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碰撞式取样系统开发及在柴油机燃烧分析中的应用

赵佳佳  
【摘要】: 随着柴油机市场占有率的逐步增加及其排放控制要求的越来越严格,从燃烧过程的角度探索柴油机有害排放物生成及转化机理进而寻求其排放控制策略是很有必要的研究。为此开发了一套基于接触碰撞机理的全气缸取样系统,并利用该系统在柴油机上进行了有害排放物生成历程的研究。 设计了基于高速A/D数据采集卡和MCS-51单片机控制的试验测量与控制系统,实现了在瞬态条件下对柴油机排放物按循环及燃烧位置的取样。 开发了基于接触碰撞机理的全气缸取样机构,简化了系统构成,实现了在发动机非停机状态下的取样。 对碰撞式全气缸取样系统进行的性能测试表明:取样系统延迟时间的均方差为2.179ms。当柴油机转速为1500r·min-1时,在0~35°CA ATDC区间的取样率为50%~80%,在0~60°CA ATDC区间的压力半衰期约为10~20°CA。 进行了有害排放物缸内生成历程的取样试验。大量的取样试验过程表明碰撞式全气缸取样系统具有较高的可靠性。 稳态试验结果表明:柴油机的PM和DS质量生成历程具有单峰形式,DS随燃烧的开始而产生并在20°CA ATDC左右达到峰值;CO和HC的体积浓度生成历程具有单峰形式,CO随燃烧的开始而产生并在15~20°CA ATDC区间达到峰值;NOx的体积浓度生成历程呈类“S”形,大部分NOx都在燃烧开始后20°CA内生成;采用EGR后,DS的最大生成量有所减小而后期生成量有所增加,并且DS趋于稳定排放对应的曲轴转角也有所提前;GTL燃料的微粒生成量要低于柴油;微粒的生成过程中还伴随着不完全氧化作用,导致微粒总粒数浓度生成历程的峰值点滞后DS生成历程峰值点约10°CA。在0.01~1.0μm的区间内,在燃烧中期生成的微粒对应各粒径下的浓度值普遍高于燃烧前期和燃烧后期生成的量。 瞬态试验结果表明:瞬态工况下由于边界条件滞后,DS的最大生成量要低于相应的稳态工况,而DS的后期生成量要高于相应的稳态工况;气体排放物的生成量略小于相应的稳态工况。边界条件的差异对瞬态工况前期的影响较后期大。


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