸轮轴信号来实现对喷油定时的控制，误差较大。 针对这些问题，提出本文的主要任务： 对实验用发动机的缸盖进行重新设计加工，目的是使取样与缸压采集工作可 同时进行。利用p r o - e 对缸盖取样孔及压力传感器衬套位置进行3 维模拟，以确 保设计方案可行。同时利用细牙螺纹与高温密封胶保证了传感器衬套的密封。 设计搭建了一套稳定可调的模拟增压中冷装置。增压压力的可调范围为 0 1 - - o 5 m p a ，中冷温度可实现0 1 0 0 的自动控制。 对取样系统关键部件筒刀进行重新设计加工，即保证膜片可顺利折起，又确 保膜片不会发生撕裂飞出意外事件。 建立基于l a b v i e w 的缸压采集系统。利用该系统采集的示功图信息，不仅可 以精确确定取样时刻，而且可对发动机内部的燃烧状况进行有效的监测。 稀释机构采用电磁阀及流量计进行控制。在完成使样气迅速降温，淬灭化学 反应的同时，又能准确控制、计算稀释气量。 利用改进后的全气缸取样系统对发动机不同工况下燃烧过程中微粒生成历 程进行了研究。 对微粒形貌、基本粒子粒径、成分及其化学结构进行初步试验研究。 天津大学硕士学位论文 第二章全气缸取样系统改进 2 1概述 第二章全气缸取样系统改进 全气缸取样系统主要由试验用单缸发动机、单缸高压共轨燃油喷射系统、单 缸进气系统、取样机构、稀释系统和计算机电控单元组成。图2 1 为改进后的全 气缸取样系统实物图及原理框图。 改进后的试验用单缸机主要保证取样与缸压采集工作可同时进行。单缸进气 系统实现了增压压力与中冷温度的灵活可调，同时保证了试验过程中进气压力与 进气温度的稳定。取样机构不仅能满足适时打破封闭气缸的膜片，使缸内气体溢 出燃烧室，同时保证膜片可顺利折起，避免膜片发生撅裂飞出意外事件。稀释机 构在完成使样气迅速降温，淬灭化学反应的同时，又能准确计算控制稀释气流量， 使稀释比精确可控又满足国际标准。 ( a ) 取样装置图 天津大学硕士学位论文 第二章全气缸取样系统改进 油 ( b ) 原理图 图2 1 全气缸取样系统简图 2 2单缸柴油机缸盖设计加工 实验用发动机为东风朝阳柴油机有限责任公司生产的c y 6 1 0 2 b z l q 型直喷 式柴油机，其参数见表2 1 。为满足本课题所提出的单缸实验方案，对其第六缸 进行改造，将第六缸进排气系统、供油系统切断，使其同其他五缸独立。第六缸 采用单独设计的进排气系统和燃油供应系统。 表2 16 1 0 2 b z l q 主要参数、规格和技术经济指标 型式直列、水冷、四冲程、废气涡轮增压中冷 气缸数缸径行程 6 1 0 2 1 1 8 r a m 燃烧室形式圆形缩口燃烧室 缸套形式薄壁干式 活塞总排量 5 7 8 5l 压缩比 1 7 ：1 发火顺序 1 5 3 6 ，2 4 进气门开启上止点前1 4 。c a 进气门关闭下止点后5 0 。c a 配气正时( 以曲轴转角计) 排气门开启下止点前5 6 。c a 排气门关闭上止点后1 6 。c a 天津大学硕士学位论文第二章全气缸取样系统改进 标定工况燃油消耗率 2 4 0g ( k w h 、 全负荷最低燃油消耗率 2 2 0g c ( g w m 排气温度 6 5 0 最低空载稳定转速 7 0 0 7 5 0r m i n 前期已开发的全气缸取样系统在缸盖的设计过程中仅对取样孔进行设计加 工，如图2 2 。 图2 2 改进前缸盖局部视图及取样孔布置图 图2 3 为改进后的取样孔和燃烧室压力传感器衬套布置示意图。 图2 3 取样孔和压力传感器衬套位置布置图 取样孔布置在排气门座圈，喷油器孔与气缸圆周围成的区域内，只有在这个 天津大学硕士学位论文第_ 二章全气缸取样系统改进 位置打垂直于缸盖底平面的取样孔，才能不打漏气道和喷油器底孔内表面，又能 使取样孔直径足够大。虽然破坏了水道，但取样孔衬套过盈安装在取样孔内，由 于钢的膨胀率比铸铁的大，所以这样可以防止冷却水和高温燃气泄漏。压力传感 器衬套在布置过程中遇到以下问题： 1 在第六缸的缸盖上同时布置取样孔、压力传感器衬套孔位置，由于空间 结构的限制，容易造成压力传感器衬套孔与取样孔或喷油器孔位冒相交。 