摘 要

对火焰中碳烟颗粒的研究一直是燃烧领域的热点问题，因为碳氢化合物火焰高度复杂性，以及在高压环境中燃烧实验的操作难度大等原因，目前针对燃烧源中碳烟颗粒的实验主要还是在大气压条件下进行的。

为了在燃烧实验中给火焰营造稳定的高压环境，本文设计出了一个与同流火焰燃烧器相匹配的燃烧器高压腔体。以铸铁为主要制作材料，首先根据实验要求确定高压腔体的外形结构，包括以法兰盘，高透石英玻璃为组成部分的碳烟探测窗口，以齿形组合密封垫圈和底端法兰盘为主要组成部分的腔体底座等结构;再进一步通过计算确定高压腔体每个组成部分各零部件的尺寸。初步设计完成后，通过对比各种密封技术确定最佳的密封方案，保证高压腔体内压力稳定性，最终得到一个具体可行的燃烧器高压腔体的设计方案。

关键词：碳烟；燃烧器；高压腔体；密封；

Abstract

The study of soot particles in the combustion source has always been a hot spot in the combustion field. Because of the high complexity of the hydrocarbon flame and the difficulty of the combustion experiment in the high pressure environment, the present experiments on soot particles are mainly completed in atmospheric conditions.

In order to create a stable high-pressure environment for the flame in the combustion experiment, a burner high-pressure cavity is designed in this paper to match the same flow flame burner. The iron is the main material and according to the experimental requirements to determine the shape of the high-pressure cavity structure, including the flange, transparent quartz glass as a component of the smoke observation window, tooth-shaped combination of seals and the bottom of the flange as the main components of the cavity base and other structures, and then further by calculating the high-pressure cavity to determine the size of each component . When the design is completed, the paper will determine the best sealing scheme to ensure the pressure stability of the high pressure chamber by comparing the various sealing techniques , and ultimately get a specific design of the burner high-pressure cavity .

Key Words：soot；burner；high-pressure chamber；sealing；

目 录

摘要 3

Abstract 4

第1章 绪论 1

1.1研究背景 1

1.1.1燃烧源碳烟颗粒对环境的影响 1

1.1.2发动机中碳烟的形成与危害 2

1.2 研究目的 3

1.3 研究现状 4

1.4 本课题的主要研究内容 6

1.4.1 主要研究步骤 6

1.4.2 主要章节概览 6

第2章 燃烧器高压腔体的结构设计及尺寸计算 7

2.1燃烧器高压腔体的外形结构设计 7

2.1.1 概述 7

2.2碳烟测量窗口的设计 8

2.2.1 简介激光诱导白炽光技术LII 8

2.2.2 碳烟探测窗口的设计 10

2.3 高压腔体底座的设计与安装 13

2.4 本章小结 16

第3章 高压腔体的密封与碳烟探测窗口除烟技术 17

3.1高压腔体的密封 17

3.2高压腔体观察窗口除碳烟技术 19

3.3 本章小结 20

第4章 总结 22

4.1本文的主要研究成果 22

4.2 展望 22

参考文献 24

致 谢 25

附 录 26

附录A 燃烧器装配图 26

附录B 高压腔体装配图 27

附录C 高压腔体零件图 28

第1章 绪论

1.1研究背景

1.1.1燃烧源碳烟颗粒对环境的影响

当前，世界范围内的能源危机与环境恶化愈演愈烈，节能和减排已成为各国制定发展方针和政策所必须要考虑的重要问题。汽车及内燃机工业作为与交通、工业、农业和国防密切相关的产业，其发展的程度直接牵动着国家的命脉。因此，内燃机的节能减排是实现我国“可持续发展”战略的重要组成部分，深入开展内燃机替代燃料的开发及其燃烧的物理化学过程的研究、掌握燃烧污染物生成的机理是实现我国内燃机技术领域原始创新的核心和基础。PM2.5是造成近年来我国多地频频出现雾霾天气的最主要原因，而PM2.5主要来源之一是机动车尾气，而且主要是柴油机颗粒物（其中碳烟占50%—80%）。可见，雾霾天气与柴油机碳烟排放密切相关。而且，柴油机排放颗粒物对人类健康的威胁也很大。因此，随着全球柴油车保有量的迅速增加，以及公众对健康和环境变化关注度的日益提高，柴油机颗粒物的形成及排放控制已经成为国内外的研究热点。

在燃烧源的生成物中空气动力学直径小于10微米的颗粒物称为PM10，这种颗粒物可以通过口鼻进去人体呼吸道，因此又称为可吸入颗粒物，美国EPA和一些研究机构在上世纪八、九十年代进行了流行病学研究，发现PM10是城市中影响人类健康最重要的空气污染物，其浓度变化与住院病人数、急诊数、慢性病发病率、呼吸道疾病、死亡率及儿童发育等有较强的相关性。据统计，美国和英国每年因PM₁₀导致死亡的人数分别达到6万和1万人。中国预防医学科学院环境卫生工程研究所也进行了长期系统的研究，同样发现其与人类健康密切的相关性。许多国家已经制定了针对空气中PM10的防治标准。我国也建立了主要城市PM10的污染预报制度^[1]。

在众多可吸入颗粒物当中，碳烟颗粒是化石燃料燃烧过程中产生的主要颗粒物。碳烟颗粒是由不完全燃烧所产生，会导致能源利用率降低，成本增加。碳烟颗粒有较强的吸附性，可携带大量的有毒痕量元素。直径在0.01-0.1μm的颗粒及一次颗粒团聚体可以进入肺泡所含PAHs（多环芳烃）及所携带的重金属对人体健康有极大的危害^[1]。另外，碳烟颗粒悬浮在大气中的能力很强，一般在1个月左右，其表面的漫反射特性会使冰川吸收更多太阳光，从而加速融化，其光学特性还会造成温室效应从而影响天气甚至气候。所以，加强对燃烧过程中碳烟颗粒生成与控制的研究对保护环境和人体健康十分重要。

1.1.2发动机中碳烟的形成与危害

发动机碳烟是内燃机燃烧的一种常见副产品，由燃油的不完全燃烧引起。完全燃焼需要非常精益的空燃比，但一般情况下，混合燃油的数量偏多些，空气的