（动力机械及工程专业论文）全气缸取样装置中燃烧分析系统及多脉冲喷油模式的开发.pdf

中文摘要 目前，国内外越来越关注柴油机的微粒污染问题，对现代柴油机排气微粒的 重新认识和研究势在必行。缸内取样技术是研究柴油机颗粒物生成机理和演化过 程的重要手段之一，作者利用前期开发的现代柴油机全气缸取样系统，进行了全 气缸取样过程瞬态热力参数的采集和分析，并建立了基于高压共轨的多脉冲喷射 系统，具体主要工作如下： 1 ) 开发了基于l a b v i e w 的内燃机燃烧分析系统。该分析系统具有良好的 人机界面，可以实时监控缸内压力变化情况，计算压力升高率、放热率和缸内平 均温度。 2 ) 开发了以中断系统为核心，基于微机硬件和软件资源的多脉冲电控燃油 喷射系统。该电控单元充分利用可编程定时计数器8 2 5 3 和可编程逻辑器件g a l 的功能，实现了喷油器的理想驱动。该系统能够完成高达五次喷射的喷油器喷油 波形的合成，脉冲宽度、脉冲间隔、脉冲次数、脉冲定时均可灵活控制。 3 ) 在全气缸取样装置上对开发的多脉冲喷射系统和燃烧分析系统进行了试 验验证。试验结果表明，开发的多脉冲喷射系统最大喷射压力为1 1 0 m p a ，预喷 定时可灵活设定，预喷持续期可保持在0 1 6 0 u s 之间，可实现模拟现代高压共轨 柴油机多次喷射功能；燃烧分析系统能以0 5 0 c a 的采样分辨率采集缸内压力， 并实时对采集数据进行处理，计算表征出内燃机燃烧过程的特征参数和取样时 刻，满足有关研究工作的要求。 关键词：柴油机，全气缸取样，燃烧分析，多脉冲喷射 a b s t r a c t a tp r e s e n t ，t h ep o l l u t i o no fp a r t i c u l a t ee m i s s i o n sf r o md i e s e le n g i n ei sa t t r a c t i n g m o r ea n dm o r ea t t e n t i o n si nt h ew o r l d ，t h e r e f o r ei ti sn e c e s s a r yt os h e dl i g h to nt h e f o r m a t i o nm e c h a n i s mo ft h em o d e r nd i e s e lp a r t i c u l a t e s t h ea u t h o rd e v e l o p e da c o m b u s t i o na n a l y z e ra n dm u l t i - p u l s ei n j e c t i o ns y s t e mu s e di nt h et o t a lc y l i n d e r d u m p l i n gs y s t e m ，w h i c hi s o n eo fi m p o r t a n tt e c h n i q u et o s t u d yt h ef o r m a t i o n m e c h a n i s ma n de v o l u t i o np r o c e s so fd i e s e lp a r t i c u l a t e s ，a n dt h em a i nc o n t e n t so ft h e d i s s e r t a t i o na r ea sf o l l o w s ： 1 ) a i m e da tt o t a lc y l i n d e rd u m p l i n gs y s t e m ，ac o m b u s t i o na n a l y z e rs y s t e mw a s d e v e l o p e db a s e do nl a b v i e w b e s i d e sf r i e n d l yh u m a n - m a c h i n ei n t e r f a c e ，t h e s y s t e mc o u l do b s e r v et h ec y l i n d e rp r e s s u r ea n dc o m p u t et h er a t eo fp r e s s u r er i s e ，r a t e o fh e a tr e l e a s ea n dm e a nc y l i n d e rt e m p e r a t u r eo nl i n e 2 ) am u l t i - p u l s ei n j e c t i o ns y s t e mw a sc a r r i e do u to nac o m l n o nr a i ls y s t e m b y m e a n so ft h ep cr e s o u r c e so fh a r d w a r ea n ds o f t w a r e ，i n t e r r u p t i o nt e c h