CN106092588B - 可再现发动机后喷策略下碳烟演变特性的模拟系统及方法 - Google Patents

可再现发动机后喷策略下碳烟演变特性的模拟系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可再现发动机后喷策略下碳烟演变特性的模拟系统，包括碳烟发生器、电缸控制器、电脑控制系统和固定在位移台上的麦肯纳扩散燃烧器及布置在麦肯纳扩散燃烧器上方的自锁镊子；麦肯纳扩散燃烧器的中心钢管通过管路连接至气体燃料源，其外围的多个金属烧结板的进气孔隙均连接至与氮气气瓶和氧气气瓶相连的进气总管路；盘管连接至一恒温水箱；与自锁镊子相连的直列电缸与电缸控制器通过马达和编程数据线实现连接，在活塞的推动下，炭黑容器内的模型炭黑经过转动的钢刷带入到气体通道。本发明可方便简化研究发动机后喷策略下所生成碳烟的形成和转化机理，为防治大气环境污染提供了科学的依据。

Description

可再现发动机后喷策略下碳烟演变特性的模拟系统及方法
技术领域
本发明涉及一种发动机模拟系统，尤其涉及一种可再现发动机后喷策略下碳烟演变特性的模拟系统。
背景技术
如今，碳烟颗粒的排放已经成为了世界性的问题，碳烟排放不仅污染环境，而且对人类健康存在极大的危害。碳烟排放主要来源于化石燃料燃烧，而目前发动机又主要以化石燃料燃烧为主，所以开发相关技术降低发动机的碳烟排放势在必行。
后喷策略作为一种降低发动机碳烟排放行之有效的方法，其详细机理还不为广大研究人员所熟知，研究后喷降低碳烟排放的机理，有利于进一步完善碳烟的生成机理，并有利于进一步开发降低发动机碳烟排放的相关技术。但是由于发动机燃烧工况十分复杂，无法研究单一变量对其影响，因此有必要开发一套可再现发动机后策略下碳烟演变特性的模拟系统。
发明内容
针对现有技术，为了开展后喷策略降低碳烟排放的机理性研究，本发明提供一种可再现发动机后喷策略下碳烟演变特性的模拟系统，该系统采用碳烟发生器和麦肯纳扩散燃烧器模拟发动机后喷策略，可以研究主喷和后喷的相互作用对于碳烟生成和氧化过程影响。该系统可满足上述要求，
为了解决上述技术问题，本发明提出一种可再现发动机后喷策略下碳烟演变特性的模拟系统，包括麦肯纳扩散燃烧器，位移台，恒温水箱，碳烟发生器，直列电缸，电缸控制器，自锁镊子和电脑控制系统；所述麦肯纳扩散燃烧器包括圆柱形主体，所述圆柱形主体内设有盘管，所述圆柱形主体的同轴位置设有中心钢管，环绕着所述中心钢管布置有具有多个进气孔隙的金属烧结板，所述圆柱形主体的外径为60mm，所述圆柱形主体的内径为3.8mm，所述中心钢管的壁厚为0.6mm，所述中心钢管与所述圆柱形主体之间为过盈配合；所述中心钢管通过管路连接至气体燃料源；所述金属烧结板的多个进气孔隙均连接至一进气总管路，所述进气总管路的另一端通过并联的管路连接至氮气气瓶和氧气气瓶；各连接管路上均设有流量计；所述盘管连接至所述恒温水箱；所述麦肯纳扩散燃烧器固定在所述位移台上，所述位移台由两个步进电机控制，实现麦肯纳扩散燃烧器水平和竖直方向的移动；所述自锁镊子布置在所述麦肯纳扩散燃烧器的上方；所述自锁镊子与所述直列电缸活塞杆相连，所述直列电缸与所述电缸控制器通过马达和编程数据线实现连接，所述自锁镊子配合有取样微栅；所述流量计、位移台和电缸控制器均与所述电脑