可模拟后喷策略对柴油机碳烟排放影响的燃烧系统的制作方法

本实用新型涉及一种燃烧系统，尤其涉及一种可模拟后喷策略对柴油机碳烟排放影响的燃烧系统。

背景技术：

碳烟是柴油机排放的主要污染物之一，虽然柴油机因动力性强受到人们的青睐，但是碳烟的大量排放在一定程度上却限制了柴油机的发展。柴油机排放的碳烟不仅会造成严重的空气污染，而且对人类的健康危害很大，尤其是细颗粒物和超细颗粒物，由于空气动力学直径很小，具有很强的渗透性，能够进入到人体的肺部并沉积于人体的肺泡，使得肺泡充血以及形成疤痕组织，从而影响呼吸道和肺部的弹性，对人体损害很大。因此，解决柴油机碳烟排放问题势在必行，于是后喷射技术应运而生。

为了更清楚的了解柴油机后喷策略对碳烟排放的影响，研究学者们对后喷策略开展了广泛的研究，但是，以往的研究都是直接在柴油机上直接进行，不仅造成资金大量消耗，而且柴油机也会受到不同程度的磨损。另外，柴油机缸内燃烧状况十分复杂，燃烧循环变动大，无法研究单一变量对碳烟排放的影响。

技术实现要素：

针对现有技术，为了开展柴油机后喷射策略对碳烟排放的影响的研究，本实用新型提供一种可模拟后喷策略对柴油机碳烟排放影响的燃烧系统，该系统将第一麦肯纳扩散燃烧器生成的碳烟颗粒通入到第二麦肯纳扩散燃烧器的火焰中进行燃烧，可以近似研究柴油机后喷策略对碳烟颗粒理化特性的影响。该系统可满足控制单一变量来简化模拟柴油机后喷策略对碳烟颗粒的理化特性的影响以及使用与发动机相同的液体燃料国五柴油要求。

为了解决上述技术问题，本实用新型提出的一种可模拟后喷策略对柴油机碳烟排放影响的燃烧系统，包括位移台、固定平台、第一麦肯纳扩散燃烧器、第二麦肯纳扩散燃烧器、粒径谱仪、第一恒温水箱、第二恒温水箱、真空泵、取样器、不锈钢探针、液体燃料蒸发器、控制器和电脑控制系统；所述第一麦肯纳扩散燃烧器设置在所述固定平台上，所述第二麦肯纳扩散燃烧器设置在所述位移台上，所述位移台由两个步进电机控制，两个步进电机与所述电脑控制系统相连，从而实现第二麦肯纳扩散燃烧器沿不锈钢探针的轴向和垂直的方向移动；所述第一麦肯纳扩散燃烧器包括与圆柱主体同轴设置的中心钢管A，所述中心钢管A的内径为6.75mm，所述中心钢管A的壁厚为0.5mm；所述中心钢管A上自内向外依次紧密的套装有具有多个进气孔隙的金属烧结板A、圆筒形隔腔板及具有多个进气孔隙的金属烧结板B,所述金属烧结板A的外径为69mm，所述金属烧结板B的外径为85mm，所述金属烧结板A内嵌装有冷却盘管A，所述金属烧结板B的外端面为内凹形的锥面，所述锥面的锥角为170°；所述第一麦肯纳扩散燃烧器的上方设有碳烟收集罩；所述中心钢管A的进气口通过燃料管路连接至丙烷气源，所述金属烧结板A的多个进气孔隙通过空气管路连接至空气源，所述金属烧结板B的多个进气孔隙通过氦气管路连接至氦气源；所述冷却盘管A连接至所述第一恒温水箱；所述第二麦肯纳扩散燃烧器包括与圆柱主体同轴设置的中心钢管B，所述中心钢管B的内径为3.8mm，所述中心钢管B的壁厚为0.6mm；所述中心钢管B上紧密的套装有具有多个进气孔隙的金属烧结板C，所述金属烧结板C的外径为60mm，所述金属烧结板C内嵌装有冷却盘管B；所述中心钢管B的进气口通过包裹有加热带的管道与所述液体燃料蒸发器的燃料出口相连通，与所述加热带的导线并联有电压调节器，通过电压的调节来实现加热带温度的改变；所述金属烧结板C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分为A、B两路，其中，A路连接至空气源，B路通过一三通阀连接至所述碳烟收集罩的出口，所述三通阀还与所述粒径谱仪连接；所述冷却盘管B连接至所述第二恒温水箱；所述液体燃料蒸发器包括电加热丝、气体进样口和液体进样口，所述气体进样口通过气路连接至氮气源，所述氮气源还与一液体燃料罐的进口相连，所述气路上设有氮气流量计；所述液体燃料罐的出口通过C路连接至所述液体进样口，所述C路上、自所述液体燃料罐的出口至所述液体燃料蒸发器的液体进样口依次设有过滤器和液体流量计；所述电加热丝、氮气流量计和液体流量计均连接至液体燃料蒸发器的控制器；所述不锈钢探针布置在所述第二麦肯纳扩撒燃烧器的正上方；所述的不锈钢探针的一端通过液氮管路连接至液氮源；所述不锈钢探针的另一端与所述取样器的进气口相连，所述取样器的出气口通过管路与所述真空泵的进口端相连；所述真空泵与所述电脑控制系统相连；所述燃料管路、空气管路、氦气管路、A路、液氮管路上均分别设有与所述电脑控制系统相连的流量计；所述电脑控制系统用于控制进入所述第一麦肯纳扩散燃烧器、第二麦肯纳扩散燃烧器、不锈钢探针中的不同气体的流量和所述真空泵的开度以及燃烧火焰的位置。