n o l o g yw a s u s e da st h ek e r n e lo ft h ee l e c t r o n i cc o n t r o lu n i t ( e c u ) t h et i m i n gc a r d8 2 5 3a n d g e n e r i ca r r a yl o g i c ( g a l ) w e r ep r o g r a m m e du n d e rd o st or e a l i z et h ei d e a ld r i v eo f t h ei n j e c t o r t h es y s t e mc o u l dr e a c ht o5p u l s e sa n dt h ep u l s ew i d t h ，d w e l lt i m e ， n u m b e ro fm u l t i - p u l s ei n j e c t i o na n dp u l s et i m i n gc o u l db ea d j u s t e di n d i v i d u a l l ya n d f l e x i b l yi nr e a lt i m e 3 ) m u l t i - p u l s ei n j e c t i o ns y s t e ma n dc o m b u s t i o na n a l y z e rw e r ev e r i f i e di nt h e t o t a lc y l i n d e rd u m p l i n ga p p a r a t u s 啊1 er e s u l t ss h o wt h a tt h ei n j e c t i o np r e s s u r eo ft h e m u l t i p u l s ei n j e c t i o ns y s t e mc o u l da t t a i nt ol10 m p a ，t h ep i l o ti n j e c t i o nt i m i n gc o u l d b ea d j u s t e df l e x i b l ya n dt h ep i l o t 蠲e c t i o nd u r a t i o nc o u l dk e e pi n0 - 16 0 u s ，w h i c h m a d ei tf e a s i b l et os i m u l a t et h em u l t i p l ei n j e c t i o n si nc o m m o nr a i ld i e s e l o nt h e o t h e rh a n d ，t h ec o m b u s t i o na n a l y z e rh a dt h ec a p a b i l i t i e st oa c t u a l i z et h ec a p t u r eo f c y l i n d e rp r e s s u r ep e r0 5 0c a ，p r o c e s st h eo b t a i n e dd a t ai n r e a lt i m e ，s h o wt h e i n c y l i n d e rc o m b u s t i o np a r a m e t e r sa n dd e t e r m i n et h es a m p l i n gc r a n ka n g l e ，w h i c h m e e tt h er e q u i r e m e n t so f r e l e v a n ts t u d y k e yw o r d s ：d i e s e le n g i n e ；t o t a lc y l i n d e r d u m p i n gs y s t e m ；c o m b u s t i o n a n a l y s i s ；m u l t i - p u l s ei n j e c t i o n h 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫鲞盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：乃参袭签字日期：沙7 年占月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：；收置 签字日期：劲呻年月7 日 导师签名： 签字日期：2 廿0 7 年月7 日 第一龋绪论 1 j 引言 第一章绪论 柴油机由于具有功率范固宽热效率高等特点，在ij 油能源u 蘸紧张的现代 社会叶1 应用泛。与汽油机丰h 比，柴油机c o 、h c 排破量较少，n o x 排艘最相蔗 不多而微粒排放每比汽油机高j | 儿十倍【】i 。