2 取样孔衬套( 钢套) 过盈安装在与缸盖底平面垂直取样孔内，由于钢的膨 胀率比铸铁大，所以防止冷却水和高温燃气泄漏。但是由于位置的限制，压力传 感器孔与铅锤线成2 个角度，因此压力传感器衬套的密封成了一个需要解决的技 术问题。 为此，采用如下技术方案：首先在缸盖的底平面确定压力传感器孔的最佳位 置，然后以与喷油器相同的倾斜角度( 2 3 0 1 确定压力传感器衬套与缸盖上平面的相 交位置，并进行了相应的调整。 以喷油器轴线与取样孔轴线的位置来确定压力传感器孔轴线的位置，保证压 力传感器孔不与取样孔相交，2 3 0 的倾斜角度保证压力传感器孔不与喷油器孑l 相 交，同时在水平空间内将压力传感器衬套孔旋转了1 5 0 ，保证它不与缸盖螺栓孔 干涉，如图2 4 。在此设计过程中我们使用p r o e 进行了三维的仿真模拟，以确 保设计方案可行，如图2 5 。 气缸串由境 图2 4 取样孔和燃烧室压力传感器衬套仰视图 天津大学硕士学位论文第二章全气缸取样系统改进 图2 5 取样孔和燃烧室压力传感器衬套布置p r o e 三维模拟图 压力传感器衬套采用细牙螺纹与高温密封胶相结合的方法进行密封，通过打 压试验证明这种方法合理可行。 图2 6 为压力传感器衬套孔加工图。 图2 7 为压力传感器衬套加工图。 斟 人 菸 、 龇堕也p 乙 图2 6 压力传感器衬套孑l # n i 图 天津大学硕士学位论文第二章全气缸取样系统改进 一一 11 3 己 ! 与o 0 5 1 0 n i 昂 壤 d 垒 7 斟 r 墨 _、 l 亟 嗵i | 睦基7 剧 85 屋 图2 7 压力传感器衬套加工图 为保证冷却水温度数值稳定，作者设计了一套恒温加热装置，将水温由2 0 加热到8 0 。c 。电热水器置于冷却水箱内，这样加速了暖机的过程。用热敏电阻 温度传感器来检测水温，并根据此决定是否进行加热。电热水器功率选择计算如 下： p 2 q t = m e 。( t 2 - t 1 ) 2 p v c ( t 2 一t 1 )( 2 1 ) 式中p 一水常温下的密度( g c m 3 )v - 需加热水体积( c m 3 ) c 一水的比热容j ( k g ) t 2 一加热后水温( )t 1 力口热前水温( ) 由式( 2 1 ) 得，所需加热装置功率为9 3 2 k w 。 2 3 单缸进气系统 为更好的模拟现代柴油机的工作条件，我们设计的单缸进气系统必须包括模 拟增压、进气温度控制装置。 模拟增压装置的气源为一台空气压缩机，其技术参数如表2 2 。在空气压缩 机后，加装一调节范围为o - - , 4 m p a 的调压阀，从而满足试验所需任何增压压力。 为避免高压气体中存在的油和水蒸气对进气流量测量装置及发动机可能产生的 不利影响，选用了一台型号为j 3 3 4 的高效吸附式空气滤清器。 表2 - 2 空气压缩机主要技术参数 容积流量2 4 m ：m i n转速8 9 0 r m i n 排气压力o 5 m p a 配用功率1 5 k w l 最高工作压力 1 0 m p a 设计温度 1 5 0 天津大学硕士学位论文 第二章全气缸取样系统改进 a ) 空气压缩机b ) 调压阀c ) 高效吸附式空气滤清器d ) 储气罐 图2 8 高压气体产生示意图亡= 今表示气流方向 为了消除进排气脉动效应，在发动机第六缸迸气管和空气压缩机之间装有容 积为o 6 4 m 3 ，工作压力o 8 m p a 的钢制压力储气罐作为稳压箱。 进气流量依靠安装在稳压箱前的涡街流量传感器进行测量。 涡街流量计是基于卡门涡街原理制成的一种流体振荡性流量计。即在流动的 流体中放置一个非流线型的对称形状的物体( 涡街流量传感器中称之为漩涡发生 体) ，就会在其下流两侧产生两列有规律的漩涡即卡门涡街，其漩涡频率正比于 来流速度： f = s t u d( 2 2 1 式中f 涡街频率 d 漩涡发生体宽度 u 一来流速度 s ，斯特劳哈尔数 式( 2 2 ) 表明，当d 和s ，为定值时，漩涡产生的频率f 与流体的平均流速u 成正比，利用这一特性制成了涡街流量计。 一台智能2 次仪表接收涡街流量传感器输出的频率信号，并根据在涡街流量 传感器后测量的温度和压力信号进行修正，得到标准状态下的进气体积流量。