本實(shí)用新型涉及一種燃燒系統(tǒng)，尤其涉及一種可模擬后噴策略對(duì)柴油機(jī)碳煙排放影響的燃燒系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

碳煙是柴油機(jī)排放的主要污染物之一，雖然柴油機(jī)因動(dòng)力性強(qiáng)受到人們的青睞，但是碳煙的大量排放在一定程度上卻限制了柴油機(jī)的發(fā)展。柴油機(jī)排放的碳煙不僅會(huì)造成嚴(yán)重的空氣污染，而且對(duì)人類的健康危害很大，尤其是細(xì)顆粒物和超細(xì)顆粒物，由于空氣動(dòng)力學(xué)直徑很小，具有很強(qiáng)的滲透性，能夠進(jìn)入到人體的肺部并沉積于人體的肺泡，使得肺泡充血以及形成疤痕組織，從而影響呼吸道和肺部的彈性，對(duì)人體損害很大。因此，解決柴油機(jī)碳煙排放問題勢(shì)在必行，于是后噴射技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

為了更清楚的了解柴油機(jī)后噴策略對(duì)碳煙排放的影響，研究學(xué)者們對(duì)后噴策略開展了廣泛的研究，但是，以往的研究都是直接在柴油機(jī)上直接進(jìn)行，不僅造成資金大量消耗，而且柴油機(jī)也會(huì)受到不同程度的磨損。另外，柴油機(jī)缸內(nèi)燃燒狀況十分復(fù)雜，燃燒循環(huán)變動(dòng)大，無法研究單一變量對(duì)碳煙排放的影響。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)，為了開展柴油機(jī)后噴射策略對(duì)碳煙排放的影響的研究，本實(shí)用新型提供一種可模擬后噴策略對(duì)柴油機(jī)碳煙排放影響的燃燒系統(tǒng)，該系統(tǒng)將第一麥肯納擴(kuò)散燃燒器生成的碳煙顆粒通入到第二麥肯納擴(kuò)散燃燒器的火焰中進(jìn)行燃燒，可以近似研究柴油機(jī)后噴策略對(duì)碳煙顆粒理化特性的影響。該系統(tǒng)可滿足控制單一變量來簡(jiǎn)化模擬柴油機(jī)后噴策略對(duì)碳煙顆粒的理化特性的影響以及使用與發(fā)動(dòng)機(jī)相同的液體燃料國(guó)五柴油要求。