微粒的主要组成为固态的未燃碳颗 粒的聚合物、l 丌溶性骨机颗粒物( s o f ) 和无机盐类，图1 1 为美国重型车孵态测试 方法测靖的一台普通柴油机排放颗粒物的典型组成f 2 1 ，但实际各纽分排放母随机 型、运转工况和燃油品质的不同而变化。目前许多国家的专业研究机构和卫生组 织开展了柴油机微粒对人体和其他生物健康影响的研究研究结果表明，在柴油 机微粒中至少有两类物质被证明有着致癌作用一类是未燃c 颗粒的聚合物， 另一类是s o f ，特别是s o f f f a 的苯并( a ) 芘等物质口| 【”。另外一些最新的研究表明， 来燃c 颗粒的聚合物很可能是肿瘤形成的发展基p 】。睦期直接接触汽车排放物的 人群呼吸道疾病发病率升高，人体免疫功能降低，体外的短期测试表明机动 车排放物可致基因突变及d n a 损伤，并可增n 癌基因蛋白的表达儿率【6 】。因而， 进行柴油机微粒排放方面的研究工作是r 分重要的。 罔1 一i 柴油机排放颗粒物的典型组成 第一章绪论 为了保护大气环境和人类的健康，欧美等国家相继制定了日趋严格的柴油车 排放法规。图1 2 给出了近2 0 年美国和欧洲重型柴油车微粒质量排放标准的演 变过程。美国从九十年代初的0 3 3 9 k w h ，降到了0 0 1g k w h ；欧洲从九十年代 初的欧l 标准0 3 6g k w h ，降到了目前的欧标准0 0 2g k w h 。我国于1 9 8 3 年 开始陆续颁布汽车排放标准，预计到2 0 1 0 年与国际排放标准接轨。根据不同的 排放法规，各国都采取了相应的柴油机净化措施( 包括机内净化和机外净化) ： 图1 - 2 美国和欧洲柴油机颗粒质量排放标准 欧i i ：采用直喷燃烧室、增压中冷技术、高压燃油喷射系统； 欧i i i 在达到欧i i 的基础上，分别采用e g r 技术、d o c 技术( 氧化催化反应 器) 、电控高压喷射技术( 如共轨燃油喷射系统等) ； 欧、欧v ：在欧i 的基础上，选择采用可变截面的涡轮增压( v n t ) 、多级 中冷e g r 、先进的电控技术、颗粒捕集器、s c r 催化剂。 由于大量新技术、新装置的采用以及燃料理化特性的改变，必然导致现代柴 油机的燃油喷雾特性、混合气形成及燃烧过程与以往柴油机有很大不同，微粒作 为柴油机主要燃烧产物之一，其生成与演化历程、高温反应热力学和动力学及理 化特性也会随之变化。 k i t t e l s o n l 7 选用两台代表不同技术水平的柴油机进行了对比试验研究，结 果发现，装有电控燃油喷射系统的现代柴油机微粒的几何粒数平均直径 ( g e o m e t r i cn u m b e rm e a nd i a m e t e r ) 为0 0 1lp m ，比传统柴油机减少4 倍；几何体 积平均直径( g e o m e t r i cv o l u m em e a nd i a m e t e r ) 为0 0 6 4 i _ t m ，比传统柴油机减少 2 倍，而微粒总数却增多了1 5 0 倍。 j m d e s a n t e s i s 等人研究表明，随着喷射压力的提高，聚集态( 粒径在 1 0 0 3 0 0 n m 之间) 颗粒的数量减少，核态( 粒径均小于5 0r i m ) 数量增多( 如图1 3 所 示) 。 2 第一章绪论 l 。6 e 1 2 j 三1 2 e + 1 2 l 二z 暑 ， 三s 0 e + 1 1 笔4 0 e + l l 一一 一 一 0 0 e + i 3 0 e 1l 二5 e + l l 2 。o e + l l 1 5 e + l l 1 o e + 1 l 5 ，0 e + 1 0 0 o e + o o 5 0 06 0 07 0 0 8 0 09 0 01 0 0 0 i p ( b a r ) 图1 3 喷射压力对微粒粒径的影响 s ud s 等人研究表吲9 】，满足e u r oi v 标准的现代柴油机排放微粒粒径 比传统发动机明显减小，大部分为6 0 - - , l o o n m ，且与发动机工作状况没有明显的 关系( 如图1 4 所示) 。 图1 4 柴油机凝聚微粒粒径分布 现代柴油机排气微粒的变化主要表现为：微粒数量增多，粒径变小，呈纳米 化趋势，核态微粒的数量增加而聚集态微粒数量减少。鉴于此，欧、美等国家正 在酝酿修改现有的微粒排放法规，使之同时兼顾微粒的质量和数量。目前，国内 3 第一章绪论 外关于柴油机微粒的研究几乎还停留在九十年代初的聚集态水平，而对于以核态 形式存在的纳米微粒的基础研究几乎还没有开展。因此，为保护环境和人类健康， 对现代柴油机排气微粒的重新认识和研究势在必行。 1 2 全气缸取样技术概述 柴油机燃烧过程是一个十分复杂的过程，涉及到化学反应动力学、流体力学、 传热传质学等多个学科领域，因而降低柴油机排放的关键在于对燃烧过程系统、 深入的了解。只有细致研究缸内燃烧过程中微粒的生成机理，弄清各因素的影响， 在比较透彻地了解燃烧的具体过程和局部过程细节的基础上，才能更有效地降低 排放。 柴油机缸内燃烧是一个在时间和空间上都以极快速度变化的瞬态过程，燃烧 过程中复杂的中间产物，极快的燃烧速度，燃烧室内复杂的气体流动，高温、高 压的工作环境以及对密封的严格要求等诸多因素给内燃机燃烧过程中微粒形成 的测量研究带来了极大困难，至今缸内燃烧过程中微粒的生成机理仍没有被完全 了解和掌握。