图 2 9 为其示意图。涡街流量计的安装需遵循以下规则：涡街前管道长度应大于1 0 倍的管道直径，压力补偿表位于涡街后的尺寸至少为3 , - - 5 倍的管道直径，温度补 偿表距离涡街尺寸应为和8 倍的管道直径。 天津大学硕士学位论文第二章全气缸取样系统改进 图2 9 涡街流量传感器示意图 = 今表示气流方向 在发动机第六缸进气口和储气罐之间装有进气温度控制装置，该温度控制装 置目的是模拟废气涡轮增压发动机的进气中冷，示意图见图2 1 0 。该装置内装有 图2 1 0 进气温度加热装置示意图 四根石英加热管，由可控硅驱动，进气温度传感器安装在靠近缸盖进气道位置， 可以更精确的测量进气温度值。温度控制信号由一个带有p i d 调节功能的智能温 度表提供，智能温度表根据设定温度及由进气温度传感器给出的温度值，按照自 定义的p i d 系数控制可控硅的通断，从而控制石英管的加热量。 2 4 取样执行机构改进 取样机构的中心任务是适时打开封闭气缸的膜片，使缸内气体溢出燃烧室。 取样机构的核心部件是压套和切割膜片的筒刀。 改进前的筒刀设计如图2 1 1 。在使用过程中发现：当切割时刻靠近最高压力 点时，膜片并非按设计中的方式折起，而是容易被撕裂，整个中心部分都会被切 天津大学硕士学位论文第二章全气缸取样系统改进 掉，落入缸内或被吹入取样袋中。通过试验发现，如果将筒刀的末端做一个斜坡， 使筒刀的一点首先接触切破膜片，这样膜片就会沿刀刃方向顺序折起，膜片连接 部分受力小，不易被撕裂。改进后的筒刀设计如图2 1 2 。 2 5 稀释系统 图2 1 1 改进前的筒刀设计图 图2 1 2 改进后的筒刀p r o e 三维示意图 发动机排气一经离开排气管，立即受到周围大气的稀释。美国明尼苏达大学 的d b k i t t e l s o n 在一辆发动机排量为5 7 升的柴油小轿车的排气尾管处测定的结 果表明，排气一经离开排气管，稀释比不断增加。在怠速及低转速下，稀释比从 离开排气管出口2 5 m 处的2 0 0 变到8 0 m 处的1 0 0 0 。原始排气经大气稀释后， 发生一系列物理化学变化，从而改变排气微粒的性质。因此考察发动机微粒变化 时应将稀释过程考虑在内。该实验所需稀释系统在保证稀释样气的同时，还要淬 灭其化学反应，示意图见图2 1 3 。 为对稀释时刻及稀释气量进行准确控制，该稀释机构采用电磁阀与流量计对 样气进行控制。取样袋中预先充满二级稀释氮气，充气的方法是预先让电磁阀开 启一段时间，这样整个管路和取样袋都充满保护气，同时根据气体流量计测得的 气体流量和充气时间可以准确计算充气量。取样时，控制电路能够控制电磁阀的 ；_ _ 天津大学硕士学位论文 第一二章全气缸取样系统改进 开启，以决定氮气的流出及停止时刻，从而完成一级稀释。同样利用流量计测得 的气体流量和电磁阀的开启持续期，可以计算一级稀释的充气量。稀释比按x l i u 的公式【冽计算，一般约为6 0 ：1 ，即可将样气稀释到满足e p a 的标准，即稀释 后的样气温度应小于5 2 。 图2 1 3稀释机构示意图匕= 表示气流方向 2 6本章小结 1 ) 改进后的试验用单缸机保证了取样与缸内压力采集的同时进行。冷却水 温加热装置可保证冷却水和机油温度同正常工作时一致。 2 ) 单缸进气系统可以实现模拟增压中冷，同时保证增压压力和中冷温度灵 活可调，扩大了实验的研究范围。 3 ) 改进后的取样执行机构在保证实现原有功能的基础上，保证膜片不会被 撕裂，发生膜片落入缸内或飞出意外事件。 4 ) 稀释机构能得到精确的稀释比，且使其稀释样气温度满足相关标准。 天津大学硕士学位论文第三章缸压采集系统及取样时刻的建立 第三章缸压采集系统及取样时刻的建立 刘仪等柴油机全气缸取样系统及其在缸内微粒形成过程研究中的应用【2 0 】一 文中提出，因样气从燃烧室流出并非瞬间完成，如何定义所取样气对应的曲轴转 角就成为一个有待深入探讨的问题，实验中设定膜片折起一半( 4 5 0 ) 时所对应 的曲轴转角为样气的当量取样角。 该当量取样角的确定方法存在以下2 个问题： 1 、信号检出装置必须置于筒刀前端，由于筒刀前端空间非常小，使检 出装置设计复杂，且容易发生损坏；