本实用新型可模拟后喷策略对柴油机碳烟排放影响的燃烧系统中，所述不锈钢探针材质为439不锈钢，其直径为3.175mm,壁厚为0.125mm,在不锈钢探针中端上的取样微孔的直径为0.148mm。

所述取样器包括管道和设置在管道的进气口和出气口的转换接头，所述管道包括同轴相连的第一钢管和第二钢管，所述第一钢管和第二钢管之间设有两片耐高温密封垫片，两片耐高温密封垫片之间、自管道的进气口至管道的出气口夹紧有取样滤膜和具有多孔的滤膜支撑片。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

(1)可以控制单一变量来简化模拟柴油机后喷策略对碳烟颗粒的理化特性的影响；

(2)丙烷扩散火焰生成的颗粒物在化学成分和形态上与柴油机主喷生成的颗粒物极其相似；

(3)火焰中生成的颗粒物量大，可以对其进行不同表征手段的分析；

(4)火焰中使用与发动机相同的液体燃料国五柴油；

本实用新型首次利用两个扩散燃烧器实现后喷策略对柴油机碳烟排放影响模拟研究，可以对火焰中不同轴线位置的碳烟颗粒进行快速重复取样；同时本实用新型可以实现对燃料量的精确控制，极大地节约了测试成本，避免了资源的浪费，也节省了测试时间。

附图说明

图1是本实用新型可模拟后喷策略对柴油机碳烟排放影响的燃烧系统的示意框图；

图2是本实用新型中取样器的主视剖视图；

图3是图2所示取样器的A-A剖视图；

图4是图2中I部局部放大图；

图5是本实用新型中第一麦肯纳扩散燃烧器的局部结构示意简图；

图6是本实用新型中第二麦肯纳扩散燃烧器的局部结构示意简图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型技术方案作进一步详细描述，所描述的具体实施例仅对本实用新型进行解释说明，并不用以限制本实用新型。

如图1所示，本实用新型一种可模拟后喷策略对柴油机碳烟排放影响的燃烧系统，包括位移台、固定平台、第一麦肯纳扩散燃烧器、第二麦肯纳扩散燃烧器、粒径谱仪、第一恒温水箱、第二恒温水箱、真空泵、取样器、不锈钢探针、液体燃料蒸发器、控制器和电脑控制系统；所述第一麦肯纳扩散燃烧器设置在所述固定平台上，所述第二麦肯纳扩散燃烧器设置在所述位移台上，所述位移台由两个步进电机控制，两个步进电机与所述电脑控制系统相连，从而实现第二麦肯纳扩散燃烧器沿不锈钢探针的轴向和垂直的方向移动。