控制系统相连，所述电脑控制系统用于控制进入所述麦肯纳扩散燃烧器的不同气体的流量和取样微栅在火焰中停留的时间以及燃烧火焰的位置；所述电缸控制器接受电脑控制系统的指令控制所述直列电缸带动自锁镊子实现重复取样；所述进气总管路上设有一旁路，所述旁路上连接有，位于所述碳烟发生器的进气口一端、旁路与进气总管路的连接处设有三通阀门；所述碳烟发生器包括控制系统、壳体和炭黑容器，所述壳体内放置有钢刷，所述壳体的实体部分设有一贯通的气体通道，所述气体通道的中间段与所述壳体连通；所述壳体与所述炭黑容器相连，所述炭黑容器内设有活塞；所述气体通道的两端口分别连接至所述旁路，所述钢刷及所述活塞各自连接有与所述控制系统相连的驱动电机，在所述活塞的推动下，所述炭黑容器内的模型炭黑经过转动的钢刷带入到气体通道；所述壳体与所述炭黑容器之间、所述活塞与所述炭黑容器之间及所述气体通道的两端口与所述旁路之间均为密封连接。
利用上述可再现发动机后喷策略下碳烟演变特性的模拟系统进行模拟的过程中，所述炭黑容器内模型炭黑的平均粒径为28nm，并包括以下步骤：
步骤一、设定工况，至少包括设定：各流量计的流速，气源的压力，燃料气体的种类，取样微栅在火焰中的取样高度，恒温水箱的温度，碳烟发生器的发尘量；通过调节所述位移台的位置使麦肯纳扩散燃烧器火焰中心的水平投影与取样点的水平投影重合；
步骤二、控制三通，将旁路中断；
步骤三、打开氮气气瓶、氧气气瓶和燃料气瓶，点燃燃烧气体；待燃烧气体稳定后，驱动直列电缸控制自锁镊子快速至火焰中心然后快速退离火焰中心，完成一次碳烟颗粒取样过程，每次取样过程的时间为10ms～20ms；每完成一次碳烟颗粒取样过程后，调整位移台的高度实现在不同火焰高度取样，获得一组碳烟颗粒；
步骤四、控制三通，将旁路导通，重复步骤三；最终获得两组碳烟颗粒，其中，将旁路中断情形下获得的碳烟颗粒记为碳烟颗粒A，将旁路导通情形下获得的碳烟颗粒记为碳烟颗粒B；
步骤五、对模型炭黑、碳烟颗粒A和碳烟颗粒B分别进行场发射电子显微镜照射；
将模型炭黑与碳烟颗粒B的纳观结构及形貌特性进行比对，从而模拟得出发动机后喷策略对发动机主喷生成的碳烟颗粒的影响；
分别将在同一火焰高度下取得的碳烟颗粒A与碳烟颗粒B的纳观结构及形貌特性进行比对，从而模拟得出发动机主喷策略对发动机后喷生成的碳烟颗粒的影响。
本发明模拟方法中，所述燃料气体的种类是烷烃、烯烃或炔烃类可燃气体。
与现有技术相比，本发明可以满足以下要求：
(1)可以简化模拟发动机后喷策略；
(2)能够对不同时刻，不同火焰位置的碳烟进行快速重复取样；
(3)最优取样时间仅为15ms,能够真实保持碳烟样品在火焰中的理化特性；
(4)碳烟发生器的控制系统可以对模型炭黑的浓度进行实时控制；
(5)可以实现后喷碳烟与主喷碳烟的对比分析。
本发明可实现发动机后喷策略下碳烟演变特性的模拟研究，同时可以对火焰中不同轴线位置、不同时刻的碳烟颗粒进行快速重复取样，被捕获的碳烟颗粒能真实反映其在火焰中的物理和化学特性，从而真实地还原碳烟颗粒在生成历程中的演变特性，为后喷策略降低发动机碳烟排放的控制理论的发展提供理论基础，该研究为大气环境污染的防治提供了科学的依据。
附图说明
图1是本发明可再现发动机后喷策略下碳烟演变特性的模拟系统的示意框图；
图2是本发明中碳烟发生器的结构示意框图；