為了解決上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型提出的一種可模擬后噴策略對(duì)柴油機(jī)碳煙排放影響的燃燒系統(tǒng)，包括位移臺(tái)、固定平臺(tái)、第一麥肯納擴(kuò)散燃燒器、第二麥肯納擴(kuò)散燃燒器、粒徑譜儀、第一恒溫水箱、第二恒溫水箱、真空泵、取樣器、不銹鋼探針、液體燃料蒸發(fā)器、控制器和電腦控制系統(tǒng)；所述第一麥肯納擴(kuò)散燃燒器設(shè)置在所述固定平臺(tái)上，所述第二麥肯納擴(kuò)散燃燒器設(shè)置在所述位移臺(tái)上，所述位移臺(tái)由兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)控制，兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)與所述電腦控制系統(tǒng)相連，從而實(shí)現(xiàn)第二麥肯納擴(kuò)散燃燒器沿不銹鋼探針的軸向和垂直的方向移動(dòng)；所述第一麥肯納擴(kuò)散燃燒器包括與圓柱主體同軸設(shè)置的中心鋼管A，所述中心鋼管A的內(nèi)徑為6.75mm，所述中心鋼管A的壁厚為0.5mm；所述中心鋼管A上自內(nèi)向外依次緊密的套裝有具有多個(gè)進(jìn)氣孔隙的金屬燒結(jié)板A、圓筒形隔腔板及具有多個(gè)進(jìn)氣孔隙的金屬燒結(jié)板B,所述金屬燒結(jié)板A的外徑為69mm，所述金屬燒結(jié)板B的外徑為85mm，所述金屬燒結(jié)板A內(nèi)嵌裝有冷卻盤管A，所述金屬燒結(jié)板B的外端面為內(nèi)凹形的錐面，所述錐面的錐角為170°；所述第一麥肯納擴(kuò)散燃燒器的上方設(shè)有碳煙收集罩；所述中心鋼管A的進(jìn)氣口通過燃料管路連接至丙烷氣源，所述金屬燒結(jié)板A的多個(gè)進(jìn)氣孔隙通過空氣管路連接至空氣源，所述金屬燒結(jié)板B的多個(gè)進(jìn)氣孔隙通過氦氣管路連接至氦氣源；所述冷卻盤管A連接至所述第一恒溫水箱；所述第二麥肯納擴(kuò)散燃燒器包括與圓柱主體同軸設(shè)置的中心鋼管B，所述中心鋼管B的內(nèi)徑為3.8mm，所述中心鋼管B的壁厚為0.6mm；所述中心鋼管B上緊密的套裝有具有多個(gè)進(jìn)氣孔隙的金屬燒結(jié)板C，所述金屬燒結(jié)板C的外徑為60mm，所述金屬燒結(jié)板C內(nèi)嵌裝有冷卻盤管B；所述中心鋼管B的進(jìn)氣口通過包裹有加熱帶的管道與所述液體燃料蒸發(fā)器的燃料出口相連通，與所述加熱帶的導(dǎo)線并聯(lián)有電壓調(diào)節(jié)器，通過電壓的調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)加熱帶溫度的改變；所述金屬燒結(jié)板C的多個(gè)進(jìn)氣孔隙均連接至一進(jìn)氣總管路，所述進(jìn)氣總管路的另一端分為A、B兩路，其中，A路連接至空氣源，B路通過一三通閥連接至所述碳煙收集罩的出口，所述三通閥還與所述粒徑譜儀連接；所述冷卻盤管B連接至所述第二恒溫水箱；所述液體燃料蒸發(fā)器包括電加熱絲、氣體進(jìn)樣口和液體進(jìn)樣口，所述氣體進(jìn)樣口通過氣路連接至氮?dú)庠?，所述氮?dú)庠催€與一液體燃料罐的進(jìn)口相連，所述氣路上設(shè)有氮?dú)饬髁坑?jì)；所述液體燃料罐的出口通過C路連接至所述液體進(jìn)樣口，所述C路上、自所述液體燃料罐的出口至所述液體燃料蒸發(fā)器的液體進(jìn)樣口依次設(shè)有過濾器和液體流量計(jì)；所述電加熱絲、氮?dú)饬髁坑?jì)和液體流量計(jì)均連接至液體燃料蒸發(fā)器的控制器；所述不銹鋼探針布置在所述第二麥肯納擴(kuò)撒燃燒器的正上方；所述的不銹鋼探針的一端通過液氮管路連接至液氮源；所述不銹鋼探針的另一端與所述取樣器的進(jìn)氣口相連，所述取樣器的出氣口通過管路與所述真空泵的進(jìn)口端相連；所述真空泵與所述電腦控制系統(tǒng)相連；所述燃料管路、空氣管路、氦氣管路、A路、液氮管路上均分別設(shè)有與所述電腦控制系統(tǒng)相連的流量計(jì)；所述電腦控制系統(tǒng)用于控制進(jìn)入所述第一麥肯納擴(kuò)散燃燒器、第二麥肯納擴(kuò)散燃燒器、不銹鋼探針中的不同氣體的流量和所述真空泵的開度以及燃燒火焰的位置。

本實(shí)用新型可模擬后噴策略對(duì)柴油機(jī)碳煙排放影響的燃燒系統(tǒng)中，所述不銹鋼探針材質(zhì)為439不銹鋼，其直徑為3.175mm,壁厚為0.125mm,在不銹鋼探針中端上的取樣微孔的直徑為0.148mm。

