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《清华大学》 2014年
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用激光诱导炽光法研究燃烧过程中的碳烟生成特性

郑亮  
【摘要】:降低颗粒物(PM)排放已经成为现今柴油机和缸内直喷(GDI)汽油机都需要面对的一个重要问题。激光诱导炽光法(LII)是研究燃料的碳烟生成特性以及发动机缸内碳烟浓度分布的强有力的光学测试手段。LII测试结果不仅可以为碳烟模型的标定提供支持,还有助于加深对碳烟生成和氧化过程的理解,为降低发动机PM排放打下基础。本研究应用LII结合激光消光法(LEM)的碳烟浓度定量测试技术研究燃烧过程中的碳烟生成特性。设计建立了可满足高温高压环境测试要求的LII-LEM碳烟浓度测试系统。解决了LEM测试在高温高压环境中遇到的光束偏转和背景光强实时修正问题,以及发动机LII测试中激光同步信号的频率波动问题。在乙烯层流扩散火焰和定容燃烧弹上进行的有效性测试结果表明,LII和LEM的测试结果呈良好的线性关系,该线性关系还可以用来判别某一次LII测试结果是否受到了信号俘获现象的严重影响。应用LII-LEM测试系统结合OH化学发光摄像研究了定容燃烧弹中石脑油和宽馏分燃料喷雾燃烧的着火和碳烟生成特性。石脑油的测试结果表明,相比于柴油,石脑油的火焰浮起长度、碳烟初始生成距离以及碳烟生成启动时间均更长,峰值碳烟浓度更低,并且环境温度越低,两种燃油的上述特征相差幅度越大。宽馏分燃料的测试结果表明,随着其中汽油掺混比例的上升,液相喷雾长度呈线性变短,火焰浮起长度、碳烟初始生成距离以及碳烟生成启动时间均增加,峰值碳烟浓度降低,碳烟初始生成位置以及碳烟浓区的位置从火焰边缘向火焰中心转移。碳烟初始生成位置和碳烟生成启动时间的变化趋势与火焰浮起长度的变化趋势密切相关。应用LII-LEM实现了GDI汽油机缸内碳烟浓度分布的定量测试,并研究了空燃比和喷油策略对缸内碳烟生成特性的影响。结果表明,当喷油碰到活塞顶形成油膜时,池火区域的峰值碳烟浓度可以数倍地高于燃烧室自由空间;通过采用两次喷射(进气行程中和压缩行程中各一次)并优化第二次喷射的时刻,可以有效地减少池火碳烟的生成;在均质混合气条件下,当过量空气系数从0.9变为0.8时缸内平均碳烟浓度略有升高,当过量空气系数从0.8变为0.7时平均碳烟浓度大幅升高。
【学位授予单位】:清华大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2014
【分类号】:U464

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