图3是本发明中碳烟发生器的剖面构成图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述，所描述的具体实施例仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。
如图1所示，本发明提出的一种可再现发动机后喷策略下碳烟演变特性的模拟系统，包括麦肯纳扩散燃烧器，位移台，恒温水箱，碳烟发生器，直列电缸，电缸控制器，自锁镊子和电脑控制系统。
所述麦肯纳扩散燃烧器包括圆柱形主体，所述圆柱形主体内设有盘管，所述圆柱形主体的同轴位置设有有中心钢管，环绕着所述中心钢管布置有具有金属烧结板多个进气孔隙的金属烧结板，所述圆柱形主体的外径为60mm，所述圆柱形主体的内径为3.8mm，所述中心钢管的壁厚为0.6mm，所述中心钢管与所述圆柱形主体之间为过盈配合；所述中心钢管通过管路连接至气体燃料源；金属烧结板的多个进气孔隙均连接至一进气总管路，所述进气总管路的另一端通过并联的管路连接至氮气气瓶和氧气气瓶；各连接管路上均设有流量计；所述盘管连接至所述恒温水箱。
所述麦肯纳扩散燃烧器固定在所述位移台上，所述位移台由两个步进电机控制，实现麦肯纳扩散燃烧器水平和竖直方向的移动，从而实现对火焰位置的精确控制。
所述自锁镊子布置在所述麦肯纳扩散燃烧器的上方；所述自锁镊子与所述直列电缸活塞杆相连，所述直列电缸与所述电缸控制器通过马达和编程数据线实现连接，所述自锁镊子配合有取样微栅，基于热泳原理取样微栅在火焰中停留的极短时间内能够有效的捕获到碳烟颗粒，由于取样时间极短，因此可以认为被捕获的碳烟颗粒能够真实地反应在火焰中纳观结特性，本发明中，所述自锁镊子的夹持端(即镊子尖)部分的材质为陶瓷，手柄部分的材质为304不锈钢。
所述流量计、电缸控制器和位移台均与所述电脑控制系统相连，所述电脑控制系统用于控制进入所述麦肯纳扩散燃烧器的燃料气体、氮气、氧气的流量和取样微栅在火焰中停留的时间以及燃烧火焰的位置。
所述电缸控制器接受电脑控制系统的指令控制所述直列电缸带动自锁镊子实现重复取样，该取样过程实现数字化控制，快速精准。
所述进气总管路上设有一旁路，所述旁路上连接有碳烟发生器，位于所述碳烟发生器的进气口一端、旁路与进气总管路的连接处设有三通阀门。
如图2和图3所示，所述碳烟发生器包括控制系统、壳体1和炭黑容器5，所述壳体1内放置有钢刷3，所述壳体1的实体部分设有一贯通的气体通道，所述气体通道的中间段与所述壳体1连通；所述壳体1与所述炭黑容器5相连，所述炭黑容器5内设有活塞6；所述气体通道的两端口8和2分别连接至所述旁路，所述钢刷3及所述活塞6各自连接至所述控制系统相连的驱动电机，不锈钢挺柱在电机2的驱动在带动活塞6移动，在所述活塞6的推动下(即按照图中箭头7所示方向)，所述炭黑容器5内的模型炭黑4经过转动的钢刷3带入到气体通道，气体通道的一端为压缩气体的进口8，另一端为碳烟排出口2，气体通道内的高压气体有效避免模型炭黑的团聚，均匀地将模型炭黑供给到麦肯纳燃烧器中，所述壳体1与所述炭黑容器5之间、所述活塞6与所述炭黑容器5之间及所述气体通道的两端口(气体通道的一端为压缩气体的进口8，另一端为碳烟排出口2)与所述旁路之间均为密封连接。
下面以一实施例详细说明利用上述可再现发动机后喷策略下碳烟演变特性的模拟系统的实现过程。
