详情

原文传递船用柴油机缸内火焰燃烧瞬态温度场分布特性研究

论文题名：	船用柴油机缸内火焰燃烧瞬态温度场分布特性研究
关键词：	船用柴油机;火焰燃烧;瞬态温度场;分布特征
摘要：	为了应对愈发严格的排放法规，提高能源利用率成为了最为有效的举措之一。内燃机朝着大功率，高热效率的方向发展，研究内燃机的手段也在不断变化。其中缸内燃烧作为内燃机工作过程中的重心，对发动机的动力性、经济性和排放性起决定作用。火焰温度场和碳烟浓度是衡量燃烧过程的重要指标，对研究燃烧机理、提高性能、降低排放具有指导意义。非接触式测温技术方法较多，但一般系统较为复杂，成本较高，适应恶劣环境的能力较弱，在缸内直接测量难以实现，尤其是大空间尺度的连续测量。双色法作为先进的光学测试手段，具有实时测量，空间解析度高，光路简单，信号干扰少等优点，能够实现对火焰时空演化过程的大尺度连续测量，被广泛应用于发动机燃烧过程研究。同时由于缺少系统的船用柴油机火焰燃烧发展过程与数据体系，相关仿真研究在缺少边界条件设定参数与结果数据对照的情况下无法进行，因此十分有必要通过可视化的方法去研究船用柴油机缸内火焰燃烧瞬态温度场及碳烟浓度场。　　本文基于内窥可视化技术搭建了船用中高速柴油机试验系统，研究推进特性下大缸径柴油机燃烧火焰瞬态温度场和碳烟浓度场的时空变化规律。为保证试验结果的准确性，针对内窥镜出现的图像畸形，基于棋盘格标定法进行矫正，首次实现柴油机缸内火焰面积定量分析;同时利用超高温黑体炉对亮度温度Ta进行标定，建立火焰图像辐射强度与温度的关系。　　研究发现，柴油燃烧火焰平均温度基本呈单峰分布，柴油燃烧温度迅速上升，升到一个最高温，后由于活塞向下运动和燃烧室内涡流运动，温度下降，但由于有部分柴油在此时才雾化燃烧，所以火焰平均温度有轻微反弹，但总体是呈下降趋势。20％负荷的火焰平均温度最高，25％次之。50％负荷的火焰平均温度较低，这是因为50％负荷喷油量增大，过量空气系数减小，混合时间短，柴油未完全燃烧。同时负荷越大，火焰燃烧前期平均温度上升速度越快，50％负荷在8.8℃AATDC就达到火焰平均温度峰值，20％和25％负荷在9.8℃AATDC达到平均温度火焰峰值，而15％负荷在12.8℃AATDC才上升到最高温度。　　在燃烧前期碳烟大量生成，KL因子迅速增加至峰值，燃烧至后期，KL因子保持一个水平，高温新生成的碳烟与之前生成碳烟被氧化的速度基本持平，有轻微下降。其中10％负荷柴油火焰燃烧持续期短，后续燃烧中没有再生成新的碳烟，KL因子后期在持续降低。20％负荷KL因子最大，生成的碳烟最多。　　NOx的排放量在25％负荷工况下比50％负荷工况下更高，这与计算得出的高温火焰面积在25％工况下更大的结论相一致，另外，25％负荷工况下的烟度大于50％负荷工况下的烟度，也与计算得出的平均KL因子在25％负荷工况下更大相匹配，证明本文中的计算结果是合理的。
作者：	颜杰
专业：	动力工程
导师：	董全;金江善
授予学位：	硕士
授予学位单位：	哈尔滨工程大学
学位年度：	2020