如图1和图5所示，本实用新型中，所述第一麦肯纳扩散燃烧器包括与圆柱主体同轴设置的中心钢管A11，所述中心钢管A11的内径为6.75mm，所述中心钢管A11的壁厚为0.5mm；所述中心钢管A11上自内向外依次紧密的套装有具有多个进气孔隙的金属烧结板A12、圆筒形隔腔板13及具有多个进气孔隙的金属烧结板B14,所述金属烧结板A12的外径为69mm，所述金属烧结板B14的外径为85mm，所述金属烧结板A12内嵌装有冷却盘管A15，所述金属烧结板B14的外端面为内凹形的锥面16，所述锥面16的锥角为170°，从而可以有效的中止火焰顶端碳烟颗粒的氧化并把碳烟微粒带入到碳烟收集罩内；所述第一麦肯纳扩散燃烧器的上方设有碳烟收集罩；所述中心钢管A11的进气口通过燃料管路连接至丙烷气源，所述金属烧结板A12的多个进气孔隙通过空气管路连接至空气源，所述金属烧结板B14的多个进气孔隙通过氦气管路连接至氦气源；所述冷却盘管A15连接至所述第一恒温水箱。

如图1和图6所示，所述第二麦肯纳扩散燃烧器包括与圆柱主体同轴设置的中心钢管B21，所述中心钢管B21的内径为3.8mm，所述中心钢管B21的壁厚为0.6mm；所述中心钢管B21上紧密的套装有具有多个进气孔隙的金属烧结板C22，所述金属烧结板C22的外径为60mm，所述金属烧结板C22内嵌装有冷却盘管B23；所述中心钢管B21的进气口通过包裹有加热带的管道与所述液体燃料蒸发器的燃料出口相连通，与所述加热带的导线并联有电压调节器，通过电压的调节来实现加热带温度的改变；所述金属烧结板C22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分为A、B两路，其中，A路连接至空气源，B路通过一三通阀连接至所述碳烟收集罩的出口，所述三通阀还与所述粒径谱仪连接；所述冷却盘管B23连接至所述第二恒温水箱。

如图1所示，所述液体燃料蒸发器包括电加热丝、气体进样口31和液体进样口32，所述气体进样口31通过气路连接至氮气源，所述氮气源还与一液体燃料罐的进口相连，所述气路上设有氮气流量计；所述液体燃料罐的出口通过C路连接至所述液体进样口，所述C路上、自所述液体燃料罐的出口至所述液体燃料蒸发器的液体进样口依次设有过滤器和液体流量计；所述电加热丝、氮气流量计和液体流量计均连接至液体燃料蒸发器的控制器。

如图1所示，所述不锈钢探针布置在所述第二麦肯纳扩撒燃烧器的正上方；所述的不锈钢探针的一端通过液氮管路连接至液氮源；所述不锈钢探针的另一端与所述取样器的进气口相连，所述取样器的出气口通过管路与所述真空泵的进口端相连。

所述真空泵与所述电脑控制系统相连。如图1所示，所述燃料管路设有丙烷气体流量计、空气管路设有第一空气流量计、氦气管路设有氦气流量计、A路上设有第二空气流量计、液氮管路设有冷氮气流量计，上述各流量计均分别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第一麦肯纳扩散燃烧器、第二麦肯纳扩散燃烧器、不锈钢探针中的不同气体的流量和所述真空泵的开度以及燃烧火焰的位置。

如图2、图3和图4所示，本实用新型中，所述取样器包括管道41和设置在管道41的进气口42和出气口43的转换接头44，所述管道41包括同轴相连的第一钢管45和第二钢管46，所述第一钢管45和第二钢管46之间设有两片耐高温密封垫片47、48，两片耐高温密封垫片47、48之间、自管道的进气口42至管道的出气口43夹紧有取样滤膜49和具有多孔的滤膜支撑片50。第一钢管45和第二钢管46之间的连接结构可以采用如图3所示，即分别在第一钢管45和第二钢管46的连接处设计为法兰结构，该法兰设有三个凸耳，如图4所示，布置好两片耐高温密封垫片47、48及其中的取样滤膜49和滤膜支撑片50后用三个螺栓连接件51紧密的将第一钢管45和第二钢管46连接为一体。

所述不锈钢探针材质为439不锈钢，其直径为3.175mm,壁厚为0.125mm,在不锈钢探针中端上的取样微孔的直径为0.148mm。

下面以一实施例详细说明利用上述可模拟后喷策略对柴油机碳烟排放影响的燃烧系统的控制方法，本实施例中选择丙烷作为气体燃料，国五柴油作为液体燃料；如图1所示，空气源存储于两个空气气瓶中，氮气源存储于氮气气瓶，氦气源存储于氦气气瓶中，液氮源存储于液氮瓶中，该空气方法包括以下步骤：