本实施例中，所述炭黑容器5内模型炭黑的平均粒径为28nm；选择乙烯作为燃料气体，其工况条件包括：
本发明中乙烯流量计、氧气流量计、氮气流量计的流速分别为0.48L/min、7.8L/min和26.7L/min。乙烯、氧气和氮气的气源压力都为0.3MPa，取样微栅在火焰中的取样高度调整为8mm，恒温水箱的温度设为22℃，碳烟发生器的炭黑活塞的供给速度为3mm/h，供给钢刷的旋转速度为600r/min；通过调节所述位移台的位置使麦肯纳扩散燃烧器火焰中心的水平投影与取样点的水平投影重合；
接下来控制三通，将旁路中断；
打开氮气气瓶、氧气气瓶和乙烯气体气瓶，点燃燃烧气体；待燃烧气体稳定后，驱动直列电缸控制自锁镊子快速至火焰中心然后快速退离火焰中心，完成一次碳烟颗粒取样过程，最优的取样过程的时间为15ms；每完成一次碳烟颗粒取样过程后，调整位移台的高度依次实现在15mm、25mm、35mm、45mm和55mm处火焰高度取样，获得一组碳烟颗粒；
接下来控制三通，将旁路导通，然后按照上述的相同方法依次完成在火焰高度8mm、15mm、25mm、35mm、45mm和55mm处的取样，获得另一组碳烟颗粒，其中，将旁路中断情形下获得的碳烟颗粒记为碳烟颗粒A，将旁路导通情形下获得的碳烟颗粒记为碳烟颗粒B；
对模型炭黑、碳烟颗粒A和碳烟颗粒B分别进行场发射电子显微镜照射；
将模型炭黑与碳烟颗粒B的纳观结构及形貌特性进行比对，从而模拟得出发动机后喷策略对发动机主喷生成的碳烟颗粒的影响；
分别将在同一火焰高度下取得的碳烟颗粒A与碳烟颗粒B的纳观结构及形貌特性进行比对，从而模拟得出发动机主喷策略对发动机后喷生成的碳烟颗粒的影响。
本发明可再现发动机后喷策略下碳烟演变特性的模拟系统，具有以下优点：
(1)能够利用碳烟发生器和麦肯纳扩散燃烧器有机结合可以实现对发动机后喷策略的模拟；
(2)能够实现对火焰中不同位置，不同时刻的碳烟颗粒进行快速重复取样，达到研究碳烟演变特性的目的；
(3)碳烟发生器可以产生不同浓度的模型炭黑；
(4)可以近似对后喷与主喷碳烟的相互影响进行研究。
综上，本发明利用实验室火焰模拟研究发动机后喷策略降低碳烟排放的机理，极大地简化了发动机内复杂的燃烧环境；能够对火焰中不同位置、不同时刻的碳烟颗粒进行快速重复取样，因此被捕获的碳烟颗粒能反映其在火焰中的物理和化学特性，从而真实地还原碳烟颗粒在生成和氧化历程中的特性；本发明可以将模拟的主喷碳烟和后喷碳烟进行对比研究，为发动机后喷策略降低碳烟排放提供理论基础。本发明可再现发动机后喷策略下碳烟演变特性的模拟系统，可方便简化研究发动机后喷策略下所生成碳烟的形成和转化机理，为防治大气环境污染提供了科学的依据。
尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (2)