因此，运用先进的试验手段和方法，分析柴油机缸内瞬态燃烧产物 一微粒的空间分布和形成历程，是研究微粒生成机理的一个重要手段，具有十分 重要的意义。 全气缸取样法是在柴油机燃烧过程的任意时刻打开燃烧空间，中断燃烧，抽 取缸内燃气，然后对采集的燃气进行测量分析的方法。全气缸取样法获得的是燃 烧过程某一时刻整个燃烧空间的平均信息，反映柴油机非均质燃烧污染物形成的 宏观历程，这是全气缸取样和点状取样的根本差异。 全气缸取样技术与点状取样技术相比有如下优点： ( 1 ) 样气充足，分析结果可靠性高。 ( 2 ) 测试数据为整个燃烧空间积分的结果，更适用于研究柴油机非均质燃烧 污染物的形成历程；而点状取样法获取的仅是取样时刻燃烧空间某一点的信息， 较适用于研究均质燃烧过程。 ( 3 ) 试验结果更适应于燃烧模拟的验证。 但是，全气缸取样技术比点状取样技术复杂且较难掌握，每进行一次取样后， 都必须停机，试验周期相对较长。 七十年代末，i a v o i c e l e s c u 和g l b o r m a n 掣1 0 】在美国威斯康星大学首次研 制成适用于柴油机的全气缸取样系统并用其研究了缸内n o x 生成历程。该取样 系统结构和取样机构的安装示意如图1 - 5 所示。试验是在一个单缸直喷柴油机上 4 第一章绪论 进行的。在此之后，t u n g t a t c h a r t 和g l b o r m a n ”l 用这个系统研究了在当量比 和转速一定的条件下，祸流、废气再循环( e g r ) 、喷油定时和喷油孔数对柴油机 燃烧的影响。 “w 。 k 、 图i - 5i a n o l c c i t w , c u 等人设计的全气缸取样系统和取样机构的安装示意圈 八十年代初，美国明尼苏达大学g h h e d d i n g 和d b k i t t e l s o n ”l 等人又发展 了一套新的全气缸取样系统，取样机构如图l 毛x l i u 和d b k i t t e l s 叽i ”l 对此系 统关键结构做了改进，研究了取样过程中监涮参数问的关系，并用它测量了缸内 n o x 生成历程；c a oj a n d u 和d b k i t t e l s o n 【1 4 1 还用这套系统装置研究了缸内微 粒粒数浓度的变化历程；d b k j t t e l s o r 和m i c h a lj p i p h o 等人【1 1 用这套系统进行 了关于柴油机缸内微粒浓度的理论与实际的对比试验。m i c h e lj p i p h d 峒等人进 一步改进了部分结构，使其更适用于徽粒质量浓度变化历程的测量。之后 d b k i t t e l s o n 和m i c h a lj r i p h d ”l 等人又用这套系统，研究了直喷柴油机缸内微 粒形成历程，考察取样与正常工作时缸壁温度的差别、微粒在缸内及捧气中的集 聚与氧化、n o x 在样气储存过程中的成分变化以及燃烧室形状、喷油定时对缸 内微粒质量的影响等【l 埘 。 我国八十年代中期，刘仪、季雨、郭英男和刘巽俊阱1 等人首次应用全气缸取 样系统对锅流室式单缸柴油机进行缸内微粒形成过程的研究，取样机构如图l - 7 ； 九十年代中，刘仪脚喀结合在非直喷式柴油机上开发全气缸取样系统的经验，成 功地在直喷式柴油机上开发了一套结构设计新颖的全气缸取样系统，并用它研究 了6 1 0 2 q 型直喷式柴油机缸内微粒的形成过程取样机构原理与单缸机基本相 同。作者分别研究了负荷、喷油压力、喷油提前角，转速等参数对发动机微粒形 f 曩f * 赳 ；心一管 ，瞧。 辩亭绪论 成的蟛响 c = 黎j 【ji k 曲。 图l - 6k i t t e i s o n 等人设讣的取样机构 圈l 一7 刘仅等人设计的取样机构 9 0 年代初开始，日本广岛人学西田( k e i y an i s h i d a ) 教授带领的课题小组 设计了一套从话塞底部引出缸内燃气的全气缸取样系统，并用其研究了缸内n o x 和微粒的形成过程口”。圈l 一8 为其改进后的仝气缸取样系统该系统采用其中一 个排气u 释放缸内燃气，其研究结果还未见报道。此外，2 0 0 4 年日本d o s h i s h a 大学的hg e nf w l m o 协等人( 2 8 1 采用全气缸取样技术在模拟燃烧室中对正庚烷 ( n - h e p t a n e ) 燃烧的中阃产物( c l - h 、c 2 h 2 、c 2 h 4 、q h 6 ) 进行了测晕研究。图 1 9 是他们开发的全气缸取样系统。 第一章绪论 图i 一8 日本广岛大学改进的全气缸取样系统 图l 9f u j i m o t o 模拟燃烧装置的全气缸取样系统 综上所述，全气缸取样技术的中心任务是适时打开燃烧空间叶1 断燃烧，抽 取缸内燃烧产物同时坩氮气进行稀释以“萃灭”其化学反映然后对燃气进行 物理化学特性分析，再现污染物的生成历程。 