所述取樣器包括管道和設(shè)置在管道的進(jìn)氣口和出氣口的轉(zhuǎn)換接頭，所述管道包括同軸相連的第一鋼管和第二鋼管，所述第一鋼管和第二鋼管之間設(shè)有兩片耐高溫密封墊片，兩片耐高溫密封墊片之間、自管道的進(jìn)氣口至管道的出氣口夾緊有取樣濾膜和具有多孔的濾膜支撐片。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的有益效果是：

(1)可以控制單一變量來簡(jiǎn)化模擬柴油機(jī)后噴策略對(duì)碳煙顆粒的理化特性的影響；

(2)丙烷擴(kuò)散火焰生成的顆粒物在化學(xué)成分和形態(tài)上與柴油機(jī)主噴生成的顆粒物極其相似；

(3)火焰中生成的顆粒物量大，可以對(duì)其進(jìn)行不同表征手段的分析；

(4)火焰中使用與發(fā)動(dòng)機(jī)相同的液體燃料國(guó)五柴油；

本實(shí)用新型首次利用兩個(gè)擴(kuò)散燃燒器實(shí)現(xiàn)后噴策略對(duì)柴油機(jī)碳煙排放影響模擬研究，可以對(duì)火焰中不同軸線位置的碳煙顆粒進(jìn)行快速重復(fù)取樣；同時(shí)本實(shí)用新型可以實(shí)現(xiàn)對(duì)燃料量的精確控制，極大地節(jié)約了測(cè)試成本，避免了資源的浪費(fèi)，也節(jié)省了測(cè)試時(shí)間。

附圖說明

圖1是本實(shí)用新型可模擬后噴策略對(duì)柴油機(jī)碳煙排放影響的燃燒系統(tǒng)的示意框圖；

圖2是本實(shí)用新型中取樣器的主視剖視圖；

圖3是圖2所示取樣器的A-A剖視圖；

圖4是圖2中I部局部放大圖；

圖5是本實(shí)用新型中第一麥肯納擴(kuò)散燃燒器的局部結(jié)構(gòu)示意簡(jiǎn)圖；

圖6是本實(shí)用新型中第二麥肯納擴(kuò)散燃燒器的局部結(jié)構(gòu)示意簡(jiǎn)圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型技術(shù)方案作進(jìn)一步詳細(xì)描述，所描述的具體實(shí)施例僅對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行解釋說明，并不用以限制本實(shí)用新型。

如圖1所示，本實(shí)用新型一種可模擬后噴策略對(duì)柴油機(jī)碳煙排放影響的燃燒系統(tǒng)，包括位移臺(tái)、固定平臺(tái)、第一麥肯納擴(kuò)散燃燒器、第二麥肯納擴(kuò)散燃燒器、粒徑譜儀、第一恒溫水箱、第二恒溫水箱、真空泵、取樣器、不銹鋼探針、液體燃料蒸發(fā)器、控制器和電腦控制系統(tǒng)；所述第一麥肯納擴(kuò)散燃燒器設(shè)置在所述固定平臺(tái)上，所述第二麥肯納擴(kuò)散燃燒器設(shè)置在所述位移臺(tái)上，所述位移臺(tái)由兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)控制，兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)與所述電腦控制系統(tǒng)相連，從而實(shí)現(xiàn)第二麥肯納擴(kuò)散燃燒器沿不銹鋼探針的軸向和垂直的方向移動(dòng)。