1.一种可再现发动机后喷策略下碳烟演变特性的模拟方法，利用的可再现发动机后喷策略下碳烟演变特性的模拟系统，包括麦肯纳扩散燃烧器，位移台，恒温水箱，碳烟发生器，直列电缸，电缸控制器，自锁镊子和电脑控制系统；所述麦肯纳扩散燃烧器包括圆柱形主体，所述圆柱形主体内设有盘管，所述圆柱形主体的同轴位置设有中心钢管，环绕着所述中心钢管布置有具有多个进气孔隙的金属烧结板，所述圆柱形主体的外径为60mm，所述圆柱形主体的内径为3.8mm，所述中心钢管的壁厚为0.6mm，所述中心钢管与所述圆柱形主体之间为过盈配合；所述中心钢管通过管路连接至气体燃料源；所述金属烧结板的多个进气孔隙均连接至一进气总管路，所述进气总管路的另一端通过并联的管路连接至氮气气瓶和氧气气瓶；各连接管路上均设有流量计；所述盘管连接至所述恒温水箱；所述麦肯纳扩散燃烧器固定在所述位移台上，所述位移台由两个步进电机控制，实现麦肯纳扩散燃烧器水平和竖直方向的移动；所述自锁镊子布置在所述麦肯纳扩散燃烧器的上方；所述自锁镊子与所述直列电缸活塞杆相连，所述直列电缸与所述电缸控制器通过马达和编程数据线实现连接，所述自锁镊子配合有取样微栅；所述流量计、位移台和电缸控制器均与所述电脑控制系统相连，所述电脑控制系统用于控制进入所述麦肯纳扩散燃烧器的不同气体的流量和取样微栅在火焰中停留的时间以及燃烧火焰的位置；所述电缸控制器接受电脑控制系统的指令控制所述直列电缸带动自锁镊子实现重复取样；所述进气总管路上设有一旁路，所述旁路上连接有，位于所述碳烟发生器的进气口一端、旁路与进气总管路的连接处设有三通阀门；所述碳烟发生器包括控制系统、壳体和炭黑容器，所述壳体内放置有钢刷，所述壳体的实体部分设有一贯通的气体通道，所述气体通道的中间段与所述壳体连通；所述壳体与所述炭黑容器相连，所述炭黑容器内设有活塞；所述气体通道的两端口分别连接至所述旁路，所述钢刷及所述活塞各自连接有与所述控制系统相连的驱动电机，在所述活塞的推动下，所述炭黑容器内的模型炭黑经过转动的钢刷带入到气体通道；所述壳体与所述炭黑容器之间、所述活塞与所述炭黑容器之间及所述气体通道的两端口与所述旁路之间均为密封连接；
其特征在于，其中，所述炭黑容器内模型炭黑的平均粒径为28nm；并包括以下步骤：
步骤一、设定工况，至少包括设定：各流量计的流速，气源的压力，燃料气体的种类，取样微栅在火焰中的取样高度，恒温水箱的温度，碳烟发生器的发尘量；通过调节所述位移台的位置使麦肯纳扩散燃烧器火焰中心的水平投影与取样点的水平投影重合；
步骤二、控制三通，将旁路中断；
步骤三、打开氮气气瓶、氧气气瓶和燃料气瓶，点燃燃烧气体；待燃烧气体稳定后，驱动直列电缸控制自锁镊子快速至火焰中心然后快速退离火焰中心，完成一次碳烟颗粒取样过程，每次取样过程的时间为10ms～20ms；每完成一次碳烟颗粒取样过程后，调整位移台的高度实现在不同火焰高度取样，获得一组碳烟颗粒；
步骤四、控制三通，将旁路导通，重复步骤三；最终获得两组碳烟颗粒，其中，将旁路中断情形下获得的碳烟颗粒记为碳烟颗粒A，将旁路导通情形下获得的碳烟颗粒记为碳烟颗粒B；
步骤五、对模型炭黑、碳烟颗粒A和碳烟颗粒B分别进行场发射电子显微镜照射；
将模型炭黑与碳烟颗粒B的纳观结构及形貌特性进行比对，从而模拟得出发动机后喷策略对发动机主喷生成的碳烟颗粒的影响；
分别将在同一火焰高度下取得的碳烟颗粒A与碳烟颗粒B的纳观结构及形貌特性进行比对，从而模拟得出发动机主喷策略对发动机后喷生成的碳烟颗粒的影响。
2.根据要求要求1所述可再现发动机后喷策略下碳烟演变特性的模拟方法，其特征在于：所述燃料气体的种类是烷烃、烯烃或炔烃类可燃气体。
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