在全气缸取样试验过释巾样气流 1 ；燃烧室并非瞬间完成，如何确定被测参 数所对应的曲轴转角成为一个有待深入探讨的问题。以上几种全气缸取样装置在 第一章绪论 定义取样当量角方面，有以下两种方法：一是实验中设定膜片折起一半( 4 5 0 ) 时所对应的曲轴转角为样气的当量取样角；二是当缸内压力下降到切开时刻压力 一半时的曲轴转角定义为样气的当量取样角。 随着柴油机技术的发展，生成微粒的理化特性也发生了很大变化，利用全气 缸取样系统研究现代柴油机微粒生成机理极为必要。在柴油机新技术应用方面， 已开发出的全气缸取样系统只有日本广岛大学改进的全气缸取样系统采用了高 压共轨系统。 1 3 本文研究的主要内容 本课题属于国家重点基础研究发展规划项目“燃烧源可吸入颗粒物前体物的 形成与向二次颗粒物的转化。 该课题的研究目的在于研制一套能够实时地采 集柴油机缸内燃气的全气缸取样系统，而后对缸内微粒进行物理化学分析，再现 燃烧过程中微粒的形成历程，为数值模拟提供试验依据。前期开发的柴油机全气 缸取样系统【2 9 - 3 0 较好的满足了以下的要求： 1 、设计加工了包括取样机构，气门停开机构在内的取样系统。在借鉴已有 的设计和结构的基础上，对取样机构和外围驱动部分进行了设计，使其结构简单， 控制灵活，能够满足取样系统的要求。气门停开机构采用对单缸摇臂轴进行单独 设计，在保证其具有正常功能的情况下，实现了气门停开。 2 、利用p c 机和板卡，选用m o s f e t 晶体管作为驱动的核心，通过软件编 程，对取样机构，气门停开机构进行精确控制。 3 、开发了基于微机的单缸供油燃油喷射系统。其选用高压共轨系统作为单 缸供油喷射系统，开发了单缸高压共轨e c d u 2 的电控单元。根据共轨压力传感 器和高压油泵的同步信号对高压油泵进行控制，根据凸轮轴传感器信号和共轨压 力信号对喷油定时进行控制，实现较高的喷油压力，以及喷油定时和喷油量的灵 活可调控制。 使用过程中发现该系统缺少缸压采集系统和燃烧分析系统，以至不能确定取 样时刻和研究微粒生成与缸内燃烧过程之间的关系。同时，为了进一步研究现代 柴油机缸内微粒生成历程，有必要开发多次喷射系统。本文的主要工作如下： 1 ) 开发基于l a b v i e w 的缸压采集系统。利用该缸压采集系统对取样时刻 即当量取样角进行了精确判定，同时对发动机内部的燃烧状况进行了有效的监测 判断。 2 ) 开发基于l a b v i e w 的瞬态热力参数分析系统。根据缸内的压力变化， 第一章绪论 通过燃烧过程的能量平衡关系，开发出内燃机瞬态热力参数分析系统，为研究缸 内微粒生成和缸内燃烧过程之问的关系奠定基础。 3 ) 开发基于高压共轨的多脉冲喷射系统。实现多次喷射的喷油器喷油波形 的合成，使脉冲宽度、脉冲间隔、脉冲次数、脉冲喷射提前角以及主喷射提前角 均可灵活控制。为研究现代柴油机缸内微粒生成历程奠定试验基础。 4 ) 在全气缸取样系统装置上进行试验，改变共轨压力、预喷射持续期和预 喷射定时，通过燃烧分析仪考察缸内压力和放热率随曲轴转角的变化情况，验证 多脉冲喷射系统和燃烧分析仪在全气缸取样装置一l 的应用，为研究不同燃烧状况 下微粒生成历程奠定基础。 9 第_ 章燃烧分析系统开发 第二章燃烧分析系统开发 全气缸取样过程中，取样时刻的确定至关重要。本文采用一种常用的当量取 样角的确定方法：当缸内压力下降到切开时刻压力一半时的曲轴转角定义为样气 的当量取样角：同时，为了探讨碳烟微粒生成、长大及氧化历程与柴油机燃烧过 程之间的关系，开发缸内压力采集系统和燃烧参数分析系统势在必行。 2 1 燃烧过程数值计算 2 1 1 基本假设 1 缸内工质是均匀的，在每一瞬间缸内各点的工质在温度压力和成分方面都 是一样的。 2 燃烧放热效应是生成最终产物的化学反应的结果，不考虑一系列中间反 应。 3 缸内工质可以按理想气体来处理，可以用状态方秘y = m r 睐表达它的状 态参数间的关系【3 1 1 。 2 1 2 内燃机燃烧放热规律计算3 2 - 3 4 1 基本能量平衡公式 用2 1 1 中三个最基本的假定，就可以根据缸内的压力变化，通过燃烧过程的 能量平衡关系，推算出燃烧速度及其变化规律，即燃烧放热规律，供分析燃烧过 程使用。 对于燃烧过程的某一瞬间，可以写出如下的能量平衡方程： q = q i + u + l + q w( 2 - 1 ) 其中： q 一到该时刻为止燃料燃烧累计放出的热量： q i 一燃烧开始时( 以能感觉到燃烧的放热效应为准) 燃料燃烧累计放出的热量； l o 第_ 章燃烧分析系统开发 l 一从燃烧开始时起到该时刻工质所作的功； u 一从燃烧开始时刻到该时刻工质的内能变化； q w 一燃烧开始时刻到该时刻工质往四周零件的累计散热量； 率x 来表达q ，则q = x a g h u 其中： g 一每循环的喷油量； h u 一燃料的低热值； 能量平衡方程可以写成： 1 x 2 每+ 面u 砌q 如以累计燃烧放热 ( 2 2 ) ( 2 3 ) 兵中： 每一燃烧开始时的累计放热率，白= 盖 2 内能变化 a u = m c , , t - m i c v i t i ( 2 - 4 ) 式中 ， m ( m i ) - - j 亥瞬间( 燃烧开始时刻) 缸内工质千摩尔数( 1 0 n 0 1 ) ； c ，) 一该瞬间。