如圖1和圖5所示，本實(shí)用新型中，所述第一麥肯納擴(kuò)散燃燒器包括與圓柱主體同軸設(shè)置的中心鋼管A11，所述中心鋼管A11的內(nèi)徑為6.75mm，所述中心鋼管A11的壁厚為0.5mm；所述中心鋼管A11上自內(nèi)向外依次緊密的套裝有具有多個(gè)進(jìn)氣孔隙的金屬燒結(jié)板A12、圓筒形隔腔板13及具有多個(gè)進(jìn)氣孔隙的金屬燒結(jié)板B14,所述金屬燒結(jié)板A12的外徑為69mm，所述金屬燒結(jié)板B14的外徑為85mm，所述金屬燒結(jié)板A12內(nèi)嵌裝有冷卻盤管A15，所述金屬燒結(jié)板B14的外端面為內(nèi)凹形的錐面16，所述錐面16的錐角為170°，從而可以有效的中止火焰頂端碳煙顆粒的氧化并把碳煙微粒帶入到碳煙收集罩內(nèi)；所述第一麥肯納擴(kuò)散燃燒器的上方設(shè)有碳煙收集罩；所述中心鋼管A11的進(jìn)氣口通過燃料管路連接至丙烷氣源，所述金屬燒結(jié)板A12的多個(gè)進(jìn)氣孔隙通過空氣管路連接至空氣源，所述金屬燒結(jié)板B14的多個(gè)進(jìn)氣孔隙通過氦氣管路連接至氦氣源；所述冷卻盤管A15連接至所述第一恒溫水箱。

如圖1和圖6所示，所述第二麥肯納擴(kuò)散燃燒器包括與圓柱主體同軸設(shè)置的中心鋼管B21，所述中心鋼管B21的內(nèi)徑為3.8mm，所述中心鋼管B21的壁厚為0.6mm；所述中心鋼管B21上緊密的套裝有具有多個(gè)進(jìn)氣孔隙的金屬燒結(jié)板C22，所述金屬燒結(jié)板C22的外徑為60mm，所述金屬燒結(jié)板C22內(nèi)嵌裝有冷卻盤管B23；所述中心鋼管B21的進(jìn)氣口通過包裹有加熱帶的管道與所述液體燃料蒸發(fā)器的燃料出口相連通，與所述加熱帶的導(dǎo)線并聯(lián)有電壓調(diào)節(jié)器，通過電壓的調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)加熱帶溫度的改變；所述金屬燒結(jié)板C22的多個(gè)進(jìn)氣孔隙均連接至一進(jìn)氣總管路，所述進(jìn)氣總管路的另一端分為A、B兩路，其中，A路連接至空氣源，B路通過一三通閥連接至所述碳煙收集罩的出口，所述三通閥還與所述粒徑譜儀連接；所述冷卻盤管B23連接至所述第二恒溫水箱。

如圖1所示，所述液體燃料蒸發(fā)器包括電加熱絲、氣體進(jìn)樣口31和液體進(jìn)樣口32，所述氣體進(jìn)樣口31通過氣路連接至氮?dú)庠?，所述氮?dú)庠催€與一液體燃料罐的進(jìn)口相連，所述氣路上設(shè)有氮?dú)饬髁坑?jì)；所述液體燃料罐的出口通過C路連接至所述液體進(jìn)樣口，所述C路上、自所述液體燃料罐的出口至所述液體燃料蒸發(fā)器的液體進(jìn)樣口依次設(shè)有過濾器和液體流量計(jì)；所述電加熱絲、氮?dú)饬髁坑?jì)和液體流量計(jì)均連接至液體燃料蒸發(fā)器的控制器。

如圖1所示，所述不銹鋼探針布置在所述第二麥肯納擴(kuò)撒燃燒器的正上方；所述的不銹鋼探針的一端通過液氮管路連接至液氮源；所述不銹鋼探針的另一端與所述取樣器的進(jìn)氣口相連，所述取樣器的出氣口通過管路與所述真空泵的進(jìn)口端相連。

