[發明專利]可模擬后噴策略對碳煙排放影響的燃燒系統及控制方法

有效

• 申請號: 201610828002.9
• 申請日: 2016-09-16
• 公開（公告）號: CN106441917B
• 公開（公告）日: 2018-04-20
• 發明（設計）人: 宋崇林;劉野;呂剛;李娜
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G01M15/10
• 分類號: G01M15/10
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所12201
• 代理人: 李麗萍

1.一種可模擬后噴策略對碳煙排放影響的燃燒系統，包括位移臺和固定平臺，其特征在于：

該燃燒系統還包括第一麥肯納擴散燃燒器、第二麥肯納擴散燃燒器、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、液體燃料蒸發器、控制器和電腦控制系統；所述第一麥肯納擴散燃燒器設置在所述固定平臺上，所述第二麥肯納擴散燃燒器設置在所述位移臺上，所述位移臺由兩個步進電機控制，兩個步進電機與所述電腦控制系統相連，從而實現第二麥肯納擴散燃燒器沿不銹鋼探針的軸向和垂直的方向移動；

所述第一麥肯納擴散燃燒器包括與圓柱主體同軸設置的中心鋼管A(11)，所述中心鋼管A(11)的內徑為6.75mm，所述中心鋼管A(11)的壁厚為0.5mm；所述中心鋼管A(11)上自內向外依次緊密的套裝有具有多個進氣孔隙的金屬燒結板A(12)、圓筒形隔腔板(13)及具有多個進氣孔隙的金屬燒結板B(14),所述金屬燒結板A(12)的外徑為69mm，所述金屬燒結板B(14)的外徑為85mm，所述金屬燒結板A(12)內嵌裝有冷卻盤管A(15)，所述金屬燒結板B(14)的外端面為內凹形的錐面(16)，所述錐面(16)的錐角為170°；

所述第一麥肯納擴散燃燒器的上方設有碳煙收集罩；所述中心鋼管A(11)的進氣口通過燃料管路連接至丙烷氣源，所述金屬燒結板A(12)的多個進氣孔隙通過空氣管路連接至空氣源，所述金屬燒結板B(14)的多個進氣孔隙通過氦氣管路連接至氦氣源；所述冷卻盤管A(15)連接至所述第一恒溫水箱；

所述第二麥肯納擴散燃燒器包括與圓柱主體同軸設置的中心鋼管B(21)，所述中心鋼管B(21)的內徑為3.8mm，所述中心鋼管B(21)的壁厚為0.6mm；所述中心鋼管B(21)上緊密的套裝有具有多個進氣孔隙的金屬燒結板C(22)，所述金屬燒結板C(22)的外徑為60mm，所述金屬燒結板C(22)內嵌裝有冷卻盤管B(23)；所述中心鋼管B(21)的進氣口通過包裹有加熱帶的管道與所述液體燃料蒸發器的燃料出口相連通，與所述加熱帶的導線并聯有電壓調節器，通過電壓的調節來實現加熱帶溫度的改變；所述金屬燒結板C(22)的多個進氣孔隙均連接至一進氣總管路，所述進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(23)連接至所述第二恒溫水箱；

所述液體燃料蒸發器包括電加熱絲、氣體進樣口(31)和液體進樣口(32)，所述氣體進樣口(31)通過氣路連接至氮氣源，所述氮氣源還與一液體燃料罐的進口相連，所述氣路上設有氮氣流量計；所述液體燃料罐的出口通過C路連接至所述液體進樣口，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器的液體進樣口依次設有過濾器和液體流量計；所述電加熱絲、氮氣流量計和液體流量計均連接至液體燃料蒸發器的控制器；

所述不銹鋼探針布置在所述第二麥肯納擴散燃燒器的正上方；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口端相連；所述真空泵與所述電腦控制系統相連；

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有與所述電腦控制系統相連的流量計；

所述電腦控制系統用于控制進入所述第一麥肯納擴散燃燒器、第二麥肯納擴散燃燒器、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。

2.根據權利要求1所述可模擬后噴策略對碳煙排放影響的燃燒系統，其特征在于：所述不銹鋼探針材質為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。

3.根據權利要求1所述可模擬后噴策略對碳煙排放影響的燃燒系統，其特征在于：所述取樣器包括管道(41)和設置在管道(41)的進氣口(42)和出氣口(43)的轉換接頭(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)。

4.一種可模擬后噴策略對碳煙排放影響的燃燒系統的控制方法，其特征在于，采用如權利要求1所述可模擬后噴策略對碳煙排放影響的燃燒系統，空氣源存儲于兩個空氣氣瓶中，氮氣源存儲于氮氣氣瓶，氦氣源存儲于氦氣氣瓶中，液氮源存儲于液氮瓶中，該控制方法包括以下步驟：

步驟一、設定工況，至少包括設定：各流量計的流速、氣源的壓力、液體燃料和氣體燃料的種類、加熱帶和液體燃料蒸發器的溫度、不銹鋼探針在火焰中的取樣高度、第一恒溫水箱和第二恒溫水箱的溫度；其中，液體燃料采用國五柴油，氣體燃料采用丙烷，丙烷氣源存儲于丙烷燃料氣瓶中；并通過調節所述位移臺的位置使第二麥肯納擴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；

步驟二、在取樣器內裝好取樣濾膜，打開空氣氣瓶、氮氣氣瓶、液氮閥門和液體燃料蒸發器；

步驟三、點燃第二麥肯納擴散燃燒器的燃燒氣體；待燃燒氣體穩定后，打開真空泵開關，在真空泵形成的壓差作用下，使得第二麥肯納擴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，每次取樣時間為5min；

步驟四、當到達取樣時間后，關閉各流量計和真空泵及液體燃料蒸發器，結束取樣；打開取樣器取出吸附有碳煙顆粒的取樣濾膜，放在一培養皿中；每完成一次碳煙顆粒取樣過程后，調整位移臺高度，打開各流量計和真空泵及液體燃料蒸發器，重復步驟三實現在不同火焰高度取樣，

步驟五、從而獲得一組碳煙顆粒，記為A組碳煙顆粒；

步驟六、打開氦氣氣瓶、丙烷燃料氣瓶和空氣氣瓶，點燃第一麥肯納擴散燃燒器；待丙烷燃料氣體穩定后，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通，當碳煙顆粒的粒徑分布與柴油尾氣碳煙粒徑分布的相差≤±10％時，控制三通閥，將碳煙收集罩的出口端與所述第二麥肯納擴散燃燒器的進氣總管導通，重復步驟三和步驟四，從而獲得另一組碳煙顆粒，記為B組碳煙顆粒；

步驟七、對A組碳煙顆粒和B組碳煙顆粒分別進行理化特性分析，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；

步驟八、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行對比分析，從而模擬得出發動機后噴策略對發動機主噴生成碳煙顆粒的理化特性的影響。