( 燃烧开始时刻) 缸内工质的平均定容比热容( 锄甜x 3 ) ； t ( t i ) 一该瞬间( 燃烧开始时刻) 缸内的工质温度( k ) ； 要计算a u 就要计算m 、c ，和t i ，同时，在计算c ，时必须知道缸内工质的成分组成。 1 ) 工质数量及成分组成 在燃烧开始之前缸内工质数量为m = 池，在甄中的新鲜空气量为再m 万o ，其中谚 为残余废气系数。除此之外，还有未被消除的上一循环遗留下来的残留燃气量 芒4 ，在这部分燃气中空气和纯燃烧产物的比例由燃烧过量空气系数口确定。 1 + 晚 当累计燃烧率为x 时只消耗了新鲜空气中的言笔啬，这部分参与燃烧的新鲜空 气由于燃烧而增加的千摩尔数为丝黜，属为当燃料与空气按化学反应 当量比混合，完全燃烧时的理论分子变更系数。因此， 肚枷+ 羰】 ( 2 5 ) 第二章燃烧分析系统开发 屁可按燃料的化学组成计算： g h g o 俐+ 磊勇43 2 丐 弘6 ) o 2 l 、1 243 2 瓦甲g c 、g n 、g o 分别为燃料甲兀系饭氢氧明亘重厩分，对于一股网径罘、佃， 可取屁= 1 0 6 5 ，则： 肚+ 卷】 ( 2 - 7 ) 同时还应确定工质混合气纯燃烧产物所占的比例，以便根据该比例计算工质混合 气的比热。混合气中的纯燃烧产物包括了残留燃气中的纯燃烧产物 + 两等而心( 口一l + 属) ( 1 + 力) ” 以及因燃料燃烧而产生的那部分燃烧产物， 蒜口( 1 + 丸) ” 因而，混合气中纯燃烧产物所占的比例为 砖2 仁高岛心+ 志删肘 p 8 ， 经整理得到： 盘，：丝二! 垒! 垒三垒生竺( 2 - 9 ) 最= j 一 7 缸- 1 + 属) ( 1 十办+ x ( p o - 1 ) 】 缸内工质混合气的温度可根据状态方程计算，即丁= p v l ( i l 积) 。 归纳起来，为了计算a u 而要确定工质混合气的状态、数量、成分时，应根据发 动机的空气消耗量、燃油消耗量和气体分析推算出的扫气系数唬和残余废气系数 谚，按以下的组公式进行一系列计算： 坞= 等势， 坞= 二孚， ( 2 一l o ) ，玉晓l 厶i g = 警 ( 2 - 1 1 ) 1 2 第一：章燃烧分析系统开发 厶= 击( 告+ 导一西g o ) ( 2 - 1 2 ) 一g n 。鱼 属- l + 早( 2 - 1 3 ) 。丽moa ( 2 1 4 ) = 一 l z l ( 1 + 咖) g 厶 、7 肚伽+ 器】 t = p v ( m r )( 2 - 1 6 ) 其中： 。 f 一发动机冲程数 他一发动机耗气量( k g s ) 鳓一空气的公斤分子量( 2 8 9 7 k g k m 0 1 ) i 一发动机气缸数 厶一燃料燃烧理论上所需的空气量( k m o l k g ) 乞一发动机的燃油消耗率 2 ) 比热容q 对柴油机而言，根据空气的平均定容摩尔比热容c 坩，纯燃烧产物的平均定 容摩尔比热容，以及t 就可以求出工质混合气的平均比定容比热容： q = 砖c 0 + ( 1 一七，) 气( 2 1 7 ) c 坩和随温度而变，其值可以从气体热力性质中查得。在用计算机进行放 热规律计算时，可将气体热力性质表中的气和作为原始数据输入，用到时再 按一定的插值法从原始数据中取出。这种做法要求输入的数据比较多而且加大了 计算量。更为常见的方法是用最小二乘法，将比热的原始数据归纳为一定的数学 表达式，既便于计算又能保证精度。下面就是这样归纳出的比热计算公式，按这 些公式计算，比热在柴油机工作温度范围内其最大误差不会超过0 6 。 c 。= a t + a 2 t + a 3 t 2 ( 2 - 1 8 ) 口l2 1 9 5 8 2 2 2 7 9 8 第_ 章燃烧分析系统开发 口2 - - 2 8 7 6 7 3 8 1 5 1 0 3 a 3 = 一2 5 4 0 2 0 8 9 6 1 0 4 c o - - - b , + 也丁+ 岛r 2 包2 1 9 8 8 8 8 4 3 5 4 b 2 - - 5 0 1 9 0 3 8 3 6 x1 0 3 ( 2 1 9 ) 6 3 = 5 9 5 7 5 8 6 2 8 x 1 0 。 它比线性公式c l ，= 口+ b t 的精度高，比起为了提高线性公式的精确度而采用的 折线法，即在不同温度范围内用不同的线性公式来计算比热也要方便一些。本文 即据此计算得出比热。 3 散热计算 工质散往四周零件的散热量q ，是放热规律计算中能量平衡不可缺少的一部 分。理论上根据工质对周围零件表面的放热系数口，和零件的表面温度，可以 计算出q 。考虑到各个零件的表面温度不尽相同，可以分别计算工质散往各个 工作表面的热量。为此而将瓯的表达式写成如下形式： 上 q = j = 咚吒( 瓦一t ) d 2 1 6 0 0 n ( 2 2 0 ) 。”i = 1 其中f 为散热面积。