所述真空泵與所述電腦控制系統(tǒng)相連。如圖1所示，所述燃料管路設(shè)有丙烷氣體流量計(jì)、空氣管路設(shè)有第一空氣流量計(jì)、氦氣管路設(shè)有氦氣流量計(jì)、A路上設(shè)有第二空氣流量計(jì)、液氮管路設(shè)有冷氮?dú)饬髁坑?jì)，上述各流量計(jì)均分別與所述電腦控制系統(tǒng)相連。所述電腦控制系統(tǒng)用于控制進(jìn)入所述第一麥肯納擴(kuò)散燃燒器、第二麥肯納擴(kuò)散燃燒器、不銹鋼探針中的不同氣體的流量和所述真空泵的開度以及燃燒火焰的位置。

如圖2、圖3和圖4所示，本實(shí)用新型中，所述取樣器包括管道41和設(shè)置在管道41的進(jìn)氣口42和出氣口43的轉(zhuǎn)換接頭44，所述管道41包括同軸相連的第一鋼管45和第二鋼管46，所述第一鋼管45和第二鋼管46之間設(shè)有兩片耐高溫密封墊片47、48，兩片耐高溫密封墊片47、48之間、自管道的進(jìn)氣口42至管道的出氣口43夾緊有取樣濾膜49和具有多孔的濾膜支撐片50。第一鋼管45和第二鋼管46之間的連接結(jié)構(gòu)可以采用如圖3所示，即分別在第一鋼管45和第二鋼管46的連接處設(shè)計(jì)為法蘭結(jié)構(gòu)，該法蘭設(shè)有三個(gè)凸耳，如圖4所示，布置好兩片耐高溫密封墊片47、48及其中的取樣濾膜49和濾膜支撐片50后用三個(gè)螺栓連接件51緊密的將第一鋼管45和第二鋼管46連接為一體。

所述不銹鋼探針材質(zhì)為439不銹鋼，其直徑為3.175mm,壁厚為0.125mm,在不銹鋼探針中端上的取樣微孔的直徑為0.148mm。

下面以一實(shí)施例詳細(xì)說明利用上述可模擬后噴策略對(duì)柴油機(jī)碳煙排放影響的燃燒系統(tǒng)的控制方法，本實(shí)施例中選擇丙烷作為氣體燃料，國(guó)五柴油作為液體燃料；如圖1所示，空氣源存儲(chǔ)于兩個(gè)空氣氣瓶中，氮?dú)庠创鎯?chǔ)于氮?dú)鈿馄?，氦氣源存?chǔ)于氦氣氣瓶中，液氮源存儲(chǔ)于液氮瓶中，該空氣方法包括以下步驟：

首先，設(shè)定工況，第一空氣流量計(jì)、氦氣流量計(jì)、丙烷氣體流量計(jì)、第二空氣流量計(jì)、冷氮?dú)饬髁坑?jì)、氮?dú)饬髁坑?jì)和液體流量計(jì)的流速分別為26.5L/min、60L/min、0.68L/min、38.8L/min、30L/min、2.26L/min和52g/h。丙烷、空氣、氦氣和氮?dú)獾臍庠磯毫鶠?.3MPa,加熱帶和液體蒸發(fā)器的溫度分別設(shè)置為300℃和156℃，不銹鋼探針在火焰中的取樣高度為10mm,第一恒溫水箱和第二恒溫水箱的溫度均設(shè)置為22℃，通過調(diào)節(jié)所述的位移臺(tái)的位置是第二麥肯納擴(kuò)散燃燒器的火焰中心的水平投影與不銹鋼探針上的取樣微孔的水平投影重合。

