現(xiàn)代柴油機全氣缸取樣系統(tǒng)開發(fā)及缸內微粒理化特性研究.pdf

1、隨世界柴油機保有量的持續(xù)增加，其排放微粒對環(huán)境和人類健康的危害日益嚴重，因此，研究柴油機微粒的生成機理及控制技術具有重大的現(xiàn)實意義。本文在CY6102直噴柴油機上，開發(fā)了一套可實現(xiàn)模擬增壓中冷、EGR和高壓共軌燃油噴射先進柴油機技術的全氣缸取樣系統(tǒng)，并利用該系統(tǒng)對燃燒過程中微粒的理化特性進行了研究，對碳煙形成歷程進行了初步數值模擬。具體研究工作如下： 1.開發(fā)了柴油機全氣缸取樣裝置，主要包括取樣機構、稀釋系統(tǒng)和氣門停開機構；著重

2、進行了筒刀總成、取樣口的設計和對搖臂軸的改造。 2.充分利用計算機的軟硬件資源，設計開發(fā)了以中斷技術為核心的電控單元(ECU)，并采用先進的模糊控制策略設計了共軌壓力模糊閉環(huán)控制算法，使該系統(tǒng)不僅可以實現(xiàn)噴油量、噴油定時以及取樣時刻、氣門關閉時刻、稀釋時刻的靈活可靠控制，而且能夠實現(xiàn)共軌壓力的柔性調節(jié)。 3.采用電子低壓沖擊儀(ELPI)，測量燃燒過程中微粒的粒數、粒徑分布規(guī)律。測量結果表明，微粒粒數濃度隨曲軸轉角呈單峰

3、狀分布，峰值出現(xiàn)在14～18℃AATDC，燃燒后期約70％以上的微粒(粒數濃度)被氧化燃燒。微粒粒數、粒徑呈類似對數正態(tài)分布，頻度最大值出現(xiàn)在100～200nm之間。 4.運用場發(fā)射透射電鏡和圖像處理技術，考察了微粒的形態(tài)特性、基本碳粒子的微觀結構和粒徑分布規(guī)律。研究結果發(fā)現(xiàn)，(1)微粒呈現(xiàn)兩種形態(tài)，一種是由基本碳粒子凝結而成的典型微粒，另一種是富含金屬和非金屬元素的無定形微粒，其中金屬元素主要來源于潤滑機油，貫穿整個燃燒過程，

4、且獨立存在；另外，典型微粒具有分形結構特性，分維數介于1.2～1.74之間，且在擴散燃燒初期有降低的趨勢。(2)在柴油機高溫高壓的燃燒過程中，基本碳粒子逐漸向石墨化過渡，最終形成洋蔥狀的微晶結構，其層數逐漸增多，層間距逐漸減小(0.39nm減小到0.36nm)；(3)基本碳粒子粒徑呈高斯分布，最大值出現(xiàn)在15～30nm之間；平均粒徑介于19.7～29.7nm之間，且在12～15℃A ATDC出現(xiàn)最大值。 5.將燃燒過程中微粒及其

5、中的可溶有機成分(SOF)進行測量與分離，并采用氣相色譜-質譜聯(lián)用儀(GC-MS)對SOF中的多環(huán)芳香烴進行檢測分析。結果表明，(1)SOF質量隨燃燒時刻的不同而有較大的變化。在燃燒初期，SOF占微粒的80％以上，隨著燃燒的進程，SOF含量降低到20％左右。(2)多環(huán)芳香烴的總質量隨曲軸轉角的變化規(guī)律與碳煙質量濃度隨曲軸轉角的變化規(guī)律一致。另外，提高共軌壓力和發(fā)動機轉速，PAHs的質量降低。 6.采用通用STAR-CD軟件，建立