尽管从技术上来看，为了计算散热量而将散热面分成气缸盖、 活塞顶、气阀和气缸套等不同的表面，分别测定它们的表面温度，甚至对于每一 零件按不同的部位测定它们的表面温度分布都是有可能的，但是实际上按照上式 来计算散热量仍旧困难，问题在于放热系数口。的确定和计算结果的检验。目前 存在着许多计算放热系数的公式，它们大致都反映出口，与工质的状态0 、d 和 活塞平均速度圪) ，甚至还有特征尺度c d ) 的关系。它们都是各个研究者根据各 自的工作提出来的，这些公式的计算结果往往差别很大，而对于某一特定的对象， 却很难在众多的公式中有把握地推荐一个合适的公式。实际上，在总的散热量中， 是无法区分哪些部分是从活塞顶、气门、缸盖底板和缸套等散失的，也无法区别 燃烧期间和进排气、压缩各个过程中所散失的热量。总之，若想将燃烧过程中的 散热量计算得准确是不容易的，要检验也困难。 散热量不容易计算得精确是问题的一方面，另外一方面，从放热规律计算的 角度出发要考虑的是它的计算精确度对放热规律的计算影响到什么程度。从燃烧 过程能量平衡组成来看，散热量远比其他两项即内能改变和工质做功小，燃烧放 1 4 第二章燃烧分析系统开发 热率主要取决于工质内能的改变和做功。因此可以设想即使散热量那一项计算得 不是很准确，也不会对放热规律计算有重大的影响。在笼统地不区分各个传热面 间的温度差别，亦即按公式2 2 0 来计算散热量。即使用不同的口。公式，计算出 的散热量可能相差很大，但对于燃烧规律来说却是影响极为微小的。式中，e ，。为 活塞的表面面积；c ：为缸盖的表面面积；凡，为缸套瞬时表面面积，即 e ，= 砌= 苦 x 为缸套瞬时自由表面高度，丁为缸内平均温度，瓦，；为壁面平均温度，可以根据 测得的壁面平均温度场计算，也可以按下面的经验公式来计算： l l2 1 2 0 + 3 0 ；瓦22 1 0 0 + 7 ；瓦32 l o o + 4 t , 其中是缸内压力，本文按经验公式来计算。 关于传热系数口。的选择，内燃机气缸内燃气向缸壁的传热主要是对流传热， 其次是辐射传热，辐射传热量大约是燃气向缸壁总传热量的2 0 - - 3 0 左右，其中 较大值适用于增压柴油机。由于计算对流传热是以对流传热形式来表达整个传热 状态，而把燃油蒸发吸热以及辐射传热放在传热系数口，中统一考虑，所以口，值 在相当程度上是经验型公式。本文采用朱访君经验公式： l ， 口g = 1 7 0 9 2 d - 2 t - - o z 3 po 8 c 二+ 6 【p 一见( 罟) 1 3 6 】严8 ，w ( m ? k ) ( 2 2 1 ) 式中d 一气缸直径，m ； t 一气缸内工质温度，k ： 、 p 一气缸内工质压力，m p a ； q 一活塞平均速度，m s ； 见、圪一压缩始点时的气缸压力( m p a ) 、气缸容积( m ? ) ； 考虑到燃烧后缸内压力迅速增加产生扰动对换热系数的影响而引入了附加系 数b ，研究表明，系数b 与明显线性相关。 b = 4 5 2 0 0 3 4 9 ( 2 - 2 2 ) 式中一最高燃烧压力，m p a 。 至此，公式2 1 中所有参数都已列出，在计算机上用软件实现时，需将其进 一步处理，离散化后的公式如下： 工= 而+ 石面1 缈一砜+ y + 旦( 矿一) + 三【吃( r 一瓦) ，+ 吃。 t o 一瓦) 磊】伊2 1 6 0 0 玎 第二章燃烧分析系统开发 用逐点计算的方式，反复迭代方法求得x 一妒的变化规律，试算时可以用该计算 步长缈开始时刻已知的累计燃烧放热初值矗作为迭代计算中终值x 的第一格试 算值，根据计算的结果可以按下式计算出燃烧放热速率： 妥= _ x - x o ( 2 - 2 4 ) 一= 一 ，一4 i 咖缈 、7 2 1 3 燃烧始点的确定 既是出于对燃烧过程分析的需要也是由于计算本身的需要，在正式计算x 之 前首先要确定出燃烧的起始剧”】。理论上可以根据热平衡由来判断出燃烧的始 点，但是由于燃烧开始时燃烧速度很慢而散热计算又不能很准确，因此这样来判 断燃烧始点看来不是很妥当。工程上一般根据下面6 个方法来判断： 1 压力突升点法：在用燃烧分析仪打印和绘制的示功图上，在每1 0 c a 或0 5 0 c a 的气缸压力变化中，在相邻两个压力点之间压力突然有较大提高，并且其后 续压力继续大幅升高时，则开始突升压力的相位可以视为着火点或始燃点。 2 压力升高率曲线折点法：在燃烧分析仪能提供盼：簪一尹曲线时，则可把该 线压缩上升段中的折点视为燃烧始点。其原理与( 1 ) 同，但更为直观、清晰 和方便。 3 示功图压缩线分离点法：具体的实行方法是将示功图与拖动示功图放在同一 个图里，在燃烧始点之前两条曲线基本上是重合的而在燃烧开始的时候示功 图曲线开始向上偏离，刚刚开始偏离的那个点即可认为是燃烧始点。虽然这 样会因为人为判断的偏差带来一些误差，但对于工程应用而言，该误差是可 以接受的，对燃烧放热规律的分析影响并不是非常大。 4 在制作的l o g p - - l o g v 图上，压缩线( 直线) 的终点，即直线转折的折点就是燃 烧始点。即用压缩多变指数的突变点作为燃烧始点。 5 压缩后期喷油后燃烧室内首次发出光并能为光强传感器吸收光信号而反映 出来的这一曲轴角位可视为发光始燃点。 