然后，在取樣器內(nèi)裝好取樣濾膜，打開空氣氣瓶、氮?dú)鈿馄俊⒁旱y門和液體燃料蒸發(fā)器。

獲得A組碳煙顆粒：點(diǎn)燃第二麥肯納擴(kuò)散燃燒器的燃燒氣體；待燃燒氣體穩(wěn)定后，打開真空泵開關(guān)，在真空泵形成的壓差作用下，使得第二麥肯納擴(kuò)散燃燒器火焰中的碳煙顆粒吸附在取樣濾膜上，完成一次碳煙顆粒的取樣過程，每次取樣時(shí)間為5min；當(dāng)?shù)竭_(dá)取樣時(shí)間后，關(guān)閉各流量計(jì)和真空泵及液體燃料蒸發(fā)器，結(jié)束取樣；打開取樣器取出吸附有碳煙顆粒的取樣濾膜，放在一培養(yǎng)皿中，使得樣品與空氣隔離，避免空氣中污染物對(duì)其造成影響；每完成一次碳煙顆粒取樣過程后，調(diào)整位移臺(tái)的高度，按照上述相同的方法依次實(shí)現(xiàn)在20mm、30mm、40mm、50mm和60mm處火焰高度取樣，從而獲得一組碳煙顆粒，記為A組碳煙顆粒。

獲得B組碳煙顆粒：打開氦氣氣瓶、丙烷燃料氣瓶和空氣氣瓶，點(diǎn)燃第一麥肯納擴(kuò)散燃燒器；待丙烷燃料氣體穩(wěn)定后，控制所述B路上的三通閥，將碳煙收集罩的出口端與粒徑譜儀導(dǎo)通，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)燃燒器生成的碳煙顆粒的粒徑分布，當(dāng)丙烷燃料氣體和空氣的流速分別為0.68L/min、38.8L/min時(shí)，其所生成的碳煙顆粒的粒徑分布與柴油尾氣碳煙粒徑分布的相差≤±10％，控制三通閥，將碳煙收集罩的出口端與所述第二麥肯納燃燒器的進(jìn)氣總管導(dǎo)通，然后按照在第二擴(kuò)散燃燒器火焰中的相同取樣方法依次完成在火焰高度10mm、20mm、30mm、40mm、50mm和60mm處的取樣，從而獲得另一組碳煙顆粒，記為B組碳煙顆粒。

對(duì)A組碳煙顆粒和B組碳煙顆粒分別進(jìn)行理化特性分析，包括X射線光電子能譜分析、傅里葉變換紅外分析、熱重分析和拉曼分析；分別將A組碳煙顆粒和B組碳煙顆粒中，在同一火焰高度下的碳煙顆粒的上述理化特性進(jìn)行對(duì)比分析，從而模擬得出發(fā)動(dòng)機(jī)后噴策略對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)主噴生成碳煙顆粒的理化特性的影響。

本實(shí)用新型可模擬后噴策略對(duì)柴油機(jī)碳煙排放影響的燃燒系統(tǒng)，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)將第一和第二兩個(gè)麥肯納擴(kuò)散燃燒器有機(jī)結(jié)合可以實(shí)現(xiàn)后噴策略對(duì)柴油機(jī)碳煙排放特性的模擬；

(2)可以對(duì)第一麥肯納擴(kuò)散燃燒器火焰中生成的碳煙顆粒進(jìn)行實(shí)時(shí)的檢測(cè)，使得生成的碳煙顆粒與柴油機(jī)生成的碳煙顆粒具有相似的粒徑分布；

(3)可以對(duì)火焰中的碳煙顆粒進(jìn)行快速重復(fù)取樣，進(jìn)而可以實(shí)現(xiàn)需要樣品量大的表征手段的分析。

綜上，本實(shí)用新型將兩個(gè)不同型號(hào)的麥肯納擴(kuò)散燃燒器有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了后噴策略對(duì)柴油機(jī)碳煙排放特性影響的模擬研究，極大地簡(jiǎn)化了發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)復(fù)雜的燃燒環(huán)境，進(jìn)而可以更細(xì)致研究單一變量對(duì)其影響；本實(shí)用新型為后噴策略對(duì)柴油機(jī)碳煙排放特性影響模型的發(fā)展以及碳煙顆粒的形成機(jī)理提供了理論支持，也為防治大氣環(huán)境污染提供了科學(xué)的依據(jù)。