首先，设定工况，第一空气流量计、氦气流量计、丙烷气体流量计、第二空气流量计、冷氮气流量计、氮气流量计和液体流量计的流速分别为26.5L/min、60L/min、0.68L/min、38.8L/min、30L/min、2.26L/min和52g/h。丙烷、空气、氦气和氮气的气源压力均为0.3MPa,加热带和液体蒸发器的温度分别设置为300℃和156℃，不锈钢探针在火焰中的取样高度为10mm,第一恒温水箱和第二恒温水箱的温度均设置为22℃，通过调节所述的位移台的位置是第二麦肯纳扩散燃烧器的火焰中心的水平投影与不锈钢探针上的取样微孔的水平投影重合。

然后，在取样器内装好取样滤膜，打开空气气瓶、氮气气瓶、液氮阀门和液体燃料蒸发器。

获得A组碳烟颗粒：点燃第二麦肯纳扩散燃烧器的燃烧气体；待燃烧气体稳定后，打开真空泵开关，在真空泵形成的压差作用下，使得第二麦肯纳扩散燃烧器火焰中的碳烟颗粒吸附在取样滤膜上，完成一次碳烟颗粒的取样过程，每次取样时间为5min；当到达取样时间后，关闭各流量计和真空泵及液体燃料蒸发器，结束取样；打开取样器取出吸附有碳烟颗粒的取样滤膜，放在一培养皿中，使得样品与空气隔离，避免空气中污染物对其造成影响；每完成一次碳烟颗粒取样过程后，调整位移台的高度，按照上述相同的方法依次实现在20mm、30mm、40mm、50mm和60mm处火焰高度取样，从而获得一组碳烟颗粒，记为A组碳烟颗粒。

获得B组碳烟颗粒：打开氦气气瓶、丙烷燃料气瓶和空气气瓶，点燃第一麦肯纳扩散燃烧器；待丙烷燃料气体稳定后，控制所述B路上的三通阀，将碳烟收集罩的出口端与粒径谱仪导通，实时监测燃烧器生成的碳烟颗粒的粒径分布，当丙烷燃料气体和空气的流速分别为0.68L/min、38.8L/min时，其所生成的碳烟颗粒的粒径分布与柴油尾气碳烟粒径分布的相差≤±10％，控制三通阀，将碳烟收集罩的出口端与所述第二麦肯纳燃烧器的进气总管导通，然后按照在第二扩散燃烧器火焰中的相同取样方法依次完成在火焰高度10mm、20mm、30mm、40mm、50mm和60mm处的取样，从而获得另一组碳烟颗粒，记为B组碳烟颗粒。

对A组碳烟颗粒和B组碳烟颗粒分别进行理化特性分析，包括X射线光电子能谱分析、傅里叶变换红外分析、热重分析和拉曼分析；分别将A组碳烟颗粒和B组碳烟颗粒中，在同一火焰高度下的碳烟颗粒的上述理化特性进行对比分析，从而模拟得出发动机后喷策略对发动机主喷生成碳烟颗粒的理化特性的影响。

本实用新型可模拟后喷策略对柴油机碳烟排放影响的燃烧系统，具有以下优点：

(1)将第一和第二两个麦肯纳扩散燃烧器有机结合可以实现后喷策略对柴油机碳烟排放特性的模拟；

(2)可以对第一麦肯纳扩散燃烧器火焰中生成的碳烟颗粒进行实时的检测，使得生成的碳烟颗粒与柴油机生成的碳烟颗粒具有相似的粒径分布；

(3)可以对火焰中的碳烟颗粒进行快速重复取样，进而可以实现需要样品量大的表征手段的分析。

综上，本实用新型将两个不同型号的麦肯纳扩散燃烧器有机结合，实现了后喷策略对柴油机碳烟排放特性影响的模拟研究，极大地简化了发动机内复杂的燃烧环境，进而可以更细致研究单一变量对其影响；本实用新型为后喷策略对柴油机碳烟排放特性影响模型的发展以及碳烟颗粒的形成机理提供了理论支持，也为防治大气环境污染提供了科学的依据。