6 以燃烧过程中的高速摄影照片上首次出现光亮火焰的曲轴转角视为始燃点。 本文采用压力升高率曲线折点法确定燃烧始点。 2 1 4 燃烧终点的确定 工程上常用的确定终燃点的方法如下【3 4 】： 1 6 第龋燃烧分析系统开粒 l 以现域人燃烧卣分率j = r 邮即放热艟q = g k ，所件的i i i i 轴转向点作为终 燃点，其巾z 。，町以认为指定9 0 9 8 电町以以计算到x = r 而还没自 i 见波动值时定为终燃点。 2以曲线r p 在膨胀段l 开始出现的最低点作为终燃点。 3 t o g p - l o gr 图中，膨胀线l 由曲线转变为直线的过渡点可视为终燃点。 奉立按第1 种方法确定终燃点 2 2 缸内燃烧分析系统开发 为了研究缸内微粒的生成历程需要结合缸内压力、放热率和温度等参数米 进行分析。但现有的燃烧分析仪除价格昂贵外1 3 5 3 6 1 还因缺少必要的分析计算 和修正软件而不能完全适用于全气缸取样过程巾的现场监测。因此作者开发了一 套基于虚拟仪器( v i r t u a ll n s m m a e n t a t i o n ) 技术的燃烧分析系统，以便深入研究 缸内燃烧过程中微粒生成情况。本文介绍了该分析系统的整体功能与软件开发方 法，并探讨了开发燃烧分析系统的两个关键问题。 2 2 1 系统总体结构和主要功能 该采集系统是一个实时、功能齐全、使用方便的发动机燃烧分析仪器，它由 工业控制计算机、多通道高速采集卡及其它附件组成的硬件系统和基于l a b v i e w 的采集卡拉制及数据处理软件系统组成。硬件系统以一定的工作模式采集所需的 信号，经过高速a d 转换器把模拟量转换为数宇量，软件系统通过数据总线将这 些数据调入到内存中，按软件系统中所建立的数学模型对这些数据进行分析计 算。该系统具有良好的人机交换界面，如图2 一i ，可以方便的进行操作。 内地g l 燃烧分析倪 图2 1 燃烧分析仪主界面 = ：! 型 田固 三圈 上二巴= 纠 固回 嘲 第一章燃烧分析系统开发 结合硬件和软件的优点，该燃烧分析系统可以实现以卜功能： ( 1 ) 有关发动机燃烧过程的热力参数( 包括燃烧压力、油管压力等) 的高速、 准确测量。 ( 2 ) 示功图的均化、光顺及中值滤波处理。 ( 3 ) 结合示功图计算发动机压力升高率、燃烧放热规律和缸内平均温度。 ( 4 ) 数据的保存、回放和图形的打印。 ( 5 ) 系统软件可以在没有安装高速数据采集板的p c 机上正常运行( 采用虚拟 硬件) ，专门用于数据的后处理。 图2 - 2 为系统原理框图： 角 _ - 不放 气缸压力一 模标功 执 传感器一 拟处蛰率 信理通及 道 苴 号 成 原始示功图 技 入 他 执 转 原始数据 示 够 修正v 、 力 角标信号 换 倍感器一 与功 采 囝正多 集 乞乞 数 t 计 同步信号 算 t 倍感器一 2 2 2 系统硬件开发 图2 2 燃烧分析仪工作原理图 系统硬件主要由工控机、数据采集卡p c i - 6 1 4 3 、角标传感器、压力传感器 及电荷放大器组成。以工控机为硬件统一平台，采用虚拟仪器技术，将测试仪器 的功能、面板、控件均以软件的形式实现，并以文件的方式存储于计算机软件库 内，同时在计算机的总线槽内配以对应的、可实现数据交换的数据采集卡。使得 库内仪器功能测试软件、输出软件与数据采集卡由计算机系统统一管理和协调运 行，实现了虚拟仪器的功能。 1 高速a d 数据采集卡 高速a d 数据采集卡是硬件系统中的关键部件。它决定了采集系统的最高 采样频率、a d 转换精度以及采样通道数等。 a d 数据采集卡的工作模式一般有3 种：外触发外时钟采样、内时钟采样和 单步采样。外触发外时钟采样时，采样的开始时刻与外部信号同步，采样时刻也 由外部信号提供；内时钟采样时，又可分为外触发和内触发两种，采样的开始时 1 8 第燃烧分忻系统开发 刻”r 以弓外部的同步信号同步，f ! 三u ，以髓帆开始，采样时到由内部定时产乍，适 合卜没f 角标信号或币需要角标时的f ；号采集。单步采样适合千对模拟输入信目 的堆步随机抽样。南1 二发动机的采样必须噩与曲轴转角同步，同时也要有明确i 1 固定的采样开始时刻，l 川此发动机d i 功罔的聚样要采_ i 】外触发外时钟的打式。 为端足实验要求选用n i ( n a t i o n a ll n s t r u m e n t ) 公司生产的s 系列多功能数 据采集卡p c l 6 1 4 3 立u 图2 3 所示。土要技术参数如f ： 1 6 b i t 的8 通道差分模拟输入 夺通道的最大传输速率2 5 0 k s s 夺8 通道同步采集 夺2 个2 4 b i t 记数器定时器 夺模拟输入信号的范用5 v 盘持数字触发 图2 - 3 数据采集昔p c i 一6 1 4 3 2 缸压传感器及电荷放人器 压力传感器采用瑞士k i s t l e r 公司的6 1 2 5 b 型6 英压力传感器。石英压力传 感器原理为：石英晶体被切成系列柱面，当缸内压力升高时，暴露于燃烧室内 的偏移金属片会压缩4j 英晶体，m 于这种压缩，l 英晶体的内外袅就会产生电荷， 核电量和